Innovatie Wetenschap Technologie

Transcriptie

1 IWT-Studies IWT-Observatorium Innovatie Wetenschap Technologie De intelligente omgeving: de noodzaak van convergerende technologieën en een nieuw businessmodel 44 KATRIEN MARENT JAN WAUTERS JOHAN VAN HELLEPUTTE

2 COLOFON IWT-Studies worden uitgegeven door het IWT-Vlaanderen in het kader van het werkprogramma van het IWT-Observatorium. De auteurs zijn echter persoonlijk verantwoordelijk voor de standpunten die worden ingenomen bij de uitwerking van deze Studies. Redactie Ann Van den Bremt (secretariaat) Jan Larosse (coördinatie) Productie N lil Copyright reproductie en gebruik is toegestaan mits bronvermelding. IWT-Observatorium Jan Larosse, Coördinator Donald Carchon, Informatiesysteem Ann Van den Bremt, Secretariaat Bischoffsheimlaan Brussel Tel.: 02/ Fax: 02/ iwt-observatorium@iwt.be Web-site: Depotnummer: D/2003/7037/2 Verschenen in maart 2003

3 IWT-STUDIES > >> 44 INHOUD INHOUDSTAFEL 3 ENGLISH ABSTRACT 4 VOORWOORD 7 INLEIDING 9 1. DE SLIMME OMGEVING Concept Het mobiele Internet van vandaag en morgen De toekomst wordt intelligent Technologische trends en uitdagingen Communicatie is draadloos Sensoren op en in het lichaam Krachtiger chips De opkomst van nieuwe disruptive technologieën: top-down en bottom-up nanotechnologie Technologische ontwikkelingen in de nanowereld De noodzaak van convergerende technologieën Technologische kruisbestuiving Naar een transformatie van wetenschap en technologie door convergentie EEN NIEUW TECHNOLOGIEPLATFORM De waarde van kennis Een veranderende onderzoeksomgeving De levenscyclus van technologie Een nieuw businessmodel Industrie in transformatie De micro-& nano-elektronicasector Convergerende industrieën Het uitdeiningseffect CONCLUSIES 39 BIJLAGE: LEXICON 41 3

4 ENGLISH ABSTRACT The smart environment, where technologies converge The question whether we are entering a new era where ambient intelligence will become a reality of our daily life, is already being answered by the emergence of many new products and services in recent years. The rapid transition to all sorts of wireless communications, the emergence of smart agents and the integration of micro-electromechanical systems (MEMS) in new devices are clear signs of this evolution. In the future, technology will adapt itself to us, rather than that we have to adapt ourselves to new technology. User-friendly access to information and electronic services, any time of the day or night, from any place, will become trivial and part of our life. A smart environment The smart environment, or in other words the era of ambient intelligence, will be characterized by computing devices which sense the environment and which are connected with each other through wireless communication. These intelligent devices will become a reality thanks to the following technologies: portable, high-performant and miniaturized computer systems present everywhere, seamless wireless communication, user-friendly interfaces (such as speech recognition[m1]) and a distributed network of micro-electromechanical systems and sensors, including biosensors. In the next decade, a digital assistant will be at our disposal that will offer a variety of services such as multimedia, communication, global positioning, health monitoring, ambient analysis, etc. This assistant will be capable of adapting itself in real time to certain functionalities that are required by its owner. This demands a high degree of reconfigurability. In addition, each person will carry a number of tiny sensors, in his/her clothes or even implanted in his/her body, to monitor certain body functions. These sensors will be combined in one single body area network (BAN), connected with the digital assistant, which in turn will be able to communicate with the person s physician or hospital if necessary. Technology challenges One of the cornerstones of this smart environment is with no doubt wireless communication. Universal access and interactivity necessitate a sophisticated data network that originates from the convergence of wired and wireless telephony, Internet, WLAN, gps and satellite (UMTS) communication. More bandwidth than exists today is necessary, but also harmonization of communication protocols and data software, increased functionality and miniaturization of mobile interface systems, and reduced power consumption. In order to realize a body area network of sensors, many technological challenges have to be tackled first: ultra low power consumption, maximum integration and a dedicated user interface are only a few. Each sensor should have an autonomous energy source, e.g. flexible plastic solar cells or power-mems. Biosensors are being developed, but still some technological challenges need to be met. Perhaps the most important challenge stems from the integrated circuit (IC) or chip. The continued miniaturization of the IC s building block, the transistor, in combination with new and creative methods to design complex chips, enables to develop ever more performant integrated circuits. This in turn allows electronics manufacturers to develop and commercialise new electronic products with more functionality and the possibility for new services. With the continued miniaturization trend of semiconductor technologies, predicted by the International Technology Roadmap for Semiconductors, we have entered the nanotechnology era (with typical dimensions below 100nm). Physical limits of conventional materials and transistor structures have been reached, resulting in huge challenges for developing next-generation IC production technologies. At the same time, the exponential increase in IC complexity is creating unprecedented challenges to efficiently design these highly complex ICs. New design methodologies at high abstraction level, in large part based on reuse of intellectual property, and reconfigurability are necessary to keep up with the trend. 4

5 IWT-STUDIES > >> 44 Converging technologies Nanoelectronics will create a transition in our society. The architects of this society being physicists, engineers, chemists, physicians, scientists from many disciplines, will cooperate with societal experts to create this. The convergence between nanotechnology, biotechnology, information technology and human cognitive sciences will be one of the most important scientific phenomena in the next decades. It will improve human performance and will have a tremendous impact on all economical activities. The value of knowledge The implementation of intelligence in all sorts of (new) products and (new) services changes the way business is done. Knowledge has become a product as such, with a certain added value, and can be sold many times. The value of knowledge is determined by the degree in which it contributes as a differentiator of a product or service, in comparison with competing products or services. The market value of knowledge typically decreases fast over time, and market introduction at the right window of opportunity is crucial. Reuse of intellectual property plays a significant role in this perspective, as it allows to increase productivity and reduce time-to-market. Business models will have to be adapted or re-designed to follow this evolution. The increasing complexity of new technologies therefore urges companies to join forces and cooperate in research and development, based on a sharing principle: sharing of cost, talent, risk and knowledge. The semiconductor industry is an excellent example of the trend towards global cooperation. Next to a consolidation and clustering of IC production, due to exponentially increasing capital spending, a clustering can be observed in research and development, resulting in a limited number of research platforms worldwide. These research platforms focus especially on generic technological challenges every company has to deal with in its product development. A new business model Therefore, the industry is gradually leaving a traditional intellectual property model where research and development was carried out inside the company, with exclusive property rights on the results. The growing complexity and increasing cost of R&D forced companies to outsource part of their research, albeit often still receiving exclusive ownership on the results. More and more however, generic technology development is carried out in R&D collaboration schemes in which intellectual property is shared among the participants. IMEC s Industrial Affiliation Program is an excellent example of this. Today, the concept is recognized worldwide as a very successful way of collaboration in R&D for new generations of generic technologies, applicable to a broad range of industrial partners. IP fingerprint The major challenge for each company is to obtain a unique portfolio of intellectual property, a so-called IP fingerprint. This portfolio is a combination of intellectual property, developed internally and owned exclusively by the company, and co-owned intellectual property, developed in joint R&D programs. This combination offers a unique competitive differentiator to the company and allows to choose the right strategic options for commercialisation routes. Industry in transition Changing business models are starting to have a profound effect on the industries they are affecting. New markets give rise to new players and force incumbents to react or disappear. The increasing complexity and costs associated with IC development changes the semiconductor industry radically. The consolidation in IC production is accompanied by the appearance of vertical des-integration of electronics system houses. Many parts of the semiconductor value chain are outsourced: IC production, design, software development, etc. At the same time, the des-integration leads to strategic alliances between the different players in the value chain, resulting in 5

6 a virtual re-integration. This fits perfectly in IMEC s business model of global partnerships in research and development. The convergence of technologies creates opportunities for new products and services, combining different domains: materials and production, nanoelectronics and computer technology, health care and medicine, ecology and energy, etc. Finally, the impact of these new technologies will continue to spread through all industrial activities. New ICs drive the electronics industry, from computers and cellular phones to industrial electronics systems, which in turn form a functional backbone of many other industries: manufacturing equipment, biotech systems, weather forecasting, environmental monitoring, process automation, fishing, textiles, and so on. In this way, it is clear that research and development in new technologies will remain the cornerstone of the future of our industry. 6

7 IWT-STUDIES > >> 44 VOORWOORD Met de Dag van de Technologie op 30 maart 2003 heeft de Vlaamse Regering een nieuw initiatief gelanceerd om de publieke opinie te sensibiliseren voor het strategisch belang van investeringen in Onderzoek & Ontwikkeling en innovatie. Deze publicatie is een bijdrage tot deze sensibilisatie, als co-productie van IWT en IMEC. De idee van deze studie komt voort uit een lezing die Johan Van Helleputte, directeur Strategie van IMEC, eerder in het jaar voor de IWT-adviseurs is komen geven. De oprichting van IMEC in 1984 is zelf een voorbeeld van een strategische investering van de Vlaamse regering in het toekomstpotentieel van Vlaanderen. Nu, 19 jaar later, is IMEC uitgegroeid tot het belangrijkste onafhankelijke onderzoekscentrum op het gebied van de micro-elektronica, nanotechnologie en ICT-systemen in Europa. Met deze Studie schetst IMEC de uitdagingen voor de komende 10 tot 20 jaar. In de periode na 1985 heeft ICT de bedrijfsprocessen omgegooid en is de PC in de huiskamer binnengedrongen. Tegen 2015 heeft de micro-elektronica het dagelijks leven geherconfigureerd in een slimme omgeving waarin we op een andere wijze zullen werken, consumeren, ons verzorgen, met elkaar communiceren. In de huidige periode van economische crisis, na het ineenschrompelen van de internetbubble van de late jaren negentig, worden verhalen over nieuwe technologische revoluties minder vlot aanvaard dan in de vorige periode van techno-hype, ook al onderscheiden ze zich door een wetenschappelijke onderbouw. Nochtans zijn dergelijke Toekomstverkenningen een wezenlijk onderdeel van een toekomststrategie. Zij combineren een wetenschappelijke evaluatie van de mogelijkheden en limieten van de huidige trends op technologisch, economisch en maatschappelijk vlak met een visie, een kijk op de toekomst als een toch ten dele maakbaar project. De term slimme omgeving of ambient intelligence is van vrij recente datum, ontstaan binnen de context van het programma voor de Europese Informatiemaatschappij, maar gaat terug op het concept ubiquitous computing (of alomtegenwoordige computing ) dat door Mark Weiser werd ontwikkeld aan het Computer Science Lab in Xerox PARC (Palo Alto). Reeds in 1988 had hij een visie op onzichtbare computers, ingebed in de gebruiksomgeving. Na de eerste golf van main frame computing, gedeeld door vele mensen, kwam het tijdperk van personal computing, waarbij mens en machine elkaar ongemakkelijk aanstaren over de bureautafel. Nu komt volgens Mark Weiser een nieuw tijdperk van calm technology, met technologie die op de achtergrond verdwijnt maar daardoor alomtegenwoordig wordt. Nochtans is deze ambient intelligence geen technology push zoals virtuele realiteit. Ubiquitous computing is roughly the opposite of virtual reality. Where virtual reality puts people inside a computer-generated world, ubiquitous computing forces the computer to live out here in the world with people., cfr Mark Weiser. Virtual reality is vooral een probleem van rekenkracht; ambient intelligence is de moeilijke integratie tussen menselijke factoren, computerwetenschappen, engineering en sociale wetenschappen, waarin computers natuurlijke verlengstukken worden van onze menselijke leerervaring. Het is in dit nieuwe paradigma dat IMEC zich inschrijft. Het verhaal van de slimme omgeving is een mobiliserend verhaal, ook al zijn de ingrediënten soms kurkdroge beschrijvingen van de stand van wetenschap en techniek. De visie van IMEC blijkt uit de verbinding van deze elementen tot een strategie voor het handelen. In tijden van onzekerheid zijn zulke visies een schaars gegeven omdat zij het immobilisme kunnen doorbreken en helpen keuzes te maken. Want indien die keuzes niet tijdig gemaakt worden is er wellicht geen toekomst. De Vlaamse regering heeft onlangs beslist om 37 miljoen euro te investeren in nieuwe onderzoekslaboratoria die IMEC in staat stellen mee te gaan met de miniaturisatie van de volgende generatie IC s. Voor de ontwikkeling van nieuwe chipprocestechnologieën met afmetingen kleiner dan 45 nanometer en om de uitdagingen te kunnen aangaan in nanotechnologie moet de capaciteit van IMEC's clean room uitbreiden. Maar met deze visie op de slimme omgeving mikt IMEC nog verder, 7

8 voorbij het tijdperk van de silicium halfgeleiders, op een nieuw technologieplatform op nanoschaal dat alle bestaande industrieën op een nieuwe leest zal schoeien. Het Vlaams innovatiebeleid heeft een belangrijke optie genomen op de toekomst door de Europese 3% norm te implementeren. Het Innovatiepact voorziet middelen om te investeren. Een even belangrijke optie is de oriëntatie van deze middelen en de productiviteit van deze investeringen. Daarvoor is een maatschappelijke discussie nodig over mogelijkheden en opportuniteiten. En in eerste instantie over visies. Paul Zeeuwts, Directievoorzitter 8

9 IWT-STUDIES > >> 44 INLEIDING Een blik in de (intelligente) toekomst Ambient intelligence, smart environment, pervasive and ubiquitous computing, de intelligente omgeving: het zijn allemaal synoniemen die het nieuwe technologische tijdperk omschrijven dat vanaf 2010 ons dagelijks leven danig zal veranderen. Vandaag al bevinden we ons in de aanloopfase naar deze intelligente toekomst. Denk maar aan de vele nieuwe producten en diensten zoals de gecombineerde mobilofoon-pda of - bankverrichtingen via mobilofoon. De trend naar draadloze, slimme toepassingen waarin micro-elektromechanische systemen (MEMS) en sensoren ingebouwd zijn, is al ingezet. Wat we vandaag zien, is nog maar een voorsmaakje. In de intelligente omgeving omringen honderden computers ons en staan ons onzichtbaar maar zeer efficiënt bij in het dagelijkse leven. Zo zullen we op een uiterst gebruiksvriendelijke manier, overal ter wereld en op elk ogenblik informatie kunnen opvragen en elektronische diensten kunnen gebruiken. Een voorwaarde om dit onzichtbaar te integreren in ons dagelijks leven is dat de computers meer menselijk worden, met bv. een meer natuurlijke gebruikersinterface gebaseerd op animatie en spraakherkenning. Een verdoorgedreven integratie is ook een absolute noodzaak hiervoor. Slimme, draadloze toestellen rondom, een digitale assistent en een sensornetwerk op het lichaam In de slimme omgeving worden minuscule computers ingebouwd in alle toestellen, die bovendien draadloos met elkaar communiceren en reageren op prikkels uit de omgeving. Het realiseren van zulke intelligente toepassingen vereist volgende technologieën: draagbare, uiterst performante en geminiaturiseerde computersystemen overal rondom ons, draadloze communicatie die naadloos kan overschakelen tussen verschillende systemen, gebruiksvriendelijke interfaces en een verspreid netwerk van MEMS en (bio)sensoren. Elk van ons zal beschikken over een digitale assistent met een brede waaier aan mogelijkheden: multimedia, communicatie, gps, analyse van de gezondheidstoestand en de omgeving enz. Deze assistent zal zich op elk ogenblik kunnen aanpassen aan de noden van zijn gebruiker. Dit vereist herconfigureerbaarheid van het systeem. Naast deze digitale assistent zal iedereen ook een netwerk van ultrakleine sensoren dragen. Geïntegreerd in kleding of ingeplant in het lichaam meten deze sensoren bepaalde lichaamsfuncties. Beide systemen, de digitale assistent en het sensornetwerk zullen gecombineerd worden in een body area network dat op zijn beurt kan communiceren met de buitenwereld, bv. de dokter of het ziekenhuis. Technologische uitdagingen Eén van de onmisbare bouwstenen van deze intelligente omgeving is draadloze communicatie die aan heel wat voorwaarden moet voldoen: universele toegang en interactiviteit die een gesofisticeerd datanetwerk vereisen dat een combinatie zal zijn van draad- en draadloze telefonie, internet, wireless local area networks, gps en satellietcommunicatie; een grotere bandbreedte; harmonisatie van communicatieprotocols en datasoftware; uitbreiding van de functionaliteit en miniaturisatie van de draagbare communicatiesystemen en tenslotte een verlaging van hun vermogenverbruik. Het sensornetwerk dat we op ons lichaam zullen dragen, vereist technologische ontwikkelingen voor o.a. een ultralaag vermogenverbruik, maximale integratie en een aangepaste gebruikersinterface. Bovendien zal elke sensor over een autonome energiebron beschikken. Plooibare plastiek zonnecellen en vermogen-mems worden in deze context bestudeerd. De biosensoren die vandaag al ontwikkeld worden, zijn een voorloper van de sensoren uit de intelligente omgeving. Misschien wel de grootste technologische uitdaging is het maken van nog meer performante chips die nodig zijn voor de elektronische producten en diensten van de toekomst. Hiernaar wordt gestreefd door een ver doorgedreven miniaturisatie van de transistor, de essentiële bouwsteen van een chip, in combinatie met innovatieve ontwerpmethodes voor complexe chips. Deze miniaturisatie gaat zelfs al zo ver dat men niet meer spreekt van micro-elektronica, maar van nano-elek- 9

10 tronica, waarbij transistoren met typische afmetingen kleiner dan 100nm gebruikt worden (een nanometer is een duizendste van een micrometer). In deze nanowereld kunnen conventionele chipmaterialen en transistorstructuren echter niet meer betrouwbaar gebruikt worden, waardoor grote technologische uitdagingen ontstaan. Tegelijkertijd zijn nieuwe methodes nodig om uiterst complexe chips op een efficiënte manier te ontwerpen. Nieuwe ontwerpmethodes die vertrekken van een systeembeschrijving op hoog abstractieniveau zullen voornamelijk gebaseerd zijn op hergebruik van intellectueel eigendom (IP). Technologie om systemen te herconfigureren zodat ze zich kunnen aanpassen aan de gebruiker wordt ook een absolute noodzaak. Nano-elektronica op het grensvlak van verschillende disciplines De overgang van micro- naar nano-elektronica impliceert een ware verandering in denkwijze. Het zijn niet langer micro-elektronici die de nieuwste snufjes ontwikkelen, maar een team van elektronici, fysici, ingenieurs, chemici, biotechnologen en medici. Deze architecten van de toekomst zullen samen met sociologen de mogelijkheden bekijken van één van de belangrijkste wetenschappelijke trends van de komende jaren: het samengaan van nanotechnologie, biotechnologie, informatietechnologie en cognitieve wetenschappen. Een nieuwe denkwijze ook in het bedrijfsleven Traditioneel gebeurden O&O(onderzoek en ontwikkeling)-activiteiten binnen de muren van een bedrijf waardoor ook de resultaten exclusief eigendom ervan waren. Door de toegenomen complexiteit van de nieuwe technologieën besteden meer en meer bedrijven (een deel van) hun onderzoeksactiviteit uit aan gespecialiseerde onderzoekscentra. In het besef dat meerdere bedrijven met dezelfde technologische uitdagingen kampen, worden zelfs gezamenlijke O&O-projecten opgestart waarin generische technologieën ontwikkeld worden. Deze evolutie impliceert wel dat het intellectueel eigendomsrecht niet langer exclusief tot één bedrijf behoort. De uitdaging is nu dat elk bedrijf een unieke IP-vingerafdruk samenstelt bestaande uit niet-exclusieve eigendomsrechten op generische technologieën en exclusieve eigendom op bedrijfs- en productspecifieke knowhow. IMEC is ideaal geplaatst als onafhankelijk onderzoekscentrum om bedrijven samen te brengen rond de verschillende technologische uitdagingen. Met dit doel werden de industriële affiliatieprogramma s uitgebouwd, de zogenaamde IIAP s. Dit unieke concept wordt wereldwijd erkend als een succesvolle manier voor gezamenlijk O&O. De uitbesteding in de IC-industrie gaat verder dan deze O&O-activiteit. Terwijl vroeger het volledige proces, van chipontwerp over productie tot verpakking, volledig binnen hetzelfde IC-bedrijf gebeurde, worden nu bepaalde onderdelen van de productieketen uitbesteed. Men spreekt in dit verband van verticale desintegratie. De gespecialiseerde bedrijven die nu een bepaald onderdeel van de keten op zich nemen (bv. chipontwerp, software ontwikkeling), gaan strategische allianties aan met de andere spelers. Zo gaat de verticale desintegratie over in een virtuele reïntegratie. Een nieuw industrieel weefsel De convergentie van technologieën zal nieuwe producten en diensten doen ontstaan die een combinatie zijn van verschillende domeinen: nano-elektronica en computertechnologie, gezondheidszorg en geneeskunde, ecologie en energie enz. Tenslotte zal de impact van deze nieuwe technologieën zich voortzetten in alle industriële activiteiten. Nieuwe chips sturen de elektronica industrie, gaande van computers en mobilofoons tot industriële elektronische systemen. Deze zullen op hun beurt een functionele ruggengraat vormen van vele andere industrieën: chipproductie, biotechnologie, weersvoorspellingen, screening van de omgeving, procesautomatisatie, visnijverheid, textielindustrie enz. Het is duidelijk dat onderzoek en ontwikkeling in nieuwe technologieën de hoeksteen zal blijven van onze industrie. 10

11 IWT-STUDIES > >> 44 Hoofdstuk 1 DE SLIMME OMGEVING > 1.1 CONCEPT Het mobiele Internet van vandaag en morgen Het Internet is de ruggengraat geworden voor het transport van wereldwijde datacommunicatie. Heel snelle servers en routers, performante netwerkbeheersystemen en gedistribueerde dataopslagsystemen maken het Internet tot wat het is vandaag, een wereldwijd publiek informatienetwerk. Meer en meer ziet men dat mensen zowel hun PC als verschillende mobiele apparaatjes (zoals mobilofoon, pda, enz.) gebruiken als toegangspoort tot het Internet. Maar de gebruiksvriendelijkheid laat in veel gevallen nog te wensen over. Mensen worden overstelpt met informatie waaruit men moeilijk de voor hen relevante data kan halen. De huidige mobiele Internet toestelletjes beschikken over een heel beperkte bandbreedte waardoor het te lang duurt voor de informatie op een gebruiksvriendelijke wijze beschikbaar is. Zeker wanneer er multimediadata (foto s, videobeelden, ) doorgestuurd wordt. Het is dan ook duidelijk dat slimme agenten, die een eerste verwerking en interpretatie doen van de informatie, en een grotere bandbreedte voor mobiele toepassingen, van primordiaal belang zijn om van het huidige mobiele Internet een gebruiksvriendelijke technologie te maken. Dan pas zal iedereen op elk ogenblik van de dag en op elke willekeurige plaats kunnen genieten van de diensten van het mobiele Internet. Men kan evenwel nog een stap verder gaan en rond iedere persoon een wolk van intelligentie creëren die op een gebruiksvriendelijke en permanente wijze in een dynamische dialoog treedt met een slimme omgeving. Met deze ontwikkelingen betreedt men de volgende stap in de evolutie van ICT (informatie- en communicatietechnologie), de intelligente omgeving of ambient intelligence. Deze (r)evolutie zal mogelijk zijn door talrijke doorbraken in het domein van systeemontwerp en de micro-elektronica, die met rasse schreden het nanotechnologietijdperk aan het betreden is. FIGUUR 1 > Evolutie naar de intelligente omgeving chips/device PC Personal assistants Ambient Intelligence 1 >100 # devices/person Computer power Personalized devices Accessing the smart environment

12 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving 1 bv. tussen de hartslagmeter van een marathonloper en de pc van de coach thuis of tussen een klein toestel dat een analyse maakt van een bloeddruppel van een diabetes patiënt en draadloos het resultaat daarvan doorstuurt naar een ingeplant insulinepompje dat dan de exacte nodige dosis insuline in het lichaam vrijgeeft De toekomst wordt intelligent Ambient intelligence, smart environment, pervasive/ubiquitous computing, intelligente omgeving, het zijn allemaal synoniemen die het nieuwe technologische tijdperk omschrijven dat gradueel werkelijkheid zal worden in de komende 10 jaar ( ). In dit nieuwe computertijdperk zullen computersystemen (letterlijk en figuurlijk) naar de achtergrond verdwijnen terwijl de mens naar de voorgrond zal verschuiven om zo de kwaliteit van het dagelijkse leven te verbeteren. In de toekomst zal de technologie zich dus meer aanpassen aan de mens en zich ten dienste stellen van het comfort van de mens, daar waar in het verleden de mens zich steeds opnieuw sterk diende aan te passen aan de snel-wijzigende technologieën. Men zal dan op elk ogenblik van de dag en op elke willekeurige plaats op een gebruiksvriendelijke en transparante manier snel toegang krijgen tot informatie en elektronische diensten. Terminals zullen evolueren tot ware, draagbare digitale assistenten voorzien van verschillende multimediatoepassingen en interactiemogelijkheden met een slimme omgeving. Daarnaast zullen intelligente sensoren op en desgevallend ook in het lichaam gedragen worden en de mens informeren over zijn omgeving en gezondheid. Hun intelligentie maakt dat ze situaties kunnen interpreteren en bijsturen. Ze zullen op nooit geziene wijze hun toepassing vinden in sport, gezondheidszorg en het verhogen van de levenskwaliteit. Kenmerken van de intelligente omgeving: Rekenkracht overal, in alle toestellen; Overal met mekaar verbonden via draadloze communicatie; Bewustzijn van de omgeving ( context awareness ). Deze intelligente hulpmiddelen van de toekomst kunnen maar werkelijkheid worden op basis van vier technologieën: (1) draagbare, uitermate sterk geminiaturizeerde computersystemen die overal in de omgeving aanwezig zijn (bv. in kleding, bril, schoenen, ); (2) draadloze communicatie tussen de verschillende systemen 1 (3) gebruiksvriendelijke en meer natuurlijke interface bij voorkeur via spraakherkenning i.p.v. via een toetsenbord of via sensoriële gewaarwording en (4) een verspreid netwerk van MEMS (micro-elektromechanische systemen), nems (nano-elektromechanische systemen) en allerlei sensoren, met een bijzondere aandacht ook voor biosensoren. In 2010 zal iedereen een digitale assistent, te vergelijken met een mobilofoon, dragen. Deze assistent zal een waaier aan functies bieden zoals zeer verschillende multimediaen communicatietoepassingen, positioneringsystemen (zoals gps) enz. Het zal tevens input ontvangen over de gezondheid van de eigenaar en gegevens over de omgeving, op basis van een informatieprofiel van de eigenaar, zodat de eigenaar niet nodeloos informatie ontvangt over onderwerpen waarvoor hij/zij minder interesse heeft. Het zal de eigenaar naadloos in verbinding stellen met de buitenwereld via satellieten, mobilofoonmasten, basisstations voor draadloze lokale netwerken en met digitale assistenten van andere personen in een ad-hoc netwerk, naargelang de omstandigheden. Erg belangrijk hierbij is dat een dergelijke digitale assistent in staat zal zijn om zich in reële tijd aan te passen aan een bepaalde functionaliteit die op een bepaald ogenblik door zijn eigenaar gevraagd wordt. Het zal dus herconfigureerbaar zijn. Hierdoor vermijden we dat ze voor iedere functionaliteit een ander soort digitale assistent dienen aan te spreken, zoals dit vandaag het geval is. We wensen in de toekomst immers niet met een honderdtal dergelijke slimme toestelletjes rondom ons lichaam rond te lopen! Daarnaast zal iedere persoon ook een aantal lichaamssensoren dragen op zijn lichaam, in zijn kleren of zelfs geïmplanteerd, om verschillende cruciale lichaamsfuncties te monitoren. Deze sensoren zullen eerder een proactieve rol spelen dan een genezende functie vervullen. Al deze sensoren zullen met elkaar verbonden zijn in een body area network (BAN). Dit netwerk zal in verbinding staan met de digitale assistent en zo informatie kunnen leveren aan de eerstelijnsarts over de gezondheidstoestand van de eigenaar. De digitale assistenten zullen, voor meer tri- 12

13 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving IWT-STUDIES > >> 44 viale toepassingen, kunnen communiceren met elkaar, informatie verwerken en uitwisselen met andere digitale assistenten of met een slimme omgeving, zonder dat de persoon in kwestie hiervoor gestoord dient te worden. Een typisch voorbeeld hiervan is het uitwisselen van gegevens die op een business card staan als personen elkaar voor het eerst ontmoeten. Dergelijke gegevens zullen direct in het databestand van de ander kunnen opgeslagen worden. Een gelijkaardig voorbeeld is wanneer we in de toekomst een slimme grenspost voorbijgaan, dan zullen we niet langer ons paspoort dienen af te geven, maar zal een gelijkaardige informatie automatisch uitgewisseld worden met de slimme grenspost. Alleen wanneer iemand gezocht wordt, zal hij of zij daar iets van merken. De ultieme (r)evolutie naar de intelligente toekomst zou er als volgt kunnen uitzien: de hele omgeving gebouwen, wegen infrastructuur, auto s, meubels, kleren, de meeste producten, zal intelligent worden, waardoor onze digitale assistenten met de omgeving zullen kunnen communiceren en automatisch zullen kunnen aansluiten op draadloze locale netwerken (WLANs), satellieten of draadloze netwerken (WANs), wanneer dit maar nodig is en dit op de meest efficiënte (goedkoopste) wijze. De slimme agenten die in de digitale assistenten en de slimme omgeving geïntegreerd zullen zijn, zullen grote hoeveelheden informatie verwerken en interpreteren, gebaseerd op gebruikersprofielen, vooraleer een persoon betrokken wordt in het informatie- en beslissingsnemingsproces. Het spreekt voor zich: databeveiliging, privacy reglementering, vertrouwen en betrouwbaarheid van de uitgewisselde informatie, zullen uitermate belangrijk worden als voorwaarde voor de mens om zich open te stellen voor een dergelijke (r)evolutie. Daar wordt dan ook zeer veel aandacht aan besteed. FIGUUR 2 > Medisch body area network (BAN). Eén van de belangrijkste eigenschappen van de digitale assistent en het sensornetwerk is de nood tot laag (mw) en zelfs extreem laag (µw) energieverbruik. Dit zal een grote uitdaging worden aangezien hun vermogen om verschillende dynamische toepassingen te draaien en zich aan te passen aan het menselijk gedrag, juist veel 13

14 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving > rekenkracht vereist. Een vermogenefficiëntie van maar liefst 10 tot 50 miljoen operaties per seconde per milliwatt is vereist voor de digitale assistenten die op batterijen zullen werken en 100 miljoen operaties per seconde per milliwatt voor het sensornetwerk dat gebruik zal maken van nieuwe energiebronnen zoals flexibele zonnecellen en vermogen-mems. Het is wel duidelijk dat een breed gamma van technologieën zal nodig zijn om dergelijke intelligente platformen te realiseren. Multidisciplinair onderzoek is dan ook een noodzaak om de intelligente omgeving van morgen werkelijkheid te laten worden. 1.2 TECHNOLOGISCHE TRENDS EN UITDAGINGEN Communicatie is draadloos In onze maatschappij zijn mobiliteit en mobiele/draadloze communicatie niet meer weg te denken. Het grote succes van de mobilofoon heeft een eigen cultuur doen ontstaan, waarin voortdurend gegsmd, gesmst en gewapt wordt. We hebben er zelfs nog geen officieel aanvaarde woorden voor. Naast spraak kan nu immers ook data en multimedia, op heden nog met zekere beperkingen, draadloos verstuurd worden. Eén van de fundamenten van de slimme omgeving van de toekomst, is een nog verder doorgedreven draadloze communicatie. Plaatsgebonden communicatie zal volledig evolueren naar persoonsgebonden communicatie. Ieder zal een persoonlijk lichaamsnetwerk ( Wireless Personal Area Network of WPAN ) met zich meedragen dat bestaat uit bv. een organizer, mobilofoon/gps en computer die draadloos en zonder tussenkomst van de gebruiker met elkaar kunnen communiceren. In een nog verder stadium zullen al deze functies geïntegreerd worden in één klein, zuinig, draagbaar en herconfigureerbaar toestel. Door een ingebouwde chip in dit apparaat ( embedded connectivity ) staat men permanent ( always-on mode ) in contact met de gehele omgeving in de breedste (wereldwijd indien nodig en zinvol) betekenis van het woord. Seamless roaming zal FIGUUR 3 > Globaal systeem voor de intelligente omgeving. 14

15 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving IWT-STUDIES > >> 44 2 Omdat eenzelfde soort data niet op elk medium (gsm-scherm, computer scherm of tv-scherm) eenzelfde resolutie vergt kan de QoS dynamisch aangepast worden aan het gebruikte medium op een bepaald ogenblik. Hierdoor kan men de beschikbare bandbreedte veel efficiënter aanwenden. 3 Herconfigureerbaar systeem: een systeem dat zich kan aanpassen zodat het de juiste vereisten bezit voor een specifieke toepassing. een noodzaak worden. Maar voor het slagen van seamless roaming zal naast de uitgebreide software ook een sterk doorgedreven standaardisering (SW en HW) en samenwerking van groot belang zijn. Deze draadloze toekomst zal de wijze veranderen waarop men communiceert, winkelt, werkt en met anderen omgaat. Zo zal het niet meer nodig zijn om elke dag naar kantoor te gaan aangezien bv. nieuwe bedrijfsinfo of elke ochtend op een vast tijdstip naar zijn pda of laptop kan gestuurd worden. Draden, stekkers en docking stations worden overbodig. Men zal zijn kunnen lezen op de trein of in de tuin. Werkplekken en werktijden zullen op deze wijze veel flexibeler worden, waardoor werk- en privé-leven veel beter zullen kunnen gecombineerd worden. Ook winkelketens zullen slim gebruik kunnen maken van de nieuwe mogelijkheden: een poortje aan de ingang van de winkel zal een klant herkennen en hem of haar via zijn/haar mobilofoon of pda dan op de persoon toegesneden aanbiedingen tonen op een schermpje van het winkelkarretje. Intelligente verpakkingen van voedingswaren zullen permanent aangeven of de voedingswaar nog voldoende vers (consumeerbaar) is of niet. In dit laatste geval wordt het product bijvoorbeeld volledig gekleurd zodat duidelijk wordt dat het niet langer verkoopbaar is. Andere voorbeelden zijn afvalcontainers die automatisch, via een ingebouwd mobilofoon-systeem, laten weten waneer ze voor meer dan 85% vol zijn, zodat ze leeggemaakt kunnen worden ( remote servicing ); of containers die via ID-tags permanent kunnen opgevolgd worden waar ze zich exact bevinden; of intelligente wegen die variabele toltarieven kunnen hanteren, afhankelijk van piekuren en verkeersdensiteit, maar tezelfdertijd ook aan het navigatiesysteem van wagens kunnen doorgeven wat het beste (tijd versus kost) parcours is dat men kan volgen op een gegeven ogenblik. Sleutelelementen voor de realisatie van draadloze intelligentie: Flexibele air-interfaces: dé ideale oplossing voor een transmissieschema bestaat niet, gezien de grote verscheidenheid aan geografische omgevingen en terminals. Daarom is een flexibele golfvorm noodzakelijk die kan aangepast worden aan de connectie en aan de quality-of-service (QoS 2 )-vereisten. Platformintegratie: Aangezien er maximale mobiliteit gegarandeerd moet worden en de afmetingen dus beperkt moeten zijn, is een zeer sterk doorgedreven integratie noodzakelijk. De integratie van een volledig systeemin-een-verpakking (SiP) is de meest haalbare oplossing voor dergelijke terminals. Deze SiP moet een herconfigureerbaar 3 digitaal systeem bevatten, dat weinig vermogen verbruikt, en een herconfigureerbare radio om te kunnen roamen tussen de verschillende soorten communicatienetwerken. Schaalbare multimediasystemen: in een multimedia-omgeving zorgen allerhande heterogene netwerken en terminals ervoor dat multimedia-informatie virtueel overal kan opgevraagd en verwerkt worden. Schaalbare multimedia-encoding is daarbij onmisbaar, omdat het toelaat om slechts één keer gegevens te creëren en ze vervolgens op gelijk welk ogenblik aan te passen aan de netwerk- en terminalkarakteristieken. Een voorbeeld: men zal het weerbericht kunnen beluisteren aan de telefoon, aflezen op mobilofoon, interactief uitpluizen op computer of afspelen op pda. Voor elk soort platform en overeenkomstig kanaal zou een aparte multimedia-inhoud aangemaakt moeten worden: bv. alleen geluid aan de telefoon, tekst op mobilofoon, landkaarten met symbolen op pda en een weerbericht met alles erop en eraan (zelfs selectie per regio) op computer. Voor de productiehuizen is het niet haalbaar om voor elk platform een weerbericht uit te werken. Dit zou te duur en te tijdrovend zijn. Via schaalbare multimedia-encoding zal het mogelijk zijn om data eenmaal aan te maken en overal te publiceren. 15

16 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving FIGUUR 4 > Overzicht van technologische ontwikkelingen voor de draadloze wereld Universele toegang en interactiviteit zullen in het komende decennium aanzienlijk toenemen dankzij de globale interconnectie tussen geavanceerde netwerken en terminals. De ruggengraat van dit systeem is het gesofisticeerde datanetwerk dat ontstaat door de convergentie van vaste en mobiele telefonie, Internet, WLAN, gps en satellietcommunicatie. De technologische doorbraken die nodig zijn om dit supernetwerk te realiseren zijn: Toenemende bandbreedte van zowel vaste als draadloze netwerken; Harmonisatie van communicatieprotocols en datasoftware; Stijging van de dataverwerkingscapaciteit van terminals en servers; Verhoogde functionaliteit en miniaturisatie van mobiele interfacesystemen; Vermindering van vermogenverbruik van mobiele interfacesystemen, inclusief de aangewende protocols. Integratie van een WLAN zender/ontvanger met antenne en versterker in een verpakking. Chips (IC s) voor draadloze communicatie behoren vandaag reeds tot de meest complexe geïntegreerde systemen die worden ontworpen en geproduceerd. Om de draadloze communicatiesystemen van de intelligente omgeving te realiseren, is er echter nog een verder doorgedreven miniaturisatie/integratie nodig. Meer en meer bestaan ze uit volledige systemen-in-een-verpakking, waar alle vereiste functionaliteit in één kleine verpakking zit, gaande van de antenne, de zender en ontvanger tot de volledige toepassingsfunctionaliteit zelf. Geavanceerde verpakkingstechnieken zoals o.m. de MCM-D (dunne-film multi-chipmodule)-technologie zijn hiervoor noodzakelijk. Ook wordt meer en meer naar vormen van 3D-verpakkingen gekeken om de densiteit (per eenheid van volume) nog verder op te drijven. De draadloze toepassingen van morgen zijn vooral gericht op multimediadistributie en Internettoegang via lokale netwerken. Verschillende standaarden werden reeds opgesteld zoals HiperLAN/2 en IEEE802.11a voor deze toepassingen. Ze maken gebruik van de OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)-modulatietechniek, die grote hoeveelheden data kan overbrengen door ze te verdelen over meerdere subdraaggolven. Bij lokale netwerken zoals in huis of op kantoor, bestaat echter het probleem dat bepaalde draaggolven terugkaatsen. Door destructieve interferentie gaan dan golven en data verloren, zogenaamde bitfouten. Een techniek zoals adaptieve lading kan dit oplossen. Adaptieve lading zorgt voor een optimale verdeling van de data over de verschillende subdraaggolven. Zo wordt ervoor gezorgd dat de data enkel verstuurd wordt over de goede draaggolven en in gradaties minder data op de minder goede draaggolven. Maar naast deze bitfouten bestaat ook het probleem van gedeelde capaciteit voor lokale draadloze netwerken. Wanneer bv. meerdere werknemers in een kantoorruimte draadloos willen internetten, zal men een lagere transmissiesnelheid ervaren dan wanneer men alleen werkt. Verhoging van de capaciteit kan theoretisch bereikt worden door ofwel het zendvermogen te vergroten 16

17 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving IWT-STUDIES > >> 44 ofwel de bandbreedte. In de praktijk is dit echter niet haalbaar. Multi-antennetechnieken waarbij het basisstation over meerdere antennes beschikt, kunnen hier een oplossing bieden. Hierdoor kunnen verschillende gebruikers tegelijkertijd en bij dezelfde frequentie werken, hetgeen dus een sterke verbetering in celcapaciteit betekent. Om het vermogenverbruik te verkleinen, vereist draadloze transmissie een codering van het kanaal. Bij kanaalcodering wordt de data die verstuurd wordt, gemanipuleerd om het aantal bitfouten te verminderen. Vandaag bestaan er verschillende soorten kanaalcodes waaronder bvb. turbocodes. Turbocoderingsschema s zijn goede kandidaten voor toekomstige systemen zoals (satelliet)umts en DVB. Terwijl turbocodering een oplossing kan bieden voor lokale draadloze netwerken, is er een andere benadering nodig voor de sensornetwerken van de slimme omgeving die een extreem laag vermogenverbruik zullen dienen te bezitten Sensoren op en in het lichaam Wetenschappers verwachten dat binnen 10 jaar het samengaan van micro-elektronica, biotechnologie en scheikunde, en dit op moleculair vlak, de mogelijkheid zal bieden om ons leven drastisch te verbeteren. Hierna enkele voorbeelden die men in gedachten heeft: Een nano-bioprocessor die bacteriën/virussen kan opsporen in het bloed en ze vervolgens kan bestrijden met nanomedicijnen. Dezelfde denkpiste wordt reeds toegepast voor de combinatie van glucosebiosensor en insulinepomp die in de toekomst in staat zal zijn om de glucosespiegel te meten en insuline af te geven in het bloed. Zo kan een constante bloedsuikerspiegel gegarandeerd worden bij diabetespatiënten. Neuro-implantaten voor de besturing van prothesen, de behandeling van Alzheimer of het tegengaan van epileptische aanvallen of voor het bestrijden van pijnen. Sensoren voor het herstellen van gehoor en zicht. Verbeterde pacemakers en kunstorganen. Sensoren voor nieuwe zintuigen zoals infraroodzicht, ultrasoon gehoor. FIGUUR 5 > De ontwikkeling van biosensoren in de tijd (de roadmap) Chemische Verbindingslaag Energielevering & stockage Communicatie Autonome signaal Verwerking Testconcept Transducer configuratie Bio sensor Autonome sensor Wegwerpbare sensor Nieuwe biocompatibele materialen Implanteerbare sensor POC Ziekte merker Therapeutics Intelligente plakker Intelligente kleding POC Proteomics In vivo In vitro Polymeer Nieuwe bioprobes, Elektronica testen, transductors 17

18 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving Nanorobotten die microchirurgische ingrepen kunnen uitvoeren zonder hiervoor grote wonden te maken. De slimme pil die rechtstreeks naar de plaats van werking gaat (het doelwitorgaan of weefsel) en zeer gericht actieve therapeutische molecules afgeeft. Een sensor die bij biologische en chemische oorlogvoering de vreemde substanties dadelijk kan detecteren (vb. miltvuur). Het creëren van virtuele omgevingen bv. voor studenten geneeskunde die zo de menselijke anatomie, fysiologische functies en medische procedures kunnen visualiseren en met al hun zintuigen ervaren. Natuurlijk is dit alles nog niet voor morgen. Er is nog een hele weg af te leggen, de zogenaamde roadmap die opgesteld werd door onderzoekers uit universiteiten, onderzoeksinstellingen en de industrie. Deze onderscheidt twee evoluties: in vivo toepassingen (sensoren die ingeplant worden in het lichaam) en in vitro toepassingen (externe systemen). Intermediaire systemen zijn plakkers voor op de huid (te vergelijken met nicotinepleisters) of sensoren die worden geïntegreerd in de kleding. De eerste biosensoren zijn reeds op de markt. 90% van de markt van biosensoren wordt ingenomen door glucosebiosensoren voor het meten van de glucosespiegel in het bloed van diabetespatiënten. Naast hun gebruik voor farmaceutische toepassingen worden biosensoren ook al gebruikt voor het screenen van milieu, voeding en fermentatieprocessen, in de landbouw en voor militaire doeleinden. Voorbeelden hiervan zijn: bepaling van nitraat in water, ammoniak in lucht, suiker in dranken, Salmonella in voeding, versheid van vis, steriliteit, levensduur en on-line calibratie van het fermentatieproces, antibiotica in koeienmelk, plantenziekten, bodemvoedingsstoffen en pesticidencontrole in de landbouw, detectie van anthrax, enz. De volgende logische stap in de evolutie naar een implanteerbare biosensor is het volledig autonoom maken van het systeem: een eigen energiebevoorrading (bij een ingeplante biosensor kan je niet zomaar eventjes de batterijen vervangen!), draadloze communicatie met andere systemen en ingebouwde signaalverwerking. Vooraleer dit autonoom systeem kan ingeplant worden, moeten biocompatibele materialen ontwikkeld worden. De ultieme droom is een therapeutisch implantaat dat niet alleen zal registreren (bv. DNA, proteïnen, ziektekiemen, glucose in bloed), maar ook zal handelen door het gepaste nano-medicijn in de bloedbaan te brengen aan de hand van in-situ metingen en analyses. De zoektocht naar een in vitro systeem heeft als doel een extern point-of-care (POC) systeem te ontwikkelen dat testen kan uitvoeren bij de patiënt zelf (thuis, bij de huisdokter of in het ziekenhuis) en niet meer in een gespecialiseerd klinisch labo. Een eerste stap in deze richting is toegespitst op materiaalonderzoek. Men wil namelijk komen tot een goedkoop en wegwerpbaar systeem omwille van steriliteitseisen. De polymeerelektronica lijkt hier een oplossing te kunnen bieden. Eerst en vooral wil men bepaalde ziekten kunnen detecteren waar men de juiste merkers (antigenen) al van kent. Het komt er dan op aan om de juiste antilichamen te maken (die herkennen de antigenen en binden ermee), ze te immobiliseren op het biosensoroppervlak en een gepaste transducer te ontwikkelen, die het biochemische signaal kan omzetten in een elektrisch signaal. De ultieme droom van de farmaceutische industrie is een point-of-care systeem dat proteïnen in het bloed kan screenen (proteomics). Met een dergelijk systeem zullen heel snel ( realtime ) ziektes kunnen opgespoord worden, zonder dat er nog testen moeten gebeuren in een klinisch labo. Er werd hier voornamelijk gesproken over geneeskundige toepassingen, maar met een beetje verbeelding kan de roadmap ook toegepast worden in andere domeinen. Bv. in de veeteelt zouden biosensoren kunnen ingeplant worden bij schapen, zodat monden klauwzeer in een zeer vroeg stadium kan opgespoord worden en alleen de getroffen dieren moeten geslacht worden. 18

19 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving IWT-STUDIES > >> 44 FIGUUR 6 > Overzicht van technologische ontwikkelingen voor een body area network van sensoren. Om een body area network (BAN) van sensoren die op en in het lichaam gedragen worden te realiseren, moeten er nog talrijke technologische doorbraken behaald worden en dit zowel in het domein van systeemontwerp als in de ontwikkeling van microsystemen. Op het vlak van ontwerp is het vooral belangrijk om een ultralaag vermogenverbruik, een optimale integratie en een gepaste gebruikersinterface na te streven (zie 1.2.3). De sensoren van het BAN moeten een autonome energievoorziening hebben. Flexibele plastiek zonnecellen die kunnen geïntegreerd worden in, bijvoorbeeld, kleding zijn hier een mogelijkheid. Vooraleer plastiek zonnecellen een doorbraak zullen kennen, zal de omzettingsefficiëntie van het zonlicht in energie voldoende hoog moeten zijn (5 à 10%) evenals de stabiliteit van de cel in de tijd. Vandaag behaalt men echter nog maar omzettingsefficiënties van ongeveer 2%. Verwacht wordt dat de plastiek zonnecellen Plastiek zonnecelmodule op een flexibel substraat (eigendom IMEC). zullen opduiken in consumentenartikelen vanaf Ook vermogen-mems kunnen een oplossing bieden. Ze halen energie uit thermische, mechanische of biochemische energiestromen in en rond het lichaam of vanuit lichaamsbewegingen. Een elektronisch systeem zorgt voor de omzetting van de mechanische energie naar elektrische energie. Daarnaast moeten er dunne-film batterijen ontwikkeld worden om een brug te slaan tussen de energieproductie van de vermogen-mems en het energieverbruik. Dergelijke vermogen-mems vergen nog veel onderzoek vooraleer ze hun intrede zullen doen op de markt. Polymeren zijn essentieel om tot goedkope wegwerpbiosensoren te komen. Daarnaast bieden ze de mogelijkheid om in kleding geïntegreerd te worden aangezien polymeersensoren plooibaar zijn. Polymeer halfgeleiderfilms met een hoge kwaliteit moeten hiervoor ontwikkeld worden. Een alternatief is het maken van ultradunne en ultrakleine chips. Deze chips moeten zo klein zijn dat ze ook in flexibele oppervlakken zoals kleding kunnen geïntegreerd worden. Zo bestaan er nu al technieken om chips te verdunnen tot een dikte van slechts 15µm zonder verlies van functionaliteit. Talrijke uitdagingen liggen ook voor de boeg in de ontwikkeling van de biosensor zelf. Allereerst moet er een geschikt transducersysteem ontwikkeld worden, dat het biochemische signaal (binding van antigen en antilichaam) kan omzetten in een meetbaar elektronisch signaal. Verschillende routes worden hier bewandeld. Zo worden er biosensoren ontwikkeld die detecteren op basis van geluidsgolven en geleiding tussen elektroden. Daarnaast wordt ook het magnetische detectieprincipe toegepast, wat het extra voordeel heeft dat de biomoleculen niet enkel gedetecteerd kunnen worden maar ook getransporteerd. Op basis van deze techniek kan men komen tot een labop-een-chip, waarbij een staal van een te onderzoeken vloeistof naar verschillende plaatsen op een sensorchip wordt gebracht om achtereenvolgens de aanwezigheid van verschillende merkers na te gaan. Een moge- 19

20 HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving FIGUUR 7 > lijke toepassing van de magnetische biosensor is het opsporen van bepaalde genetische ziekten die waarneembaar zijn als een mutatie van DNA/RNA. Wegwerp biochip voor de detectie van erfelijke ziekten en bacteriële infecties (eigendom IMEC). Naast het transducersysteem moet ook de verbindingslaag tussen de biologische en de elektronische component ontwikkeld worden. Hiervoor kunnen zelf-assemblerende monolagen van thiolen of silanen gebruikt worden die slechts enkele nanometer dik zijn. Deze moleculen, die zich spontaan organiseren in een laag, dienen als linkers voor de immobilisatie van de biomoleculen op de elektronische component. Een recente doorbraak in dit onderzoek is het gebruik van gemengde zelf-assemblerende monolagen. Hierdoor wordt een uiterst hoge gevoeligheid bereikt zodat de doelwitmoleculen reeds bij zeer lage concentratie kunnen gedetecteerd worden. Een andere generatie van sensoren zijn de zogenaamde neuronen-op-een-chip waarbij transistoren verbonden worden met neuronen. De moeilijkheid hierbij is opnieuw de verbinding tussen het biologische en elektronische materiaal, waarvoor maar liefst vier tussenlagen nodig zijn. Deze systemen kunnen gebruikt worden om tijdig te waarschuwen bij bvb. epileptische aanvallen Krachtiger chips De wet van Moore: drijfveer van de ICindustrie De voorbije 30 jaar werd de IC(integrated circuit)-industrie of halfgeleiderindustrie voortgedreven door de wet van Moore. Begin jaren zeventig voorspelde Gordon Moore, één van de stichters van INTEL, dat het aantal transistoren op een chip iedere 3 FIGUUR 8 > Versnelling van de International Technology Roadmap for Semi-conductors: elke 2 jaar zou een nieuwe technologiegeneratie geïntroduceerd moeten worden Minimum Feature Size (nm) year cycle year cycle Year 20