Evolutionäre Algorithmen finden Tragflügelprofile für Transversalantriebe von Seefahrzeugen

Evolutionäre Algorithmen benutzen das essentielle Vokabular der biologischen Evolution. Der Aufsatz behandelt die Anwendung eines Algorithmus zur Lokalen Suche auf einem synthetischen Qualitätsgelände. Das Grundschema einfachster Suchalgorithmen wird am Beispiel einer Evolutionsstrategie geklärt. Anwendung findet der Algorithmus bei der numerisch unterstützten Profilauswahl für eine fluidmechanisch wirksame Arbeitstragfläche eines muskelkraftgetriebenen Transversalantriebs, dem asiatischen„Yuloh".

1. Biologische und artifizielle Optimierung

Das biologische Leben auf unserem Planeten entstand in einer unermesslichen Vielfalt an Form, Gestalt und Funktion. Die Entwicklung der Lebewesen, ihre Anpassung an eine sich wandelnde Umgebung und letztlich die gegenseitige Wechselwirkung des „Außen" auf das „Innen" der Organismen, erfolgte und erfolgt in einem komplexen Zusammenspiel zeitlich und örtlich verschachtelter Entstehungs- und Entwicklungsprozesse. Evolution, Individual­entwicklung und das Agieren der Wesen in komplizierten Umgebungen spannen ein hoch­dimensionales, auf verschiedenen Prozessebenen ineinander verschränktes Szenario auf. Die Resultate der natürlichen Evolution, die Gepasstheit (fitness) biologischer Wesen und ihre bis an die Grenzen des physikalisch Möglichen optimierten Formen und Funktionen, sind das Motiv vieler Ingenieurwissenschaftler, die Mechanismen der biologischen Entwicklung als eine Methode zu verstehen, die auch zur Konditionierung künstlicher Systeme taugt.

Die Bionik untersucht die Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der biologischen Evolution mit dem Ziel, die analytische Beschreibung der evolutionsbiologischen Phänomene und ihre prozessualen Zusammenhänge für physikalische Modellbildungen verfügbar zu machen und zukünftige Technik in einer komplexer werdenden Welt ökologisch verträglich und ergänzend zu formulieren.

Evolution ist, auf einer abstrakten Ebene betrachtet, die Entwicklung der unbelebten und belebten Natur aus ihren innewohnenden Gesetzmäßigkeiten heraus. Als semantisches Grundschema der Evolution ist ein diskretes Repertoire Vokabular erkennbar. In diesem Sinne darf die biologische Evolution als eine Strategie verstanden werden, die im Laufe von Milliarden Jahren nicht nur die Form, Gestalt und Funktionen rezenter Lebewesen hervorgebracht, sondern auch sich selbst immer weiter optimiert hat.

Die Frage, welche der uns bekannten Mechanismen sowohl der biologischen Evolution als auch der und Individualentwicklung der Lebewesen zur Formulierung von Optimierungs­strategien für Artefakte (Objekte und Prozesse) beschrieben, genutzt und eingesetzt werden können, ist Gegenstand aktueller ingenieurwissenschaftlicher Diskussionen. Evolutionsstrategien (ES) und Genetische Algorithmen (GA), die bekanntesten Strategie­ansätze unter den Evolutionären Algorithmen (EA), arbeiten mit dem essentiellen Vokabular der biologischen Evolution. Strategieentwickler greifen auch Modellvorstellungen der genetischen Rekombination, der Populationsdynamik und andere Analogien zur biologischen Evolution auf [Rec-94][Sche-85][Schw-95].

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Evolutionäre Algorithmen wenden das biologische Evolutionsschema auf mathematisch modellierbare Optimierungsaufgaben an. In einem einfachsten Szenario werden zunächst Kopien eines artifiziellen Startsystems erstellt (Mutation). Zufällige Modifizierungen führen auf eine Schar von Varianten des Elter-Systems (Variation). MUTANTEN und ELTER bilden ein gemeinsames Selektionsensemble. In jeder Generation werden alle Variationen des aktuellen ELTER mittels einer Zielfunktion bewertet und die QUALITÄT aller Systeme ermittelt. Aus der Schar bewerteter Systeme wird ein neuer, aktueller ELTER für die folgende Generation erwählt: ELEKTION. Mit der VARIATION dieses Elter-Systems setzt sich die Kampagne fort. Auf diese Weise steigt die Qualität des Ensembles von GENERATION zu Generation, bzw. fällt nicht hinter die des aktuellen ELTER zurück. Evolutionäre Algorithmen, als lokale Suchverfahren für komplexe, hochdimensionale Qualitätenräume, untersuchen den Phänotyp eines Zielsystems und somit das „äußere Evolutionsgeschehen" [Kah91]. Der Code Evolutionärer Algorithmen ist sehr kompakt. Mit dem Grad der Nachahmung der biologischen Evolution nimmt die Güte der Optimierungsleistung der Algorithmen zu [Kos- 03] [Her-00] [Her-05].

Aktuelle Bemühungen der Weiterentwicklung von Optimierungsumgebungen für komplexe Aufgabenstellungen zielen auf die Kartierung des bereits in vorangegangenen Iterations­schritten untersuchten Qualitätsgeländes mit so genannten Sobol-Sequenze-Strategien [Curb01]. Das Arbeitsergebnis einer derartigen Kampagne ist ein komplexes Kennfeld der Qualitätenlandschaft, die in der Regel hochdimensional ist.

Insbesondere in der Fluidmechanik werden zunehmend robuste und universal einsetzbare Algorithmen zur Integration in komplexe Systementwicklungsumgebungen nachgefragt. Im Engineering sind dies heute die Strukturanalyse mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) und die computerunterstützte Strömungs-simulation (computational fluid dynamics, CFD) [Abt-03][Har-07][Bre-09][Kre-08]. Abhängig von speziellen Rand-, Neben und Anfangsbedingungen, lassen sich schlecht strukturierte Probleme in wohllösbare Opti­mierungsaufgaben verwandeln. In der Praxis hat sich hier die so genannte „lokale Suche" als ein leistungsstarkes Instrument etabliert. Als „lokal" werden Suchalgorithmen dann bezeichnet, wenn die von einer komplexen Qualitätsfunktion aufgespannte Topologie in einem begrenzten Gebiet um den aktuellen Arbeitspunkt herum untersucht wird. Lokale Suchalgorithmen sind robust, benötigen geringen strukturellen Aufwand und arbeiten schnell. Ihr Einsatzgebiet ist das hochdimensionale Qualitätsgelände nicht geschlossen beschreibbarer Funktionen. Der auf Iterationen basierende Kernmechanismus eines lokalen Suchalgorithmus ist die Ähnlichkeitsvariation der Objektvariablen V einer beliebigen Qualitätsfunktion. Die Variation AVg der Objektvariablen V ist komplementär zu ihrer Variablenvergangenheit Vg.

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Die Lokale Suche nutzt Eigenschaften einer (fluktuativen) Entwicklung des Systems hinsichtlich seiner Zustandseigenschaften über die Zeit. In fortschreitenden diskreten Intervallen (n) erhalten wir eine über das Qualitätsgelände der gestellten Optimierungs­aufgabe verlaufende Spur der Systemzustände, beschrieben durch den Vektor V der Objektvariablen in einer Ahnenfolge (Vg+1, Vg+2, Vg+3,usw.). Zu den leistungsfähigsten lokal arbeitenden Optimierungsstrategien gehören heute die Evolutionären Algorithmen: Genetische Algorithmen (GA) und Evolutionsstrategie (ES). Bei der Evolutionsstrategie wird die Ähnlichkeitsvariation AVg durch den mit der Variationsschrittweite ög dotierten Zufallszahlenvektor Z bestimmt:

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Zufällige Modifizierungen führen auf eine Schar von m Variationen AVm,g des Elter-Systems (Mutation). In jeder Generation n werden alle Variationen des aktuellen Elter (in bestimmten Strategien einschließlich dem Elter, siehe [Rec-94]) mittels einer Zielfunktion einer Bewertung unterzogen, die Qualität aller Systeme wird berechnet oder gemessen (Evaluation). MUTANTEN und ELTER, respektive ihre Qualitäten, bilden somit ein gemeinsames Selektionsensemble.

Der Variation kommt bei evolutionären Algorithmen eine besondere Bedeutung zu. In unserem Szenario sollen normalverteilt zufällige Variationen den Objektvariablen- Vektor des Nachkommen von dem des ELTER unterscheiden. Neben den Merkmalen des als ELTER der nächsten Generation bestellten Nachkommen wird ein Strategieparameter vererbt: die Variations-Schrittweite Ô. Sie ist in einfachen Evolutionsstrategien ein Skalar ög (globale Schrittweite) oder den Komponenten des Objektvariablen- Vektors Vm,g zugeordnet ô m,g (individuelle Schrittweite). Ein einfachster evolutionärer Algorithmus besteht wenigstens aus den formalen Elementen:

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Abb.Ol:

Fortschreiten der artifiziellen Evolution auf einem „zweidimensionalem" Qualitätengelände

Die Entwicklung evolutionärer Algorithmen wird heute aus unterschiedlichen Gründen vorangetrieben. In der Industrie bilden sie oftmals den prozessualen Kern einer Entwick­lungsumgebung für komplexe industrielle Produkte. Manchmal dienen evolutionäre Algorithmen der Forschung, indem sie Untersuchungskampagnen beschleunigen, oder gar erst ermöglichen. Immer jedoch sind sie nützlich, Erkenntnisbrücken zu schlagen: Von einem schlecht strukturiertem Problem, hin zu einer lösbaren Aufgabe. Mit evolutionären Algorithmen gelingt es beispielsweise in der hier beschriebenen Aufgabe, die unsichere Wissenslage über Gestalt und strömungsmechanische Funktionsweisen eines Sammlungs­objekts nach und nach durch Berechnungsergebnisse aus physikalischen Modellen zu verbessern.

2. Industrielle Produktentwicklung

In einem günstigen Fall initiieren Funktions- und Gestalthypothesen Untersuchungen der Gestalt, der Betriebs- und Handhabungsweise eines marinehistorischen Artefakts, aufgefunden in einer Museumssammlung. Evolutive Algorithmen können Teil einer Methodik sein, die dem „Transfer maritimer Technik aus Sammlungen in Zukunftstechnik für Seefahrzeuge" dient. So die Hoffnungen und so die Erwartungen. Weil davon ausgegangen werden muss, dass selbst ein aufgeweckter Mitteleuropäer mit dem Begriff „Yuloh" wenig anzufangen weiß, darf es in Kapitel 4 ein wenig Hintergrundinformation hierzu geben. Da unsere Betrachtungen auf konkrete Produkte zielen, führt das Kapitel 2 zunächst kurz in die Grundfragen der industriellen Produktentwicklung ein. Die Komponenten einer Gestalt­hypothese, wie sie auf der Basis archäologischer Informationen von Sammlungsobjekten hergeleitet werden kann, behandelt Kapitel 3. Am konkreten Beispiel der Variation eines potentiellen Yuloh-Profils wird dann das Arbeitsergebnis einer lokalen Suche mit Evolutionären Algorithmen angeführt.

Produktentwicklungsmethoden¹ betreffen Fragestellungen, mit denen die Informationen erarbeitet werden, die für das Konzept, den Entwurf und die Nutzung eines Produkts notwendig sind [PaBe-93]. Strategien, Methoden und Verfahren für die Entwicklung industrielle Produkte unter-scheiden sich nach Branchen, Art und Typ der Produkte, weisen aber gemeinsame Grundstrukturen auf. Ein übergeordneter Strategieparameter ist dabei die „Gestaltungsabsicht (Design Intent)", die den gesamten Produktentwicklungsprozess von der Ideenfindung, über den Entwurf, die Konstruktion und die industrielle Fertigung bis hinein in die Produktbetreuung am Markt klammert. Insbesondere in der traditionellen, über Jahre und Jahrzehnte ausentwickelten, industriellen Entwicklungspraxis sind Herangehensweisen von branchenspezifischen haus- und firmentradierten Individuallösungen gekennzeichnet: Problem orientierte Vorgehensweisen. Im englischsprachigen Raum werden außerdem gerne die am Produkt orientierten Entwicklungsszenarien von den Problemorientierten, wie sie Gegenstand der einschlägigen VDI-Richtlinien sind, unterschieden [Fren-99]. Gemeinsam ist den problemorientierten und produktorientierten Entwicklungsprozessen eine Vor­gehens-Grundstruktur mit den Elementen:

- Aufgabenbeschreibung und Definition der Entwicklungsziele
- Konzepterstellung
- Erarbeitung von (Produkt-) Entwürfen
- Konstruktion, im Sinne der Erstellung von Fertigungsunterlagen und darüber hinaus:
-Fertigung
- Vertrieb und Produktbetreuung am Markt.

Dabei schließt der Gestaltungsprozess sowohl praktische, als auch ästhetische Aspekte ein. Der Datenfluss in Produktentwicklungsprozessen wird von hochentwickelten Computer­systemen (Hard- und Software) erzeugt, geordnet und genutzt. Der Begriff „Computer Aided Engineering, CAE" fasst die Möglichkeiten der Computerunterstützung von Produktent­wicklungsprozessen zusammen. In unserem Zusammenhang seien einige Elemente des CAE genannt:

- Rechnerunterstützte Konstruktion (Computer Aided Design, CAD)
- Cave Automatic Virtual Environment (CAVE), 3D-virtuelle Darstellung und Wechsel­wirkung
- Mehrkörpersimulation (MKS)
- Mechanische Beanspruchung von Bauteilen und Baugruppen (Finite Element Methode, FEM)
- Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD)
- Fluid- Struktur- Wechselwirkung (Fluid Structure Interaction, FSI)
- Ein- und Ausbauuntersuchungen, Kollisionsprüfungen (Digital Mock-Up, DMU)

Zur Erstellung physikalischer Modelle und der Simulation der Bauteilwirklichkeit sind MKS, FEM, CFD und (auf Laborebene) FSI bereits etablierte Verfahren. In der verallgemeinerten Dramaturgie der methodischen Produkterstellung liefern dann erste Studien über kinematische Beziehungen zwischen Bauteilen Entscheidungsgrundlagen bei der Erstellung von konkurrierenden Konzepten.

3 Funktionale Würdigung von Artefakten aus Sammlungen.

Neben der Frage, wie moderne Ingenieure an altem Wissen partizipieren können, wie dieses Wissen uns gewahr wird und verfügbar, haben wir die Frage zu klären, ob es gelingen kann, die alte Technik und vielleicht sogar auch Technologien in „maritime Zukunftstauglichkeit" zu transferieren. Die nachfolgende Argumentation geht davon aus, dass eine - über den in der Archäologie übliche technische Beschreibung hinausgehende - Analyse des marine­historischen Artefakts stattfinden kann.

In den Jahrtausenden der Entwicklung „Werkzeug machender Wesen", in den 10.000 Jahren der technischen Evolution wurden sicher unzählige äußerst effiziente und Ressourcen schonende Gestaltungslösungen und Technologien hervorgebracht. Angesichts der in den Museen aller Welt dargestellten marinehistorischen Artefakte staunen wir über die Vielfalt früher Technik, über Techniken, Bauweisen und optimierte Funktionen, wir bewundern die von einer Einfachheit getragene Eleganz und die funktionale Gestalt archaischer Technik. Die Entwicklung von Methoden zum Transfer maritimer Technik aus Sammlungen in Zukunfts­technik für Seefahrzeuge arbeitet auf dem sehr schmalen Grat der Verbindung von Geschichtswissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften. Unsere Aufgabe soll sein, Bau- und Gestaltungsprinzipien künstlicher Systeme und Artefakte früher Kulturen zu entschlüs­seln, mit dem Ziel, diese auf moderne Maschinen oder Prozesse und insbesondere auf zukünftige maritime Technik zu übertragen. Die Betrachtung einzelner Ergebnisse der Analyse früher Technik legt den Schluss nahe, dass durchaus strategische Handlungsweisen existieren, die auch für eine Übertragung von „alten" Problemlösungen auf zukunftsfähige maritime Technik taugen mögen, jedoch hat, von wenigen Ausnahmefällen abgesehen, die Analyse früher Technik bisher kaum zu Produkten oder technischen Innovationen geführt.

Um zu untersuchen, wie Gebäude, Waffen, technisches Gerät ursprünglich ausgesehen hat, wie es hergestellt und wie es benutzt wurde, liefern Experimente mit maßstabsgetreuen Modellen manchmal erste Hinweise. Die experimentelle Archäologie versucht, das Wirken und Handeln, und das Agieren mit Artefakten im Alltagsleben unserer Vorfahren zu rekonstruieren. Vor dem Hintergrund der avisierten Übertragung „alten Wissens auf maritime Zukunftstechnik", fußen die Hoffnungen der Ingenieure und Designer auf der Ausentwicklung einer Methodik, die Funktionsimplikatoren, Technik- und Technologie­demonstratoren und in erster Linie computerexperimentelle Simulationen mit einbezieht, um die erstaunliche maritime Entwicklung mancher Kulturgesellschaften, insbesondere den frühen Boots- und Schiffbau zu erforschen.

Repliken und Rekonstruktionen von Wasserfahrzeugen und auch maßstabsgerechte Verkleinerungen sind ein guter erster Schritt, um Tragfähigkeit, Geschwindigkeit, Seever­halten, Handhabung und Takelung früher Seefahrzeuge zu „erfahren". Im Blickfeld der Schiffsarchäologen stehen der Arbeitsaufwand bei der Erstellung eines Seefahrzeugs, das handwerkliche Können und die Rohstoffnutzung. Forschung auf der Grundlage der experimentellen Archäologie bedeutet anhand von Funden, schriftlicher Überlieferung und ethnologischer Beobachtungen Artefakte nachzubilden, zu fertigen und sie experimentell anzuwenden mit dem Ziel, das gegenständliche Original und die Weise seines Gebrauchs so vollständig wie möglich zu imitieren und so Brauchbarkeit und Anwendbarkeit zu untersuchen.

Ein Arbeitsergebnis einer vorangestellten systematischen, archäologischen Analyse ist die „technische Beschreibung" eines Sammlungsobjekts. Sie sollte wenigstens benennen:

- das technische Gebiet, zu dem der Artefakt gehört.
- der bekannte Stand der Technik, der für das Verständnis der Funktion des Artefakten in Betracht kommen kann.
- das der Funktion des Artefakten zugrunde liegende Problem, insbesondere dann, wenn es zum Verständnis der Funktion des Artefakten unentbehrlich ist.
- in welcher Weise der Artefakt anwendbar ist, wenn es sich aus der Art des Artefakten nicht offensichtlich ergibt.
- vorteilhafte Wirkungen der Funktion des Artefakten unter Bezugnahme auf den Stand derTechnik;
- wenigstens ein Weg zum Herstellen des Artefakten.

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Abb.02: Einflußgrößen auf eine Gestalthyphotherse

Der Dialog mit Historikern und Archäologen führt auf ein breit gefächertes Informations­gemenge, auf Fakten, Extrapolationen und semiotischen Beziehungen, bis hin zu Spekulationen und Vermutungen. Ingenieure oder Designer haben nun die Aufgabe und Absicht, aus all diesen Informationen eine tragfähige „Gestalthypothese" zu entwickeln. Betrachten wir nun zunächst weitere Arbeitsergebnisse der systematischen archäologischen Analyse:

Ergologische Analyse. Analysefragen hinsichtlich der Form und Anwendung des Artefakten. Welche Kulturgesellschaft? Welche spezifischen Technologien der Kulturgesellschaft kamen zur Anwendung? Welche Gerätschaften und welche Werkzeuge wurden verwendet? Wie wurden Gerätschaften und Werkzeuge verwendet?

Typographische Analyse. Klassifikation des Artefakten nach den Kriterien Form und Material. Typographische Analyse als Grundlage für Kombinationsanalysen und Verbreitungsanalysen. Kombination der relativchronologischen Datierung und der sozio- ökonomischen Einordnung.

Prospektion und Altersanalyse. Die archäologischen Stätten in einem bestimmten Gebiet werden erkundet und erfasst. Die Altersbestimmung der archäologischen Funde mit relative und absolute Datierungsmethoden.

Materialbestimmungen. Moderne naturwissenschaftliche Techniken werden eingesetzt: Bildgebende Verfahren, Mikroskopie, Infrarot- und Ultraschallaufnahmen, Röntgen, chemische Analysen, Spektralanalysen und Laserscans.

Interpretation. Die Methoden der Interpretation sind in der Regel eher geistes­wissenschaftlich. Der Analogieschluss (eher bei prähistorischer Archäologie) und der Vergleich mit Informationen aus anderen Quellen, schriftlicher oder bildlicher Überlieferung (eher bei klassischer Archäologie oder Archäologie des Mittelalters).

Absoluter und relativer Stand der Technik. Als Stand der Technik gelten alle Kenntnisse, die der Kulturgesellschaft zugänglich gewesen sein konnten. Heikel ist die Frage, ob der Artefakt für die Kulturgesellschaft neu ist, die Qualität einer Erfindung hat oder einer Erfindung folgt. Öffentlichkeit durch schriftliche oder mündliche Beschreibung, durch Benutzung oder in sonstiger Weise zugänglich gemacht worden ist.

Neuheit, Erfindung und Entdeckung. Ein Artefakt sollte als „Neuheit" gelten, wenn er nicht zum bisherigen Stand der Technik und Entwicklung der Kulturgesellschaft gehört. Erfindung und Entdeckung werden oft verwechselt. Entdeckt wird etwas Unbekanntes aber bereits Vorhandenes, das lediglich aufgefunden wird. Im Gegensatz dazu betrifft eine Erfindung stets etwas, was bisher nicht da gewesen ist, wobei aber oft ein Zusammenhang mit etwas bereits Bekanntem besteht. Erfindungen sind Artefakte, die auf einer erfinderischer Tätigkeit beruhen, anwendbar und technisch nutzbar sind. Bei der Einordnung des Artefakten ist zu hinterfragen, ob er auf einer erfinderischen Tätigkeit beruhte. Es reicht dabei nicht aus, dass der Artefakt der Kulturgesellschaft (die ihn hervorbringt) unbekannt ist und ihr „neu" erscheint. Die erfinderische Tätigkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass sie nicht in nahe liegender Weise aus dem Stand der Technik hervorgeht.

Hilfreich in diesem Zusammenhang ist die Frage nach der Emergenz, dem Auftauchen neuer Qualitäten, mit einem Artefakten. Artefakte können selbst emergent sein, wenn sie Wissen des Stands der Technik einer Kulturgesellschaft in einer neuartigen Weise kombinieren. Erfinderische Höhe und Emergenz sind nicht in einfacher Weise zu quantifizieren. Ein Artefakt besitzt erfinderische Höhe, wenn seine Anfertigung auf einer technischen Lehre beruht, die sich für den Fachmann nicht in nahe liegender Weise aus dem Stand der Technik dieser Kulturgesellschaft ergibt. Das Wissen einer Kulturgesellschaft über Technologien ist die Gesamtheit aller „Lehren zum technischen Handeln". Eine technische Lehre ist gekennzeichnet durch planmäßiges Handeln, durch den Einsatz beherrschbarer Naturkräfte, mit dem Ziel eines kausal erzielbaren Erfolges. Sie soll Handlungsschritte benennen, die lückenlos sind in dem Sinne, dass es nicht erforderlich ist, menschliche Verstandestätigkeit dazwischenzuschalten.

Technizität und technischer Fortschritt. Neben der Neuheit eines Artefakten zu einem bestimmten (Entwicklungs-) Zeitpunkt und erfinderischen Höhe vor dem Hintergrund des Stands der Technik der Kulturgesellschaft ist der „technische Charakter" des Artefakten von Bedeutung und wird als Kriterium für Innovationen verwendet. Der technische Charakter eines Artefakten wird quantifizierbar über den „Vergleich des Artefakten mit" dem Stand der Technik der Kulturgesellschaft und seiner „Beziehung zum" Stand der Technik. Technizität impliziert und setzt voraus, dass eine technische Lehre zum „planmäßigen Handeln unter Einsatz beherrschbarer Naturkräfte und zur Erreichung eines kausal übersehbaren Erfolgs" existiert (siehe oben). Unter technischem Fortschritt versteht man die qualitativen und quantitativen Verbesserungen der technischen Ausgangslage einer Kulturgesellschaft zu einem bestimmten Entwicklungszeitpunkt. Technischer Fortschritt ist die Gesamtheit aller technischen Innovationen einer Kulturgesellschaft. Zur Quantifizierung des technischen Fortschritts: Aus heutiger Sicht kann durch technischen Fortschritt entweder eine gleiche Produktionsmenge (Output) mit einem geringeren Einsatz an Arbeit oder Produktionsmitteln (Input) erstellt werden oder eine höhere Menge mit dem gleichen Einsatz an Produktionsmitteln und Arbeit. Der technische Fortschritt hat auch kulturelle und soziale Auswirkungen und kann zu Strukturwandel führen. Hierzu ist aber der (möglichst gesamte) Stand der Technik und der Wissenschaft der untersuchten Kulturgesellschaft zu kontextuieren.

Gestalt- und Funktionshypothese. Die unterschiedlichen, mit einander verzahnten und komplex mit einander verschränkten Informationen und Arbeitsergebnisse der Teilanalysen über ein Sammlungsobjekt können nun zu einer Gestalthypothese zusammengeführt werden. Gestalt- und Funktionshypothesen arbeiten in der vollendeten Vergangenheit und fragen nicht „ wie könnte es gewesen sein?" (Könntei gewesen2 sein: it may have been. Konjunktiv II1 + Partizip II2), sondern behaupten: „es war gewesen". Die Gestalthypothese ist von einer Art, die sie extrem leicht angreifbar macht, aber: das macht sie (mir) eher sympathisch. Gestalt- und Funktionshypothesen polarisieren und werden entweder bestätigt, oder widerlegt und in diesem Fall dann vernünftigerweise verworfen.

Die Methoden und Verfahren mit denen eine Gestalt- und Funktionshypothese zu bestätigen oder zu widerlegen ist, haben wir in den oberen Kapiteln schon (implizit) benannt. Vielleicht stellen wir die Frage noch einmal aus der Sicht der Ingenieure und Designer. Bei der ingenieurwissenschaftlichen Entwicklung industrieller Produkte kommt „Berechnungen" eine bedeutende Rolle zu. Ingenieure rechnen immerzu. Wenn wir die Gesamtheit aller Berechnungen, Modellierungen, Simulationen über einen typischen Designerarbeitstag, ein Entwicklungsprojekt oder gar ein Ingenieursleben dahingehend untersuchen, warum dieser Mensch eigentlich laufend rechnet, modelliert und simuliert, kommen wir zu einem erstaunlichen, unerwarteten Ergebnis. Berechnungen dienen typischerweise und nahezu ausschließlich der „Gestaltfindung". Auch Berechnungen, die die funktionalen Zusammen­hänge in, um und an einem Artefakten erkunden, die Festigkeit von Bauteilen ermitteln, das Verhalten in einem Zustand der Umströmung beschreiben dienen dazu, eine Gestalt, eine vielleicht „gute Form" zu finden. Das Gestalten selbst bindet, fordert und erfordert die

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¹ Kapitel 2 ist verkürzt aber sinngemäß übernommen aus der vorangegangenen Veröffentlichung des Autors: Computergestützte Vorgehensweisen der Übertragung biologischer Phänomene in Technik. In: Joachim Villwock (Hrsg.) Methoden des Fortschritts. Shaker Verlag Aachen (2O14), ISBN: 978-3-844O-2932-1; ISSN: 2199-515X.