Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.
FiDiPro-professori Paul Berger (vas.), professori Donald Lupo ja tutkija Suvi Lehtimäki kehittävät uudenlaista elektroniikkaa, jonka avulla teollisen internetin voi toteuttaa painamalla.
Teollinen internet uhkaa tuoda tullessaan laitteisiin yhä enemmän ympäristöä kuormittavia akkuja, piisiruja ja johtoviidakon. TTY:llä kehitetään nyt toisenlaista ratkaisua: painettavia, ohuita ja joustavia elektronisia mittauslaitteita, jotka kommunikoivat langattomasti ja keräävät tarvitsemansa energian itse ympäriltään. Näistä syntyy ekologisesti kestävä teollinen internet.
On ennustettu, että vuoteen 2021 mennessä teolliseen internetiin kuuluu jo 200 miljardia keskenään kommunikoivaa älykästä laitetta. Ne mittaavat itse itseään, analysoivat keräämäänsä tietoa ja välittävät sitä toisille laitteille. Yhdessä laitteet pystyvät tarjoamaan valtavasti erilaisia palveluita esimerkiksi terveydenhuollossa, kodeissa, teollisuusautomaatiossa sekä ympäristön valvonnassa.
– Se, että laitteet mittaavat itse itseään, on jo itsessään suuri ajattelutavan muutos. Mutta harvemmin puhutaan siitä, miten teollinen internet käytännössä toteutetaan. Yleensä oletetaan, että kaikki laitteet pitää varustaa akulla, mutta meidän mielestämme se ei ole kestävä lähtökohta, sanoo professori Donald Lupo TTY:n elektroniikan ja tietoliikennetekniikan laitokselta.
Lupon mukaan ei ole taloudellisesti järkevää eikä ympäristön kannalta mahdollista liittää jokaiseen teollisen internetin laitteeseen omaa akkua, sähköjohtoja ja piisirua. Se aiheuttaisi valtavasti kierrätysongelmia ja ekologisesti kestämättömän tilanteen.
– Sen sijaan laitteisiin voi integroida ohuita, joustavia, taivuteltavia, myrkyttömiä ja helposti kierrätettäviä elektronisia mittauslaitteita, jotka keräävät tarvitsemansa energian ympäristöstä. Energian lähde voi olla valo, liike, lämpö tai vaikka radioaallot. Koska näiden postimerkin kokoisten, teollista internetiä pyörittävien komponenttien mikropiirit tehdään massatuotantona painotekniikalla, niiden valmistuskulut jäävät vain murto-osaan siitä, mitä piisirujen valmistus maksaa, Lupo selittää.
TTY:ssä on käynnistynyt viisivuotinen, Tekesin FiDiPro-rahoitusta saanut tutkimushanke (Printed, energy-Autonomous UniversaL platform for multifunctional wireless sensors and devices, PAUL), jonka tavoitteena on kehittää ja patentoida painettujen, energiaomavaraisten ja langattomasti kommunikoivien mittauslaitteiden prototyyppi. Hankkeessa on mukana teollisuus-, tuoteintegraatio- ja ICT-alan toimijoita, muun muassa Stora Enso, Walki, Picosun, Confidex, Suunto ja Digile SHOK.
Hanketta vetävät professori Lupo sekä FiDiPro-professoriksi nimitetty professori Paul Berger Ohio State Universitystä Yhdysvalloista. Lisäksi mukana on professori Mikko Valkama.
Jo ennen nyt käynnistyvää hanketta Lupo ja hänen tutkimusryhmänsä TTY:n tulevaisuuden elektroniikan laboratoriossa ovat kehittäneet vaarattomista aineista kuten hiilestä, vedestä ja ruokasuolasta valmistettuja painettuja superkondensaattoreita.
– Superkondensaattorit ovat elektroniikan komponentteja, joihin voidaan kerätä energiaa valosta, tärinästä, lämmöstä tai radioaalloista. Väliaikaisesti superkondensaattoreihin varastoitua energiaa käytetään uusien painettujen elektronisten mittauslaitteiden energialähteenä, kertoo Lupon tiimiin kuuluva tutkija Suvi Lehtimäki.
Berger tuo hankkeeseen uraauurtavaa tietämystä polymeeritunnelidiodeista sekä tunnelointitekniikasta, jonka avulla mikropiirien rakennetta voi yksinkertaistaa.
Yhdistämällä Lupon ryhmän ja Bergerin asiantuntemuksen, painetut mikropiirit sekä ALD (Atomic Layer Deposition) -tekniikan voidaan hankkeessa luoda täysin uudenlaisia elektronisia laitteita. Niiden avulla teollisen internetin voi toteuttaa painotekniikalla.
Koska hankkeessa kehitettävät mittauslaitteet ovat ohuita, taipuisia ja joustavia, niitä voi painaa lähes mille tahansa pinnalle, esimerkiksi hihaan, paperinpalaselle tai luottokortille.
– Mittauslaitteiden painetut piirit toimivat minitietokoneena, jossa on logiikka ja muistia. Piirit voidaan liittää sensoriin, joka mittaa esimerkiksi lämpötilaa tai kosteutta. Ne pystyvät analysoimaan mitattua dataa ja lähettämään sen eteenpäin. Nämä edulliset minitietokoneet voidaan painaa yhtä helposti kuin postimerkki, kertoo Berger.
Nykyisillä menetelmillä valmistettujen painettujen elektroniikkapiirien toimintataajuus on Lupon ja Bergerin mukaan toistaiseksi pieni. Sen takia ne toimivat melko hitaasti.
– Mutta me kehitämme niin nopeata elektroniikkaa, että se mahdollistaa langattoman kommunikoinnin radioteitse jopa Bluetooth-nopeuksilla. Haluamme päästä megahertsitasolta gigahertseissä mitattaviin taajuuksiin, Lupo sanoo.
Painettua, älykästä mittausteknologiaa voidaan käyttää terveydenhuollossa, urheilussa ja hyvinvointisovelluksissa, joissa seurataan elimistön toimintoja vaatteisiin integroitujen sensorien avulla. Sovelluksia voidaan käyttää myös kotona asuvien vanhusten hyvinvoinnin ja terveyden seuraamiseen.
– Kodeissa ja myös teollisuudessa painettujen mittauslaitteiden avulla voidaan valvoa sisäilman laatua ja hallita energiankulutusta eri sähkölaitteiden välillä. Älykkäässä keittiössä ruokapakkauksiin painetut älytarrat voivat kommunikoida tietokoneen kanssa. Näin voidaan tuottaa ostoslistoja ja reseptiehdotuksia perustuen jääkaapissa kulloinkin jäljellä oleviin elintarvikemääriin, FiDiPro-professori Paul Berger kertoo.
Maataloudessa sensoreihin integroitujen painettujen älykomponenttien avulla pystytään valvomaan esimerkiksi maaperän kosteuspitoisuutta parhaan sadonkorjuuajan selville saamiseksi. Lentokentillä edulliset painetut matkatavaroiden jäljitystarrat saattavat professori Donald Lupon mukaan jonain päivänä korvata RFID-tagit.
– Kuljetusalalla painetun älyn avulla voidaan etävalvoa lääkkeiden, herkkien kemikaalien ja kylmäkuljetusta vaativan ruoan kuljetuslämpötilaa. Ja jätehuollossa älytarroja voisi käyttää esimerkiksi erilaisten kierrätettävien muovien tunnistamiseen ja erotteluun. Kaikkia käyttömahdollisuuksia ei vielä osata edes kuvitella, Lupo sanoo.
