Aansturing Europese mechatronicaresearch is richting kwijt
Het Europese onderzoeksproject Eumecha-pro identificeerde geïntegreerd mechatronisch ontwerp als doorbraaktechnologie voor de toekomst. In het Zevende Kaderprogramma is er echter nauwelijks wat van terug te zien. Researchers zien dit als een gemiste kans.
De fabriek van de toekomst telt maar twee werknemers: een man en een hond. De man is er om de hond te voeren, de hond is er om te zorgen dat de man met zijn vingers van de machines afblijft. Met smaak citeerde Andrea Gentili de beroemde Amerikaanse managementgoeroe Warren Bennis tijdens de afsluiting van een tweedaagse bijeenkomst over het Europese mechatronicaonderzoek. Gentili is afgevaardigd van het directoraat-generaal (DG) Research van de Europese Commissie.
Met de Europese ambitie is niets mis. ’Het gaat om hogere flexibiliteit en slimme geregelde systemen‘, zei Gentili‘s collega Hans Brelen in de Diamanttoren, waar Agoria gastheer was van het slotevenement voor Eumecha-pro, een project in het Zesde Kaderprogramma dat deze zomer werd afgerond. Eumecha-pro was een Europese coördinatieactie die mechatronica als essentiële technologie voor de volgende generatie productiesystemen moest neerzetten. Het programma had als belangrijkste doelstellingen om roadmaps te identificeren, competentiecentra in kaart te brengen en best practices voor mechatronicaonderwijs en industriële toepassingen te promoten.
’Eumecha-pro heeft twee wezenlijke bijdrages geleverd‘, zegt Marc Engels, directeur van Flanders‘ Mechatronics Technology Centre (FMTC) in Leuven. ’Allereerst het koppelen van industriële marktbehoeftes aan technologische projecten. Er is een goed overzicht gemaakt dat de mechatronicawereld beter structureert en motiveert.‘ Als tweede verdienste noemt Engels het naar voren schuiven van geïntegreerd mechatronisch ontwerp als de doorbraaktechnologie voor de toekomst. ’Er worden al erg veel mechatronische producten gemaakt, maar het ontwerp is nog sterk opgesplitst per discipline. De tijd lijkt nu rijp om deze muren te slopen‘, aldus Engels.
In het Zevende Kaderprogramma, dat dit jaar van start gaat, is mechatronica onderdeel van ’Nanosciences, nanotechnologies, materials and new production technologies‘. In totaal komt voor dit onderzoek 3,5 miljard euro vrij. Hoe de verdeling over nano, materialen en productie gaat uitvallen, hangt helemaal af van de ingediende voorstellen. Te vrezen valt dat het modewoord ’nano‘ naar verhouding veel geld naar zich toe zal trekken.
Voor Hans Brelen, programme officer Industrial Technologies – New Generation Products, is adaptronica de grote belofte. Deze term drukt zelfredzaamheid van productiemachinerie uit. Het gaat om snel instellen en snel herstellen om de productiviteit hoog te houden. Dat alles, zo beargumenteerde Brelen, is hard nodig om slimmer te opereren dan de rest van de wereld. ’We kunnen het niet winnen op kosten. Willen we ons salaris houden, dan moeten we concurreren op toegevoegde waarde‘, voegde Brelens collega Gentili toe.
De grote dreiging was eerder op de dag al benoemd. Azië (exclusief Japan) levert jaarlijks vier miljoen ingenieurs af. Daar zitten vast heel wat slimme mensen tussen. Het enige dat erop zit, is nog slimmer zijn.
Brelen zegt geen behoefte te hebben aan nieuwe theorieën over productieautomatisering. ’Daar hebben we er al genoeg van. We willen echt nieuwe industriële implementaties zien.‘ Adaptronica kan dat volgens hem binnen bereik brengen. ’Als de omstandigheden in een fabriek onverwacht veranderen, dan moeten de machines zichzelf aanpassen. Dat betekent signalen meten en de apparatuur optimaliseren. Het gaat om zelflerend gedrag, realtime in operationele omstandigheden.‘
Machines zullen zichzelf moeten kunnen optimaliseren, zonder tussenkomt van mensen. ’We willen compenseren voor parameterveranderingen om efficiency volgens de specificaties te houden. Het moet schaalbaar zijn en de kwaliteit moeten we online kunnen checken.‘ Brelen zei zich te realiseren dat hij in buzzwords sprak, maar hij maakte ook duidelijk dat hij de visie van Warren Bennis over de fabriek met twee medewerkers niet deelde. ’De menselijke interventie moeten we niet isoleren, operators moet je respecteren.‘
Brelen zei dat er ook Zevende-Kadergeld is voor industriële robots, al is het mondjesmaat. De nadruk zal daar vooral liggen op robots met herkenningstechnologie en op de mens-machine-interface van deze apparaten. ’Robots die reageren op onze gebaren en intenties, die tellen we mee in de verdeling van gelden‘, aldus Brelen.
Doorbraaktechnologie
Toehoorders in Brussel ontvingen Brelens visie over adaptronica echter niet met gejuich. FMTC-directeur Marc Engels constateert een scherpe tegenstelling. De aandacht voor geïntegreerd mechatronisch ontwerp – door Eumecha-pro aangewezen als doorbraaktechnologie – lijkt in het Zevende Kaderprogramma te verslappen in plaats van te versterken. Engels toont zich weinig gelukkig met de onderzoeksrichtingen die de vertegenwoordigers van de Europese Commissie nastreven. ’Ze richten zich op mechatronische projecten met minimale software-inhoud‘, meent Engels. Hij zegt dat de eerste feedback die het DG Research afgelopen augustus gaf op ingediende projecten rond adaptieve productiesystemen in die richting wijst.
Engels vindt dit vreemd, omdat juist software de afgelopen jaren voor de voornaamste innovaties zorgde in de mechatronica. ’Door de economische prikkel‘, verklaart Engels. ’In veel gevallen is een mechatronische oplossing goedkoper dan een puur mechanische. We gebruiken al vele jaren teruggekoppelde regelingen, geïmplementeerd in software om de benodigde toleranties en dus de kosten van hydraulische of pneumatische kleppen te reduceren. De wet van Moore zegt dat de kostprijs van een softwarefunctie elke achttien maanden halveert, waar de kost van een mechanisch onderdeel ruwweg constant blijft. Het optimale ontwerp schuift dan ook steeds meer op richting software.‘
Schok
Op de bijeenkomst in Brussel kwam de uitdrukkelijke keuze voor adaptronica ook voor andere wetenschappers als een schok. De machinebouwindustrie zit volgens hen te springen om ontwerpmethodes en modelleertechnieken. Juist in de mechatronica is een interdisciplinaire aanpak belangrijk. Job van Amerongen, hoogleraar aan de Universiteit Twente, zegt dat dit opnieuw duidelijk maakt dat interdisciplinaire research moeilijk valt te financieren. ’We vallen altijd tussen wal en schip‘, merkte de mechatronicaveteraan op. ’Het is óf software, óf mechanica. Het probleem is dat ook in academische kringen het onderzoek naar ontwerptools voor mechatronica vaak niet als wetenschappelijk wordt gezien. Maar we moeten onze kennis wel vormgeven in zulke tools, zodat mensen er wat mee kunnen.‘
Van Amerongen meent dat adaptronica intussen als minder relevant wordt beschouwd in het wetenschappelijke mechatronicaveld. ’Adapterende en lerende regelsystemen zijn zeker belangrijk‘, zegt hij. ’Wij werken er zelf ook aan, vooral aan lerende systemen. Maar veel van de theorie is al in de jaren zeventig van de vorige eeuw ontwikkeld en ook al commercieel toegepast, zoals bij stuurautomaten voor schepen.‘
Ook Marc Engels wijst op de lacunes in onderzoeksprioriteiten. ’Mechatronica draait rond interdisciplinair ontwerp‘, zegt hij. ’De ontwerptools, dus software, zijn de sleutel tot het succes.‘ De FMTC-directeur verbaast zich over de keuzes die het DG Research nu maakt. ’Want uit Eumecha-pro kwam duidelijk een consensus naar voren dat ontwerpsoftware een topprioriteit is voor verder onderzoek‘, aldus Engels. Volgens hem liggen er volop uitdagingen. ’Het is nodig om consistente specificaties te verkrijgen over verschillende disciplines, diverse modellen te integreren en betere ondersteuning te vinden om voor conceptueel ontwerp coöptimalisatie te krijgen van structuur en regeltechniek.‘ Ook noemt hij de rol van systematisch ontwerpen en testen van de ingebedde software. ’Ik ben er van overtuigd dat het mechatronische ontwerpproces van de toekomst zal worden gestuurd vanuit de embedded software. We trachten softwarespecificatietalen zoals UML/SysML daarom toe te passen op complete mechatronische systemen.‘
Vanuit Delft zegt de mechatronicahoogleraar Rob Munnig Schmidt het grotendeels eens te zijn met Engels. ’Maar we moeten de rol van software in het ontwerptraject ook niet overschatten‘, zegt Munnig Schmidt. Het is een middel tot een doel en dat doel is een optimaal geïntegreerd systeem. Maar het is waar dat de politiek dit niet begrijpt, dus het is aan ons om ze dat uit te leggen in hun taal. Overal waar we ze tegenkomen.‘
Munnig Schmidt, zelf gevormd bij Philips Research en ASML, zegt dat het prettig is dat er ontwerpsoftware als Matlab en Ansys bestaat. ’Maar mensen die conceptueel in grote lijnen kunnen denken, realiseren de echte doorbraken. Dat doen ze bij voorkeur zonder computers.‘ Munnig Schmidt meent dat juist het te snel in details duiken ervoor zorgt dat veel ontwerpers het overzicht van het grote geheel kwijtraken. ’Dan doen ze het heel grondig, maar ze ontwerpen precies de verkeerde dingen. Ik heb nog geen bruikbare software gezien die dat kan oplossen. Ik vind dat in de eerste plaats de mens centraal moet blijven staan.‘
Adaptieve assemblage
Die mensen zullen echter wel steeds meer interdisciplinair moeten werken. Ook Mauro Onori onderstreepte het belang ervan. Deze wetenschapper van de KTH in Stockholm werkt aan een roadmap voor snel aanpasbare assemblagetechnologie binnen het project Evolvable Ultra Precision Assembly Systems (Eupass) van het Zesde Kaderprogramma. ’Om een stijging in elektronica-, micro-elektronische en nanoproducten en producten op meso-schaal te voorspellen, hebben we geen nieuwe roadmap nodig. Dat gebeurt vanzelf‘, merkte Onori schamper op.
’Om assemblagesystemen te maken die zichzelf snel kunnen aanpassen, zullen we sterk interdisciplinair onderzoek moeten doen. Dat lijdt geen twijfel. Mechatronicasystemen worden complex. Maar we moeten het doen met weinig mensen en middelen.‘ (Zie ook kader ’Hightech-minderheidscontinent Europa‘.) Onori vermoedt dat de ’instabiliteit van interdisciplinaire research‘ de belangrijkste bedreiging vormt voor onderzoek naar complexe systemen. De in Stockholm werkende wetenschapper meent dat dit de essentie is van de roadmap die hij momenteel helpt opstellen. ’Moderne productie is een complex-systeemprobleem, waar traditionele benaderingen en technologie niet voldoen. R&D en ontwikkeling moeten we sterk multidisciplinair gaan organiseren. Zonder radicaal nieuwe benaderingen is Europa niet in staat om productie binnen zijn grenzen te houden. We moeten focussen op hoe we dit gaan aanpakken.‘
Mechatronische compiler
Mechatronicaresearchers zijn redelijk eensgezind: willen we de Aziatische horde echt een stap voorblijven, dan moeten er interdisciplinaire ontwerpbenaderingen komen. Een droom is de mechatronische compiler, een concept van de Leuvense hoogleraar Hendrik Van Brussel. In een mechatronische compiler voer je – naar analogie met de siliciumcompiler – een beschrijving op hoog niveau in, waaruit vervolgens een machineontwerp rolt. ’Het idee is onderdeel van roadmaps in de mechatronica. Het doel is het ontwerp van mechatronicasystemen te ondersteunen met het doel om betere onderdelen te maken. Beter slaat dan op prestaties, hogere precisie, hogere bandbreedte, snelheid en lage kosten van de levenscyclus‘, aldus Van Brussel.
Wie bijvoorbeeld de optimale mechanische configuratie voor een drieassige machine zoekt, moet onder meer informatie invoeren over maximaal werkvolume, statische en dynamische stijfheid. ’Ga je met die combinaties aan de slag, dan kom je zelfs voor iets eenvoudigs als een drieassige machine op zesduizend varianten‘, zegt Van Brussel. ’Maar dan ben je er nog niet. Dan moet je ook nog andere onderdelen invoeren, zoals mogelijke keuze tussen PID-controllers, eindige-elementencontrollers, enzovoorts.‘
Behalve naar slimme ontwerpmethodes zoeken, is een mechatronicacompiler samenstellen ook gewoon een berg werk. Een dergelijke tool bevat in het ideale geval modelbeschrijvingen van onderdelen zoals motoren, motion-controllers, en numerieke controllers. Een mechatronicacompiler zou dan moeten afwegen welke onderdelen aan de specifieke eisen voldoen om dan een aantal configuraties voor te stellen die in de buurt komen van een optimaal ontwerp.
De behoefte aan een dergelijke tool is volgens de Leuvense hoogleraar overduidelijk. ’Lidbedrijven van het FMTC zijn gevraagd naar hun prioriteiten. Daar scoorden geïntegreerde ontwerpgereedschappen hoog. Het consortium beveelt dan ook sterk aan om geïntegreerde designtools op te nemen in het Zevende Kaderprogramma.‘
De praktijk worstelt intussen met de uitdijende complexiteit. Presentaties van Kuka (robots), Homag (houtbewerkingsmachines) en CNH (landbouwmachines) geven aan dat dit binnen hun bedrijven een hoge prioriteit heeft. ’Het blijft terugkomen‘, zegt Ulrich Doll, onderzoekscoördinator bij Homag Holzbearbeitungssysteme in Schopfloch. ’Complexiteit in de hand houden is een van onze grootste uitdagingen om een hoge graad van innovatie te behouden. In het verleden hadden we afdelingen voor mechanica en voor regeltechnologie. Nu is de benadering mechatronisch. We kunnen niet meer in individuele disciplines denken, maar we moeten het zien als een mechatronisch engineeringproces. Onze machines krijgen allerlei nieuwe taken en het aantal mechatronische elementen in machinegereedschappen stijgt.‘
Het ziet er in ieder geval niet naar uit dat Europa de researcheuro‘s gaat besteden aan tooling om dit op te lossen. Voor Marc Engels is het geen reden om bij de pakken te gaan neerzitten. Enkele maanden na de bijeenkomst in Brussel toont hij zich strijdvaardig. In een column in Bits&Chips schrijft hij dat ’we Brussel maar moeten vergeten en er gewoon voor gaan‘. Engels: ’In Eindhoven, Leuven en Twente lopen er heel wat specialisten rond op het gebied van mechatronische ontwerptools. Voor zo‘n essentiële technologie moet met een goed werkplan toch makkelijk steun te vinden zijn in nationale programma‘s. Misschien kunnen Nederland en Vlaanderen hun aspiraties om op onderzoeksgebied samen te werken wat verder concretiseren.
