artikel

Sensortechnologie in versnelling

Algemeen

Sensortechnologie in versnelling

De ontwikkelingen op het vlak van chips en sensoren gaan de komende jaren enorm hard. Volgens Maarten Steinbuch, hoogleraar Control Systems Technology aan de TU Eindhoven, biedt dat legio kansen voor de voedingsmiddelenindustrie. Op de korte termijn is er veel laaghangend fruit, op de langere termijn is er voor dataverwerking een ander type medewerker nodig.

“Eén ding moet duidelijk zijn: de chiptechnologie ontwikkelt zich de komende jaren enorm hard”, benadrukt Maarten Steinbuch tijdens het telefonisch interview meerdere keren. “De wet van Moore, een van de oprichters van Intel, geldt al ruim 20 jaar. En die houdt in dat het aantal transistors – het kleinste schakelelement in een geïntegreerde schakeling – en daarmee de snelheid en nauwkeurigheid van chips exponentieel groeit.” Hoe hard dit wel niet gaat, illustreert hij met een eenvoudig voorbeeld. “Als mensen denken wij vaak lineair. Dat wil zeggen, als ik 30 stappen zet, ben ik 30 meter verder. Als ik 30 exponentiële stappen zet, waarbij dus elke stap een verdubbeling is, dan ga ik 25 keer rond de wereld. Zo hard gaat dus de ontwikkeling en het bijbehorend dalende kostenniveau van de technologie. Het is zaak dat we die enorme ontwikkeling bijhouden en er volop gebruik van maken, maar dan moeten we wel flink bij de les blijven en creatief zijn. Grote voedingsmiddelenbedrijven zijn er al volop mee bezig – alleen zullen de ontwikkelingen de komende vijf, tien jaar nog veel en veel sneller gaan dan nu het geval is. Dat moet de centrale boodschap van je artikel worden.”

Nederland spil ontwikkelingen

Het Nederlandse bedrijf ASML speelt volgens Steinbuch een cruciale rol bij dit alles. Het bedrijf in Eindhoven maakt wafelscanners en belichtingsmachines waarmee patronen of circuits op chips worden vervaardigd, een cruciale stap. “ASML heeft een marktaandeel van 85 procent”, aldus Steinbuch. “Dat betekent dus dat de wet van Moore niet in Silicon Valley wordt bepaald, maar in Nederland. Daar komt nog bij dat ons land wereldwijd toonaangevend is in de agrifoodsector. Met name waar hightech en agrifood elkaar kruisen, biedt dit tal van mogelijkheden. Denk maar aan Industrie 4.0, dat we in Nederland ook wel smart industrie noemen”. Volgens de hoogleraar is het de grootste uitdaging om de zeer hoge productiviteit van Nederlandse voedingsmiddelenbedrijven flexibeler te maken, dus kleinere batches. “Hun klanten willen snel kunnen inspelen op een steeds sterker fluctuerende vraag. Als het morgen bbq-weer wordt, moeten bbq-vlees, salades en sauzen snel worden geleverd.” Disciplines als ICT, informatica en kunstmatige intelligentie vervullen volgens hem een belangrijke rol om dat snelle schakelen te realiseren.

Prijzen sensoren halveren

Door de exponentiële groei van de rekenkracht van chips zullen de prijzen van sensoren sterk dalen. “Die halveren ongeveer iedere twee jaar”, zegt Steinbuch. “Een voorbeeld. NSP maakt radarchips die enkele jaren geleden 150 dollar per stuk kostten. Naar verwachting worden ze over enkele jaren voor één dollar geproduceerd.” De prijsverlaging voor chips en sensoren heeft enorme gevolgen overal ter wereld. Steinbuch: “Tal van technologische ontwikkelingen komen nu bij elkaar, zoals Inter net of Things waarbij we allerlei apparaten met elkaar via internet verbinden. Nu zijn dat er naar schatting 8 miljard, maar in 2020 zullen dat er 50 miljard zijn.”

Steinbuch richt zich met zijn onderzoek vooral op de medische sector, al groeit de belangstelling voor de agrifoodsector. “We krijgen steeds meer sensoren thuis, op ons lichaam of in verpakkingen van voedingsmiddelen. Straks hoeven we minder vaak naar huisarts of ziekenhuis. Via internet worden deze resultaten van sensoren verwerkt tot een analyse met bijbehorend advies. Personal health. In de landbouw komen er allerlei apps, waarmee de gebruiker bijvoorbeeld planten kan herkennen, zoals onkruid dat giftige zaden produceert die hij niet in zijn partij graan wil hebben. Ook kunnen via het maken van een foto en een app plantziekten worden bepaald. Gebruikers kunnen bij de foto die zij uploaden iets schrijven, waardoor er een enorme database met gegevens en ervaringen ontstaat die een soort platformfunctie krijgt. Bedrijven moeten dus behalve netwerken en Internet of Things ontwikkelen ook leren om in platforms te denken. Dat deelnemers in hun netwerk content aanleveren. Een mooi voorbeeld hiervan is Facebook, en recenter Airbnb.”

Gevolgen agrifood

Wat betekent dit alles nu voor de agrifoodsector? “We staan aan de vooravond van een periode waarin we alles kunnen tracken en tracen. Van kuiken tot kipfilet in de koelkast van de consument. Die koelkast gaat de consument straks via een sensor in de verpakking vertellen dat hij het product moet opeten, anders is het niet meer veilig. Het etiket zal aan betekenis verliezen. Ook al omdat bijvoorbeeld de houdbaarheidstermijn daarop er geen rekening mee houdt dat de consument het product samen met andere boodschappen een uur in een warme auto heeft laten liggen. In de tuinbouw zullen bijna per plant de teeltcondities inclusief de lichtsamenstelling worden bepaald, terwijl op het land met behulp van satellietbeelden en drones bijna per vierkante meter kan worden vastgesteld wat het land onder meer aan water en meststoffen nodig heeft. In de dierhouderij krijgt ieder dier een chip waarmee het niet alleen getraceerd kan worden, maar ook of het ziek wordt, of een koe vruchtbaar is of bijvoorbeeld moet afkalven. Sensoren spelen bij dit alles dus een baanbrekende rol.”

Zelf energie genereren

Ruwweg verdeelt Steinbuch de sensoren in drie groepen: kleine chemische fabriekjes ofwel wel labs-on-a-chip, mechanische sensoren zoals versnellingssensoren en optische sensoren waaronder spectroscopie. “Bij alle drie gaan de ontwikkelingen enorm snel. Zowel in wat we kunnen meten met minder materiaal als ook met minder tijd om toch een nauwkeuriger signaal te verkrijgen. Helemaal interessant wordt het als zulke sensoren zelf hun energie kunnen genereren of draadloos van energie kunnen worden voorzien”, vervolgt de hoogleraar. “De toepassingsmogelijkheden nemen daardoor sterk toe, bijvoorbeeld een sensor aan de vingertip van een robot of op de staart van een varken. In feite zijn het chips, voorzien van minuscule spoeltjes en magneetje. De daarmee gegenereerde energie kan gebruikt worden voor andere sensoren en ook om de meetresultaten ervan via internet door te geven. Ook hier worden flinke stappen gezet.”

Lab-on-a-chip

Behalve het Holstcenter in Eindhoven verricht ook de drie jaar geleden opgerichte Microsystems Group van de TU Eindhoven veel onderzoek naar lab-on-a-chip. Vaak naar DNA of eiwitanalyses vanuit een medische invalshoek. “We zijn vooral gespecialiseerd in actieve systemen waarmee je vloeistoffen kunt manipuleren”, vertelt Jaap den Toonder, hoogleraar en voorzitter van de Microsystems Group, onderdeel van de vakgroep Mechanical Engineering (Werktuigbouwkunde). Voor hem op tafel liggen enkele van die systemen. Ze zijn hooguit enkele centimeters groot. “Wij richten ons vooral op de fabricagetechnieken. Dat gebeurt in ons Microfab Lab, dat vorig jaar is geopend, en op de materialen waarmee de subsystemen voor natte systemen worden vervaardigd”, aldus Den Toonder.

De ontwikkeling van een chip met bijbehorend instrument – vergelijk het maar met een cd en een cdspeler – vergt volgens hem tien tot vijftien jaar. “In de medische diagnostiek wordt voor een DNA-analyse als richtlijn aangehouden dat een lab-on-a-chip rond de 10 euro mag kosten. Naarmate het gebruik toeneemt, en daarmee de schaalgrootte, zullen ook van deze sensoren de prijzen sterk dalen. We zitten aan het begin van het steile deel in de curve van Moore. Het bijbehorende instrument kan duizenden of zelfs tienduizenden euro’s kosten.”

Uitwisseling met Wageningen UR

Tot nu toe richt de TU zich vooral op medische partners, maar doordat Wageningen UR eind mei toegetreden is tot het samenwerkingsverband van de TU’s Delft, Eindhoven en Twente, is er op strategisch vlak meer belangstelling en kennisuitwisseling. Den Toonder: “Het mooie is dat systemen uit de medische diagnostiek die een of meerdere stoffen zoeken in een complexe matrix, ook kunnen worden aangewend voor bijvoorbeeld het meten van milieuparameters. Hoewel we ons tot nu toe niet richten op de voedingsmiddelindustrie, zijn daar genoeg toepassingen mogelijk. Denk maar aan diergezondheid, kwaliteitsparameters, detectie van stoffen om processen bij te stellen of detectie van gassen in verpakte voedingsmiddelen die een indicatie zijn voor hoe vers het product nog is.”

Gevolgen labs en industrie

Op de langere termijn zal het diagnostisch lab volgens Den Toonder veranderen. “De enorme apparaten met enorme logistieke procedures zullen worden vervangen door kleine continutesten die, mede door het niet langer batchgewijs werken, veel sneller resultaten opleveren. Daarnaast zal er de trend zijn dat het lab niet langer nodig is. Testen zullen steeds vaker ter plekke worden uitgevoerd in plaats in een centraal gelegen lab. Ook dat zal grote gevolgen hebben voor de workflow in labs.” Steinbuch: “Er wordt wel eens gezegd dat over tien jaar 50 procent van de banen anders is. Dat geldt hier ook. Een mooi voorbeeld is de elektrificering van de auto, die steeds meer een sensor op wielen wordt. Die hele sector gaat op zijn kop. Er zijn veel minder werktuigbouwers nodig en veel meer elektrotechnici en mensen uit de wiskunde-, informatie- en computersciencehoek. In de voedingsmiddelensector zul je een vergelijkbare ontwikkeling zien. Ook daar zullen veel meer mensen nodig zijn uit de ICT, die data-analytics begrijpen, die uit big data slimme zaken kunnen afleiden. Data worden ook in de voedingsmiddelenindustrie ongelooflijk belangrijk. We zullen daarvoor veel meer mensen moeten opleiden, willen we de ontwikkelingen in data en software kunnen bijhouden.” Daarom heeft de TU Eindhoven (IT-Data Sciences) samen met de Universiteit Tilburg (recht, overheids- en economische aspecten en ondernemerschap) inmiddels een nieuwe opleiding Data Sciences gevormd, zowel bachelor als master.

Laaghangend fruit

Op sommige gebieden is er nog veel onderzoek nodig. Volgens de hoogleraren is er echter ook veel laaghangend fruit: zaken die niet door wetenschappelijk onderzoek kunnen opgelost, maar door data en gebruikers. “Gebruikers zijn ontzettend creatief. Dat moeten we niet onderschatten. Ook op korte termijn is er dus al veel mogelijk”, meent Steinbuch. “Op de langere termijn, zeg vijf tot tien jaar, wordt human capital de remmende factor. Ondernemers voelen drommels goed aan dat zij iets moeten doen. Zij kunnen echter niet altijd aangeven wat zij precies nodig hebben. Daarom moeten kennisinstellingen, bedrijfsleven en overheid in gesprek blijven voor het formuleren van de antwoorden daarop.”

Reageer op dit artikel