Mikroene kommer!

Om få år inntar mikrosystemene hverdagen din. Vi tar en titt inn i framtida sammen med forsker Anders Hanneborg (bildet).

Se for deg en hverdag der alle innretninger rundt deg arbeider på egen hånd. Detaljer som du bruker tiden din på i dag, vil du om noen år ikke ofre en tanke. Panelovnen vil slå seg av automatisk når du forlater huset, sjokolademelken vil si fra to dager før den blir sur, medisinene du bruker vil porsjonere seg ut selv gjennom en liten chip du har operert inn under huden.

Pleier du å glemme bilnøklene dine, sier du? Gå framtiden lyst i møte: alt du trenger å ha med deg i år 2010, er din egen pekefinger, den inneholder alle data som trengs for å åpne lukkede dører.

Framtidens hverdag består av mikroskopiske og selvstendige hjelpemidler. Du trenger ikke lenger holde styr på elektronikken som omgir deg, den er instrumentert til å ta vare på seg selv. Og tiden, som du en gang aldri fikk nok av, er blitt et avgrenset område for intellektuelt arbeid, kreativitet og omtanke for andre mennesker. Det er slutt på pliktoppgavene du bare måtte få gjort unna for at hjulene skulle gå rundt. Blant annet leverer den nye butikkjeden Rett-heim akkurat den maten du trenger til stuedøra, fordi den har oversikt over hva som mangler i kjøleskapet ditt, og hvilken type mat du liker å spise.

Små selvstendige systemer

Tror du dette blir dyrt? Tror du dette er drømmer som fancy forskere liker å leke med? Anders Hanneborg er ikke i tvil om at drømmene snart blir til virkelighet.

– I instrumenteringssamfunnet kan vi programmere systemer til å gjøre jobber for oss. Dette i motsetning til IKT-samfunnet som vi nå lever i, der vi bruker masse tid på å holde styr på elektronikken rundt oss, sier Hanneborg.

Avanserte systemer som fungerer på egen hånd, har hittil kostet flesk. Kontrollsystemer har til nå vært forbeholdt f.eks. raketter og fly. At disse nå blir tilgjengelige for de fleste, skyldes utviklingen av mikrosystemene. Et mikrosystem innhenter informasjon om omgivelsene ved hjelp av ørsmå sensorer. De omformer et fysisk signal, for eksempel et trykk, til et elektronisk signal. Elektronikkdelen av mikrosystemet tolker dette signalet. Dersom en fysisk operasjon skal gjøres, blir det gitt beskjed til en utførende del – en chip med aktiveringsfunksjon.

– La oss ta airbagen i den nye Forden din som eksempel. Sensoren i airbagen blir i trafikken av og til utsatt for støt, som gjøres om til elektroniske signaler. Signalene forteller hvor hardt støtet er, og blir sendt over til en liten chip, der de blir sammenlignet med signaler som allerede er programmert inn. Er dette en kollisjon, eller bare en kraftig hump? Dersom støtet er tilstrekkelig hardt, sender brikken signaler til airbag-utløseren, sier Hanneborg.

Mikroelektronikken, som tolker signalene, er egentlig ikke noe nytt. Den finnes rundt oss overalt i hverdagen, i datamaskiner, TV og i mobiltelefoner. Det nye er å sette denne elektronikken sammen med sensorer og aktuatorer til et system som kan vurdere situasjoner og utføre fysiske handlinger helt på egen hånd.

Så billige og avanserte er mikrosystemene i ferd med å bli, at de vil være allemannseie i alle slags varianter om sju til ti år. Utviklingen går nemlig i et rasende tempo nå.

Mange bruksområder

Bilindustrien er et område der både produsenter og brukere vil se nytteverdien av mikrosystemer. Produsentene er fornøyd med at systemene i bilene blir mindre og billigere. Et dekk som reparerer seg selv, gjør reservehjul overflødige, og dette sparer plass og penger. Som brukere ønsker vi større sikkerhet når vi er ute og kjører, og vi ønsker mindre bensinforbruk. Alt dette kan mikrosystemer hjelpe oss med. Et kart som viser oss minst trafikkerte vei inn til sentrum for øyeblikket, er heller ikke å forakte; litt komfort setter de fleste pris på.

Sparing av strøm og ikke-fornybare ressurser vil bli viktigere i tiden som kommer. Det betyr ikke at du må tenke mer over forbruket ditt. Mikrosystemene tar seg av den biffen ved å spare strøm der det spares kan.

Og hva med din generelle sikkerhet? Tenker du ofte over hvor utsatt du er i hverdagen din, og tar du forholdsregler? Sannsynligvis vil myndighetene etter hvert stille krav til sikkerhetsforanstaltninger på flere områder i hverdagen din.

– Fingeravtrykksensorer vil bli plassert overalt der du tidligere har brukt koder og legitimasjon. CO2-målere i skolene vil bli en selvfølge, det blir slutt på at barn kommer hjem med hodepine på grunn av dårlig inneklima, sier Hanneborg.

Mikromedisin

Mikrosystemer vil også bli vanlige innenfor helsevesenet. Blodanalyser kan allerede i dag utføres ved hjelp av mikrochip’er der blodprøver blir preparert og analysert i en liten plastbrikke. Disse analysesystemene er i rivende utvikling, og ved hjelp av mikrosystemer vil analysene bli rimeligere enn i dag, og ikke minst raskere. Du vil slippe å følge med på Dagsrevyen i en hel uke før du får vite om kua i Grukkedal virkelig har munn- og klovsyke.

Medisinering kan gjøres enklere ved å implantere en liten chip under huden, som porsjonerer ut medisinen. På samme måte kan en implantert sensor måle blodsukkernivået til diabetikere og pumpe ut riktig dose insulin på grunnlag av målingene. En håndprotese kan også fungere mye bedre ved hjelp av mikrosystemer. I dag har protesen blant annet vanskelig for å skille mellom tunge og lette ting.

– «Intelligent» hud på protesen kan om få år sørge for at hånden strammer til når den kjenner at taket glipper. Det er til og med mulig å skape forbindelse mellom hjernen og protesen. Nerveimpulser er på en måte elektriske signaler. Man kan la endene på nervetrådene i armstumpen gro inn i en trådløs chip. Deretter kan denne chip’en sende impulser til servomotorer som er plassert i alle deler av håndprotesen, slik at de riktige delene av den reagerer når hjernen sender ut signaler, sier Hanneborg.

Tidsbruk

Men blir vi ikke passive av disse systemene som utfører alle slags operasjoner for oss? Glemmer vi ikke å tenke selv? Hanneborg tror ikke det

– Langt ifra. Det er nå vi får tid til det som er viktig. Når jeg slipper å fundere på hva jeg skal kjøpe inn av matvarer resten av uka, får jeg bedre tid til å spørre kollegaen på nabokontoret hvordan han egentlig har det. Vi får bedre tid til å snakke med hverandre!

Så når du stresser omkring og irriterer deg over nøklene du alltid glemmer, det tomme kjøleskapet, motorvarmeren du har glemt å plugge i, eller nærbutikken som er tom for sjokoladepålegg; ha tålmodighet. Snart vil vi alle være omgitt av intelligente mikro-hjelpere som tar seg av de kjedelige oppgavene i hverdagen. Så får vi se da, om vi husker hva den ekstra tiden skulle brukes til.

Tekst: Mari Rian Hanger

Hva er et mikrosystem?

Et mikrosystem består av tre deler:

* En sensor, som innhenter informasjon om

omgivelsene og omformer denne informasjonen til elektroniske signaler.

* En elektronikkdel, en liten chip som fanger opp

disse signalene og bestemmer om det er grunn til å utføre en fysisk operasjon. I så fall

sender den ut beskjed til:

* En aktuatordel, som utfører den

fysiske operasjonen.

Lommelegen

Norsk senter for Mikroteknologi bygges i Oslo

SINTEF investerer 75 millioner kroner av egne midler og Norges forskningsråd bidrar med 65 millioner til bygging av Norsk senter for mikroteknologi i Oslo. Senteret skal være innflyttingsklart mot slutten av 2002. Laboratoriet vil være det første i Norge der det er lagt til rette for forskning og utvikling innenfor mikro- og nanoteknologi. Slik forskning krever avansert instrumentering og stiller høye krav til rommene forsøkene skal gjøres i. Deler av det nye bygget vil derfor ligge på luftputer for å unngå vibrasjoner. Dette kan være nødvendig siden Oslo sporveier er nabo og trikkene passerer hvert kvarter. Senteret vil koste omkring

250 millioner kroner og skal benyttes av SINTEF og Universitetet i Oslo. Utdanningen knyttet til laboratoriet vil gi næringslivet mange kandidater innenfor et spennende område i

årene som kommer.

Trykksensor i verdensrommet

Foto: NASA

Foto: NASA

Romfartsindustrien er ansett å være det markedet som stiller de strengeste kravene til komponenter. Det norske firmaet Presens har i skarp konkurranse med andre europeiske aktører fått jobben med å kvalifisere og levere høyttrykkssensorer til European Space Agency, og er nå i ferd med å underskrive kontrakt. Sensorene skal måle trykket i brenseltankene i satelitter.

De norske sensorene ble foretrukket fordi de er små, nøyaktige og pålitelige. Den lille sylinderen er omkring 10 centimeter lang og har en diameter på 15-20 millimeter inkludert signalbehandlingselektronikk. Fordi det koster omkring 2000 dollar å sende 100 gram vekt til rommet, er vekt og størrelse viktig. De sensorene som har vært brukt tidligere, har veid ca 250 gram, mens sensorene fra Presens vil veie 50 gram. Ettersom det trengs mange sensorer, sparer dette en god del utgifter. Nå skal sensoren kvalifiseres for bruk i rommet. Dette vil ta i underkant av to år.

Norsk Romsenter støtter prosjektet økonomisk, og Astrium Space bidrar med kompetanse. Astrium Space leverer trykksensorer til 85 prosent av romfartsmarkedet i Europa og vil bli Presens sin kunde og strategiske partner. Dette er en prestisjefylt kontrakt som kan gi firmaet innpass på nye markeder som sivil luftfart og militære leveranser.

I dag leverer Presens sensorer til oljeindustrien. Sensorene måler svært høye trykk, opp til 2000 ganger så høyt trykk som det finnes i atmosfæren. Alle de store oljeselskapene, som Statoil, Hydro og BP, bruker disse høyttrykkssensorene. Det amerikanske firmaet Kavlico utvikler sensoren til bruk innen bilmarkedet. Presens og SINTEF får royalty av salget.

Lommelegen

Foto: Kai Paulsen

Foto: Kai Paulsen

NorChip utvikler i samarbeid med SINTEF et mikrosystem som kan analysere biologiske prøver. Mikrosystemet er på størrelse med et kredittkort, og kan ved hjelp av for eksempel en blodprøve se om et bestemt virus eller en bakterie er til stede. Det lille laboratoriet vil i første omgang brukes til å avsløre sykdomsframkallende bakterier og virus, samt risiko for utvikling av ulike krefttyper.

Prototypen på systemet er nå klar. En prøve blir ført inn i en liten brikke med 25 kammere. I hvert kammer er det lagt inn én eller to RNA-sekvenser, som er unike for de bakteriene eller virusene man ønsker å finne. Nukleinsyren RNA er kjemisk svært lik DNA, men i motsetning til DNA finnes det mange RNA i hver celle.

Dersom det RNA som finnes i blodprøven, matcher en eller flere RNA- sekvenser i brikken, skjer det en biologisk reaksjon i ett eller flere av kammerne. Slik kan man raskt og enkelt se om noen av bakteriene eller virusene som det blir testet for, finnes i blodet.

I første omgang er brikken tenkt som et instrument som kan brukes på legekontorer og sykehus. Metoden er rask, effektiv, og enkel å bruke. I framtiden er det også mulig at du selv kan gjennomføre denne testen hjemme hos deg selv. NorChip (på bildet representert ved gründerne Frank Karlsen og geir Morland) og SINTEF jobber nå for å teste ut metoden i større grad.

Blodsukker-måler under huden

Et bitte lite mikrosystem operert inn under huden, overvåker kroppens blodsukkernivå. Dermed slipper diabetikere utallige nålestikk, og kan hele tiden holde kontroll med blodsukkeret.

Mikrosystemet måler glukosenivået i kroppsvæsken, som finnes overalt i kroppen vår. Blodsukkernivået er nemlig i likevekt mellom blodet og kroppsvæsken. På den måten slipper en å plassere mikrosystemet inn i blodårene. Systemet består blant annet av en membran, en tynn film som slipper noen av molekylene som er løst i kroppsvæsken, igjennom, men stenger andre ute. Utviklingen av denne membranen er en av utfordringene for forskerne ved SINTEF. Innenfor membranen er det en sensor som registrerer glukosenivået, og en elektronisk del som omdanner de fysiske registreringene til elektroniske signaler som sendes trådløst ut av kroppen. Disse signalene kan diabetikeren selv lese av på en håndholdt terminal eller på en mobiltelefon.

Forskerne har nå testet sensorens evne til å måle glukosenivå i vann. Dette har fungert som forventet. Neste skritt blir å gjøre tilsvarende målinger i kroppsvæske, og å få kroppen til å akseptere dette fremmedelementet. Forskerne vil også teste ut hvorvidt mikrosystemet påvirker kroppen slik at blodsukkernivået blir annerledes i området rundt systemet enn ellers.

Systemet vil sannsynligvis bli operert inn under huden i mageregionen, og vil være sylinderformet. Hele mikrosystemet kan bli rundt 5 millimeter i diameter og 10-15 mm langt. Oppdragsgiver er firmaet Lifecare AS, og SINTEF utvikler teknologien. Forskerne antar at produktet kan testes på mennesker om to år.

Firmaet 54,7 utvikler en gass-sensor som blant annet kan brukes til å styre ventilasjonsanlegg i bedrifter og i hjem. Sensoren måler mengden av gassen CO2 i lufta, som er den gassen vi puster ut. For høyt CO2-innhold gir hodepine og tretthet, slik vi alle har opplevd i dårlig ventilerte rom. Dersom målingen viser at det er mye av denne gassen i lufta, blir ventilasjonsanlegget automatisk skrudd på, og frisk luft blir tilført rommet. Løsningen er også et energibesparende alternativ. Vanlige ventilasjonssystem lufter hele tiden, med bruk av sensoren settes ventilasjonssystemet i gang bare når det er bruk for det.

Sørger for frisk luft

Foto: utlånt fra Sintef Elektronikk og Kybernetikk

Foto: utlånt fra Sintef Elektronikk og Kybernetikk

Sensoren virker etter det fotoakustiske prinsippet. Noe av luften som finnes i rommet, blir avsondret i et kammer. Deretter blir infrarødt lys pulset inn i kammeret. Gassen CO2 absorberer det infrarøde lyset, og når lyset blir absorbert, øker temperaturen og dermed trykket. At mye infrarødt lys blir absorbert, tyder på stor forekomst av CO2, og dette gir utslag i at trykket stiger kraftig. Ettersom lyset blir sendt inn i gassen i pulser, blir også trykkøkningen pulset.

Denne trykkøkningen kan måles som et akustisk signal med en mikrofon. Det akustiske signalet gir deretter beskjed til ventilasjonsanlegget dersom det er behov for lufting.

Størrelsen på dagens prototyp er 10 cm ganger 5 cm ganger 2,5 cm. Sensoren vil trolig være ferdig utprøvd og bli satt i produksjon om ca tre år. Det er et stort marked for den i bedrifter og i hjem – vi snakker om millioner gass-sensorer pr år. Firmaet ser for seg at sensoren på sikt kan brukes i ventilasjonsanlegg i biler.

Sensorprinsippet kan dessuten brukes til å måle mengden av andre gasser enn kulldioksid, for eksempel kan den overvåke utslipp av miljøskadelige kjølegasser fra frysere og kjøledisker.

Vis finger’n!

Foto: Utlånt fra Idex

Foto: Utlånt fra Idex

Snart kan du bruke fingeren i stedet for passord i de fleste sammenhenger. Firmaet Idex har i samarbeid med SINTEF utviklet en sensor som scanner mønsteret på fingeren din. Sensoren kan blant annet erstatte pinkoder og passord ved pengetransaksjoner i minibanker.

Sensoren kan også monteres på mobiltelefoner (se bilde), der den kan brukes som fingeravtrykksleser ved tjenester som krever passord, og til skjermnavigering. Når du fører fingeren over sensoren, genereres det et bilde av fingeravtrykket som registreres som et elektrisk signal. Ut fra dette er det mulig å måle avstanden fra sensoren til svært mange punkter på huden. Resultatet er et tredimensjonalt kart over fingermønsteret. Dette mønsteret gjør at man kan skille mellom individer med en sikkerhet som i praksis utelukker forvekslinger.

Tidligere fingeravtrykklesere har vært basert på optisk avlesning, noe som har gjort dem kostbare og plasskrevende. Denne sensoren er liten og billig, og har dermed mange anvendelsesmuligheter. I første omgang vil det være aktuelt å ta den i bruk ved sikring av bærbare datamaskiner og mobiltelefoner. Sensoren produseres og markedsføres av ST Microelectronics, Europas største halvlederprodusent.

Liten livredder

Foto: Utlånt fra Idex

Foto: Utlånt fra Idex

Undersøkelser viser at den hyppigste typen av dødsulykker i trafikken idag er rulleulykker, altså at bilen treffer en hindring for så å rulle over mot høyre eller venstre side. Ofte ruller bilen rundt flere ganger. I slike tilfeller hjelper det lite om en airbag blir blåst opp foran deg.

Et nytt mikrosystem fra SensoNor blåser opp airbager på din høyre og venstre side ved rulleulykker. SensoNor har utviklet sensorbrikken (se bildet) i systemet i nært samarbeid med SINTEF. Sensoren finner vinkelhastigheten, altså hvor fort bilen triller rundt, ved å måle antall grader grunnplanet forandrer seg pr sekund.

Når bilen letter fra bakken, forandrer grunnplanet seg svært raskt. Her er ett tiendedels sekund kostbart. Sensoren må ha reagert før de to første hjulene har lettet fra bakken, dersom air-bagene skal beskytte passasjerene i tide.

Den typen sensor som brukes her, er billig. Det har også tidligere vært mulig å utløse airbager under rulleulykker, men disse sensorene har vært 10-30 ganger dyrere enn mikrosystemene fra SensoNor. Dermed er det bare produsentene av de mest kostbare biltypene som har hatt råd til å innstallere dem. Når systemene blir billigere, åpner det for et større marked.

Hele mikrosystemet har en størrelse på 11 ganger 8 ganger 4 mm. Den mekaniske delen består av to plater som henger og vibrerer i tre fjærer. Vibrasjonen forandrer seg når rotasjonshastigheten endres, dette blir øyeblikkelig oppfattet av sensoren, som sender ut elektroniske signaler for å løse ut airbagen.

Produktet er for øyeblikket under kvalifisering hos systemleverandøren, som eventuelt skal selge det videre til bilprodusentene.

Mer informasjon finnes på firmaets hjemmeside www.fifty-four.no