MOE-Fellowship: Souher Aldroubi

Einzigartige Bauelemente mit Struc-tronic Identität

Einzigartige Bauelemente mit „Struc-tronic“ Identität

Die gesicherte Identifizierung von physischen Objekten ist notwendig geworden, um alle Sicherheitssysteme robust zu realisieren. Authentifizierte Identitäten von Gebäudeelementen wurden in der Fach- und Patentliteratur kaum thematisiert. Wir postulieren, dass nicht klonbare, nachweisbare und einzigartige Identifizierungen/Kennzeichnungen von physikalischen Strukturen in den zukünftigen smart-homes / Stätten und sogar in vielen praktischen Anwendungen, von großen Interesse sein werden.

Die Tendenz, alles in modernen Infrastrukturen zu vernetzen, erfordert nachweisbare, automatisierte und gesicherte Objektidentifikationen als Sicherheitsanker.

Das Ziel dieser Forschung ist es, Nutzungsszenarien der gesicherten einzigartigen Identifizierung von physikalischen Bauelementen in realen Anwendungen zu untersuchen. Darüber hinaus ist ein Konzept zur Integration von DNA-artigen, nicht klonbaren Identitäten zusammen mit einer manipulationssicheren, nicht entfernbaren / demontierbaren Elektronikeinheit anzuwenden. Die daraus resultierende einzigartige, beweisbare Struktur-Identität sollte fernüberwacht werden, was eine nicht reproduzierbare Identifizierung einer Struktureinheit ermöglicht.

Die Anwendung einer solchen nicht klonbaren Identität für Holzwerkstoffe oder tragende Holzbauteile, die für statische Zwecke verwendet werden wie z. B. LVL oder Brettschichtholz bringt Vorteile in der Marktwettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen nicht erneuerbaren Baustoffen.

Arbeitsmethoden und –Techniken die in Fraunhofer Institut WKI durchgeführt wurden:

Verfahren zur Kennzeichnen eines Gegenstandes:

1. Die elektronische Einheit wird  in den Gegenstand eingebettet.
2. Die elektronische Einheit wird dauerhaft bei der Herrtellung/Fertigung  unlösbar (nicht ohne Zertörung) mit dem Gegenstand verbunden.
3. Die elekronische Einheit arbeitet nach dem Challenge-Response Verfahren.
4. Ein Sensor, der im Gegenstand eingebaut ist, erfasst die Material- oder Struktureigenschaften des Gegenstandes, die als Response ausgegeben werden.
5. Nachdem die elekronische Einheit mit dem Gegenstand verbunden wurde, werden die Rückantworten in den Speicher geladen.
6. Die Rückantwort wird mit einer erwarteten/ gespeicherten verglichen und bei einer positiven Übereinstimmung erfolgt eine Autorisierung.

• Erster Prototyp: Ultraschallausbreitungsidentität:
• Die Grundidee: Nutzung der einzigartigen individuellen amorphen Struktur eines Bauelements.
• Untersuchte Materialen: Beton und Holz.

1. Zwei identische Platten aus Porenbeton:

   In jeder Platte wurden ein Sender und zwei Empfänger eingebettet, Nummer 2 ist direkt gegenüber und Nummer 3 befindet sich in einem Winkel von 45°.

    Die Geräte des Experiments:

   Oszilloskop:4 Kanal 100, MHz Bandbreite1 GSa/s und 12 Mpts Speichertiefe.

   Funktionsgenerator:2-Kanal, 60 MHz Bandbreite und 500 MSa/s und 16 kpts Speicher.

   Ein und zwei Rechteckimpulse  wurden angewendet.Die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen wurde für die beiden ähnlichen Platten aus den Messsignalen berechnet. Die Ergebnisse zeigen einen Unterschied der aus der unterschiedlichen Innenstruktur resultiert. Die Reproduzierbarkeit wurde durch die Anwendung der gleichen Frequenz für die gleiche Platte unter den gleichen Randbedingungen als sehr ähnlich festgestellt.

2. Ausbreitung von Ultraschallwellen im Holz als nicht klonbare Identität:2*(16*16*20cm) 5-schichtige Brettschichtholz Prüfkörper aus Fichte wurden untersucht, in jeden wurden ein Sender und Empfänger eingeklebt die sich direkt gegenüber befinden. Die gleiche Maßnahme wurde durchgeführt und es wurde bewiesen, dass die Rückantwort von Prüfkörper 4 sich von 5 unterscheidet. Die folgende Signalmerkmale wurden untersucht:

• Ultraschallübertragungszeit als einzigartiges Attribut für F=30KHZ, V=20V.
• Empfangsamplitude als einzigartiges Attribut für F=30KHZ, V=20V.
• Ergebnisse:
• Die akustische Ausbreitung scheint vielversprechend zu sein, um einzigartige Attribute herauszuziehen.
• Die Experimente zeigen eine gute Reproduzierbarkeit, die nach der Analyse der Signale nachgewiesen werden konnte.
• Diskussion:
• Die bisherigen Ergebnisse der angewandten Methode sind versprechend.
• Mit dem Einsatz dieser innovativen Technik könnten bei einer  erfolgreichen Anwendung ganz neue Wege der nicht klonbaren physischen Identität eröffnet werden.
• Die Anwendung einer solchen nicht klonbaren Identität für Holzwerkstoffe bringt Vorteile in der Marktwettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen nicht erneuerbaren Baustoffen.
• Die Verwendung solcher Baustoffe in Rotorblättern wird die Inspektionskosten erheblich senken und eine bessere Überwachungsqualität erzielen.

• Erforderliche Arbeit und zukünftige Erwartungen:

• Die Experimente quantitativ erweitern.
• Weitere Signalanalyse ( Fast/Discreet Fourier-Transformation in Zeit- und Frequenzbereichen-PCA Hauptkomponentenanalyse). 
• Numerische Methode für die Zeichenerkenung der Struktur.
• Recherche zum Einfluss der folgenden Parameter auf die akustische Ausbreitung z.B. Alterungsprobleme, Reproduzierbarkeit, Randbedingungen, Faserorientierung, Temperaturänderungen..