Data science en slimme industrie

In de aanloop naar de 3TU. Innovation & Technology Conference op 18 mei kijken de technische universiteiten in tien verschillende position papers vooruit op de uitdagingen waar kennis en maatschappij zich voor zien en die derhalve een centrale plek in de Wetenschapsagenda verdienen. Drie van deze position papers inzake digital society en de schaarste aan materialen leest u hieronder. 

Materiaalschaarste, hergebruik en nieuwe materialen 

De behoefte aan primaire grondstoffen stijgt als gevolg van de groei van wereldbevolking en welvaart. Hierdoor ontstaat een relatieve schaarste die tot stijgende prijzen leidt, een groeiende milieubelasting bij de winning en in sommige gevallen zelfs tot (burger-)oorlogen. De uiteindelijke oplossing voor het grondstoffenprobleem is een circulaire economie waar iedereen kan beschikken over voldoende voedsel, energie en materialen om prettig te kunnen leven zonder het milieu onomkeerbaar te belasten en de grondstofvoorraden van de aarde uit te putten. 

Nederland is goed gepositioneerd

Binnen Europa is Nederland goed gepositioneerd voor een transitie naar groene en secundaire grondstoffen. De Rotterdamse haven is een belangrijk knooppunt voor de aanvoer en verwerking van groene grondstoffen. Nederland beschikt ook over een sterk chemiecluster met een aantal grote bedrijven dat inzet op verwaarding van plantaardige in plaats van fossiele grondstoffen. Daarnaast beschikt Nederland ook over een sterk agrofoodcluster met een internationaal toonaangevende landbouw en een omvangrijke verwerkende industrie. Ook wat recycling van fossiele grondstoffen betreft, neemt Nederland een vooraanstaande positie, mede dankzij een stevige infrastructuur voor de gescheiden inzameling van papier, glas, metalen, plastics, puin en hout. 

Naar een circulaire economie

De ultieme maatschappelijke opgave op het gebied van grondstoffen en materialen is een circulaire economie, waarbij niets verloren gaat en de reststroom van de een, de grondstof is voor de ander. Dat betekent dat niet-afbreekbare, fossiele grondstoffen continu in kringloop blijven met zo min mogelijk gebruik en zonder verlies van kwaliteit. Een nieuwe generatie recyclingtechnologieën en -bedrijfsketens is hier het wenkend perspectief.

Voor de groene grondstoffen geldt dat ze op een verantwoorde manier worden geproduceerd, zonder te concurreren met voedsel en met behoud van de agrarische productiecapaciteit en dat ze na gebruik worden gerecycled of als voedsel teruggegeven aan de natuur. Dit vergt nieuw te ontwikkelen bio-raffinage complexen bestaande uit ketens van decentrale en centrale fabrieken. 

Om deze ambities te realiseren is veel onderzoek nodig. Daarbij gaat het bijvoorbeeld om vragen als hoe kunnen we dezelfde of nog betere functies realiseren met veel minder (schaarse) grondstoffen of om processen te vinden die gebruik maken van stoffen die ruim beschikbaar zijn. Een bijkomende vraag is hoe de functies te realiseren op zo’n manier dat de gebruikte materialen makkelijk zijn terug te winnen en opnieuw te gebruiken, zonder in te leveren op specificaties. Er is daarbij een grote behoefte aan slimme scheidingsmethodes gebaseerd op chemische en fysische inzichten. Fundamenteel onderzoek, bijvoorbeeld naar het gebruik van ionische vloeistoffen of van superkritisch CO2, biedt nieuwe perspectieven voor scheiding en hergebruik van materialen. 

Naast bèta- en technisch-wetenschappelijk onderzoek vraagt de circulaire economie ook om onderzoek naar nieuwe eigendomsverhoudingen, waarbij materialen eigendom blijven van de producent, desnoods 

– ingeval van woningen en gebouwen – decennialang. De gebruiker, consument betaalt dan alleen voor de dienstverlening. Dergelijke ‘lease’-constructies voor materialen vragen ook om slimme systemen voor registreren en identificeren van materialen en om slimme logistieke systemen voor het soms wereldwijd inzamelen van vaak relatief kleine stromen. 

Dutch Industry, Smart(-est) Industry 

Digitalisering verandert onze samenleving. De combinatie van opkomende technologieën, zoals het internet, micro-sensoren, 3D-printing en big data maakt volledig nieuwe producten en diensten mogelijk. In de industrie wordt niet voor niets gesproken over een vierde industriële revolutie. Het is voor Nederland belangrijk om de kansen te grijpen en daarmee de positie van onze industrie, economie en welvaart veilig te stellen. 

Digitalisering van samenleving en industrie 

Het internet maakt het mogelijk alle apparaten overal ter wereld met elkaar te verbinden (IoT – Internet of Things). Studies geven aan dat in 202,0 50 miljard producten/apparaten aan het internet verbonden zullen zijn. Wie had vijf jaar geleden gedacht dat bedrijven als Philips, GE en Siemens zich volledig richten op zorgtechnologie (health tech) en Google en Apple met slimme horloges als grootste bedreiging ervaren? Hun slimme horloges vol met sensoren die permanent onze hartslag en lichaamstemperatuur registeren, bieden straks de mogelijkheid om op basis van deze data (-analyses) bijvoorbeeld nieuwe zorgdiensten aan te bieden. 

Factory of the Future: In 2030 kan Nederland de leverancier zijn voor wat nu nog de Factory of the Future is. In dat type fabriek verzorgt men de productie van klant-specifieke producten met een hoge complexiteit in kleine series. Het gaat daarbij om producten zoals hoogwaardige productiemachines (bijvoorbeeld bij ASML), Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld Duitsland waar het accent ligt op het digitaliseren van massaproductie. 

3D printing : Nieuwe sensoren en actuatoren worden met 3D printing gemaakt als volledig geïntegreerde producten. Op termijn zal ook de stap naar biomedische 3D-print systemen mogelijk zijn. Ontwerpers tekenen niet meer, maar laten computers optimale structuren uitrekenen. Naast het ontwerp van het klant-specifieke product zal de computer ook het fabricage “recept” bepalen. 

Farm of the Future: Tevens kan Nederland in 2030 zijn internationale positie definitief hebben gevestigd als koploper op het gebied van Agrofoodtech. Juist de Smart Industry ontwikkeling heeft het mogelijk gemaakt dat geautomatiseerde landbouwmethodes van Nederlandse oorsprong, inclusief equipment en software intelligence, als Farm of the Future de wereld veroveren. 

Smart Systems & Services: Nederland is in 2030 geslaagd zijn sterktes op het gebied van design en high – tech te combineren tot een internationaal vermaard cluster op gebied Smart Systems & Services. Niet alleen Philips heeft zijn leidende positie op het gebied van smart high-tech for health sterk uitgebouwd, maar ook op het gebied van (het ontwerpen en de productie) van mode en van slimme kleding op maat is Nederland first in class. Hieraan gerelateerd is de mogelijkheid om leidend te worden op de combinatie van mechatronica en slimme sensor systemen: coöperatief rijden in plaats van alleen maar autonoom rijden, en ook ontwikkelingen als vergaande remote monitoring en onderhoud in de maritieme sector met als doel autonome schepen en deepsea mining robot systemen. Dit zijn voorbeelden van markten waarin dezelfde technologie wordt ingezet als in de automatische kas en in robots voor precisielandbouw. 

Smart Industry is de brug tussen fundamenteel en toegepast onderzoek nu en de nieuwe hoogwaardige bedrijvigheid van 2030. 

De digitale samenleving 

Onze samenleving staat voor grote maatschappelijke en economische uitdagingen: veroudering, verminderde beschikbaarheid van natuurlijke grondstoffen, leefbaarheid van steden, om er een paar te noemen. Slechts door innovatieve multidisciplinaire benaderingen zullen we deze uitdagingen succesvol kunnen aanpakken. De digitale creatie, gebruik, verspreiding, manipulatie en integratie van informatie is in veel gevallen de belangrijke innovatie aanjager.

De wijdverspreide toepassing van digitale technieken voor maatschappelijke en economische uitdagingen staat bekend als Digital Society. De Digital Society verwoordt de totale integratie van ICT in al ons doen en laten; er is geen samenleving meer denkbaar zonder ICT. Enerzijds vereist innovatie in maatschappelijke en economische uitdagingen daarom sterke ICT kennispijlers. Anderzijds is de Digital Society natuurlijk meer dan alleen maar de ICT, het behelst bijvoorbeeld ook de ethische kant: hoe zit het met onze privacy? Wie is er verantwoordelijk voor zelfrijdende auto’s? 

Data wordt de olie van de 21^e eeuw

De toenemende rol van data en informatie in onze samenleving wordt in dit verband ook wel de Big Data revolutie genoemd. De beschikbaarheid van extreem grote hoeveelheden data na de eerdere industriële revoluties opnieuw een revolutie zal inluiden die de manier waarop wij leven, werken en denken ingrijpend zal veranderen. De data die hierdoor gegenereerd worden kunnen we zien als de olie van 21^e eeuw. Door ze te bewerken en te “raffineren” tot hoogwaardige informatie kunnen we de grote maatschappelijk problemen van de toekomst met succes te lijf gaan.

Een voorbeeld is armbanden of kleding die biomarkers meten en doorgeven aan een dienstdoende arts in een ziekenhuis, of een medische dienstverlener. Via dataverwerking krijgen we informatie en inzicht in onze medische toestand, of de arts krijgt een voortijdig alarm – ook voordat de symptomen voelbaar of zichtbaar zijn. Deze ontwikkeling zet de gezondheidszorg in een nieuw perspectief. 

Data science: een nieuw wetenschapsgebied

Er is een sterk groeiende behoefte om gegevens om te zetten in waardevolle informatie; dat levert waarde voor de bedrijven en organisaties die de data verzamelen en waarde voor de eindgebruikers die behoefte hebben aan intelligente oplossingen uit deze data kunnen worden afgeleid. We spreken in dit verband over data science als de nieuwe wetenschap en over de data scientist als de nieuwe beroepscategorie. Data science combineert en integreert technieken en theorieën afkomstig uit verschillende disciplines, waaronder statistiek, proces- en data-analyse, patroonherkenning, en gedistribueerde computing. 

Binnen het vakgebied van data science zal het gaan over de vraag hoe je wetenschappelijk verantwoorde conclusies kan trekken uit grote, heterogene, incomplete en onverifieerbare gegevens. Daarbij is het doel om de betrouwbaarheid van de conclusies te vergroten en de controleerbaarheid, herhaalbaarheid en vergelijkbaarheid kunnen garanderen, ook als bestanden veranderen, verloren gaan of simpelweg te groot zijn om lange tijd te bewaren.