Robots in de ruimte

Naam: Cock Heemskerk (48)
Woonplaats: Sassenheim
Verliefd/verloofd/getrouwd: Getrouwd, twee kinderen
Studie: Werktuigbouwkunde
Afstudeerjaar: 1985
Afstudeerrichting: Productietechniek
Loopbaan: In 1985 werkte Cock Heemskerk als visiting scientist aan Carnegie Mellon Institute. Een jaar later werd hij wetenschappelijk medewerker aan de TU Delft. In 1990 promoveerde hij op Automatische Assemblage met Robots. In datzelfde jaar ging hij aan de slag bij Fokker Space, het latere Dutch Space. Daar werkte hij aan de Hermes Robot Arm. Twee jaar daarna begon hij samen met anderen aan het ontwerp van de European Robotic Arm. In 1998 werd hij technology development manager bij hetzelfde bedrijf. In 2000 kreeg hij de functie van sales manager. In 2002 kwam hij terug bij ERA als system engineer gedurende de lastige kwalificatiefase. In 2007 begon hij een eigen bedrijf, Heemskerk Innovative Technology.

Toen Cock Heemskerk in 1985 klaar was met zijn studie werktuigbouwkunde, had hij een leuke, brede opleiding achter de rug. Toch had hij nooit volledige fascinatie gevoeld voor de onderwerpen uit zijn lesboeken. Dat veranderde in zijn jaar als visiting scientist op het Carnegie Mellon Institute in de Verenigde Staten. Heemskerk mocht daar naar toe voordat hij aan zijn promotie aan de TU Delft begon. Hij volgde lessen in kunstmatige intelligentie en robotica van zeer bevlogen hoogleraren als Nobelprijswinnaar Herbert Simon. “Dat was geweldig. Die man legde ingewikkelde dingen zo eenvoudig uit dat je er wel door gegrepen moest worden.”
Heemskerk was in Nederland afgestudeerd op de automatisering van frees- en draaibanken, maar in de Verenigde Staten ontdekte hij zijn ware wetenschappelijke interesse: robots. “De robotica was toen net in opkomst”, zegt hij. “Dat ging hand in hand met de ontwikkeling van de computer. In Delft moesten we met tien mensen een computer delen. Diezelfde computer werd op Carnegie Mellon Institute als deurstopper gebruikt. De computers daar waren honderd keer zo krachtig en sneller dan die in Nederland.”
De eerste robot die Heemskerk zag, stond in een kelderruimte zonder ramen. “De muziek stond keihard aan. De arbeidsinspectie zou zich rot schrikken van zulke arbeidsomstandigheden, maar het deerde ons niet. We waren heel druk met programmeren in die herriekelder. Ik maakte soms werkweken van meer dan zeventig uur.”
Heemskerk sleutelde aan een goudkleurig tafelmodel van de eerste generatie Puma-robots. De werktuigbouwkundige wilde de robot assemblagetaken van de mens laten overnemen. “Dat is best lastig. Door de constructie van robots lopen de assen soms op ongewenste momenten vast. Je wilt dat een robot vloeiende bewegingen maakt, maar dat lukt dus niet altijd. Wij mensen zitten heel complex in elkaar, waardoor wij een kopje soepel en netjes terug op tafel zetten. Een robot heeft wel eens de neiging om het kopje te hard terug te plaatsen, waardoor het breekt.”
Maar dat was niet het enige probleem. “Het is bijvoorbeeld ook lastig als een assemblage-instrument scheef op tafel ligt, want daar is de robot niet op geprogrammeerd.” Op Carnegie Mellon Institute werkten de werktuigbouwkundigen veel samen met natuurkundigen. “Zij probeerden er met stereobeeldherkenning en ingewikkelde algoritmen voor te zorgen dat de robot het scheef liggende onderdeel herkende. Maar daardoor duurde assembleren wel een minuut per onderdeel. Werktuigbouwkundigen willen dat alles snel gaat. Door samen te werken en goed naar elkaar te luisteren, konden we het systeem sneller en robuuster maken. We programmeerden de robot zo dat het scheefliggende onderdeel werd genegeerd en de assemblage snel doorging.”
Na het inspirerende jaar in de Verenigde Staten ging Heemskerk niet met hangende pootjes terug naar Nederland. “Integendeel. Ik was naar de Verenigde Staten gegaan om me vol te zuigen met kennis. Met behulp van die kennis kon ik in Nederland pionieren met nieuwe technieken en ontwikkelingen.”
Heemskerk zette samen met andere promovendi Diac op, Delft Intelligent Assembly Cell. Dit was een project waarbij twee robots, enkele transportsystemen en slimme softwareproducten in elkaar zetten. Hiervoor werkten studenten, promovendi en medewerkers van acht onderzoeksgroepen van werktuigbouwkunde, technische natuurkunde, elektrotechniek en informatica nauw samen. Tweehonderd studenten studeerden op het onderwerp af en meer dan tien promoveerden erop.

Russische wodka
Zelf vond Heemskerk het tijd om het bedrijfsleven in te stappen. Hij ging aan de slag voor Fokker Space, het latere
Dutchspace. Daar werkte hij aan de Hermes Robot Arm. Met nog maar twee maanden financiering te gaan en geen geld voor de lancering van de arm, was het project gedoemd onderin de la te belanden, maar Heemskerk gaf niet op. “We zijn met de Russen gaan overleggen.”
De oplossing leek te liggen bij de Russische MIR 2. Maar er waren meer kapers op de kust. Vooral na de samenvoeging van MIR 2 en het Amerikaanse Station Alpha tot het internationale ruimtestation ISS. De Canadezen wilden hun eigen versie op het Russische deel van ISS gebruiken. De European Robotic Arm, de opvolger van Hermes, won het uiteindelijk van de Canadese arm. “De Canadezen en Amerikanen kwamen plompverloren bij de Russen binnen gestampt en zeiden: ‘jullie gaan onze robotarm gebruiken’. Wij hadden groot respect voor deze wijze, grijze Russische mannen. Want zij hadden de Sputnik 2, waar het hondje Leika in zat, in vier maanden tijd gebouwd. Het hielp ook dat we stevig dronken van de wodka en de Russische champagne.” En de European Robotic Arm was technisch gezien veel gunstiger dan de Canadese versie. “Hun robotarm was twee keer zo groot en drie keer zo zwaar, waardoor het voertuig honderden kilo’s zwaarder moest worden om de arm te kunnen dragen. Dat was in ons voordeel.”
De planning is om de robotarm begin 2011 te lanceren. Het wordt de eerste intelligente hijskraan in de ruimte. Astronauten hoeven niet langer met zware pakken te sjouwen; dat doet de European Robotic Arm. Heemskerk is inmiddels alweer bezig met het bedenken van verbeterde versies: een robotarm die nog preciezer, als een menselijke hand, kan bewegen. Met als voordeel, dat er zwaardere dingen mee kunnen worden vertild. Hij hoopt dit te realiseren met het Iter-project, een zeer groot kernfusieproject in Frankrijk van zestig miljoen euro. De eerste stap is gezet met de simulaties van grijparmen die hij voor het project heeft gemaakt. “Maar omdat er zoveel geld mee gemoeid is, zullen veel bedrijven moeten samenwerken om onderdelen van Iter te mogen leveren”, zegt Heemskerk.
Samenwerken ligt hem wel. Zijn brede opleiding komt hem goed van pas. “Ik bedenk graag nieuwe uitvindingen door met anderen te brainstormen. Het is interessant om mensen van verschillende werkvelden samen te laten werken aan een nieuw product. Want vaak praten mensen alleen in hun eigen jargon en soms staren ze zich blind op hun eigen discipline, terwijl er zoveel meer te ontdekken valt als je daarbuiten kijkt.” Tijdens een project van Dutchspace werkten een thermisch technicus en een mechanicus samen aan een robotarm. “De man van de thermische kant zei dat hij meer koelplaten nodig had om de motor koel te houden. Daardoor werd het apparaat zwaarder en was er meer stroom nodig, waardoor de motor weer warmer werd en er nog meer koelplaten nodig waren.” De oplossing was simpel, ontdekte Heemskerk. “De motor was op twee dagen in het jaar te heet: als de zon in een bepaalde stand stond en er te lang op scheen. Door op die twee dagen de motor niet op volle kracht aan te zetten, was het probleem opgelost.”
Met zijn eigen bedrijf, dat hij in 2007 oprichtte, wil hij in de toekomst mensen van meer disciplines samen laten nadenken over technische problemen én oplossingen. “Als mensen een gezamenlijk doel hebben, komen ze er samen uit. Dat geldt in het biomedische wereldje, in de kernfusie en in de ruimtevaart. Dat heb ik geleerd in de Verenigde Staten en dat wil ik nu verder uitbreiden. Ik wil de schakelstap tussen de verschillende disciplines zijn.” 

In Nijmegen maakte voormalig Philipsdochter NXP bekend flink in te moeten krimpen. De vraag naar chips loopt terug, dus ook hun inkomsten. Op hetzelfde moment vierden TU-onderzoekers, het Innovatieplatform en een afgevaardigde van NXP in de aula van de TU Delft een feestje. Precies vijftig jaar geleden presenteerde Jack Kilby de eerste chip. Na een zomer zwoegen in het verder verlaten gebouw van Texas Instruments was het hem gelukt de eerste werkende geïntegreerde schakelaar te maken.
Vijftig jaar later is de chip bijna niet meer weg te denken. “Ieder nieuw ding heeft er een”, zegt Dimes-directeur prof.dr. Kees Beenakker. Hij opende zijn praatje op het verjaardagsfeest dan ook met de woorden: twee eeuwen chips. “Het lijkt of hij er al eeuwen is.” Dimes is het Delfts instituut voor microsystemen en nano-elektronica.
Maar het integrated circuit heeft het moeilijk. Met de woorden van Beenakker: “De chip verkeert in een midlife crisis.” Hij heeft het opgezocht op Wikipedia. Een midlife crisis is een emotionele staat van twijfel en onrust. “Rond de chip heerst een hoop twijfel en onrust op het moment. Met de industrie gaat het op het moment niet zo goed.”
Dat dat wel vaker zo geweest is, vertelt Beenakker. Hijzelf kwam in 1976 in het vakgebied en heeft de ‘puberteit en het volwassen worden van de chip’ meegemaakt. In die tijd zijn er pieken en dalen geweest. Nu, op zijn vijftigste verjaardag, zit de chip in een dip.

Radicaal
”De chip over vijftig jaar? Dan zijn we al drie keer over de kop. Technologisch gezien dan.” Aan het woord is de altijd enthousiaste mr.drs. Jan Staman, directeur van het Rathenau Instituut. Het instituut doet onderzoek naar de invloed van wetenschap en technologie op ons dagelijks leven. Vorig jaar bezocht een delegatie Japan om de gevolgen van de introductie van de radiochip (Rfid) te bestuderen. Japanners hebben er weinig moeite mee hun kinderen met zo’n chip uit te rusten zodat ouders en leraren kunnen zien waar het kind uithangt.
Staman denkt niet in termen van een midlife crisis. Volgens hem gaat het nu pas echt beginnen: “In de informatietechnologie zullen geweldige slagen gemaakt worden. De afstand tussen machine en hersenen verdwijnt, die worden gelinkt. In mijn beleving is wat sciencefiction nu oplevert de helft van wat er komt. Wat er de komende tien, vijftien jaar staat te gebeuren is al enorm. Nu pas gebeurt het, want de informatietechnologie zet alle andere technologieën in de versnelling, dat geeft een enorme en radicale ontwikkeling van technologische praktijken”.

Geweldige slagen voorziet ook Paul van Attekum van ASML, wereldleider in de productie van machines voor chipfabricage. “Over vijftig jaar gebeuren er dingen met chips die we nu niet voor mogelijk houden – de wereld zal creatiever worden”, meent de senior vicepresident strategic business development. “De chipindustrie is over vijftig jaar zo geavanceerd dat consumenten met gemakkelijk te gebruiken software zelf hun computerspelletjes kunnen maken. De ingewikkelde chips die daarvoor nodig zijn, laten ze zelf op maat maken. Of misschien is het zelfs wel mogelijk dat ze die chips zelf thuis bakken”.

Van Attekum denkt dat de industrie de komende decennia in tweeën splitst: aan de ene kant komen er de producenten die zeer geavanceerde chips maken en aan de andere kant diegenen die uiterst goedkope bulkchips maken. Ook dankzij die laatste groep zullen volgens hem veel innovaties plaatsvinden. “Op voedsel, op kleding, op alles komen chips om producten te traceren. Ook wordt het mogelijk om betaalbaar elektronisch papier te maken. Je kunt dan je krant lezen op een oprolbaar beeldscherm.”
Dat het nu even wat minder gaat met de chip, vindt Van Attekum niet zo zorgwekkend. “De chipindustrie marcheert nu minder goed doordat hij sterk gelinkt is aan de wereldeconomie. De wereldwijde vraag naar micro-elektronica is nu wat kleiner, maar dat zal wel weer bijtrekken.”
Wel denkt Van Attekum dat er wereldwijd grote veranderingen op komst zijn bij de chipfabrikanten. Een ondernemer moet volgens hem enorme financiële investeringen doen, voor hij ook maar een chip kan maken. “Het kost miljarden euro’s om zo’n fabriek te bouwen”, zegt Van Attekum. “Niet iedereen kan dat financiële risico nemen. Er zullen daardoor minder ic-fabrikanten overblijven die bulkhoeveelheden produceren.”
Om de chipsindustrie weer in een stroomversnelling te krijgen moet de industrie volgens Beenakker wat creatiever worden – better than bulk. Net als een mens met een midlife crisis zijn oplossingen heeft – een nieuw kapsel, een nieuwe motor of een nieuwe vriend of vriendin – zo heeft ook de Nederlandse chipindustrie die wel, gelooft hij. “We moeten het hebben van More than Moore”, aldus Beenakker.

De professor verwijst hiermee naar de wet van Moore, volgens welke het aantal transistors op een chip ieder jaar of iedere twee jaar verdubbelt. Deze wet beschrijft het steeds kleiner worden van de chips. Volgens Beenakker kan Nederland alleen een speler van betekenis blijven door meer functies op een chip te zetten. “We moeten ons niet puur richten op het geheugen en het brein van de mens”, vergelijkt hij. “We moeten aan toegevoegde waarde werken door ook armen, benen, neus en ogen toe te voegen.”
Dus ontwikkelt Dimes chips met armpjes die biologische cellen kunnen verplaatsen zonder ze kapot te drukken. Of nanoreactoren, waarop chemische reacties te volgen zijn. Het zijn niet zelden geheel geïntegreerde microsystemen. Niet alleen elektrotechnici bemoeien zich daarmee; het maken daarvan is een multidisciplinaire aangelegenheid. Samen met chemici, werktuigbouwkundigen en natuurkundigen heft Beenakker het glas. vol vertrouwen dat de chip de honderd jaar gaat halen.

Vooruitgang
In de toekomst kijkend, ziet Dimes-directeur prof.dr. Kees Beenakker ethische grenzen in zicht komen. Gevraagd naar de chip van 2050 antwoordt hij: “Misschien een chip die zelf kan denken. Maar wil je dat? Of een chip in je hersens waarmee iemand jou met een afstandbediening kan besturen.”
Dergelijke ethische grenzen zijn nu nog niet bereikt, meent Beenakker. “Maar er zijn al wel chips die menselijke gebreken opvangen, bijvoorbeeld een implanteerbare chip die oorsuizen vermindert. Chips komen steeds dichter bij de mens.” Vandaar dat hij het belangrijk vindt ethiek in de opleiding mee te nemen. “Het wordt allemaal veel complexer voor al die jongens en meisjes.”
Rathenau-directeur Staman organiseert veel discussiebijeenkomsten over technologie en ethiek. Maar hij heeft niet de illusie dat daar een sturende werking van uit gaat. Hij ziet technologische ontwikkeling als een autonoom proces waar geen verantwoordelijken voor zijn aan te wijzen. Staman: “We zitten opgesloten in het huis van de technologie. In dat huis moet je beslissen, maar je mag niet uit het huis. En niemand weet wie het voor het zeggen heeft.” Maar heeft discussiëren over ethiek van de techniek nog wel zin? Staman: “Burgers moeten meebeslissen over technologie omdat het anders in dat huis een grote bende wordt. De regering beslist niet over technologie, die beslist over geld. Wat er in het huis allemaal ligt en aankomt, daar heb je een regering voor nodig om te zeggen: wat moeten we daar nou weer mee? Maar dan is het er al.”

Ondergrens
“Er is inderdaad more than Moore”, zegt Paul van Attekum van ASML. Maar dat wil volgens hem niet zeggen dat de miniaturisering van de chips tegen haar grenzen loopt. “De komende vijftien jaar kunnen we de onderdelen van chips verder verkleinen door te lithograferen met licht van kortere golflengtes.”
Op dit moment wordt gelithografeerd met golflengtes van rond de 193 nanometer. Door zogenaamde phaseshifts, verdraaiingen van het licht, kunnen daarmee structuren gemaakt worden van 38 nanometer, veel kleiner dus dan de golflengte. Om nog verder te miniaturiseren zijn kleinere golflengtes nodig. Maar dat is vragen om problemen, liet Jurriaan Schmitz (hoogleraar bij het Instituut Mesa+ van de Universiteit Twente) onlangs weten in de Volkskrant. Kleine golflengtes bevatten meer energie, en die hogere energie beschadigt de chipmachines, aldus de professor.
Van Attekum meent dat je wel degelijk met kleinere golflengtes kunt werken, mits je dat onder vacuüm doet. Zijn de kleinste structuren op een chip nu enkele tientallen nanometer, tegen 2013 voorziet Van Attekum structuren van slechts vier nanometer. “Vervolgens is zelfs twee nanometer mogelijk. Daarna komt de quantummechanica om de hoek kijken.” Over de consequenties daarvan is volgens hem nog te weinig bekend. Maar zelfs dan nog is de wet van Moore niet afgeschreven. “We kunnen dan altijd nog de derde dimensie ingaan en kubusvormige chips maken. In zulke chips heb je verhoudingsgewijs minder bedrading nodig tussen de schakelaartjes.”