Geautomatiseerd lab gaat voor revolutie in innovatie zorgen

By Ewout Kieckens

De tijd dringt. We staan als mensheid voor een enorme uitdaging om de uitstoot van CO₂ te stoppen met als doel de opwarming van de aarde beperkt te houden. Daarom worden nu veel nieuwe technologieën ontwikkeld op het gebied van onder andere brandstofcellen en zonnepanelen. De meeste ontwikkelingen leunen op de ontwikkeling van nieuwe materialen. Materiaalonderzoek verloopt echter heel traag en is weinig efficiënt. Er schort ook nog wel wat aan de coördinatie van onderzoek.

Materiaalonderzoek

Dat moet anders, dat kán anders. Dit is de heilige overtuiging van Aaike van Vugt van VSParticle, een scale-up die zeven jaar geleden in de schoot van de Technische Universiteit Delft is ontstaan. “Materiaalonderzoek is een proefondervindelijk proces, dat zeer traag en kostbaar is. Om een nieuw materiaal te ontwikkelen, van het eerste proefje in het laboratorium tot industriële productie, gaan er gemakkelijk vijftien jaar overheen”, zegt de 31-jarige CEO van VSParticle. Zijn bedrijf heeft de oplossing, een NanoPrinter en geautomatiseerd laboratorium, ontwikkeld die een heuse revolutie kan inluiden.

De NanoPrinter, vertelt Van Vugt, kun je vergelijken met een inkjetprinter, die met vier basiskleuren ruim 15.000 types kleuren kan printen in welke vorm dan ook. “In de NanoPrinter kunnen we 62 basiselementen in vaste vorm, zoals zink, aluminium en titaan, brengen. De printer mengt in een digitaal procedé de gewenste elementen in de verlangde hoeveelheid. De materialen worden bovendien tot nanodeeltjes omgevormd. Het voordeel daarvan is dat de fysische eigenschappen van het materiaal veranderen en je zodoende nóg meer opties krijgt om tot een nieuw materiaal te komen”. 

NanoPrinter

De machine print tijdens een digitaal, soort additief productieproces het materiaal in elke willekeurige vorm. Als je erover nadenkt, heeft het iets ongelooflijks. Binnen luttele minuten spuwt (3D print) de NanoPrinter het nieuwe materiaal met de gewenste eigenschappen uit in de gewenste vorm. Een onderzoeker zou – zoals het nu in de wetenschappelijke wereld toegaat – daarmee maanden zoet zijn. 

En we zijn er nog niet. Een onderzoeker van nu moet het nieuwe materiaal testen, de data verwerken, een conclusie trekken en als het gewenste materiaal niet voldoet, nieuwe parameters aanbrengen om een nieuwe ‘trial en error’-cyclus te starten. Als het tegenzit wordt materiaalonderzoek duizenden keren gedaan voordat het gewenste resultaat daar is. De NanoPrinter brengt de ontwikkelingscyclus terug van jaren naar uren. Het proces van het zoeken naar het gewenste materiaal is een voortdurende ontwikkeling. De machine hoeft zich uiteraard niet aan de CAO te houden, en is 24/7 in actie. 

Geautomatiseerd lab

Behalve de NanoPrinter ontwikkelt VSParticle ook een geheel geautomatiseerd lab. In plaats van onderzoekers van vlees en bloed maken, testen en analyseren daar computers nieuwe materialen. Een geautomatiseerde robotarm brengt het substraat van de NanoPrinter naar het lab, waar het door een slim computersysteem wordt geanalyseerd. De computer stuurt telkens nieuw commando’s naar de printer totdat wordt verkregen waarnaar de onderzoekers op zoek zijn.

Het geautomatiseerde lab is er niet om onderzoekers werkloos te maken. Er blijft nog genoeg ander, meer gecompliceerd en creatief onderzoek over. Het is beter dat wetenschappers vooral daarmee aan de slag gaan. Het geautomatiseerde onderzoek en de creatieve experimenten kunnen een goede aanvulling op elkaar zijn. 

Nog een pluspunt van het automatiseren van het materiaalonderzoek is dat alle data automatisch worden opgeslagen. Zo wordt stapje voor stapje de meest omvangrijke en waardevolle database van materiaaleigenschappen ter wereld opgebouwd. De database komt ten goede aan de wetenschap en deelnemende universiteiten en instellingen kunnen er profijt van trekken. De database zorgt ook voor betere efficiëntie en afstemming.

Lees hier meer innovatienieuws over de TU Delft

Algemeen nut

Doordat de universitaire wereld een enigszins insulaire omgeving is, komt het geregeld voor dat hetzelfde materiaalonderzoek tegelijkertijd op meerdere instellingen wordt gedaan, zonder dat men dat van elkaar weet of wil weten. Raadpleging van de database is voldoende om doublures voor te zijn. 

De NanoPrinter en het geautomatiseerde lab kunnen een grote winst zijn voor de samenleving, omdat nieuwe materialen zo veel en veel sneller kunnen worden ontwikkeld. Dat komt ten bate aan innovaties en daarmee aan het koolstofvrij maken van de samenleving.

Het idee van VSParticle heeft wel iets altruïstisch. Het is net een soort instelling van algemeen nut. VSParticle is zelfs in gesprek met de bekendste universiteiten en wetenschappelijke instellingen ter wereld om gesponsord een NanoPrinter ter beschikking te stellen. 

Businessmodel

Toch is het businessmodel van het bedrijf wel rationeel. In ruil voor de gratis levering (en ondersteuning) van de hardware aan ‘de wetenschap’ krijgt VSParticle bepaalde rechten op het intellectueel eigendom of datgene dat met het apparaat wordt ontwikkeld. “Ons bedrijf vormt de schakel tussen onderzoekers en de industrie”, legt Van Vugt uit.

Voor de industriële klanten ontwikkelt VSParticle in het geautomatiseerde laboratorium nieuwe materialen die hen in staat stelt om nieuwe generatie high-tech producten op de markt te brengen. Om het door VSParticle ontwikkelde materiaal in productie te kunnen nemen ontwikkelt VSParticle in samenwerking met industriële partners een tweede generatie NanoPrinter die productie mogelijk maakt. Zodra het nieuwe high-tech product verkocht wordt aan de klant krijgt VSParticle een “eerlijk aandeel van de omzet”, zoals van Vugt zegt.

Database van materiaaleigenschappen

De eerste NanoPrinter wordt in 2022 gepresenteerd. Van Vugt is niet bang dat het gehele project nog kan mislukken. Een prototype wordt immers al naar tevredenheid gebruikt op de Technische Universiteit Delft. En sinds vier jaar staan VSParticle’s submodules, functionerende onderdelen van de NanoPrinter, bij dertig instellingen over de gehele wereld, waaronder in China, Japan en de Verenigde Staten. De bedoeling is dat deze NanoPrinter de wereldstandaard wordt voor het maken van nieuwe materialen als ook een globaal ecosysteem op het gebied van datamanagement. Het moet er ook toe leiden dat topinstellingen met elkaar gaan samenwerken. 

Het is wel te hopen dat de samenwerking gaat plaatsvinden. Van Vugt erkent dat dat op het eerste gezicht niet gemakkelijk lijkt. “Maar wij gaan ervan uit dat de urgentie van het klimaatprobleem ertoe leidt dat wetenschappers daadwerkelijk willen gaan samenwerken. We richten ons vooral op de nieuwe generatie (assistent) professoren, die daarvan bewust zijn en ook weet hebben van inefficiëntie van het huidig wetenschappelijk onderzoek.

Blijft de vraag welke technologie achter de NanoPrinter steekt. Kort gezegd is dat de zogeheten vonkablatietechnologie (‘spark ablation’), een natuurkundig proces, waarbij zuivere deeltjes worden gegenereerd in een zeer gecontroleerde omgeving, zonder het gebruik van chemicaliën.

Deze technologie werd uitgevonden door Andreas Schmidt-Ott, hoogleraar Chemical Engineering aan de Technische Universiteit Delft. Hij is ook een van de mede-oprichters van VSParticle. 

Drie jaar geleden hadden we VSParticle al op de radar. Lees wat we er toen over schreven.