Jugend forscht Smarte Mülltrennung mit KI
Das Schuljahr 2023/2024 begann und damit auch eine neue Runde des „Jugend forscht“-Wettbewerbs. Das hieß für uns – Julius, Mario und Maxi aus der 8. Klasse – wir brauchen ein neues Forschungsobjekt! Praktischerweise war Maxi durch die Umwelt-AG bereits in die Themen Recycling und Mülltrennung involviert, Mario stieß beim Programmieren eines Raspberry Pis auf ein KI-Modul und Julius testete neue Möglichkeiten durch ChatGPT.
Warum nicht einfach all das verbinden? Das lästige Sortieren des Mülls könnte doch einfach eine KI übernehmen. Und schon stand das Ziel fest. Wir stürzten uns direkt in die Arbeit und analysierten zunächst akribisch den Schulmüll. Tatsächlich war das mit der Mülltrennung wohl noch nicht bei allen Schülerinnen und Schülern durchgedrungen und ein intelligenter Mülleimer dringend nötig. Jetzt mussten wir der KI nur noch sagen, was sie tun sollte. Doch leider sollte das gar nicht so einfach werden …
Ab ans Zeichenbrett!
Ein Mülleimer sollte es werden, doch wie groß sollte er sein? Und welche Form sollte er haben? Nach etlichen Entwurfsskizzen hatten wir einen groben Plan. Eine Kamera sollte den eingeworfenen Müll fotografieren und an den Computer weiterleiten. Ein Programm würde das Foto analysieren, woraufhin der Müll über ein Rutschensystem in die richtige Tonne einsortiert werden würde. Während Mario bereits die Implementierung der KI anging, konstruierten Maxi und Julius den Mülleimer. Binnen kürzester Zeit hatte Mario einen funktionierenden Prototyp aufgestellt, der Bilder des Mülls korrekt in Kategorien wie Papier, Kunststoff oder Restmüll einsortierte. Nun ja, „korrekt“ wäre hier noch übertrieben – die KI hatte anscheinend eine Vorliebe für Papier. Doch das ließ sich mit einem neuen Satz an Trainingsbildern beheben. Währenddessen stießen auch Maxi und Julius auf das ein oder andere Problem. Die Aufhängung für das Drehsystem der Rutsche war entweder zu instabil oder viel zu groß für den Mülleimer. Eine neue Idee musste her. Also bauten wir einen Legoroboter, der den eingeworfenen Müll zielgenau zur richtigen Tonne transportiert und dort einwirft. Auch die Kamera verweigerte zunächst ihren Dienst, denn der eingeworfene Müll wurde nicht fokussiert. Wir wechselten zur Handykamera, die einen Autofokus besaß und auch dieses Problem gehörte der Vergangenheit an.
Die Technik hinter dem Mülleimer:
Die Idee haben wir bekommen, als wir festgestellt haben, dass an unserer Schule viel zu viel Müll im falschen Mülleimer landet.
Dadurch haben wir dann auch eine Analyse gestartet und haben festgestellt, dass sehr viele falsche Dinge im Mülleimer landen.
Und dann dachten wir uns, wir müssen was dagegen tun und sind letztendlich auf die Idee gekommen, das Ganze dann mit KI zu lösen.
Das ist zu einer 94 %igen Wahrscheinlichkeit Papiermüll.
So, und jetzt noch ein bisschen was zu Programmierung des Mülleimer.
Nach der Initialisierung wartet der Mülleimer, bis man Müll eingeworfen hatte und die Scantaste “S” gedrückt hat.
Dann fährt das Fahrzeug zur Scan-Position, wo ein Bild vom Müll gemacht wird, das von der KI ausgewertet wird.
Wenn die KI meint, dass der Müll zu einer über 90 %igen Wahrscheinlichkeit einer Kategorie angehört, dann wird ein Bild von dem Müll in die Datenbank eingeordnet, damit er immer wieder dazulernt und der Müll anschließend weggeworfen.
Bei einer Wahrscheinlichkeit über 70 % wird der Müll nur weggeworfen.
Bei einer Wahrscheinlichkeit von über 50 % wird der Benutzer gefragt, ob der Müll richtig erkannt wurde.
Wenn er das ist, wird ein Bild wieder zur Datenbank hinzufügt und der Müll richtig weggeworfen.
Wenn nicht, wird ein Bild vom Müll als Problem gespeichert und der Müll in “nicht erkannt” geworfen.
Falls die Wahrscheinlichkeit noch geringer als 50 % ist, wird auch ein Problem gespeichert.
und der Müll gleich in “nicht erkannt” geworfen.
Danach fährt das Fahrzeug wieder an die Ausgangsposition zurück und das ganze kann von vorne losgehen.
Wenn der Mülleimer eine längere Zeit mal nicht benutzt wird, aktiviert sich der Stand-by-Modus, in denen ein paar interessante Statistiken zu verschiedenen Müllsorten, die weggeworfen sind, angezeigt werden.
Oder auch, wie sie die Sicherheit des Mülleimer über die Zeit entwickelt hat.
Auf geht’s zum Wettbewerb!
Kaum ein halbes Jahr nach der ersten Idee stand er da: ein voll funktionsfähiger Prototyp des Mülleimers. Die meisten Trainingsmacken hatte die KI hinter sich gelassen. Bekannte Materialien wurden zu 95 % korrekt erkannt und auch unbekannte Objekte erforderten nur eine ca. 10-minütige Trainingsphase. Alles war bereit für den Regionalwettbewerb in Rosenheim. Wir traten ein letztes Mal in der Juniorsparte von „Jugend forscht“ „Schüler experimentieren“ an. Mario und Maxi waren schon alte Hasen und kannten den Ablauf des Wettbewerbs, für Julius war es das erste Mal. Trotzdem waren wir alle ziemlich aufgeregt. Doch was am wichtigsten war: Endlich konnten wir unser Projekt vorstellen und damit waren wir nicht allein. So viele Gruppen mit genialen Ideen sowie so viel Begeisterung und Interesse hat uns einfach umgehauen. Getoppt wurde das dann aber natürlich vom Ausgang des Wettbewerbs. Wir gewannen den ersten Preis sowie die Sonderpreise für Ressourceneffizienz und das beste interdisziplinäre Projekt! Und damit nicht genug: Durch den ersten Preis durften wir auch noch zum Landeswettbewerb nach Regensburg, bei dem wir genauso abräumten und wieder den ersten Preis holten.
The End?
Genug vom Forschen haben wir aber noch lange nicht. Das nächste Projekt für die Wettbewerbsrunde 2024/2025 wartet bereits. Ideen dafür haben wir genug, doch die heben wir uns fürs nächste Schuljahr auf …
Maximilian Schöps, Mario Alexa und Julius Dams
Die Nachwuchsforscher Maxi, Mario und Julius besuchten im Schuljahr 2023/2024 die 8. Klasse am Gymnasium Miesbach.
Christoph Linder
Christoph Linder unterrichtet am Gymnasium Miesbach die Fächer Mathematik und Physik. Seit 2023 betreut er die physikalischen Projekte für „Jugend forscht“. Er unterstützte Mario, Maxi und Julius beim Wettbewerb.