Technologische (r)evolutie: Een antwoord op de uitdagingen van de 21e eeuw? Hugo De Man Prof. Em. K.U.Leuven Senior Fellow IMEC
GIGA
NANO H De Man
1
Een eeuw van nooit geziene uitdagingen! • Energie, water, voedsel voor 9 mjd mensen in 2050 • Betaalbaarheid vergrijzing en gezondheidszorg
• Duurzame, vlotte veilige mobiliteit en... • Onze welvaart behouden in globaliserende wereld “ Technologie met hoge meerwaarde voor Sociale Innovatie!”
=kennis→kunde →kassa hier schort het! H De Man
2
Energie en Welvaart voor 9 mjd mensen? Data: UNO BNP/pp (k$/Persoon)
Welvaart
50
US
40
D Japan
EU
30
België
20
Brazilie
Rusland
10
Wereld Indie China Afrika 0 0
2,5
5
7,5
76 slaven voor iedere Belg!
10
12,5
Energie Verbruik/pp (kW/Persoon)
2030 BAU scenario → energie(+50%), water(+40%) en voedsel (+35%)! Bron: National Intelligence Council usa H De Man
3
Fossiel deficit en klimaatverandering
CO2 arme tech
Zon
Transport Bouw Wind Ind. Biomass
DT(2100) < 2oC Nucl.
Hydro
Geo
Energie Besparende Tech. Hernieuwbare Bronnen
Fossiel
Bron: IPCC
Enorme uitdaging! In de praktijk moeilijk haalbaar! In 2010 slechts 25% gehaald! H De Man
Bron:DOE US
4
Vergrijzing en Gezondheidszorg In 2025 : >30% boven 60 Verdubbeling chronische&dure ziekten in 25j
• Betaalbaarheid GZ ? – EU: 600 Mjd€/j =10% BBP (*2/20j) – Farma industrie loopt vast : 1Mjd€ per medicijn, 1/3 kans…
• Kan opkomende technologie helpen? – Van dure post-factum gezondheidszorg naar betaalbare – Predictieve, preventieve, gepersonaliseerde geneeskunde?
• Goedkoper of voor de happy few?
– Uitdaging: Lage kost technologie vs. betrouwbaarheid – Revolutie in de gezondheidszorg?
H De Man
5
Kan technologie helpen? Uitdagingen van de 21ste eeuw
Opkomende technologieën Zijn we er maatschappelijk klaar voor?
H De Man
6
Technologische (r)evolutie in de 21e eeuw Eeuw
20
Technologie Productiefactor Product I Fossiele Brandstof Machines
H De Man
Maakindustrie Mobiliteit
Elektriciteit Fabriek Computer Chips, DNA, tech op nano-schaal Informatie ‘Slimme’,duurzame + Genetwerkte Hersens III Communicatie Gepersonaliseerde (ICT) Kennis Diensten, producten + Nanogeneeskunde IV Bio-Nano-en Neurotech Nano-materialen II
21
Arbeid Kapitaal
7
Opkomende technologieën
• Van Micro- naar Nano-Elektronica – Van het PC tijdperk naar de “Slimme Omgeving”
• Convergentie van ICT-Bio-Nano Technologie – Diep impact op alle sectoren o.m. nano-geneeskunde – Levert meerwaarde voor klassieke sectoren
• Energie voor de toekomst
H De Man
8
ICT van de 20e eeuw…PC-tijdperk 1…….. 1971
10.000.000 ‘2013 intel
www • 1980-1990 PC=Professioneel Apparaat • 1990-1995 PC=Gesofistikeerde typemachine • 1995-2000 PC=Informatiebron, Mobieltje
H De Man
Informatiemaatschappij: Eenrichtingsverkeer: van bron naar aanvrager Mens als informatieconsument
9
Chip (r)evolutie: “wet” van Moore “# transistoren/chip maal 2 om de18 maanden”
Rekenkracht/chip maal 2 per 21 maanden…10*106 sinds 1971 H De Man
10
Inzoomen op een chip interconnect
Bevat 500 chips
Bevat Miljoenen RekenGeheugen Celletjes
1cm2
1 transistor
1 Silicium Plak 700cm2 H De Man
c
b
a
11
Hoe kleiner hoe beter: Van Micro- naar Nano-Schaal (IMEC)
T a
b
c
l MICRO
100nm
?
NANO
B I O
Molecule, 1nm
1 nanometer = 1 miljardste meter = 1 miljoenste mm H De Man
12
Evolutie naar het Post-PC tijdperk Nog 10 jaar “Meer Moore”… + opkomende “Meer dan Moore” tech… WWW
Cloud
Draadloze Assistent Slimme Sensoren Plastiek+buigzame Altijd, Overal Verbonden en Actuatoren Elektronica Met mens, informatie en… voorwerpen RFID, e-scherm
Meer Moore H De Man
3-D integratie Alles in mm3 “verborgen” ICT
Meer dan Moore 13
Toepassingen “Plastic Electronics” imec
Slim RF ID etiket imec
Pupil lens(RUG/imec)
Versheidsetiket H De Man
1e Plastic computer
Kassaloos-shoppen
Toegang (Verichip)
Logistiek 14
Zo naar: “The Mobile Internet of Things”
Draadloze Assistent
Smartphone Tablet…
H De Man
15
IoT: de weg naar de“Slimme Omgeving” (Ambient Intelligence) Smart Home
Google Glass
Picanol
Veilige, betrouwbare computing en communicatie onzichtbaar ingebed in elk ding en elke persoon Alomtegenwoordige, context bewuste omgeving die zich aanpast aan de mens… OLED krant
H De Man
Smart Car
Smart Pill
17
Impact op ganse maatschappij AmI verandert de manier waarop de mens zijn omgeving beleeft
Vereist holistische benadering: Van samenlevingscultuur naar technologie (social innovation)
Nood aan renaissance ingenieurs en renaissance humanisten H De Man
Bron: E. Aarts, Philips
18
Voorbeelden van slimme omgevingen
H De Man
19
Naar verborgen ICT in huis…
Nu
+ 5 Jaar
Bron: Philips H De Man
20
AmI voor energiezuinig en veilig verkeer Car cocoon / Autonomous Driving
Drive by wire Hybrid-EV
Verkeerdoden halveren 2020
Source: MEDEA+
Genetwerkte Auto’s
IMEC-BOSCH-PHILIPS Slimme Sensoren
H De Man
21
Naar Autonome Auto’s? http://www.technologyreview.com/business/39410/ http://www.youtube.com/watch?v=-nYhKD8leAg&feature=related http://www.technologyreview.com/energy/38961/
BMW test
H De Man
GM EN-V ->Megasteden Oproepbaar met Iphone Autonoom 22
AmI en vergrijzing…
Bron: Intel “Ageing In Place” Research testbed
EU, VIA Tele-zorg, Tele-geneeskunde Philips, ST, MicroSoft, TI TELEVIC,IMinds, IMEC…
H De Man
23
Telegeneeskunde (je dokter op zak) IMEC B,NL ESAT IMinds Thuiszorg Project
Slimme Draadloze Bio Sensoren
BAN 4G
Internet
H De Man
3G
Smart Phone
24
Imec’s ambulante hartmonitor (met HOLST Center NL)
20% cardiologische overlijdens (>60.000/j) Kunnen hierdoor voorkomen worden. Reductie dokters- en hospitalisatiekosten…
Hart Hangertje 2009 : 2mW H De Man
24/7 Hart Pleister
=> 2011 : 0.1mW 25
Voor en tegen Slimme Omgeving… Levenskwaliteit, veiligheid, gezondheid… Privacy? Big brother is watching (NSA! Twitter…) Cyber-misdaad, -terrorisme (Darknet, Phishing!)
Technologie afhankelijkheid…kwetsbaarheid... Digitale kloof?
H De Man
27
Opkomende technologieën
• Van Micro- naar Nano-Elektronica – Van het PC tijdperk naar de “Slimme Omgeving”
• Convergentie van ICT-Bio-Nano Technologie – Diep impact op alle sectoren o.m. nano-geneeskunde – Levert meerwaarde voor klassieke sectoren
• Energie voor de toekomst
H De Man
28
Zintuig Prothesen…waar ICT Bio ontmoet… Cochleaire implant imec Cochlear-Philips-Target-IMEC-KULeuven-UIA
cochlear electrode array
Retina Implant
Second Sight
W.Man Liu, H De
NCSU
29
Bio-Lab on a Chip… Centraal Labo
Dokters Kabinet
Snelle moleculaire diagnose in dokters kabinet, voedselveiligheid, 30 H De Man toxiciteitstest…
Lab-on-a-Chip Principe (IMEC PSA Detectie Chip; Prostaat Kanker Preventie ) Fluorescerend
1
3
2
Antilichaam
Silicon Chip
Nanodeeltje
Antigen (Biomerker)
Bio-Sensor
Micro Fluidics
In het dokterskabinet….
Source: IMEC EU PAMELA PROJECT
Bio-informatica H De Man
31
Naar persoonlijk Bio-lab on chip: je dokter op zak (iLab project) Koop Biolab Chip in S-markt
Internet
Dokter (Computer)
Bloedprikje & Analyse Naar Smartphone App H De Man
P. Peumans imec 33
Nanotechnologie? Methoden en werktuigen voor fabricatie en/of gebruik van structuren op nanometer schaal (1 tot 100nm) bruikbaar voor nieuwe toepassingen Transistor
Griep Virus
TiO2 Deeltjes Zonnecreme C-Nanobuisje 1nm
Atoom
31nm
20 nm
100 nm
Si Nanodraden
Grafeen
0.3 nm
Nanoporie
NANOTECHNOLOGIE H De Man
34
Nano-deeltjes zo bijzonder? 54 atomen
nm
Nano
24 buitenste
y
36 buitenste
Reactiviteit ~ buitenste atomen (chemische reactiviteit) Andere kwantum eigenschappen (optisch, elektrisch, magnetisch…) Chemische decoratie mogelijk (b.v. “haken” naar levende cellen) Nieuwe materialen => nanotoxiciteitsonderzoek! …
EEN NIEUW GRENSGEBIED TE ONTDEKKEN, TE BEWAKEN EN TOE TE PASSEN H De Man
35
Impact op nagenoeg iedere (klassieke) industriële activiteit… ICT, Medical, Pharma, Cosmetica, Verlichting, Catalysts, Voeding, Waterzuivering, Energie, Textiel, Auto, Bouw… http://www.nanotechproject.org/cpi/about/analysis/
Source: UMICORE NanoGrain™
2005: 54 Nano producten; 2013: 1628 H De Man
36
Convergentie op de Nano-Schaal… BIOTECH
mm
nm
31nm
transistor Fromherz H De Man
cm
x109
NANOELECTRONICS 38
ICT ontmoet Bio op Nano-Schaal… action potential neurotransmitter
Neuron
K.U.Leuven IMEC-VIB
NERF Chip
project electrical chemical Chi ICT Interpretation-control-transmission
1) In Vitro Hersenonderzoek Geneesmiddelen testen H De Man
39
ICT ontmoet Bio op Nano-Schaal… K.U.Leuven IMEC-VIB
Hersenprobe meet en stuurt Vele neuronen tesamen
NERF project Chi Imec: 465 sensoren
2) In vivo Neuroprobes Parkinson Depressie, dwangn Epilepsie Hersenprothese?…
H De Man
40
Hersen implantaat stuurt robot arm Eerste hersenprothese voor epilepsie Source: University of Pittsburgh
http://news.cnet.com/8301-17938_105-575596751/brain-implants-let-paralyzed-woman-moverobot-arm/ H De Man
Source: Neuropace
www.neuropace.com/
41
Convergentie op de Nano-Schaal… BIOTECH
mm Targeted Drug Delivery
nm
NANOTECH
cm
Nano Particles
Biosensoren 31nm
transistor H De Man
x1012
NANOELECTRONICS 42
Op weg naar de 100$ Genoom Chip Nanostructures for pM sensing
Cost per Genome $100000000.0 $10000000.0 Massively Parallel sensing architectures
$1000000.0 $100000.0
u
$10000.0 $1000.0
Molecular micro-ring sensors Microfluidics, photonics
$100.0
Lab-on-chip
http://www.genome.gov/27541954
$10.0 $1.0 20
01
Sequencing PoC
2011
2012
20
03
20
04
20
05
20
Bacterial genome sequencer
2013
07
20
08
20
10
Human genome sequencer (2hrs, <$1000)
2014
En bijhorende ethische vragen… H De Man
20
11
20
13
Ultradeep sequencer (>10Gbp/run, <$100, <1hr)
2015
43
Genome Chip BioSensors Lab on Chip/Imaging Bio-informatics Targeted Drug Delivery BioSensors Telemed.
H De Man
Bio-Nano-ICT convergentie op alle niveaus
44
Synthetische Biologie “From the science of life to engineering life” EEN INGENIEURS DISCIPLINE voor: Ontwerp en realisatie van nieuwe, onbestaande levende organismen voor productie van chemicalien, selectieve geneesmiddelen, diagnostica, bio-brandstoffen, voedsel, afval-opruiming enz…
“Building life from the ground up” (Jay Keasling, UCB) H De Man
45
Biobrandstof van Cellulose (LS9, VIB) Benzine Jet fuel
Ge-gist Ge e-colli
GGpopulier VIB(RUG)
www.ls9.com/
Brandstof voor de toekomst? H De Man
46
Opkomende technologieën
• Van Micro- naar Nano-Elektronica – Van het PC tijdperk naar de “Slimme Omgeving”
• Convergentie van ICT-Bio-Nano Technologie – Diep impact op alle sectoren o.m. nano-geneeskunde – Levert meerwaarde voor klassieke sectoren
• Energie voor de toekomst
H De Man
47
Energie potentieel / energievraag per jaar
Schalie Gas USA Geo
H De Man
Source: EREC
48
Technologie voor een CO2 arme energie productie Piek Mgmt & Opslag
PV
(Schalie)Gas
Hydro
1GWatt = 30 km2
CSP 1GWatt = 15 km2
1GWatt=70 km2
Klassiek +Nucleair 1GW=2km2
Slimme Meters
Fluctuerend en gedecentraliseerd karakter leidt tot ”Smart-Grid”, piek mgmt & opslag H De Man
EV Waterstof
49
Maar wat kost dat? ($/Kwh 2008)
Zee
Land
H De Man
50
Wanneer is PV competitief ? Subsidies
IT
H De Man
Lage kost technologie
B
Source : EPIA
51
IMEC’s PV Programma 4 €/Wattp 2000
1.5 €/Wattp 2010
Kleinschalige toepassingen Residentieel
0.7 €/Wattp <0.5 €/Wattp t 2020
>2030 Grootschalige Energieopwekking
Silicium dikte van 200->20µm Efficiëntie 15-> 20%, Ag => Cu geleiders
H De Man
52
Leidraad… Uitdagingen van de 21ste eeuw Opkomende technologieën Zijn we er maatschappelijk klaar voor?
H De Man
53
Convergerende technologie en sociale innovatie (shared value creation) Michael Porter Harvard SOCIALE Wetensch. Convergentie Techneuten
Politiek Beleid Lange Termijn!
ICT Nano Bio
Objectieven
Heil
Neurosc.
Maatschappelijke doelstelling Duurzame Economie
Regelgeving Rechtszekerheid
Media
Onderwijs
Publieke dialoog
TECHNO-Geletterdheid
Korte termijn groei Aandeelhouders H De Man
Partijdogmatisch denken
*Joel Garreau: Radical Evolution
54
Sociale Innovatie vereist: 1. Renaissance ingenieurs, wetenschappers Maatschappelijk betrokken teamspelers, multi-disciplinair, systeemdenkend
Nood aan:
“Sociologie voor toekomstige ingenieurs” “Teamgebaseerd project onderwijs” 2. Renaissance humane wetenschappers Technologisch geletterd, in staat om Lange termijn keuzes te maken voor een duurzame samenleving “Democratizing the future” partijdogmatisme!
Dus ook :
“Technologie voor toekomstige filosofen” H De Man
Nu ook aan de KU Leuven
55
Zijn onze universiteiten er klaar voor? Vandaag
Morgen
Wetenschappen Engineering Humane wetenschappen
Techno-science voor Sociale Innovatie
Hypergespecialiseerde publicatie koorts
Cross-disciplinair onderzoek en onderwijs
Mono-disciplinaire R&D funding
Cross-disciplinaire funding
Publicatie georienteerde Eng. Ph.D.
Innovatie georienteerde Eng. Ph.D.
⇒ Academische loopbaan H De Man
⇒Technisch leiderschap Ondernemersgeest 56
KULeuven en Renaissance Ingenieurs
Nu ook:
H De Man
57
Innovatie? Ingenieurs & technici gezocht!!
Vraag
Aanbod
H De Man
IMEC: 72 nationaliteiten!
58
Het Oosten Ontwaakt! *1000
H De Man
59
Ook boeiend voor meisjes! Vlaamse top wetenschapsters!
Christine Van Broekhoven Genetica Prof. Antwerpen
Ingrid Daubechies Wiskunde Beeldverwerking Prof. Princeton
Marian Verhelst Microelektronica Prof. KULeuven
H De Man
Ingrid Verbauwhede Elektronica Prof. KULeuven En UCLA
Pattie Maes Comp. Wet. Smart Web Prof. MIT
Karen Maex NanoTechnologie EX-Vice-Rector KULeuven Decaan Wet. Amsterdam Lies Geris Weefselingenieur Prof. KULeuven en Uni. Liege
60
Het begint in LO en SO! (RVO Society) Technologie en wetenschap aanmoedigen door te doen! Didactisch materiaal voor de school Opleiden van leerkrachten, zomerkampen… TSO opwaarderen!!
H De Man
Chip-Chip Hoera!
IR 13
61
Besluiten • Convergerende technologieën kunnen vele uitdagingen aan als gestroomlijnd door sociale innovatie op een supra-nationale schaal. • Nood aan mechanismen voor lange termijn denken “shareholder next quarter/ next election” mentaliteit. • Gezocht renaissance ingenieurs / wetenschappers/ technici /ondernemers en technologisch geletterd lange termijn politiek leiderschap op een “glocale” schaal.
• Enorme econ-ecol win-win opportuniteiten
ZIJN WE DAAR KLAAR VOOR? H De Man
62
H De Man
63
