Der erste "KI-Ingenieur" der Welt kommt aus Stuttgart

Ein Forschungsteam des Exzellenzclusters SimTech sowie der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der Universität Stuttgart unter Leitung von Dr. Xu Chu hat einen KI-gestützten technischen Assistenten entwickelt, der in der Lage ist, selbstständig Simulations- und Analyseaufgaben in der Strömungsmechanik durchzuführen. Dieser "KI-Ingenieur" gilt als einer der ersten KI-gestützten technischen Systeme, das selbständig komplexe Simulationsaufgaben lösen kann. Der "KI-Ingenieur" basiert auf einem Multi-Agenten-System und dem frei verfügbaren Softwarepaket OpenFOAM ®, das zur Simulation von Strömungsproblemen eingesetzt werden kann. Die KI verfasst auch selbstständig wissenschaftliche Artikel, ohne dass ein Mensch eingreifen muss.

Der "KI-Ingenieur" besteht aus vier sogenannten KI-Agenten, die zusammenarbeiten und sich ergänzen, um komplizierte Aufgaben zu lösen. Ein KI-Agent wiederum ist ein Software-System, das logisch „denken“ kann, das lernt oder Entscheidungen trifft und viele Informationen aus Texten, Videos oder Bildern gleichzeitig verarbeiten kann. Im "KI-Ingenieur" ist zudem ein Large Language Model integriert, ein großes Sprachmodell, das Texte generiert – außerdem die frei verfügbare Software OpenFOAM®, die Simulationen aus der numerischen Strömungsmechanik durchführt. „Unser 'KI-Ingenieur' arbeitet sehr gründlich und zuverlässig, eben wie ein schwäbischer Ingenieur“, sagt Privatdozent Dr.-Ing. Xu Chu, der seit rund 20 Jahren im „Ländle“ lebt und die Mentalität deshalb gut kennt. Er ist mit seinem Team der Urheber des "KI-Ingenieurs".

Vier Agenten teilen sich die Aufgaben des "KI-Ingenieurs": Der Vorarbeiter (Preprocessing Agent) analysiert die Anfragen der Benutzer*innen und leitet sie, je nach Komplexität, weiter. Der Promptersteller (Prompt Generate Agent) formuliert Anweisungen, die er in einen Prompt-Pool gibt. Der Interpret interpretiert die Prompts, erzeugt automatisch die Konfiguration der Simulation und startet sie. Und der Nacharbeit-Agent (Postprocessing Agent) analysiert die Simulationsergebnisse, erstellt Vergleichsdiagramme und Schaubilder.

Um die Zuverlässigkeit des "KI-Ingenieurs" zu überprüfen, haben die Wissenschaftler*innen verschiedene Experimente durchgeführt. Sie wählten fünf Fallstudien aus, die ein breites Spektrum an Aufgaben der numerischen Strömungsmechanik abdecken. Das reichte von einem einfachen Beispiel, das die Strömung einer viskosen Flüssigkeit durch einen geraden Kanal unter einem Druckgefälle beschreibt, über eine mehrphasige Strömung in porösen Medien, wie sie bei Drainagevorgängen zum Beispiel in der Erdöltechnik vorkommt, bis hin zur Simulation von turbulenten Strömungen in der Aerodynamik eines Motorrads bei verschiedenen Geschwindigkeiten.

Da die Reproduzierbarkeit ein Gradmesser für die Zuverlässigkeit ist, wurden die Simulationen teilweise bis zu hundertmal durchgeführt und jedes Mal war das Ergebnis gleich. „Das hat uns selbst überrascht und auch ein bisschen erschreckt“, erzählt Chu. „Wenn ich beispielsweise ein Bild von mir in ChatGPT hochlade und zehnmal frage, ob ich gut darauf aussehe, erhalte ich zehn verschiedene Antworten. Das geht bei Ingenieursfragestellungen natürlich nicht“, sagt er. „Mein Team und ich konnten so manche Nacht nicht mehr gut schlafen, weil wir gesehen haben, was es bedeutet, wenn das System so zuverlässig arbeitet.“ Das könne eine Revolution werden, wir werden Zugang zu unbegrenzten intellektuellen Ressourcen haben, meint Chu weiter.

Xu Chu ist noch einen Schritt weiter gegangen und hat zusätzliche Agenten integriert, die wissenschaftliche Bücher und Publikationen „lesen“, neue Forschungsideen entwickeln, die Ergebnisse des "KI-Ingenieurs" analysieren und anschließend wissenschaftliche Manuskripte verfassen, völlig autonom. Er nennt das System „Turbulence.ai“, es ist der weltweit erste KI-Wissenschaftler im Bereich der Strömungsmechanik. Er stellt Hypothesen auf und formuliert sie, plant Simulationen und prüft sie auf Neuigkeitsgehalt und Machbarkeit, korrigiert Fehler, bereitet die Ergebnisse visuell auf und schreibt schließlich einen vollständigen wissenschaftlichen Artikel. Das erste Manuskript über zweiphasige Verdrängungsprozesse in porösen Medien ist bereits fertig. „Da die Strömungsmechanik ein Forschungsfeld mit zahlreichen unbeantworteten Fragen ist, könnte der KI-Wissenschaftler die Wissenschaft damit unendlich bereichern“, ergänzt Chu.

Xu Chu stammt aus China und lebt seit rund 20 Jahren in Stuttgart. Er hat an der Tongji University in Shanghai ein Bachelorstudium in Fahrzeugtechnik absolviert. Da er unbedingt in Deutschland den Dipl.-Ing.-Titel erwerben wollte, der für hohe Qualität und Zuverlässigkeit steht, studierte er an der Universität Stuttgart Fahrzeugtechnik. Anschließend promovierte er im Bereich Maschinenbau und Energietechnik, ebenfalls an der Universität Stuttgart. Er forschte im DISS-Projekt, als Juniorgruppenleiter am Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt und als Habilitand bei SimTech im Projektnetzwerk PN1. Seit Mai 2024 ist er Senior Lecturer an der Universität Exeter in England und habilitierte im Januar 2025 an der Universität Stuttgart.