Technologische (r)evolutie: Een antwoord op de uitdagingen van de 21e eeuw?

Transcriptie

1 Technologische (r)evolutie: Een antwoord op de uitdagingen van de 21e eeuw? Hugo De Man Prof. Em. K.U.Leuven Senior Fellow IMEC GIGA NANO 1

2 Een eeuw van nooit geziene uitdagingen! Energie, water, voedsel voor 9 mjd mensen in 2050 Betaalbaarheid vergrijzing en gezondheidszorg Duurzame, vlotte veilige mobiliteit en... Onze welvaart behouden in globaliserende wereld Technologie met hoge meerwaarde voor Sociale Innovatie! =kennis kunde kassa hier schort het! 2

3 Energie en Welvaart voor 9 mjd mensen? Welvaart BNP/pp (k$/persoon) Brazilie EU Wereld Indie China Afrika D Japan Rusland België 0 2,5 5 7, ,5 Energie Verbruik/pp (kw/persoon) US 76 slaven voor iedere Belg! Data: UNO 2030 BAU scenario energie(+50%), water(+40%) en voedsel (+35%)! Bron: National Intelligence Council usa 3

4 Fossiel deficit en klimaatverandering DT(2100) < 2 o C Bron: IPCC Nucl. Fossiel Zon Transport Bouw Wind Ind. Biomass Hydro Geo CO 2 arme tech Energie Besparende Tech. Hernieuwbare Bronnen Enorme uitdaging! In de praktijk moeilijk haalbaar! In 2010 slechts 25% gehaald! Bron:DOE US 4

5 Vergrijzing en Gezondheidszorg In 2025 : >30% boven 60 Verdubbeling chronische&dure ziekten in 25j Betaalbaarheid GZ? EU: 600 Mjd /j =10% BBP (*2/20j) Farma industrie loopt vast : 1Mjd per medicijn, 1/3 kans Kan opkomende technologie helpen? Van dure post-factum gezondheidszorg naar betaalbare Predictieve, preventieve, gepersonaliseerde geneeskunde? Goedkoper of voor de happy few? Uitdaging: Lage kost technologie vs. betrouwbaarheid Revolutie in de gezondheidszorg? 5

6 Kan technologie helpen? Uitdagingen van de 21 ste eeuw Opkomende technologieën Zijn we er maatschappelijk klaar voor? 6

7 Technologische (r)evolutie in de 21e eeuw Eeuw Technologie Productiefactor Product IV I II III Fossiele Brandstof Machines Elektriciteit Fabriek Computer Chips, DNA, tech op nano-schaal Informatie + Communicatie (ICT) + Bio-Nano-en Neurotech Arbeid Kapitaal Hersens Kennis Maakindustrie Mobiliteit Slimme,duurzame Genetwerkte Gepersonaliseerde Diensten, producten Nanogeneeskunde Nano-materialen 7

8 Opkomende technologieën Van Micro- naar Nano-Elektronica Van het PC tijdperk naar de Slimme Omgeving Convergentie van ICT-Bio-Nano Technologie Diep impact op alle sectoren o.m. nano-geneeskunde Levert meerwaarde voor klassieke sectoren Energie voor de toekomst 8

9 ICT van de 20 e eeuw PC-tijdperk intel www PC=Professioneel Apparaat PC=Gesofistikeerde typemachine PC=Informatiebron, Mobieltje Informatiemaatschappij: Eenrichtingsverkeer: van bron naar aanvrager Mens als informatieconsument 9

10 Chip (r)evolutie: wet van Moore # transistoren/chip maal 2 om de18 maanden Rekenkracht/chip maal 2 per 21 maanden 10*10 6 sinds

11 Inzoomen op een chip Bevat 500 chips 1cm 2 interconnect Bevat Miljoenen Reken- Geheugen Celletjes 1 transistor 1 Silicium Plak 700cm 2 c b a 11

12 (IMEC) a b c Hoe kleiner hoe beter: Van Micro- naar Nano-Schaal T l MICRO NANO 100nm? B I O Molecule, 1nm 1 nanometer = 1 miljardste meter = 1 miljoenste mm 12

13 Evolutie naar het Post-PC tijdperk Nog 10 jaar Meer Moore + opkomende Meer dan Moore tech WWW Cloud Draadloze Assistent Slimme Sensoren Plastiek+buigzame Altijd, Overal Verbonden en Actuatoren Elektronica Met mens, informatie en voorwerpen RFID, e-scherm Meer Moore Meer dan Moore 3-D integratie Alles in mm 3 verborgen ICT 13

14 Toepassingen Plastic Electronics imec Slim RF ID etiket Pupil lens(rug/imec) imec 1 e Plastic computer Toegang (Verichip) Versheidsetiket Kassaloos-shoppen Logistiek 14

15 Zo naar: The Mobile Internet of Things Draadloze Assistent Smartphone Tablet 15

16 IoT: de weg naar de Slimme Omgeving (Ambient Intelligence) Smart Home Google Glass Picanol Veilige, betrouwbare computing en communicatie onzichtbaar ingebed in elk ding en elke persoon Alomtegenwoordige, context bewuste omgeving die zich aanpast aan de mens OLED krant Smart Car Smart Pill 17

17 Impact op ganse maatschappij AmI verandert de manier waarop de mens zijn omgeving beleeft Vereist holistische benadering: Van samenlevingscultuur naar technologie (social innovation) Nood aan renaissance ingenieurs en renaissance humanisten Bron: E. Aarts, Philips 18

18 Voorbeelden van slimme omgevingen 19

19 Naar verborgen ICT in huis Nu + 5 Jaar Bron: Philips 20

20 AmI voor energiezuinig en veilig verkeer Car cocoon / Autonomous Driving Drive by wire Hybrid-EV Verkeerdoden halveren 2020 Source: MEDEA+ Genetwerkte Auto s IMEC-BOSCH-PHILIPS Slimme Sensoren 21

21 Naar Autonome Auto s? BMW test GM EN-V ->Megasteden Oproepbaar met Iphone Autonoom 22

22 AmI en vergrijzing Bron: Intel Ageing In Place Research testbed EU, VIA Tele-zorg, Tele-geneeskunde Philips, ST, MicroSoft, TI TELEVIC,IMinds, IMEC 23

23 Telegeneeskunde (je dokter op zak) IMEC B,NL ESAT Slimme Draadloze Bio Sensoren IMinds Thuiszorg Project BAN 4G Internet 3G Smart Phone 24

24 Imec s ambulante hartmonitor (met HOLST Center NL) 20% cardiologische overlijdens (>60.000/j) Kunnen hierdoor voorkomen worden. Reductie dokters- en hospitalisatiekosten Hart Hangertje 24/7 Hart Pleister 2009 : 2mW => 2011 : 0.1mW 25

25 Voor en tegen Slimme Omgeving Levenskwaliteit, veiligheid, gezondheid Privacy? Big brother is watching (NSA! Twitter ) Cyber-misdaad, -terrorisme (Darknet, Phishing!) Technologie afhankelijkheid kwetsbaarheid... Digitale kloof? 27

27 Zintuig Prothesen waar ICT Bio ontmoet Cochleaire implant Cochlear-Philips-Target-IMEC-KULeuven-UIA imec cochlear electrode array Retina Implant W. Liu, NCSU Second Sight 29

28 Bio-Lab on a Chip Centraal Labo Dokters Kabinet Snelle moleculaire diagnose in dokters kabinet, voedselveiligheid, toxiciteitstest 30

29 Lab-on-a-Chip Principe (IMEC PSA Detectie Chip; Prostaat Kanker Preventie ) Fluorescerend Nanodeeltje Antilichaam Antigen (Biomerker) Silicon Chip Bio-Sensor In het dokterskabinet. Micro Fluidics Source: IMEC Bio-informatica EU PAMELA PROJECT 31

30 Naar persoonlijk Bio-lab on chip: je dokter op zak (ilab project) Koop Biolab Chip in S-markt Bloedprikje & Analyse Naar Internet Dokter (Computer) Smartphone App P. Peumans imec 33

31 Nanotechnologie? Methoden en werktuigen voor fabricatie en/of gebruik van structuren op nanometer schaal (1 tot 100nm) bruikbaar voor nieuwe toepassingen Transistor TiO 2 Deeltjes Zonnecreme C-Nanobuisje Griep Virus 31nm 1nm Atoom 20 nm 100 nm Si Nanodraden Grafeen Nanoporie 0.3 nm NANOTECHNOLOGIE 34

32 Nano-deeltjes zo bijzonder? 54 atomen nm Nano 24 buitenste 36 buitenste Reactiviteit ~ buitenste atomen (chemische reactiviteit) Andere kwantum eigenschappen (optisch, elektrisch, magnetisch ) Chemische decoratie mogelijk (b.v. haken naar levende cellen) Nieuwe materialen => nanotoxiciteitsonderzoek! y EEN NIEUW GRENSGEBIED TE ONTDEKKEN, TE BEWAKEN EN TOE TE PASSEN 35

33 Impact op nagenoeg iedere (klassieke) industriële activiteit ICT, Medical, Pharma, Cosmetica, Verlichting, Catalysts, Voeding, Waterzuivering, Energie, Textiel, Auto, Bouw Source: UMICORE NanoGrain 2005: 54 Nano producten; 2013:

34 Convergentie op de Nano-Schaal BIOTECH nm mm cm Fromherz 31nm transistor x10 9 NANOELECTRONICS 38

35 ICT ontmoet Bio op Nano-Schaal Neuron Chip action potential neurotransmitter electrical chemical Chi ICT Interpretation-control-transmission K.U.Leuven IMEC-VIB NERF project 1) In Vitro Hersenonderzoek Geneesmiddelen testen 39

36 ICT ontmoet Bio op Nano-Schaal Hersenprobe meet en stuurt Vele neuronen tesamen K.U.Leuven IMEC-VIB NERF project Chi Imec: 465 sensoren 2) In vivo Neuroprobes Parkinson Depressie, dwangn Epilepsie Hersenprothese? 40

37 Hersen implantaat stuurt robot arm Eerste hersenprothese voor epilepsie Source: University of Pittsburgh Source: Neuropace 1/brain-implants-let-paralyzed-woman-moverobot-arm/ 41

38 Convergentie op de Nano-Schaal BIOTECH nm NANOTECH mm Targeted Drug Delivery cm Nano Particles Biosensoren 31nm transistor x10 12 NANOELECTRONICS 42

39 Op weg naar de 100$ Genoom Chip Nanostructures for pm sensing Cost per Genome $ $ Massively Parallel sensing architectures $ $ u $ Molecular micro-ring sensors Microfluidics, photonics Lab-on-chip $ $100.0 $10.0 $ Sequencing PoC Bacterial genome sequencer Human genome sequencer (2hrs, <$1000) Ultradeep sequencer (>10Gbp/run, <$100, <1hr) En bijhorende ethische vragen 43

40 Genome Chip BioSensors Lab on Chip/Imaging Bio-informatics Targeted Drug Delivery BioSensors Telemed. Bio-Nano-ICT convergentie op alle niveaus 44

41 Synthetische Biologie From the science of life to engineering life EEN INGENIEURS DISCIPLINE voor: Ontwerp en realisatie van nieuwe, onbestaande levende organismen voor productie van chemicalien, selectieve geneesmiddelen, diagnostica, bio-brandstoffen, voedsel, afval-opruiming enz Building life from the ground up (Jay Keasling, UCB) 45

42 Biobrandstof van Cellulose (LS9, VIB) Ge e-colli Ge-gist Benzine Jet fuel GGpopulier VIB(RUG) Brandstof voor de toekomst? 46

44 Energie potentieel / energievraag per jaar Schalie Gas USA Geo Source: EREC 48

45 Technologie voor een CO2 arme energie productie PV Piek Mgmt & Opslag (Schalie)Gas Hydro 1GWatt = 30 km 2 CSP 1GWatt=70 km 2 1GWatt = 15 km 2 Klassiek +Nucleair 1GW=2km 2 Slimme Meters EV Waterstof Fluctuerend en gedecentraliseerd karakter leidt tot Smart-Grid, piek mgmt & opslag 49

46 Maar wat kost dat? ($/Kwh 2008) Zee Land 50

47 Wanneer is PV competitief? Subsidies Lage kost technologie IT B Source : EPIA 51

48 IMEC s PV Programma 4 /Wattp 1.5 /Wattp 0.7 /Wattp <0.5 /Wattp t >2030 Kleinschalige toepassingen Residentieel Grootschalige Energieopwekking Silicium dikte van 200->20µm Efficiëntie 15-> 20%, Ag => Cu geleiders 52

49 Leidraad Uitdagingen van de 21 ste eeuw Opkomende technologieën Zijn we er maatschappelijk klaar voor? 53

50 Convergerende technologie en sociale innovatie (shared value creation) Michael Porter Harvard SOCIALE Wetensch. Convergentie Techneuten ICT Nano Bio Neurosc. Heil Objectieven Regelgeving Rechtszekerheid Politiek Beleid Lange Termijn! Maatschappelijke doelstelling Duurzame Economie orte termijn groei Aandeelhouders Publieke dialoog Media Onderwijs TECHNO-Geletterdheid Partijdogmatisch denken *Joel Garreau: Radical Evolution 54

51 Sociale Innovatie vereist: 1. Renaissance ingenieurs, wetenschappers Maatschappelijk betrokken teamspelers, multi-disciplinair, systeemdenkend Nood aan: Sociologie voor toekomstige ingenieurs Teamgebaseerd project onderwijs 2. Renaissance humane wetenschappers Technologisch geletterd, in staat om Lange termijn keuzes te maken voor een duurzame samenleving Democratizing the future partijdogmatisme! Dus ook : Technologie voor toekomstige filosofen Nu ook aan de KU Leuven 55

52 Zijn onze universiteiten er klaar voor? Vandaag Morgen Wetenschappen Engineering Humane wetenschappen Techno-science voor Sociale Innovatie Hypergespecialiseerde publicatie koorts Cross-disciplinair onderzoek en onderwijs Mono-disciplinaire R&D funding Publicatie georienteerde Eng. Ph.D. Academische loopbaan Cross-disciplinaire funding Innovatie georienteerde Eng. Ph.D. Technisch leiderschap Ondernemersgeest 56

53 KULeuven en Renaissance Ingenieurs Nu ook: 57

54 Innovatie? Ingenieurs & technici gezocht!! Vraag Aanbod IMEC: 72 nationaliteiten! 58

55 Het Oosten Ontwaakt! *

56 Ook boeiend voor meisjes! Vlaamse top wetenschapsters! Christine Van Broekhoven Genetica Prof. Antwerpen Ingrid Daubechies Wiskunde Beeldverwerking Prof. Princeton Ingrid Verbauwhede Elektronica Prof. KULeuven En UCLA Pattie Maes Comp. Wet. Smart Web Prof. MIT Karen Maex NanoTechnologie EX-Vice-Rector KULeuven Decaan Wet. Amsterdam Marian Verhelst Microelektronica Prof. KULeuven Lies Geris Weefselingenieur Prof. KULeuven en Uni. Liege 60

57 Het begint in LO en SO! (RVO Society) Technologie en wetenschap aanmoedigen door te doen! Didactisch materiaal voor de school Opleiden van leerkrachten, zomerkampen TSO opwaarderen!! Chip-Chip Hoera! IR 13 61

58 Besluiten Convergerende technologieën kunnen vele uitdagingen aan als gestroomlijnd door sociale innovatie op een supra-nationale schaal. Nood aan mechanismen voor lange termijn denken shareholder next quarter/ next election mentaliteit. Gezocht renaissance ingenieurs / wetenschappers/ technici /ondernemers en technologisch geletterd lange termijn politiek leiderschap op een glocale schaal. Enorme econ-ecol win-win opportuniteiten ZIJN WE DAAR KLAAR VOOR? 62

59 63