Handen ineen bij Fontys voor innovatief Robotlab

Waar het gaat om klimaatverandering, schaarste van grondstoffen en alternatieven voor fossiele brandstoffen staat de chemie voor een gigantische opgave. “Daarbij redden we het niet met handmatige proeven”, zegt docent/onderzoeker Peter Lambooij van Fontys ICT, die samen met collega’s een geautomatiseerd laboratorium ontwikkelt.

Bij het te bouwen ‘Robotlab’ slaan onder meer Fontys ICT, Fontys Engineering, expertisecentrum Fontys High Tech Systems & Materials en universitaire chemiegroepen de handen ineen. Sinds kort doet ook Fontys Hogeschool Toegepaste Natuurwetenschappen mee.

“Naast ICT en mechatronica heeft dit onderzoek overduidelijk een chemiekant”, vertelt Tilde Pellegrini, docente Chemie bij ‘TNW’. “Momenteel verkennen we onderling de mogelijkheden van samenwerking. Grootschaligere proeven zijn interessant voor ons instituut en we hebben de expertise en faciliteiten, bijvoorbeeld om chemicaliën op een veilige manier te behandelen.”

Unieke combinatie
Lector High Tech Embedded Software Teade Punter en intern projectleider Cees van Tilborg (beiden verbonden aan Fontys ICT) zitten ook aan tafel. “Het Fontys-team telt nu acht onderzoekers”, zegt Van Tilborg. “Binnen Fontys onderhoud ik de contacten met alle betrokken partijen en regel praktische zaken, zoals de inrichting en bemensing van het onderzoek.” Het project met een looptijd van zeven jaar is een paar maanden onderweg.

Het automatiseren van chemische experimenten is niet nieuw. Lambooij: “Er zijn grofweg twee vormen. Een ‘moleculaire machine’ is een soort vitrinekast uit de snackbar waarin een ‘kermis-grijparm’ 24/7 testen uitvoert. Daarnaast heb je sinds kort de mobiele robot als alternatief voor een laborant.”

In het eerste geval is een standaard-proefneming geautomatiseerd; in het tweede de laboratoriummedewerker. “Wat ons project ook internationaal uniek maakt, is dat we niet specifiek focussen op één van die twee”, zegt Punter. “Bij ons staat het experiment met alle bijkomende variabelen centraal. Ons robot-chemielab moet kunnen omgaan met onvoorspelbaarheid.” Dat houdt verband met de academische context waarin de toepassing actief wordt. “In chemie-onderzoek wil je vooral flexibel zijn. Het verloopt grilliger dan een vooraf gedefinieerde workflow zoals die vaak in de industrie voorkomt.”

Snel én slim
Geautomatiseerde labsystemen werken 800 tot 1000 keer sneller dan de mens. Snelheid is essentieel, omdat je zo eerder tot oplossingsrichtingen komt. Punter: “Voor onderzoekers gaat het erom om in een experiment zo snel mogelijk aanknopingspunten te vinden voor toegespitst vervolgonderzoek.”

Maar het onderzoeksteam wil niet alleen de handelingen versnellen, ook het denkwerk daarachter. “Door artificial intelligence (AI) te integreren in ons onderzoek kan dat”, zegt Lambooij. “Stel: er ontstaat vlokformatie bij een experiment, wat betekent dat een reactie niet goed verloopt. Daarvan maak je dan een camerabeeld, op grond waarvan AI het experiment automatisch afkeurt. Op die manier kun je een reeks van zinloze vergelijkbare vervolgproeven vermijden.” [Tekst gaat verder onder de foto]

Big chemistry-data kan bovendien worden gebruikt bij het onderzoek naar fasediagrammen. “In het verleden was een promovendus soms jaren bezig om de grenzen tussen ordeningen in een mengsel in kaart te brengen. De activiteit ‘aan de rand’, waar de ene vorm de andere ontmoet, is daarbij het interessantst. Je kunt AI vragen om vooral daar zo efficiënt mogelijk te onderzoeken. Hiermee bespaar je enorm veel tijd.”

Van ‘ChemGPT’ – als broertje van ChatGPT – is volgens Lambooij voorlopig geen sprake. “Stel dat je ‘ChemGPT’ vraagt hoe je experimenten inricht om milieuvriendelijke verf te ontwikkelen. Voor die suggesties zijn werkelijk ontstellende hoeveelheden data nodig, die er momenteel nog niet zijn.” Maar wie weet hoe dit zich verder ontwikkelt: zoals gezegd loopt dit onderzoeksproject zeven jaar.

Uitdagingen
“Digitale technieken spelen ook een belangrijke rol in de integratie van de benodigde apparatuur bij een experiment”, geeft Van Tilborg aan. “De huidige machines zijn lastig te ontsluiten, in die zin dat data niet eenvoudig getransporteerd kunnen worden naar een ander apparaat.” De betrokken onderzoekers hebben er volgens hem een flinke kluif aan om deze interactie straks soepeler te laten verlopen.

Uiteindelijk moet het ontwikkelde Robotlab ook op de markt komen. “Bij ons onderzoek kijken nu al bedrijven als Heineken, DSM Firmenich en Solvay mee”, zegt Punter. “Dat gaat van enzymen, tot biotechnologie naar polymeren. De brede chemiekant, zeg maar.” Doordat sommige deelnemende bedrijven elkaar beconcurreren, moeten onderzoeksresultaten goed afgeschermd blijven. “We moeten ervoor waken dat bijvoorbeeld DSM geen inzicht krijgt in de onderzoeksvragen van Solvay. In het juist sturen van de enorme hoeveelheid data die vrijkomt ligt zeker ook een uitdaging.”

Rode kool
Fontys ICT is gewend om onderzoeken meteen te vertalen naar studentprojecten. “Hoewel we pas begonnen zijn, werken er toch al drie bachelorgroepen en een mastergroep mee”, zegt Peter Lambooij. 

Bij één zo’n deelexperiment testen studenten rode kool als PH-indicator, met gebruik van veilige chemicaliën als azijn en huishoudsoda. “Een camera houdt bij hoeveel soda je toevoegt en welke verkleuring er plaatsvindt. Daarbij komt de vraag hoe je met zo min mogelijk opslagcapaciteit van beeld toch de kenmerken van zo’n proces vangt. Dat facet nemen we mee in het vervolg van ons onderzoek. Omdat we met zo veel data te maken gaan krijgen, is ook de efficiënte opslag daarvan een punt.” [Frank van den Nieuwenhuijzen]