Toevalstreffer
Toevalstreffer
Richard Norte ontwikkelt zo nauwkeurig mogelijke nanosensoren. De universitair docent van de afdeling precisie en micro systeemtechniek (3mE) werkt met piepkleine sensoren die op microchips passen en trillen.Met deze trillingen zijn kleine krachten te meten die anders niet waar te nemen zijn. Nadat hij zijn krachten bundelde met machine learning-expert Miguel Bessa maakte het onderzoek een enorme sprong voorwaarts door de onverwachte combinatie van natuur en kunstmatige intelligentie. “Bij microchiptechnologie werken we voornamelijk op intuïtie, gebaseerd op wat we weten over trillingen”, zegt Norte. “Ik vroeg mij af of machine learning ons verder kon brengen dan intuïtie. Maar met de bestaande ontwerpen lukte dat slechts marginaal.”
Op een dag tijdens de coronalockdown zag Norte spinnenwebben op zijn terras. “Ik kwam op het idee om deze als basisontwerp te gebruiken. Spinnenwebben zijn in wezen trillingssensoren die zich al miljoenen jaren ontwikkelen en perfectioneren. Als een vlieg een web raakt, trilt het en stuurt het een signaal naar de spin.” “We wisten niet of dit idee ergens toe zou leiden”, vult Miguel Bessa aan. Bessa werkt inmiddels aan Brown University maar is nog steeds verbonden aan de TU Delft. “Tot onze verrassing kwam er dankzij machine learning een eenvoudig en elegant ontwerp uit voor een microchipsensor die verschillende manieren van trillen gebruikt. Het duurde een jaar, maar uiteindelijk konden we laten zien dat het de nauwkeurigste microchipsensor in zijn soort was.”
Verbazingwekkend
Hoewel nog niet duidelijk is waar de ontwikkeling precies toe zal leiden, durven de onderzoekers te stellen dat deze sensoren kunnen helpen enkele mysteries van het universum te ontrafelen. “Als je meer wilt weten over de wereld, moet je kleine dingen en krachten kunnen voelen en meten”, zegt Norte. “Deze microchips kunnen verbazingwekkende dingen doen. De spinnenwebsensor kan lang trillen zonder energie te verliezen hij rinkelt 100 duizend keer per seconde gedurende meer dan vijf uur. Dit is hetzelfde als wanneer je een schommel één keer zou duwen en deze honderd jaar lang zou blijven schommelen.” De sensoren zijn bijvoorbeeld te gebruiken om zwaartekracht en donkere materie te bestuderen, legt Norte uit. Quantummechanica houdt zich bezig met heel kleine deeltjes, atomen en moleculen, terwijl zwaartekracht meestal wordt bestudeerd op een schaal van een hele planeet. “Het idee om zwaartekracht op kleine schaal te meten is extreem moeilijk. Het combineren van quantummechanica en zwaartekracht is een grote zoektocht in de natuurkunde. Onze sensor zou daar een rol in kunnen spelen.” Weten hoe je microchips moet produceren en gebruiken kan grote geopolitieke gevolgen hebben, denkt Norte. “Veel landen wedijveren om meer te weten te komen over dergelijke microchips. Als we weten hoe we ze moeten ontwerpen en produceren, hebben we een voorsprong.”
De microchipsensoren die aan de TU Delft zijn ontworpen, werken ook bij kamertemperatuur. “Dit is ongelooflijk belangrijk omdat andere topsensoren cryogene koelkasten nodig hebben om goed te functioneren”, zegt Norte. “Doordat ze bij kamertemperatuur werken, wordt het onderzoek gemakkelijker, betaalbaarder en veel energiezuiniger.” De wetenschappers werken verder aan de spinnenwebsensor maar zetten ook andere stappen. Onlangs gebruikten ze machine learning om een nog nauwkeurigere microchipsensor te ontwerpen. “Voorheen was ons doel om zo klein mogelijke sensoren te maken. Nu kijken we naar grotere structuren en gebruiken we een ander ontwerp, een andere machine learning benadering. Deze sensoren kunnen de minuscule zwaartekracht meten tussen twee mensen die 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn.”
Wetenschappers stuiten wel vaker op iets onverwachts. Deze keer: hoe het combineren van spinnenwebben en machine learning leidde tot ‘s werelds nauwkeurigste microchipsensoren.
Tekst Michaela Nesvarova
Richard Norte (links) en Miguel Bessa (rechts) demonstreren een nieuw type sensor in het lab, geïnspireerd op spinnenwebben.
© Frank Auperlé
Onderzoeker Richard Norte maakte deze kunstzinnige illustratie die het concept van zijn onderzoek weergeeft.
© Richard Norte
Hoe het werkt
De webvormige microchipsensor is een nanomechanische sensor die extreem geïsoleerd van alledaagse geluiden kan trillen en bij kamertemperatuur kan functioneren. In wezen is het een heel klein apparaatje dat blijft trillen en geen energie verliest, zelfs niet nadat de trilling is gestopt. Dit is cruciaal, want als een sensor geen energie verliest, kunnen krachten van buitenaf en ruis van kamertemperatuur de sensor niet verstoren. Deze isolatie van de omgeving maakt nauwkeurige metingen mogelijk.
Wetenschappers stuiten wel vaker op iets onverwachts. Deze keer: hoe het combineren van spinnenwebben en machine learning leidde tot ‘s werelds nauwkeurigste microchipsensoren.
Tekst Michaela Nesvarova
Richard Norte ontwikkelt zo nauwkeurig mogelijke nanosensoren. De universitair docent van de afdeling precisie en micro systeemtechniek (3mE) werkt met piepkleine sensoren die op microchips passen en trillen.Met deze trillingen zijn kleine krachten te meten die anders niet waar te nemen zijn. Nadat hij zijn krachten bundelde met machine learning-expert Miguel Bessa maakte het onderzoek een enorme sprong voorwaarts door de onverwachte combinatie van natuur en kunstmatige intelligentie. “Bij microchiptechnologie werken we voornamelijk op intuïtie, gebaseerd op wat we weten over trillingen”, zegt Norte. “Ik vroeg mij af of machine learning ons verder kon brengen dan intuïtie. Maar met de bestaande ontwerpen lukte dat slechts marginaal.”
Op een dag tijdens de coronalockdown zag Norte spinnenwebben op zijn terras. “Ik kwam op het idee om deze als basisontwerp te gebruiken. Spinnenwebben zijn in wezen trillingssensoren die zich al miljoenen jaren ontwikkelen en perfectioneren. Als een vlieg een web raakt, trilt het en stuurt het een signaal naar de spin.” “We wisten niet of dit idee ergens toe zou leiden”, vult Miguel Bessa aan. Bessa werkt inmiddels aan Brown University maar is nog steeds verbonden aan de TU Delft. “Tot onze verrassing kwam er dankzij machine learning een eenvoudig en elegant ontwerp uit voor een microchipsensor die verschillende manieren van trillen gebruikt. Het duurde een jaar, maar uiteindelijk konden we laten zien dat het de nauwkeurigste microchipsensor in zijn soort was.”
Richard Norte (links) en Miguel Bessa (rechts) demonstreren een nieuw type sensor in het lab, geïnspireerd op spinnenwebben.
© Frank Auperlé
Verbazingwekkend
Hoewel nog niet duidelijk is waar de ontwikkeling precies toe zal leiden, durven de onderzoekers te stellen dat deze sensoren kunnen helpen enkele mysteries van het universum te ontrafelen. “Als je meer wilt weten over de wereld, moet je kleine dingen en krachten kunnen voelen en meten”, zegt Norte. “Deze microchips kunnen verbazingwekkende dingen doen. De spinnenwebsensor kan lang trillen zonder energie te verliezen hij rinkelt 100 duizend keer per seconde gedurende meer dan vijf uur. Dit is hetzelfde als wanneer je een schommel één keer zou duwen en deze honderd jaar lang zou blijven schommelen.” De sensoren zijn bijvoorbeeld te gebruiken om zwaartekracht en donkere materie te bestuderen, legt Norte uit. Quantummechanica houdt zich bezig met heel kleine deeltjes, atomen en moleculen, terwijl zwaartekracht meestal wordt bestudeerd op een schaal van een hele planeet. “Het idee om zwaartekracht op kleine schaal te meten is extreem moeilijk. Het combineren van quantummechanica en zwaartekracht is een grote zoektocht in de natuurkunde. Onze sensor zou daar een rol in kunnen spelen.” Weten hoe je microchips moet produceren en gebruiken kan grote geopolitieke gevolgen hebben, denkt Norte. “Veel landen wedijveren om meer te weten te komen over dergelijke microchips. Als we weten hoe we ze moeten ontwerpen en produceren, hebben we een voorsprong.”
De microchipsensoren die aan de TU Delft zijn ontworpen, werken ook bij kamertemperatuur. “Dit is ongelooflijk belangrijk omdat andere topsensoren cryogene koelkasten nodig hebben om goed te functioneren”, zegt Norte. “Doordat ze bij kamertemperatuur werken, wordt het onderzoek gemakkelijker, betaalbaarder en veel energiezuiniger.” De wetenschappers werken verder aan de spinnenwebsensor maar zetten ook andere stappen. Onlangs gebruikten ze machine learning om een nog nauwkeurigere microchipsensor te ontwerpen. “Voorheen was ons doel om zo klein mogelijke sensoren te maken. Nu kijken we naar grotere structuren en gebruiken we een ander ontwerp, een andere machine learning benadering. Deze sensoren kunnen de minuscule zwaartekracht meten tussen twee mensen die 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn.”
Onderzoeker Richard Norte maakte deze kunstzinnige illustratie die het concept van zijn onderzoek weergeeft.
© Richard Norte
Hoe het werkt
De webvormige microchipsensor is een nanomechanische sensor die extreem geïsoleerd van alledaagse geluiden kan trillen en bij kamertemperatuur kan functioneren. In wezen is het een heel klein apparaatje dat blijft trillen en geen energie verliest, zelfs niet nadat de trilling is gestopt. Dit is cruciaal, want als een sensor geen energie verliest, kunnen krachten van buitenaf en ruis van kamertemperatuur de sensor niet verstoren. Deze isolatie van de omgeving maakt nauwkeurige metingen mogelijk.