2007
Citation for published version (APA):
Lundqvist, A. H., van der Poel, A. P. M., Steinbuch, M., & van Duijn, C. J. (2007). Dies natalis 2007 Technische
Universiteit Eindhoven 27 april 2007. Technische Universiteit Eindhoven.
Document status and date:
Gepubliceerd: 27/04/2007
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be
important differences between the submitted version and the official published version of record. People
interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the
DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page
numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
Dies natalis
27 april 2007
Uitgave ter gelegenheid van de 51
edies natalis
van de Technische Universiteit Eindhoven
Eindhoven, 27 april 2007
Inhoud
Vooruitzien 5
De kracht van de regio 7
A.H. Lundqvist, voorzitter College van Bestuur TU/e Op naar de wereldtop in nano-elektronica en
embedded systems 13
Ir. A.P.M. van der Poel, ambassadeur van het innovatieprogramma Point-One
High-tech-systemen in beweging 19 Prof.dr.ir. M. Steinbuch, hoogleraar Regeltechniek,
faculteit Werktuigbouwkunde TU/e
De toekomst van high-tech systems 27 Prof.dr.ir. C.J. van Duijn, rector magnificus TU/e
De plechtige academische zitting waarmee de Technische Universiteit Eindhoven haar eenenvijftigste dies natalis viert, heeft dit jaar een bijzonder karakter. We belichten in verschillende voordrachten de toekomst van high-tech systems. Dit technologiegebied is de motor van de economie in Zuidoost-Nederland. De TU/e vindt het belangrijk om dit feest te vieren met vertegenwoordigers van belangrijke bedrijven en instellingen uit de regio. Het is de omgeving waaruit we voortkomen. Vandaag 51 jaar geleden werd onze universiteit opgericht door de inspanning van de industrie. Er zijn ook nu veel samenwerkingsverbanden met de industrie en met de kennisinstituten in Zuidoost-Nederland. De vragen uit de praktijk inspireren ons bij onderzoek en onderwijs.
Op onze oprichtingsdag kijken we naar de toekomst. We willen laten zien hoe de universiteitsgemeenschap werkt aan de toekomst van de samenleving. De uitdagingen waarvoor de industrie staat, zijn belangrijk voor ons. We vinden het essentieel dat we technologie ontwikkelen waaraan werkelijk behoefte is. We willen meehelpen aan het oplossen van maatschappelijke problemen en met onze kennis en kunde de industrie in deze regio versterken.
Amandus Lundqvist, voorzitter College van Bestuur TU/e Hans van Duijn, rector magnificus TU/e
High-tech systems zijn producten en apparaten zoals wafersteppers, MRI-scanners en geavanceerde kleurencopiers. Het zijn stuk voor stuk systemen waarin mechanische en elektronische componenten samenwerken, waarin geavanceerde materialen gebruikt worden, waarbij ook het uiterste wordt gevraagd van regeltechniek. Het gaat erom sensoren, actuatoren, materiaal-eigenschappen en veel andere aspecten nauwkeurig op elkaar af te stemmen. In dat samenspel is software een essentieel onderdeel. Goed uitgekiende embedded systemen, nieuwe regelalgoritmen en fouttolerante programmeer-technieken werken als bindmiddel. Door het samenspel van verschillende technieken kunnen we efficiënte, precieze en slimme apparaten en machines maken. Juist in het ontwikkelen van zulke geavanceerde systemen zit de kracht van deze regio.
A.H. Lundqvist, voorzitter College van Bestuur TU/e
De kracht van de regio
Amandus Lundqvist is sinds september 2002 voorzitter van het College van Bestuur van de TU/e. Eerder werkte hij voor IBM, waarvan 10 jaar als algemeen directeur en directie-voorzitter van IBM Nederland NV. Daarnaast heeft hij een aantal toezichthoudende nevenfuncties bij de overheid, semi-overheid en bedrijfsleven. Hij studeerde Civiele Techniek aan de HTS te Rotterdam en Management/ Executive Education bij IBM, IMD en Aspen Institute.
Bij high-tech systems worden algauw de wafersteppers genoemd van ASML en de scanners van Philips Medical Systems. En terecht. Maar er is nog zoveel meer in deze regio. Een mooi voorbeeld van een hightechsysteem is de elektronen-microscoop die 7 kilometer van hier wordt gemaakt door FEI Company. We gebruiken op onze universiteit nu een van de eerste exemplaren van de Titan-microscoop die FEI nu produceert. Het is de nauwkeurigste elektronenTitan-microscoop ter wereld, met een precisie die individuele atomen zichtbaar maakt. Om zo ver te komen moeten de ontwerpers tot het uiterste gaan in de uitlijning van het apparaat, je moet de precisie van de elektronica met een orde van grootte verbeteren en een nieuw concept uitwerken voor magnetische lenzen. Een ander voorbeeld, hier 20 kilometer vandaan: Vanderlande maakt daar een systeem voor de bagageafhandeling bij een nieuwe terminal op Heathrow. De eisen aan betrouwbaarheid, snelheid en veiligheid kunnen alleen gehaald worden als de grenzen van het mogelijke worden verlegd. Eén systeem voor bagagehandeling is goed voor een investering van honderden miljoenen euro’s en vijf jaar werk voor 200 mensen.
We zijn trots op bedrijven als Vanderlande, FEI, ASML, Philips Medical Systems, Océ, NXP en de tientallen andere bedrijven die hier in deze omgeving intensief met elkaar samenwerken. Deze regio is een soort Silicon Valley: binnen een straal van 50 kilometer is alles te vinden wat er nodig is voor high-tech systems. Bedrijven in deze regio vormen samen met de universiteit en kennisinstituten een ecosysteem dat uniek is in de wereld.
High-tech systems zijn de economische motor van onze regio. Ze zorgen hier voor 140.000 banen. Dat zijn vaak banen op hoog niveau. High-tech systems vormen veruit het grootste exportproduct van Nederland, veel groter dan bijvoorbeeld land- en tuinbouwproducten of watermanagement. Gemeten naar aantallen kenniswerkers en patenten behoort deze regio tot de top vijf van Europa. Daarmee staat Zuidoost-Nederland in Europa op één lijn met de high-tech regio München, samen met de nano-elektronica uit het Franse Crolles en het Duitse Dresden, het ‘Europa van high-tech systems’.
De universiteit: leverancier van toptalent
Onze universiteit is nauw verbonden met al deze ontwikkelingen. Binnen het ecosysteem van high-tech systems fungeert de universiteit als bron van kennis en talent. Veel van onze studenten gaan na hun afstuderen werken bij bedrijven in de regio. Ook veel promovendi stromen door naar de industrie, en geven daar een impuls aan de research. Het aantal jonge ingenieurs dat wij afleveren, stijgt gestaag. Maar het is niet genoeg. De hightechindustrie heeft op dit moment behoefte aan enkele duizenden extra ingenieurs. Zoveel kunnen wij nu niet leveren.
Het lukt ons wel steeds beter om toptalent uit het buitenland aan te trekken. We hebben hechte banden opgebouwd met universiteiten in bijvoorbeeld China, India en Turkije. De beste studenten krijgen de gelegenheid twee jaar bij ons te studeren. We sluiten een contract met hen, waardoor ze na hun studie drie jaar bij een bedrijf hier in de regio kunnen werken. De universiteit stelt daarvoor samen met de industrie beurzen beschikbaar.
Vanderlande maakt een systeem voor de bagage-afhandeling bij een nieuwe terminal op Heathrow
De Titanmicroscoop van FEI
Rol van de universiteit: multidisciplinair onderzoek
Om toptalenten te kunnen aantrekken, moet het wetenschappelijk onderzoek op topniveau zijn. Onderwijs en onderzoek zijn verweven, zeker bij high-tech systems, waar alles draait om praktische toepassing in concrete apparaten en producten.
Wat dat betreft zijn wij hier in de regio in een gelukkige positie, doordat onderzoek en toepassing zo dicht bij elkaar liggen. Dat biedt een inspirerende voedingsbodem voor de wetenschap. Onze onderzoekers kennen daardoor de technische barrières waartegen de industrie aanloopt. Dat biedt inspiratie voor wetenschappelijk onderzoek.
Deze regio werkt daardoor als een magneet voor toponderzoek en toptalent. Wij zullen ervoor zorgen dat dit ook in de toekomst een inspirerende plaats blijft. Samen kunnen we deze ‘high-tech valley’ aan de wereldtop houden.
Daarom zetten wij als universiteit sterk in op het thema high-tech systems. Dat mag ook van ons verwacht worden, als leverancier van kennis en talent in deze regio. Samen met de industrie vinden we de inspiratie om te werken aan nieuwe doorbraken en opleiding van de volgende generatie ingenieurs.
MRI scanner van Philips Medical Systems in het Eindhovense Catharina ziekenhuis
De VarioStream copier van Océ
Wie de laatste mode zoekt, gaat naar Parijs of Milaan. Voor de frontlinies van high-tech systems moet je naar Zuidoost-Nederland. De Nederlandse industrie is wereldwijd nummer één bij een aantal belangrijke producten uit deze sector. We geven bijvoorbeeld de toon aan bij het maken van de wafersteppers waarmee nano-elektronica wordt gemaakt. Nederlandse bedrijven zijn nummer één in röntgentechnieken, RF-chips voor mobiele telefoons, boordnetwerken voor auto’s en RFID-systemen. Nederland beschikt over wereldtopspelers zoals Philips, ASML, NXP, FEI Company en Océ. Veel daarvan is geconcentreerd in Zuidoost-Brabant. De high-tech-systems-industrie in deze regio is in vijftien jaar tijd doorgedrongen tot de wereldtop. Dat hebben bedrijven niet alleen op eigen kracht gedaan. Onze toppositie hebben we met name ook bereikt door intensieve samenwerking. Grenzen tussen bedrijven en universiteiten zijn open gegaan, men is bereid van elkaar te leren en elkaars expertise te gebruiken. Zo kan innovatie snel verlopen. Er is een hecht netwerk gegroeid van toeleveranciers, die een belangrijke rol spelen in de technologieontwikkeling. Dat is nuttig gebleken bij snelle ontwikkelingen, zoals die van smartcards, vacuümtechnologie en wafersteppers.
Ir. A.P.M. van der Poel, ambassadeur van het
innovatieprogramma Point-One
Op naar de wereldtop
in nano-elektronica en
embedded systems
Arthur van der Poel werkte van 194 tot 2004 voor Philips. Daar was hij onder meer verantwoordelijk voor de product-divisie Semiconductors. Hij was vijf jaar lid van de Raad van Bestuur. Hij was van 2002 tot 2007 voorzitter van het Europese R&D-programma MEDEA+ (Microelectronics Development for European Applications). Van der Poel is president-commissaris van ASML en lid van de Raad van Commissarissen van DHV en Gemalto. Hij is ambassadeur van het innovatieprogramma Point-One.
De Nederlandse high-tech-industrie investeert veel in research, en haalt op dat punt als enige sector in Nederland de kwantitatieve doelstelling van de Europese Unie (het zogeheten Barcelona target). Dat levert resultaten op waarmee we wereldwijd kunnen concurreren.
Het is niet zeker dat we onze toppositie kunnen behouden. De technologie wordt snel complexer. De capaciteit van chips verdubbelt iedere achttien maanden. Om bij te blijven moet de industrie voortdurend investeren in technologie-ontwikkeling. Bij elke stap wordt de inspanning veelomvattender en duurder. Geen enkel bedrijf kan dat nog alleen opbrengen. Naarmate de techniek voort-schrijdt hebben bedrijven elkaar steeds meer nodig om de kennis van elektronica, mechanica, optica en software te kunnen integreren tot één werkende oplossing. In Californië, Tokio, Shanghai, Taiwan en Zuid-Korea steekt de overheid veel geld in de high-tech-industrie. We moeten voorkomen dat we daardoor voor onze behoeften afhankelijk worden van de Verenigde Staten en Aziatische landen. We concurreren op wereldschaal. Zonder zelfscheppende industrie lopen we het risico dat we een importeur worden van technologie en dat we hoogwaardige arbeidsplaatsen verliezen.
Wij willen een exporteur blijven van technologie. Nederland is erbij gebaat om de miljarden aan investeringen van high-tech-bedrijven in eigen land te houden. De Nederlandse overheid heeft dat goed begrepen. Beloftevolle industrieën worden nu duidelijk ondersteund in economische stimuleringsprogramma’s zoals High Tech Systems & Materials.
Point-One: versterken wat goed is
Point-One speelt hier goed op in. Point-One is een strategisch innovatie-programma, waarin partners uit industrie, wetenschap en overheid intensief samenwerken op het gebied van nano-elektronica en embedded systems. We willen in de high-tech-sector de komende vijf jaar een omzetgroei bereiken van 30 procent (naar 2 miljard euro) en 20.000 extra banen scheppen, waarvan 000 voor kenniswerkers.
Point-One is geïnspireerd op een Frans voorbeeld. Medio 2005 bezochten we met een delegatie van het ministerie van Economische Zaken een cluster van technologische bedrijven in het Franse Crolles. Daar wordt intensief samengewerkt in een Pôle de Compétitivité (pôle betekent centrum of magneet-pool). We zagen in Crolles een vorm van samenwerking waaraan we ook in Zuidoost-Brabant onze aantrekkingskracht ontlenen. Wij praktiseren hier al langer open innovatie. Tijdens het bezoek sloeg de vonk echter over door het veelomvattend strategisch innovatieprogramma voor nano-elektronica en embedded systems dat men in Crolles had opgesteld. Wij zagen dat zo’n
programma ook in Nederland de toekomst van de high-tech-industrie veilig zou kunnen stellen. Een jaar later was Point-One een feit. Point-One is opgericht door ASMI, ASML, ESI, Holst Centre, NXP en Philips. In het bestuur zijn ook de universiteiten en het MKB vertegenwoordigd. Inmiddels zijn er veertig partners aangesloten bij Point-One. Het is dus een publiek-private samenwerking, waarbij overheid, industrie en onderzoeksinstituten zij aan zij werken.
Samenwerking in Point-One
Nano-elektronica en embedded systems zijn enabling technologies; ze maken geavanceerde producten mogelijk. Het zijn bouwstenen voor de toekomst. Samenwerken aan enabling technology is uit concurrentieoogpunt makkelijker dan aan producten vlak voor marktintroductie. Daarom lenen deze technologieën zich ook goed voor een publiek-private samenwerking.
Nano-elektronica en embedded systems zijn essentiële ingrediënten van veel complexe eindproducten. Het Point-One-programma stimuleert dus ontwik-kelingen die voor high-tech systems van groot belang zijn.
Point-One zet in op het beste wat de Nederlandse industrie biedt. In de sport werkt men precies zo. Het Nederlandse Olympische team gaat niet in alle onderdelen voor goud. We moeten onze energie niet verkwisten door ons te richten op sectoren die geen kans hebben. Als we voor goud willen gaan, kunnen we dat alleen door de sterkste sector te trainen om nog beter te presteren. Dat is het uitgangspunt van Point-One.
De bedrijven die bij Point-One zijn aangesloten, investeren 1,2 miljard per jaar in R&D voor embedded systems en nano-elektronica. De overheid legt daar in totaal 750 miljoen euro bij voor de periode 2004-2009. Dat gaat bijvoorbeeld naar onderzoekscentra als het Holst Centre en het Embedded Systems Institute (ESI);
de overheid investeert op dit moment 55 miljoen euro rechtstreeks in Point-One. Inmiddels is er binnen Point-One een aantal projecten gestart. Zo onderzoeken we bijvoorbeeld optische maskerloze lithografie (OML). Met deze techniek wordt nano-elektronica pixel voor pixel opgebouwd, zonder dat daar kostbare maskersets voor nodig zijn. Dat vermindert variabele kosten en vergroot de flexibiliteit van de chipproductie. In het project MEMSland concentreren we de activiteiten in microsysteemtechnologie. MEMS zijn componenten die zowel een elektrische als een mechanische functie hebben, zoals bijvoorbeeld airbagsensoren. MEMS kunnen ook gebruikt worden voor de beheersing van extreem kleine vloeistoffen, zoals in inktjetprinters, of als component in optische systemen. Andere projecten worden op dit moment opgezet. Er is een twintigtal middelgrote bedrijven bij betrokken. Ook de drie technische universiteiten van Nederland doen erin mee.
Met dergelijke projecten richten we ons op vier doelen:
1. Door industriële R&D samen strategisch aan te pakken ontstaat een ecosysteem waarin bedrijven en kennisinstellingen sneller en makkelijker baanbrekende nieuwe technologieën en producten kunnen ontwikkelen. 2. Nieuwe technologieën en producten zijn steeds vaker het resultaat van open innovatie. We willen de academia en kennisinstituten actief inschakelen om high-tech-expertise toegankelijker te maken.
3. Er is meer en gerichtere aanwas van technisch talent nodig.
4. Juist kleine innovatieve bedrijven kunnen zorgen voor een goede aanwas van nieuwe ideeën, ontwikkel- en productiemogelijkheden. Speciaal voor hen willen we researchfaciliteiten openstellen en kennis uit octrooien toegankelijk maken binnen Point-One-projecten.
Point-One en wetenschappelijk onderzoek
Voor het bereiken van deze doelen is een nauwe band met de wetenschap van levensbelang. Vandaar dat we een Academic Council hebben opgericht, met een groot aantal vertegenwoordigers van universiteiten, hogescholen, onderzoeksinstellingen (zoals TNO en het Holst Centre) en enkele nationale onderzoeksprogramma’s (zoals MicroNed, NanoNed en ESI). Deze raad gaat actief deelnemen aan projecten. We gaan gezamenlijk wetenschappelijk onderzoek doen, waarbij we ook kostbare faciliteiten willen delen. We staan ook gezamenlijk voor belangrijke wetenschappelijke uitdagingen. Een voorbeeld: voor de volgende generatie wafersteppers hebben we meer geavanceerde vacuümtechnologie nodig, we moeten meer leren over positionering met nanoprecisie en we moeten meer weten van immersietechnologie. Dat soort vragen willen we niet zomaar over de muur gooien bij de academia. We willen er gezamenlijk aan werken.
Het is belangrijk dat de opleidingen beter worden afgestemd op de behoefte van de industrie. Experts uit de industrie doceren regelmatig op de universiteiten, maar dat zal nog intensiever gaan gebeuren. Er komt meer uitwisseling, bijvoorbeeld door afstudeeropdrachten en promotieonderzoek bij het bedrijfs-leven. Dat hoeft niet te betekenen dat curricula precies worden afgestemd op de wensen die wij vandaag in de industrie hebben. Wij hebben behoefte aan ingenieurs met een brede visie. Mensen die gespecialiseerd zijn in embedded systems kunnen vandaag voor de ontwikkeling van een chip worden ingezet en morgen voor het ontwerpen van een bagageafhandelingssysteem. Juist die flexibiliteit is de kracht van de Nederlandse ingenieur.
We maken ons wel zorgen over het gebrek aan bèta’s in Nederland. We willen gezamenlijk optrekken met de universiteiten in het aantrekken van toptalent uit het buitenland. Een mooi middel daartoe zijn contracten waarmee buitenlandse studenten voor de Nederlandse industrie behouden blijven, waarover Amandus Lundqvist al sprak.
Hoe het succes veilig te stellen voor de toekomst?
Het succes van Point One is belangrijk voor high-tech systems. Vooruitgang in nano-elektronica en embedded technology maakt nieuwe geavanceerde systemen mogelijk.
Point-One en High-Tech Systems bestrijken samen het hele spectrum van de high-tech-industrie. Daarbij richt Point-One zich vooral op enabling technology, terwijl High-Tech Systems het onderzoek voor complexe eindproducten in het programma heeft. Deze industrie is van groot belang voor de Nederlandse economie en verdient een brede overheidssteun, niet alleen in geld.
Komend studiejaar kiezen meer studenten voor werktuigbouwkunde. Dat komt mede door de goed draaiende high-tech-systemenindustrie in onze regio. Werktuigbouwkunde sluit ook goed aan bij de behoefte van jonge mensen om een wetenschappelijke analyse en synthese uit te voeren met als eindresultaat een werkend apparaat. Daarvoor is het niet voldoende om alles te weten van materialen en mechanica, of van elektronica, regeltechniek of fysica. Juist de integratie van verschillende soorten kennis in één systeem maakt het mogelijk om werkelijk iets nieuws te maken. Het is duidelijk dat hierbij ook andere disciplines nodig zijn. Dat levert resultaten op die ons leven kunnen veranderen, zoals robots, dvd-spelers, productielijnen van auto’s en nanochips die bloedanalyse uitvoeren. Bij high-tech-systemen gaat het om complexe combinaties van technieken, waar- door de grenzen van het kunnen worden verlegd. We leren onze studenten nadenken en redeneren op systeemniveau. Ons onderwijs wordt daarbij gevoed door ons onderzoek. Belangrijke onderzoeksthema’s zijn: complexiteit, adaptiviteit en embedded intelligentie. Ik zal dat laten zien aan de hand van voorbeelden van precisie-instrumentatie, medische robotica en hybride voertuigaandrijvingen.
Prof.dr.ir. M. Steinbuch, hoogleraar Regeltechniek TU/e
High-tech-systemen
in beweging
Maarten Steinbuch deed van 197 tot 199 onderzoek bij Philips Research naar het modelleren en regelen van mechatronische systemen. Vanaf 1999 is hij hoogleraar aan de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU/e. Vanaf juli 200 is hij tevens wetenschappelijk directeur van het Centre of Competence High-Tech Systems van 3TU, de federatie van technische universiteiten in Nederland.
Adaptieve optiek voor astronomie: toename van complexiteit
Precisie-instrumentatie zoekt de grenzen van de meetbaarheid op. Zeer nauw-keurige regelsystemen zorgen voor statische positionering van pico-nauwnauw-keurige apparaten voor ruimtevaarttoepassingen en nano-nauwkeurigheid voor
dynamische positionering. Behalve de vakinhoudelijke uitdagingen in metrologie, mechanisch ontwerp en regeling, is ook de beheersing van complexiteit een uitdaging. Een goed voorbeeld daarvan zijn de adaptieve elementen voor gebruik in telescopen waaraan we werken.
Turbulenties in de atmosfeer maken dat het licht van sterren steeds op een verschillende manier in de atmosfeer wordt afgebogen. Voor astronomische waarnemingen is dat lastig; het zorgt voor een onscherp beeld van sterren. Adaptieve optiek wordt toegepast om dat te verbeteren. Telkens als de optische eigenschappen van de atmosfeer veranderen, wordt de adaptieve spiegel van de telescoop bijgesteld om de ster op dezelfde plek te houden. Zo blijft het beeld scherp.
Wij werken aan een nieuwe generatie adaptieve spiegels met ongekende regelsnelheid en ruimtelijke nauwkeurigheid, met technologie die maakbaar en betaalbaar is. Het spiegeloppervlak is een dun membraan, waarachter 5000 elektromagnetisch aangestuurde pennetjes zitten die het oppervlak kunnen vervormen. Deze actuatoren hebben een spatiële bandbreedte van mm, en een regeltechnische bandbreedte van 200 Hz om de turbulenties van de atmosfeer bij te kunnen houden. Hierdoor kunnen zelfs relatief kleine en ook snelle atmosferische verstoringen worden gecompenseerd.
Dergelijke actuatoren moeten stijf genoeg zijn om geen last te hebben van
mechanische resonanties, maar tegelijk moet het vermogensgebruik minimaal te zijn, anders verstoort de vrijkomende warmte de lokale atmosfeer. Door gebruik te maken van passief magnetisme en mechanische stijfheid, gecombineerd met actief elektromagnetisme, is een ontwerp gemaakt waarbij een afzonderlijke actuator slechts een paar milliwatt gebruikt. De passieve magneet geeft een voorspanning van de mechanische stijfheid. De elektromagneet brengt kleine variaties van de krachten op de actuator aan, waardoor de actuator kleine en snelle bewegingen kan maken, bij een lage thermische belasting. Niet alleen mechanisch, ook elektronisch en regeltechnisch vormt de spiegel met 5000 actuatoren de grens van wat we kunnen. De regeling is uiterst complex en moet real-time worden doorgerekend. We kunnen in een dergelijk systeem de complexiteit alleen beheersen door te decentraliseren. Elke actuator heeft daarom een eigen processor, die alleen communiceert met zijn directe buren. Daarbij wordt gebruik gemaakt van kennis over de atmosfeer. Turbulenties trekken met een bepaalde snelheid over. Actuatoren kunnen dat dus aan hun buren doorgeven. Alleen door hardware en software hier heel precies in elkaar te laten grijpen wordt het grote aantal vrijheidsgraden van zo’n spiegel beheersbaar. Adaptieve optiek is niet alleen interessant voor astronomen. Ook voor bijvoor-beeld wafersteppers van de toekomst is het interessant dat (lens)oppervlaktes bewogen kunnen worden met een groot aantal actuatoren.
De nieuwe robots: mens onderdeel van het te regelen systeem
Een andere klasse van high-tech-systemen is die waarbij de mens onderdeel is van het te regelen systeem. Voorbeelden hiervan zijn telerobotische systemen waarbij de mens de robot bestuurt. Tijdens het ontwerp van een dergelijke robot moet rekening worden gehouden met de onzekerheden van mens en omgeving. Adaptieve
elementen worden gebruikt in telescopen
Een interessante ontwikkeling daarbij is de toepassing van robotsystemen voor medische toepassingen. In Nederland zijn er inmiddels vier Da Vinci operatierobots, die chirurgen gebruiken voor minimaal invasieve operaties. Bij zo’n operatie worden kleine sneetjes in de buik gemaakt, waardoor een camera en snij-instrumenten naar binnen kunnen worden gebracht. Doordat daarbij heel weinig wordt gesneden, herstelt de patiënt ook weer snel. Met een robot kan een chirurg een operatie heel precies uitvoeren. De chirurg bestuurt de robot achter een console met een vergroot, driedimensionaal beeld. Het beeld en de beweging van zijn handen vallen samen in de besturingsconsole. Bovendien is de werkhouding ergonomisch veel gunstiger dan bij conventionele operaties. De chirurg kan inzoomen op de details die hij wil zien; zijn bewegingen vergroten mee. Op die manier kan hij bijvoorbeeld de galblaas opereren, de blinde darm verwijderen of een liesbreuk hechten.
De huidige medische robots hebben echter wel beperkingen. Ze zijn zwaar en groot, waardoor ze ook lastig in te stellen zijn. In de operatiekamer is het perso-neel te lang bezig met het opstellen van de robot. Bovendien heeft de chirurg geen haptische terugkoppeling: hij voelt geen krachten en wordt daardoor beperkt. Palperen (weefsel voelend beoordelen) is niet mogelijk.
Wij werken daarom aan medische robots die lichter en hanteerbaarder zijn. Ook de waarneming van de chirurg kunnen we completer maken. Het aanbrengen van een krachtterugkoppeling is een lastige opgave. Je moet de medische instrumenten op een andere manier ontwerpen om de krachten te kunnen meten. Wij doen ook perceptieonderzoek om te weten wat en hoe de chirurg wil voelen. De regeltechniek willen we uitbreiden naar adaptiviteit in haptische terugkoppeling: zelf-bijstellende regelalgoritmes die een veranderende omgeving (weefsel) en veranderende mens (chirurg) opmerken en in rekening brengen. In sommige gevallen is het voor het eerst dat een chirurg krachten kan gaan voelen. Dat geldt bijvoorbeeld voor oogoperaties, een van de toepassingen waarvoor we een medische robot ontwikkelen. Een oogchirurg voelde tot nu toe niets als hij rechtstreeks in het oog werkte; het weefsel is daar erg zacht. Wij kunnen hem een perceptie geven die hij nog nooit heeft gehad.
Het mechanische ontwerp van de medische robots bouwt voort op de ontwerp-principes die we hier in Eindhoven in twee decennia onderzoek naar mechatronica hebben ontwikkeld, principes die we hier onderwijzen en die hier in de regio breed worden toegepast, bijvoorbeeld bij het ontwerp van waferscanners en elektronenmicroscopen. Die uitgangspunten maken het mogelijk om instrumenten te maken waarvan de positie altijd goed bepaald is, onafhankelijk van de beweging, met minimale gevoeligheid voor temperatuursveranderingen en
een voorspelbaar dynamisch gedrag.
De technieken die we voor de robots ontwikkelen, hebben een brede toepassing. We studeren bijvoorbeeld op de mogelijkheid om op afstand bestuurbare katheters te ontwikkelen voor hartoperaties. De manier waarop we adaptieve regeling gebruiken bij krachtterugkoppeling passen we inmiddels in lopend onderzoek ook toe voor besturing van voertuigen.
Op dit punt staan we nog maar aan het begin. Bill Gates, die 20 jaar geleden voorspelde dat elk huis een computer zou krijgen, heeft vorig jaar de komst van robots als volgende industriële revolutie aangemerkt. De tijd is er rijper voor dan twintig jaar geleden. Over enkele jaren zal er een robot in elk huis zijn. De technieken beginnen samen te komen, aldus Gates. Hij heeft gelijk. We leren de complexiteit van de interactie met mensen te beheersen.
Automotive: embedded intelligentie
Een derde voorbeeld van high-tech-systemen waaraan wij werken, komt uit de moderne voertuigtechniek. De auto is al lang niet meer het mechanische ontwerp van vroeger. Met elektronica en software kunnen we emissies, brandstofverbruik, veiligheid en comfort op systeemniveau optimaliseren. Dit is tegelijk de echte uitdaging: de complexiteit van alle subsystemen groeit zo snel dat fabrikanten steeds meer moeite hebben met het optimaliseren. Het ontwikkelen van nieuwe methoden voor zelfkalibratie en auto-tuning van intelligente algoritmes is dan ook een belangrijk onderzoeksveld.
In Nederland zijn er inmiddels vier Da Vinci operatierobots, die chirurgen gebruiken voor minimaal invasieve operaties.
Hybride aandrijftechnologie is een goed voorbeeld van de toename van complexiteit en de rol van embedded intelligentie. Met een hybride aandrijving kan veel energie worden bespaard. Een dergelijke aandrijving bestaat uit een combinatie van een conventionele verbrandingsmotor, een elektromotor en een accu om energie op te slaan. Van hybride personenwagens weten we dat je daarmee tot 20 procent energie kunt besparen. Dat komt doordat de verbrandingsmotor steeds op het optimale toerental kan draaien. Variaties in belasting worden opgevangen met de elektromotor en de accu. Bovendien wordt de remenergie teruggewonnen en kan de verbrandingsmotor kleiner worden gekozen. Bij het voertuigontwerp vraagt de dimensionering van de componenten om lastige keuzes. Hoeveel accu’s moet je meenemen, hoeveel vermogen heb je nodig in de twee motoren? Fabrikanten van hybride auto’s maken dat soort keuzes tot nu toe heuristisch. Wij ontwikkelen modellen en optimalisatiemethoden om structuur aan te brengen in dit ontwerpproces. Behalve de toepassing bij personenauto’s is nu ook onderzoek gestart naar stadsdistributievrachtwagens. Het gaat om grotere vermogens en daardoor om hoge investeringen. We onderzoeken daarbij niet alleen de ontwerpkeuzes, maar ook het real-time besturingssysteem. Om energie te besparen moet je op het goede moment schakelen tussen de verschillende energiebronnen die in de auto aanwezig zijn. Dat is een lastig regel- en optimalisatieprobleem. Veel subcomponenten moeten onderling communiceren voor een optimale keuze. Onze onderzoeksgroep ontwikkelt op dit moment regelalgoritmes voor hybride vrachtwagens. Onze nieuwe rollenbank gaat een belangrijke plaats innemen ten behoeve van het testen van de diverse oplossingen.
Bij het regelen van voertuigen worden steeds meer omgevingsfactoren betrokken. Het liefst moet het regelsysteem van een voertuig rekening houden met de af te leggen route, inclusief de files die verderop staan. Voertuigen zullen communiceren met andere voertuigen, wat gebruikt kan worden voor geavanceerde cruise control. Voertuigen zullen rekening houden met de
infrastructuur en ze houden contact met het thuisfront. Nieuwe technieken zullen voertuigen zuiniger, veiliger en efficiënter maken. Het geeft aan dat we terecht spreken van high-tech automotive systems.
Unieke regio
Het maken van geavanceerde technologische systemen is bij uitstek multi-disciplinair. Dat maakt het aantrekkelijk, maar ook moeilijk. We moeten de nieuwste ontwikkelingen combineren uit de diverse vakgebieden, waarbij het systeemkundig denken een belangrijke plaats inneemt. Dat is precies de basis van het 3TU Centre of Excellence (CoE) Intelligent Mechatronic Systems, als onderdeel van het Centre of Competence High Tech Systems, dat we samen met de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Delft hebben opgericht. De kernthema’s van het CoE zijn robotica, precisiesystemen, microsystemen en gedistribueerde en embedded systemen. De vorming van zwaartepunten en de aandacht vanuit de 3TU-federatie helpen om de grenzen gezamenlijk te verleggen. Veel van het boven beschreven onderzoek doen we samen met onze partners van de andere technische universiteiten en TNO. Deze samenwerking tussen kennisinstellingen geeft een stevig fundament om snelle vorderingen te maken in dit belangrijke onderzoeksveld.
Samenwerking met de industrie is eveneens van wezenlijk belang. Het geeft focus en zorgt voor uitdagende en relevante onderzoeksthema’s. De initiatieven om met de high-tech-systemsindustrie een onderzoeksprogramma te maken zijn essentieel om innovatie succesvol te maken. Het brengt wetenschappelijk onderzoek en industriële toepassingen bij elkaar. Het geeft een visie op de gehele kennisketen van idee tot markt. De nabijheid van kennisinfrastructuur en topindustrie maakt deze regio uniek in de wereld. Het stelt ons in staat om wetenschappelijke vooruitgang direct te koppelen aan resultaten in de industrie. Hybride aandrijf-technologie is een goed voorbeeld van de toename van complexiteit en de rol van embedded intelligentie.
De vragen vanuit de industrie zijn duidelijk. Het komt steeds meer aan op het vermogen om te integreren. Het is niet voldoende om te excelleren in één vak-gebied. Ontwerpers moeten ook het complexe samenspel van verschillende technieken beheersen. Juist daarom vinden we onderzoek in high-tech systems zo wezenlijk.
Daarom hebben wij het initiatief genomen om met de twee andere technische universiteiten in Nederland een Centre of Excellence op te zetten voor intelligente mechatronische systemen. Het is een van de vijf centra die vorig jaar opgericht werden door de federatie van de drie Nederlandse technische universiteiten. De noodzaak om kennis te integreren maakt het extra belangrijk om onderzoek samen te brengen in één centrum. Wetenschappers moeten gevoel krijgen voor elkaars problemen, anders lukt het niet om verschillende technologieën samen te smeden tot één werkend geheel. We verwachten dat zo’n Centre of Excellence hooggekwalificeerde studenten en promovendi verleidt om naar Nederland te komen.
Prof.dr.ir. C.J. van Duijn, rector magnificus TU/e
De toekomst van
high-tech systems
Hans van Duijn is sinds 2000 hoogleraar Toegepaste Analyse aan de faculteit Wiskunde en Informatica van de TU/e. Eerder werkte hij bij het Centrum voor Wiskunde en Informatica te Amsterdam, was hij deeltijd hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft en bijzonder hoogleraar aan de Universiteit Leiden. Zijn specialisatie is het wiskundig onderzoek van differentiaalvergelijkingen. Hij ontving in 199 de Leermeester Prijs van de TU Delft en in 199 de Max Planck Award van de Duitse overheid. Hans van Duijn studeerde Technische Natuurkunde aan de TU/e en promoveerde in de Wiskunde aan de Universiteit Leiden. Hij is rector magnificus van de Technische Universiteit Eindhoven sinds 2005.
De federatie van de drie Nederlandse technische universiteiten neemt daarmee zijn verantwoordelijkheid voor dit onderwerp. Dat is geen vrijblijvende keuze. Het betekent ook dat we bereid zijn om ons bij sommige andere onderzoeksgebieden bescheidener op te stellen.
Het is ook noodzakelijk dat de overheid haar verantwoordelijkheid neemt. We hebben samen met de industrie Point-One opgesteld, een innovatieprogramma voor high-tech systems. Dit programma versterkt de concurrentiekracht van de Nederlandse industrie en stelt zo de huidige voorsprong in high-tech systems zeker. Voor dat programma is ook een bijdrage van de overheid nodig.
De waarde van high-tech systems voor de Nederlandse samenleving
Onderzoek naar high-tech systems is niet alleen van belang voor de economie. Het verbetert ook de mogelijkheden van Nederland om te werken aan de belangrijke maatschappelijke thema’s van de toekomst. Natuurlijk is techniek vaak maar een deel van de oplossing, maar juist de technieken waarover we het vanmiddag hebben, leggen gewicht in de schaal.
Dat geldt bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van een energiebesparende motorregeling die wij zijn begonnen. Door slim samenbrengen van technieken, door goed uitgekiende regelingen, kunnen we ook in veel andere toepassingen tientallen procenten aan energie besparen. Dat is ook nodig, willen we de uiterst ambitieuze doelstellingen halen die de Europese Unie vorige maand heeft vastgesteld voor beperking van de kooldioxide-uitstoot.
De robottechniek die we ontwikkelen, kan ook de groeiende groep ouderen in ons land helpen. Niet alleen omdat mensen door die techniek sneller herstellen van een operatie. We leren om technologie goed te laten reageren op mensen. Dat levert mechanische hulpmiddelen op die hen op essentiële momenten kunnen helpen. Dat soort hulp houdt mensen onafhankelijk. In onze vergrijzende samenleving hebben we de hulp van high-tech systems hard nodig.
Het onderzoek naar high-tech systems leidt ook tot een grotere veiligheid. Door slimme regelmechanismen kunnen we steeds beter rekening houden met de omgeving. Auto’s die reageren op elkaars nabijheid rijden veiliger. Robots kunnen gevaarlijke of moeilijke taken van ons overnemen.
Zo draagt het onderzoek bij aan veiligheid en duurzaamheid. Het maakt dat we gezond oud kunnen worden. Techniek kan op deze terreinen echt verschil maken. We hebben nieuwe technologie nodig om de complexe problemen van morgen aan te kunnen. Steun voor high-tech systems zal de industrie versterken. Maar minstens zo belangrijk vinden wij dat het de mogelijkheden van Nederland vergroot om te werken aan de maatschappelijke thema’s van de toekomst. De High Tech Campus
Yasuhiro Koike received his PhD from Keio University in 192. He was a member of the research staff at AT&T Bell Laboratories and associate professor at Keio University. He is currently full professor at Keio University, Faculty of Science and Technology and director of the leading-edge laboratory of the faculty. Professor Koike is a world-leading expert in photonic polymers and has made contributions to scientific breakthroughs as well as to key industrial innovations.
His scientific achievements include: the design of low-loss optical polymers and the application of these materials in graded index polymer optical fibers, the design of highly scattering optical transmission polymers, the invention of zero-birefringent polymers and the development of polymer optical fiber amplifiers and lasers. These original contributions have been granted basic patents in the USA, Europe and Japan and are moving towards industrial innovations and applications.
Presented by prof.ir. Djan Khoe
Honorary Doctorate for
prof.dr. Yasuhiro Koike
Commercial developments
Graded index polymer optical fiber products for the 1300 nm wavelength area are now manufactured by Asahi Glass. These fibers have been installed in several buildings in Japan. In the USA and in Europe, developments are ongoing towards commercialization of polymer fibers based on the inventions of Professor Koike. Unlike glass and silica optical fibers, polymer versions can be made with much larger diameters. The larger diameter makes handling easier and reduces the costs of installation and maintenance. Polymer fibers are therefore attractive for applications users’ environments.
The highly scattering optical transmission polymers are currently widely applied in liquid crystal displays, particularly by Sony. The polarizing effects of polymers are considered a bottleneck for the use of these materials in many photonic applications. The invention of zero-birefringent photonic polymers opens the way towards applications that have not yet been possible.
Until now, fiber amplifiers and lasers have generally been based on glass because of the limited durability of polymer-based devices. The novel material concept introduced by professor Koike greatly extends durability, and the use of polymers in such devices is expected to start soon.
Prestigious awards
Professor Koike has received a large number of prestigious awards; for example he is the first Japanese winner of the International Technology Award of the Society of Plastic Engineers, the world’s largest society in the field. As a second example, he is the youngest winner of the Fujihara Award, Japan’s most prestigious scientific award. Recently he has been awarded the Medal with the Purple Ribbon by the Japanese Emperor, as the youngest recipient ever.
Professor Koike’s professional activities have included membership of numerous important organizations and committees in the area of photonic polymers. He is the general chairman of a Japanese polymer optical fiber consortium of universities and 70 industrial companies. He is also the general chair of the International Cooperative of Plastic Optical Fiber, a steering committee for the Polymer Optical Fiber Conferences. He is chairman of a polymer optical fiber interface standardization committee of the Electronic Industries Association of Japan. Professor Koike is Leader of the Giga House Town Project, a consortium whose members include universities, hospitals, ministries and industrial companies such as system integrators, operators, consumer electronic manufacturers and producers of data communication equipment.
Yasuhiro Koike is hoogleraar aan de faculteit Science en Technology van de Keio University, Japan. Eerder was hij lid van de onderzoeksstaf bij AT&T Bell Laboratories. Hij is voorzitter van onder meer het Japanese Polymer Optical Fiber Consortium en het International Cooperative of Plastic Optical Fiber. Hij is directeur van het Keio Leading-Edge Laboratory of Science and Technology.
Colofon
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Bureau voor Promoties en Plechtigheden TU/e Telefoon (040) 247 5520
TU/e Innovation Lab Telefoon (040) 247 422
of kijk op www.tue.nl onder “ondernemen”
Productie: Communicatie Service Centrum TU/e Tekst: Bram Vermeer Journalistiek
Ontwerp: vanRixtelvanderPut ontwerpers Beeldcompilatie cover: Bex Communicatie
Fotografie: Bart van Overbeeke, Rob Stork, High Tech Campus, Océ, FEI, Vanderlande
Postadres
Postbus 513 500 MB Eindhoven Tel. (040) 247 91 11 www.tue.nl
