26.07.2017

Wie mit Big Data das Bienensterben verhindert werden soll

Das Startup „Beeand.me“ aus Montenegro hat ein Monitoring-System für Bienenstöcke entwickelt. Mithilfe von Big-Data-Analysen wollen die Jungunternehmer Bienen besser verstehen, die Ursachen für das Bienensterben finden und Imkern die Arbeit erleichtern.
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(c) Foto: Fotolia

Es sollte lediglich eine kleine Hilfestellung für den Großvater von Elma Hot werden, einen Imker aus Montenegro. Alle zehn Tage verbrachte er viele Stunden in den montenegrinischen Bergen, um zu sehen, ob es seinen Bienen auch gut gehe. Die Idee, den Großvater etwas zu entlasten, war der Anfang für Beeand.me. Die Softwarespezialistin Elma Hot begann 2015 gemeinsam mit dem Hardware-Entwickler und Doktoranden Alija Dervic, ein Monitoring-System zu entwickeln, das Imkern dabei helfen soll, einen besseren Überblick über die Vorgänge in ihren Bienenstöcken zu erhalten. Dass diese Big-Data-Lösung wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse über das Verhalten von Bienen und auch das Bienensterben liefern kann, wurde ihnen erst später bewusst.

Überall abrufbar

Mittels einer schmalbandigen Funktechnik namens Narrowband Internet of Things (NB-IoT) sammelt das System relevante Daten, speichert sie in der Cloud und der Imker kann sie jederzeit via SMS, Smartphone oder Webbrowser abrufen. In jedem Bienenstock befindet sich eine mit zahlreichen Sensoren ausgestattete Monitoring-Station. „Wir messen die Feuchtigkeit, Temperatur, das Gewicht und die Geräuschkulisse im Bienenstock – unser Tool ist sozusagen ein Babyphon für Bienen“, erklärt Elma Hot. Anhand der vier Komponenten lässt sich sehr gut eruieren, wie es den Bienen geht. Der Geräuschpegel gibt Auskunft über den Gesundheitszustand der Insekten. Wird es lauter oder leiser im Bienenstock, heißt das, dass mit dem Volk etwas nicht stimmt.Die Temperatur im Stock wiederum lässt Rückschlüsse auf die Aktivität der Bienen zu: Ist sie höher, sind die Insekten fleißiger und der Bienenstock wird schwerer, da sie mehr Honig produzieren. Die NB-IoT-Netzwerktechnologie eignet sich hier sehr gut, da die Reichweite größer ist als bei gewöhnlichen Handynetzwerken. „Die Robustheit und die lange Akkulaufzeit kombiniert mit einem wettbewerbsfähigen Preis spielen eine essenzielle Rolle für uns“, ergänzt Hot.

Unbekannte Ursache

„Wenn die Biene einmal von der Erde verschwindet, hat der Mensch nur noch vier Jahre zu leben“ – ob Albert Einstein das wirklich gesagt hat, ist ungeklärt – ebenso die Gründe für das drastische Bienensterben. „Wir wissen nicht, warum Bienen sterben. Pestizide, elektromagnetische Wellen oder Signale – all diese Faktoren kommen infrage, vielleicht sind es aber auch ganz andere Gründe. Mit gezieltem Data-Mining erhoffen wir uns, bald mehr über die Gründe für das Sterben der Tiere zu wissen“, sagt Beeand.me-Gründerin Hot. Gemeinsam mit Experten sollen künftig die Daten ausgewertet werden, in der Hoffnung, Muster und Zusammenhänge zwischen dem Sterben von Bienenvölkern und Umwelteinflüssen zu entdecken. Dazu werden sogenannte Heat Maps erstellt, die zeigen sollen, an welchen Orten es mit größerer Wahrscheinlichkeit zum Bienensterben kommt. Gut steht es jedenfalls nicht um die Bienen: Beispielsweise starb in den USA während der vergangenen drei Jahre die Hälfte der dort lebenden Bienen. In China sind Menschen teilweise schon jetzt dazu gezwungen, Pflanzen händisch zu bestäuben, und in manchen Ländern wird bereits an der Entwicklung von Roboterbienen gearbeitet. Die Menschheit sei aber noch nicht bereit für Roboterbienen oder Ähnliches, wir müssten etwas gegen das Bienensterben unternehmen, meint Alija Dervic besorgt. Immerhin sind Bienen auch ein wichtiger Faktor in der landwirtschaftlichen Wertschöpfung, sie bestäuben 80 Prozent unserer Nutz- und Wildpflanzen.

In Montenegro leben rund 620.000 Menschen. Beeand.me ist überhaupt erst das dritte Software-Startup des Landes „In Österreich haben wir viele Möglichkeiten und viele potenzielle Partner“, sagt Hot. Sozusagen als Pilotprojekt hat Beeand.me kostenlos 50 Geräte an Imker in ganz Österreich verteilt – einerseits, um Feedback zum Produkt zu bekommen, andererseits, um die ersten Daten zu sammeln. „Wir müssen noch die optimalen Algorithmen entwickeln. Eine volle Datenbank ohne die richtigen Informationen und das entsprechende Data-Mining ist nutzlos“, erklärt die 24-Jährige, deren Masterarbeit von Data-Mining handelt. Aus einer kleinen Idee hat sich für Beeand.me ein ambitioniertes Projekt entwickelt: „Wir wollen den Imkern, den Bienen und schlussendlich auch der Menschheit helfen.“

Verkaufsstart 2018

Der offizielle Rollout des Startups soll im kommenden Jahr erfolgen. Die Kosten für das Ausrüsten eines Bienenstocks werden bei etwa 700 Euro starten, allerdings gibt es von der Europäischen Union eine Förderung in Höhe von 43 Prozent, wodurch sich die Kosten auf gut 400 Euro belaufen. Den Gründern zufolge sollen sich die Anschaffungskosten nach fünf Jahren amortisiert haben. Attraktiv ist Beeand.me nicht nur für Imker am Land: An vielen prominenten Plätzen wie etwa dem Dach des Wiener Rathauses (seit 2012) sind Bienen angesiedelt, auch auf Dächern von großen Firmen, Hotels oder Casinos werden Bienenstöcke immer beliebter. Wer den urbanen Bereich grüner gestalten möchte, liegt mit Bienen voll im Trend. Außerdem sind die Insekten gut fürs Image.

Jeden Bienenstock jederzeit und unabhängig von dessen Standort überwachen zu können bedeutet Zeit- und Kostenersparnis für jeden Imker. „Wir rechnen damit, dass ein Imker 25 Prozent mehr Bienenstöcke betreuen kann, was wiederum zu einer Gewinnsteigerung von 25 Prozent führt“, erklärt Martin Bittner, Business Angel von Beeand.me. Ein Bienenvolk produziert pro Stock zwischen 20 und 30 Kilogramm Honig pro Jahr. In einem Bienenstock leben in der Regel 50.000 bis 70.000 Bienen. Die Insekten legen etwa 100.000 Kilometer zurück, um ein Kilogramm Honig zu produzieren, und besuchen dafür zwischen ein und sechs Millionen Blüten.

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Loïc Roch, Mitgründer und CTO von Atinary, in den SwissCAT+-Laboren am Campus Hönggerberg | (c) Martin Pacher

Wer auf den Hönggerberg im Norden Zürichs fährt, lässt die Stadt hinter sich. Der zweite Campus der ETH, entstanden ab 1961, liegt in ländlicher Umgebung, hier sind unter anderem die Departemente für Chemie, Physik und Materialwissenschaft zu Hause. Und hier, in den SwissCAT+-Laboren der Hochschule, lässt sich derzeit besichtigen, wie Forschung aussehen könnte, wenn nicht mehr der Mensch jeden einzelnen Handgriff macht.

In diesen Laboren übernehmen Roboter die Arbeit, die sonst Forschende beschäftigt: Sie hantieren mit Flüssigkeiten und Pulvern, bereiten Proben vor, testen sie und messen laufend die Ergebnisse. Das Bemerkenswerte daran ist aber nicht die Automatisierung selbst, sondern wer die Versuche plant: eine Künstliche Intelligenz. Die Software stammt vom Startup Atinary, das an der ETH keinen eigenen Standort hat, sondern mit der Technologieplattform SwissCAT+ zusammenarbeitet. Sie schlägt vor, welches Experiment als nächstes sinnvoll ist, lernt aus jedem Ergebnis und berechnet daraus den nächsten Schritt. Dieser Kreislauf läuft rund um die Uhr, ohne dass ein Mensch eingreifen muss.

„Ein Labor ist eine große Küche“

Wie soll man sich das vorstellen? Loïc Roch, Mitgründer und CTO von Atinary, greift im Gespräch mit brutkasten zu einem Alltagsbild: „Am Ende ist ein Labor eine große Küche. Wir liefern die Rezepte. Wir nutzen KI, um Rezepte zu erzeugen, die dann im Labor getestet werden.“ Das Ziel: möglichst schnell zum besten Rezept kommen. Denn jeder einzelne Versuch kostet Zeit, Material und Geld. Wer statt tausender Versuche nur ein paar Dutzend braucht, spart enorm.

Genau darauf ist die Software ausgelegt. Statt sich blind durch unzählige mögliche Kombinationen zu probieren, lernt das System mit jedem Experiment dazu und empfiehlt gezielt die vielversprechendsten nächsten Schritte. „Self-Driving Labs“ nennt Atinary das Prinzip, selbstfahrende Labore. Den Begriff hat sich das 2019 gegründete Unternehmen sogar markenrechtlich schützen lassen.

Loïc Roch, Co-founder und CTO von Atinary | (c) Martin Pacher / brutkasten

Den Bedarf für solche Werkzeuge begründet Roch mit einem unbequemen Befund: Forschung wird immer teurer und langsamer, es braucht immer mehr Zeit und Geld, bis Neues gefunden ist. Dazu kommt eine handfeste Vertrauenskrise: Roch verweist auf eine vielzitierte Befragung von rund 1.500 Forschenden, wonach ein Großteil daran scheitert, Experimente zu wiederholen, in der Chemie sind die Quoten besonders hoch. Das ist nicht nur für die Wissenschaft ein Problem: Ohne verlässliche Daten lässt sich auch keine verlässliche KI trainieren.

100 Jahre Forschung in sechs Wochen

Was das System kann, zeigt das Vorzeigeprojekt direkt vor Ort. Gemeinsam mit dem SwissCAT+-Team suchte Atinary nach dem besten Katalysator, also jenem Hilfsstoff, mit dem sich das Treibhausgas CO₂ in Methanol umwandeln lässt, einen Ausgangsstoff für nachhaltige Treibstoffe. Laut Atinary kamen dafür mehr als 20 Millionen mögliche Kombinationen infrage. Das Ergebnis wurde in einem Fachjournal publiziert: In sechs Wochen wurden 144 Katalysator-Kandidaten hergestellt und getestet, mit minimalem menschlichem Zutun. Die Zahl, mit der Atinary seither wirbt, ist eindrucksvoll: eine 1000-fache Beschleunigung, umgerechnet 100 Jahre Katalyse-Forschung in nur sechs Wochen. SwissCAT+-Chef Paco Laveille, der die Umsetzung an der ETH verantwortet, bestätigt beim Besuch die Größenordnung: von Jahren an Forschung hinunter zu Wochen.

(c) Martin Pacher / brutkasten

Beim konkreten Nutzen für Firmenkunden hält sich Roch hingegen zurück, aus einem strukturellen Grund: „Wir sind ein Dienstleister. Wir sehen den generierten Mehrwert nicht, und die Kunden wollen ihn nicht teilen.“ Das habe auch mit Sicherheitsanforderungen zu tun, ergänzt das Unternehmen: Angaben zum erzielten Return on Investment erhalte Atinary dann, wenn Kunden sie von sich aus teilen — teils münde das in gemeinsame Publikationen.

Die einzige konkrete Zahl, die er im Gespräch nennt, stammt aus einer gemeinsamen Publikation mit dem Aromen- und Duftstoffkonzern dsm-firmenich: Dort konnte der Einsatz eines teuren Edelmetalls so stark reduziert werden, dass dessen Kostenanteil um rund 95 Prozent sank. Es sei nicht die einzige gemeinsame Veröffentlichung mit Kunden, betont das Unternehmen — weitere gebe es etwa mit dem Pharmakonzern Takeda.

(c) Martin Pacher / brutkasten

Auch ein aktueller gemeinsamer Blogbeitrag von AWS und Atinary liefert Anhaltspunkte. Ein Manager von Takeda wird dort mit der Aussage zitiert, eine Optimierung habe mit dem selbstfahrenden Ansatz rund eine Woche gedauert, verglichen mit ein bis zwei Monaten auf dem herkömmlichen Weg. Am MIT wiederum löste ein Forschungsteam mit der Software eine knifflige Aufgabe aus der Solarzellenforschung in nur 25 Versuchen, innerhalb einer strikten Frist von vier Wochen. Und über das eigene Labor, das Atinary heuer in Boston eröffnet hat, heißt es: Es erzeuge in einer Woche mehr Versuchsdaten, als ein Doktorand in fünf Jahren produziert.

Bezahlter Pilot, Lizenz pro Arbeitsplatz

Wirtschaftlich steht Atinary noch am Anfang. Das Unternehmen befindet sich in der Seed-Phase, öffentlich auffindbar sind laut Roch rund zehn Millionen an bisheriger Finanzierung, eingesammelt über Venture Capital, Family Offices und Förderungen. Als Nächstes peilt er eine Series A an. Das Wachstumskapital dafür werde voraussichtlich aus den USA kommen: „Der Ansatz ist in Europa und den USA sehr unterschiedlich.“

Paco Laveille, Managing Director, SwissCAT+ East, ETH Zurich | (c) Martin Pacher / brutkasten

Verdient wird über Software-Lizenzen, abgerechnet pro Arbeitsplatz. Am Anfang steht ein dreimonatiger, bewusst kostenpflichtiger Testlauf. „Wenn der Pilot nicht bezahlt ist, stecken die Kunden nicht die Ressourcen hinein, um ihn richtig zu testen“, sagt Roch. Dass er mit diesem Modell Geld liegen lässt, räumt er offen ein: Eine Beteiligung am geschaffenen Wert wäre lukrativer, scheitert aber daran, dass die Kunden diesen Wert eben nicht offenlegen.

Die Kundschaft kommt bisher vor allem aus der Pharmabranche, die laut Roch am ehesten bereit ist, Neues zu riskieren; der Rest der Industrie folge dann. Einsatzfelder gibt es aber quer durch: Lebensmittel, Duftstoffe, Materialforschung, grüne Energie, und gemeinsam mit Stanford sogar Zelltherapien gegen Krebs. Umsatz machen vor allem Konzerne. Mit Universitäten arbeitet Atinary eng zusammen, weil sich dort Ergebnisse veröffentlichen lassen, sie werden so zu Botschaftern der Technologie. Auch KMU zählen zu den Kunden, das jüngste sei erst vor wenigen Tagen dazugekommen. Die Arbeitsteilung im Unternehmen: Das Entwicklerteam sitzt bei Roch in Lausanne, das eigene Labor steht in Boston, dort, wo die großen Pharma-Forschungszentren angesiedelt sind.

„Fast jeden zweiten Tag ein neues Startup“

Beim Thema Konkurrenz wird Roch deutlich: Der Bereich „AI for Science“ ziehe derzeit massiv Gründungen an, fast jeden zweiten Tag komme ein neues Startup dazu. Gefährlich sei daran vor allem eines: Mit den heutigen KI-Werkzeugen lasse sich sehr schnell ein beeindruckender Prototyp bauen, der Kunden begeistert. „Unter der Haube ist das aber kein produktionsreifer Code, der bei einem Großunternehmen laufen kann.“ Atinary sieht er im Vorteil, weil man seit 2019 das gesamte Paket aufgebaut habe: die Anbindung an die Laborgeräte, das eigene KI-Training, die Anwendungen und die wissenschaftliche Glaubwürdigkeit durch den eigenen Beirat. Dazu kommt laut Unternehmen ein Netzwerk an Technologiepartnern, darunter AWS, ABB Robotics, Agilent, Bruker, Chemspeed und Mettler-Toledo. Im wissenschaftlichen Beirat sitzt unter anderem der MIT-Chemiker Stephen Buchwald — im Bostoner Labor optimiert Atinary nach eigenen Angaben ausgerechnet die nach ihm benannte Buchwald-Hartwig-Reaktion.

(c) Martin Pacher / brutkasten

Zugleich beobachtet er seit heuer einen Umschwung im Markt: Kunden dächten zunehmend in einer Wettlauf-Logik. Wer die Technologie nicht als Erster einsetze, riskiere, dass es die Konkurrenz tut. Und wenn diese in Wochen schafft, wofür man selbst Jahre braucht, sei der Rückstand kaum aufzuholen.

Die größte Hürde ist der Mensch

Und was bremst die Verbreitung? Nicht die Technik, sagt Roch, sondern der Mensch. „Der Wissenschaftler im Labor ist oft seit 15, 20 Jahren dort. Wenn man ihm sagt: Wir können deine Forschung um den Faktor zehn oder hundert beschleunigen, sagt er: Nein. Ich kenne mein Fach besser als irgendein Algorithmus.“ Es sei dabei weniger mangelndes Vertrauen, die Technologie werde schlicht als Bedrohung für den eigenen Job empfunden. Christoph Schnidrig von AWS ergänzt: Dieses Muster kenne man von jeder Technologiewelle, von der Einführung der Cloud bis zur KI in der Softwareentwicklung. Rochs Haltung dazu: Jobs würden sich verändern, aber nicht verschwinden. „Am Ende ist es ein Werkzeug. Der Mensch bleibt am Steuer.“

(c) Martin Pacher / brutkasten

Zum Vertrauen gehört auch die Datenfrage, schließlich legen die Kunden ihr wertvollstes Gut, ihre Forschungsdaten, in die Plattform. Die läuft vollständig auf der Cloud von AWS. Roch verweist auf Prüfungen, Audits und Sicherheitstests; personenbezogene Daten würden praktisch keine gespeichert, schon gar keine Patientendaten, dafür sei man in der Forschung viel zu früh angesetzt. Auch deshalb sieht er im EU AI Act derzeit kein Hindernis: In Kundengesprächen sei die Regulierung bislang schlicht kein Thema gewesen.

Auszeichnung vom Weltwirtschaftsforum

Während brutkasten mit Roch in Zürich spricht, befindet sich sein Mitgründer, CEO Hermann Tribukait, gerade im chinesischen Dalian, um dort den Technology-Pioneer-Award des Weltwirtschaftsforums entgegenzunehmen. Zu den früheren Preisträgern der Auszeichnung zählen Roch zufolge Namen wie Google, Dropbox und Airbnb. Preisgeld gibt es keines, der Wert liege im Zugang zum Netzwerk des Forums und zu Entscheidungsträgern großer Unternehmen. Kunden in China hat Atinary übrigens keine, und das dürfte vorerst so bleiben: Als in den USA registriertes Unternehmen sei das Geschäft mit chinesischen Firmen „wegen der Geopolitik sehr heikel“.

Gefragt nach dem Blick fünf Jahre voraus, skizziert Roch eine Vision, die er ausgerechnet am Vorbild seines Cloud-Partners entwirft: Labore, die wie Rechenleistung aus der Cloud abrufbar sind, weltweit vernetzt, mit einer übergeordneten KI, die Erkenntnisse zwischen Forschungszentren auf verschiedenen Kontinenten austauscht.

Den Antrieb dahinter beschreibt er ganz persönlich: Er und seine Mitgründer seien Naturliebhaber, und die Energiewende brauche schnellere Forschung. „Der Planet kann nicht noch ein Jahrzehnt warten, bis wir Lösungen finden.“ Sein Befund nach sieben Jahren: „R&D ist heute noch zu langsam.“


Disclaimer: Die Reise- und Übernachtungskosten wurden von Amazon Web Services übernommen.

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