Ved Sintefs MiNaLab i Oslo er de godt i gang med å legge til rette for fremtiden. Teknologiplattformen er den samme som ga oss informasjonssamfunnet.
Informasjonssamfunnet oppsto da datakraft ble billig. – Men vi kommuniserer uintelligent via tastaturer, sier dr. ing i fysikalsk elektronikk og assisterende forskningssjef Ralph Bernstein ved Sintef.
Men snart blir alt mer intelligent. Vi står nemlig overfor en ny industriell bølge.
– Mikroelektronikken, og dermed også informasjonssamfunnet, var mikroteknologiens første industrielle bølge, mikrosystemene er den neste bølgen. Omgivelsene våre vil bli mer intelligente og informajonssamfunnet vil utvikle seg mot instrumenteringssamfunnet, hevder Bernstein, både på foredrag og i boken Naturens kode.
Teknisk Ukeblad ble nysgjerrig på påstanden og inviterte seg selv til Sintefs lokaler i Oslo. Her er et av Norges mest moderne laboratorier akkurat ferdig installert.
– Beslutninger vil ikke lenger gå veien via mennesket. Informasjon fra moderne mikrosensorer vil gå direkte til mikroprosessorer som tar beslutningen og handler på grunnlag av den informasjonen den får fra sensoren. Vi har i dag mange eksempler fra bilindustrien, som for eksempel airbag, antisladd- og kollisjonssystemer. Men dette er bare begynnelsen, sier Bernstein.
Begynte med en mursteinsovn
Før vi tar turen til fremtiden, går vi litt tilbake i tid. Nærmere bestemt til begynnelsen av 60-tallet. Da kom ingeniør Olaf Stavik hjem fra USA med ny kunnskap. Han bygde en mursteinsovn på Senter for Industriforskning (SI) og fremstilte de første komponenter basert på enkrystallinsk silisium i Norge. Hans pionerarbeid gjør at vi fortsatt kan hevde oss globalt når vi nå trer inn i instrumenteringssamfunnet.
Men hva har silisium med airbager og andre intelligente mikrosystemer å gjøre? Jo, sensorer som omvandler lys, trykk og temperaturer til elektriske signaler blir fremstilt av halvledermaterialet silisium. Det er det samme som benyttes til fremstilling av det meste av mikroelektronikk. Ved å benytte materialteknologien og produksjonsmetodene fra mikroprosessorindustrien er det mulig å realisere miniatyriserte sensorer i høyt volum til lave kostnader.
Moores lov
Gordon Moore, en av gründerne av mikroprosessorselskapet Intel, sa i 1965 at antall transistorer pr. kvadratcentimeter på en silisiumbrikke vil doble hvert år. Han fikk rett, men det er ikke bare innen mikrotransistorteknologien det har skjedd en rasende utviklingen. Det samme har skjedd innen sensorteknologien. Det blir bare billigere og billigere å produsere et stort antall sensorer.
Det er ikke lenger et kostnadsspørsmål om å implantere en sensor i kroppen eller ikke. Teknologien åpner også fra fremstilling av mikroaktuatorer, komponenter som kan utføre en handlig. Eksempler på dette er mikropumper, ventiler, motorer osv.
Oljeindustrien fører an
I oljeindustrien ser de for seg at de intelligente mikrosystemene kan være til stor nytte: De kan bidra til kontinuerlig overvåkning og styring av produksjonen i borehullet. Når større deler av installasjonen vil befinne seg på havbunnen, vil sensorer bli enda viktigere.
– I nordområdene er miljøaspektet sentralt og oljelekkasje kan være svært kritisk. Her ser vi for oss at mikrosystemer kan overvåke rørsystemer og slik forutsi mulige brudd og lekkasjer før uhellet er ute, forklarer Bernstein.
I bilindustrien har utvikling innen mikrosystemer gitt oss airbag, antisladd- og antikollisjonssystemer. Bilen overvåker selv om alt er som det skal. Hvis det ikkeer det, utføres handlinger uten at mennesket blir spurt. Det kan bare kjøre videre og heller tenke pål middagen.
Medisin og idrett
– Slike systemer vil bli mer og mer utbredt innenfor medisin, helse, sport og fritid, sier Bernstein. Han trekker frem et eksempel fra medisinforskningen: Hos diabetespasienter kan det om ikke lenge implanteres en sensor som måler glukosenivået i blodet. Når sensoren måler et kritisk lavt nivå, kan mikropumper eller ventiler automatisk dosere medisin ut i blodet, forklarer han.
Et annet konkret eksempel er innen diagnostikk: – Når barn blir syke, bruker vi ofte mye tid på å dra til legen for å fastslå at feberen skyldes et virus. Her kan man tenke seg analyseapparater som kan fastlå hva feberens skyldes og som automatisk bestiller antibiotika eller lignende på apoteket.
Innen idretten og fritid ser Bernstein for seg at sensorteknologien smelter sammen med RFID-teknologien som også vil inneholde mer intelligens: – Det vil komme generasjoner med RFID-brikker som har større lagringsplass og som er koblet sammen med mikrosensore. Bernstein spår at man snart vil finne sensorer i golfballer, fotballer og i snøbrett. – Man kan da i etterkant sjekke hva man gjorde rett og galt, sier han.
Lavere effektkrav
Men mikrosystemene må ha energi. Det er ikke vits med mikrosystemer så lenge batteriene er store og klumpete og må skiftes ut hele tiden. – Det at sensorer nå kan miniatyriseres, åpner for svært lavt effektforbruk. I tillegg må det utvikles teknologi som åpner for lavere effektkrav og for at elektrisk energi kan produseres lokalt. Nye energikonsepter vil komme, hevder Bernstein. Han mener brenselceller, elektromekanikk, temperaturforskjeller eller andre typer energihøstning vil være aktuell teknologi. En av fremtidsvisjonene går også på å benytte kroppens egen energiomsetning til å produsere strøm.
Nanoteknologi
Instrumenteringssamfunnet vil virkelig ta av når nanoteknologien brer om seg. Nanoteknologi spås å kunne overta mange av de funksjoner som mikrosystemene er tiltrodd i dag.
– Sensorer og aktuatorer vil kunne bli overflødig fordi materialene selv vil overta funksjonene, sier Bernstein. I dag handler nanoteknologi som regel om overflatebehandling og avansert materialteknologi. – Man har bukser som ikke blir skitne og sokker som ikke lukter svette. Men i fremtiden vil det kunne lages tekstiler med porer som automatisk lukker seg når det begynner å regne og som åpner seg når det slutter, spår han.
Innenfor hudpleie vil lignende utvikling kunne skje. Istedenfor selv å måtte tenke etter hvilken faktor man må smøre seg selv med på stranden, kan solkremen selv tilpasse seg både mengde UV-stråling og din spesielle hudtype.
Også fremtidsvisjonen om diabetespasienter med mikropumper implantert i kroppen, kan ifølge Bernstein, virke noe gammeldags når man ser hva nanoteknologi muliggjør. – Man kan jo tenke seg at de implanterte insulinpumpene kan gå i stykker og at pasientene får hele dosen med isulin på en gang. Dette tenker man løst ved at mikrolaboratorier selv kan måle inslulinnivå og produsere insulin etter behov. Lab-on-a-chip er neste steg, sier Bernstein.
Fornuftige gjøremål
– Mange synes det er skummelt at datamaskiner skal styre alt og at nanoroboter skal kunne sendes inn i kroppen for å kurere sykdom. Det er klart at ny teknologi også har en negativ side, men på en annen side den åpner den også for å utføre oppgaver vi aldri før har kunnet gjøre, som f.eks. kontinuerlig overvåking av prosesser og miljø. Da får vi jo mer tid til å gjøre fornuftige ting, mener Bernstein.
Det var først og fremt i nystartet industri vi så at mikrosystemene fikk raskest gjennomslag. – Industrien var tilbakeholden, men vi har sett en sterkt voksende interesse ved Sintef de siste fem årene. Ny teknologi tar tid, avslutter forskningssjefen
