Slimme robots om kleinere chips te maken

Een robotarm in een fabriek die herhaaldelijk dezelfde beweging maakt: dat is iets van het verleden, vindt Ming Cao, hoogleraar netwerken en robotica en directeur van de Jantina Tammes School of Digital Society, Technology and AI. ‘We gaan steeds meer toe naar smart industry , met robotarmen die zelf beslissingen kunnen maken.’ Verschillende wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen werken samen met hightech bedrijven zoals chipfabrikant ASML om productieprocessen steeds meer autonoom te maken.

FSE Science Newsroom | Charlotte Vlek

‘Het maken van een chip is een volledig geautomatiseerd proces,’ vertelt Cao, ‘daar komt bijna geen mens meer aan te pas.’ Maar onze elektronica wordt steeds kleiner en kan steeds meer, waardoor de productie van chips nog nauwkeuriger moet. En dat betekent: de apparatuur die de chips produceert net even anders instellen bij de kleinste veranderingen in temperatuur of luchtvochtigheid in de fabriekshal. Cao: ‘Zoiets gaat de menselijke capaciteit te boven. Een sensor daarentegen, heeft een kleine verandering meteen opgepikt.’

Een platte silicium wafer

Neem bijvoorbeeld het materiaal dat de basis vormt van een chip: silicium. Een dun silicium plaatje, een silicium wafer, ligt onder een laser die er lagen van onderling verbonden patronen op nanoschaal op aanbrengt. Het is van het grootste belang dat de silicium wafer netjes plat ligt, want zodra de laser wat schuin op het oppervlak valt, is de lichtbundel uit focus en geeft dat onnauwkeurigheden.

Daarom ontwikkelen Bayu Jayawardhana, hoogleraar mechatronica en controle van niet-lineaire systemen, en Mónica Acuautla Meneses, adjunct hoogleraar materialen voor mechantronische systemen, samen met chipfabrikant ASML een vervormbare wafer table waarop de silicium wafer perfect plat mee komt te liggen. Ze gebruiken daarvoor een piëzo-materiaal dat op een specifieke locatie uitzet wanneer daar een stroompje doorheen gaat. Daardoor kan elk stukje van de wafer table in hoogte worden aangepast.

Componenten aan elkaar knopen

Zo’n wafer table is slechts één onderdeel van de machine die een chip maakt. Zo’n onderdeel wordt dan bijvoorbeeld gemaakt door een expert op het gebied van piëzo-materialen, terwijl een andere expert de algoritmes aanlevert om het geheel aan te sturen. Maar hoe zorg je dat al die verschillende experts onderdelen ontwikkelen die tenslotte ook samen doen wat ze moeten doen?

Bart Besselink, adjunct hoogleraar systeem- en regeltechniek werkt aan wiskundige methodes om dergelijke complexe systemen in onderdelen uit te splitsen. ‘Het kan dan gaan om complexe systemen zoals de machines in een chipfabriek, maar ook een zelfrijdende auto of een slim energiesysteem,’ vertelt Besselink. ‘Het kernidee is om op een wiskundig precieze manier te formuleren waar elk onderdeel aan moet voldoen.’

‘Een ingenieur van ASML weet misschien uit ervaring dat een component alleen onder bepaalde omstandigheden goed functioneert, maar wij brengen automatisering aan in het ontwerpproces.’ Dat maakt het mogelijk dat verschillende ontwerpteams daar goed over kunnen communiceren, en misschien zelfs onderhandelen over welk eisen absoluut belangrijk zijn, terwijl andere eisen misschien wel wat versoepeld kunnen worden.

Samenwerkende robots

Ook Ming Cao houdt zich bezig met verschillende onderdelen die moeten samenwerken. ‘Denk aan robots die een product samenstellen: de één verzamelt de benodigde materialen en de ander zet het in elkaar. Dan is het handig als ze informatie kunnen uitwisselen: bijvoorbeeld dat wanneer de eerste robot het gewicht van een onderdeel al weet, hij dat doorgeeft aan een volgende robot, die dan van deze informatie gebruik kan maken.’

‘Maar het is net als met mensen,’ voegt Cao toe: ‘er moet wel onderling vertrouwen zijn om te kunnen samenwerken.’ Want wat als de informatie van een naburige robot niet overeenkomt met de metingen van de eigen sensor? De robots van Cao onderhandelen dan met elkaar, en doen dat in milliseconden: ‘Het gaat daarbij om complexe situaties die in een korte tijd moeten worden beoordeeld, met weinig ruimte voor fouten. Zoals verschillende robotarmen die samen iets bouwen in een fabriek.’

Zo hoog mogelijk op de autonomie-ladder

Cao, Jayawardhana en Besselink werken alle drie aan autonome systemen in industriële toepassingen. Daarmee willen ze innovatie brengen naar de Nederlandse industrie. Dat doen ze binnenkort met het nieuwe samenwerkingsverband voor autonome systemen in Noord-Nederland: Infinitech, een ecosysteem om vragen vanuit bedrijven te koppelen aan oplossingen vanuit kennisinstellingen.

Jayawardhana geeft een voorbeeld: ‘Stel je verschillende niveaus van autonomie voor, als een soort ladder. Een auto met cruise control heeft een klein stapje gezet op de autonomie-ladder, en een volledig zelfrijdende auto zit het hoogst. Wij willen bedrijven zo hoog mogelijk op die autonomie-ladder brengen. Er zijn zoveel prachtige ideeën, de vraag is vooral welke toepassingen we daarvoor kunnen vinden.’

Vanaf september 2024 start de Rijksuniversiteit Groningen met het nieuwe Engineering Doctorate Autonomous Systems. Deelnemende trainees zullen zowel bij een bedrijf als bij de RUG werken aan technische oplossingen voor de automatisering van systemen in de hightech industrie.

Lees ook: ‘De chip van de toekomst’ (verschijnt volgende week)