Technologieën en methoden waaraan we werken

Geavanceerde materialen

Onze focus bij geavanceerde materialen is op circulariteit en metamaterialen. We richten ons op de volgende technologieën:

• Circulariteit (hergebruik), waarbij het in de bouw gaat om bijvoorbeeld circulaire en duurzame bouwmaterialen en in de industrie om plastics.
• Materialen voor energieopslag, zoals circulaire energiedragers, om uitputting en afhankelijkheid van kritische materialen te voorkomen.
• Composieten en metamaterialen (‘engineered’ materialen met bijzondere eigenschappen), voor toepassingen in hightech en defensie.
• Biocompatibele materialen, waaronder ‘organ-on-chip’-toepassingen waarmee geneesmiddelenontwikkeling kan worden versneld.

Fotonica

Op het gebied van fotonica richten we ons op laser-satcom en het opschalen van ‘integrated photonics’. We werken aan:

• Langeafstandslasercommunicatie, bijvoorbeeld tussen grondstations en satellieten.
• Opschaling en toepassing van geïntegreerde fotonische circuits, onder andere voor sensoren.
• ‘Next generation’-zonnecellen, zoals perovskieten en de betrouwbaarheid en levensduur van zonnecellen.
• Medische fotonica voor diagnostiek en patiëntmonitoring.

Quantumtechnologieën

In de quantumtechnologieën focussen we op quantumsensoren en -applicaties, een nieuwe tak binnen deze sleuteltechnologie. Samen met TU Delft en een groeiend aantal partijen zijn we verenigd in QuTech, dat onderzoek doet gericht op quantumcomputers en quamtumcommunicatie.

Digitale technologieën

Digitale technologieën is onze breedste sleuteltechnologie. We richten ons voornamelijk op:

• ‘swarm intelligence’
• ‘self-aware / context-aware systems’
• ‘generative design’
• ‘automated cyber security’
• ‘post-quantum cryptology’
• ‘digital twinning’
• ‘future networks’
• gefedereerde cloud- en ‘distributed’ IT-systemen

Verder ligt de belangrijkste focus op Artificiële Intelligentie (AI). De toepassingen zijn enorm breed, denk aan geautomatiseerd rijden, vliegen en varen, robots in zorg en defensie, monitoring van gezondheid, luchtkwaliteit en de staat van civiele constructies. Het gaat dan om de integratie van model- en datagedreven AI (‘Hybrid AI’), ‘self-aware, context-aware’-systemen, het samenspel tussen mensen en AI-systemen en transparant redenderende AI. Verder werken we aan:

• De samenwerking tussen AI-systemen onderling (‘swarm intelligence’) en de inzet van AI als ontwerphulpmiddel (‘generative design’).
• Sensoren ontwikkelen op gebied van ultrasoon geluid, glasvezelgebaseerde sensoren, ‘radar front-end technology’.
• De toepassing van sensoren: signaalverwerking en patroonherkenning, integratie van informatie uit verschillende sensoren (‘sensor fusion’, ‘big data’).
• Veiligheid in het digitale domein, bijvoorbeeld geautomatiseerde bescherming tegen cyberaanvallen en veilige gegevensuitwisseling (‘post-quantum and distributed cryptology’, ‘multi-party computation’). Hiermee openen we de deuren naar nieuwe businessmodellen, bijvoorbeeld in de vervoerssector (‘Mobility as a Service’).
• ‘Digital twinning’: modellen maken van complexe fysieke systemen, met sensoren gekoppeld aan de fysieke werkelijkheid. Deze technologie wordt toegepast bij het monitoren van de leefomgeving (emissies), bruggen, gebouwen, schepen en andere constructies, maar ook bij het monitoren van energiesystemen en -netwerken en chemische processen.
• ‘Future networks’, gefedereerde cloud- en ‘distributed’ IT-systemen.

Nanotechnologieën

Onze focus bij nanotechnologieën is op 3D-nanometrologie:

• Nanometrologie is het meten van structuren op nanoschaal.
• Nieuwe aandachtspunten zijn het meten in 3 dimensies.
• Chipstructuren worden op termijn in 3D vormgegeven, dat wil zeggen dat men moet kunnen meten onder het oppervlak en ook materiaalsamenstellingen in kaart moet kunnen brengen.

Chemische technologieën

Bij chemische technologieën richten we ons op chemische processen voor circulariteit, elektrochemie en fotochemie:

• Elektrochemie en fotochemie (gecombineerd met katalyse) leiden tot circulaire productieprocessen, voor bijvoorbeeld ammoniak, die de chemische industrie minder afhankelijk makne vna fossiele bronnen en geen of zelfs ‘negatieve’ uitstoot van CO2 veroorzaken (BECCS, DAC, CCUS, mineralisatie-opties).
• Duurzame brandstoffen voor voer-, vlieg- en vaartuigen en stationaire toepassingen
• Plasmatechnologie voor hoogwaardig hergebruik van plastics

Life science-technologieën

Hierbij zijn onze focustechnologieën Exposoom, ‘body-brain interactions’, ‘ultrasound arrays’, ‘personalized medicine’ en microplastics. Waar we aan werken:

• Modellen van menselijke gezondheid (‘quantified self’, ‘body-brain interactions’, ‘microbiome’) om tot bijvoorbeeld gepersonaliseerde therapieën te komen.
• Met digitale technologieën zoals ‘wearables’ en biochips genereren we de benodigde data.
• hoewel het zwaartepunt bij modellering ligt ontwikkelen we op specifieke gebieden (ultrageluid, optiek) ook sensortechnologie.
• We breiden onze ‘organ-on-chip’-kennis uit om geneesmiddelontwikkeling te versnellen en het aantal dier- en mensproeven te verminderen.
• We investeren in kennis over menselijke blootstelling aan schadelijke invloeden (toxicologie, exposoom), verspreiding en bescherming. Een nieuw aandachtspunt betreft de invloed van microplastics op mens en dier.

Engineering- en fabricagetechnologiën

Hierbij zijn onze focustechnologieën ‘Flexible manufacturing’, ‘carbon nanotubes’ en componenten voor de energietransitie. We investeren de komende jaren extra in ‘smart industry’, een onderwerp dat op het kruispunt met het cluster ‘Digitale Technologieën’ ligt en aansluit bij de eigenschappen van de Nederlandse maakindustrie (kleinere aantallen producten van hogere complexiteit). Belangrijke thema’s in dit kader zijn: samenspel tussen mens en robot (‘flexible manufacturing’), digitale koppeling in toeleverketens, productplatforms, parametrisch / generatief ontwerp, topologieoptimalisatie en slimme meetmethoden met bijbehorende dataverwerking.

Met de ontwikkeling van nieuwe methoden en technieken voor systeemontwerp en -engineering scheppen we overzicht in de complexiteit aan systemen binnen de hightechindustrie. Het uitgebreide TNO-onderzoeksprogramma ‘Embedded Systems Innovation’ (ESI) heeft tot doel om de hightechindustrie te ondersteunen bij verbeteringen in doorlooptijden en de effectiviteit van productinnovatieprocessen, net als de functionaliteit, kwaliteit en maatschappelijke impact van hightechproducten.

Daarnaast richten we ons op maakprocessen zoals ‘atomic layer deposition’ en maakprocessen voor ’large area electronics’ en (producten met) ‘carbon nanotubes’. Met het oog op de energietransitie richen we ons op maakprocessen van onder andere elektrodes voor reactoren en batterijen.

Sleutelmethodologieën

Innoveren vereist niet alleen onderscheidende technologische kennis (‘wat’), maar ook innovatieve methoden en manieren van werken (‘hoe’). Dat zijn sleutelmethodologieën (Key Enabling Methodologies, KEMs). We willen deze sleutelmethodologieën toepassen én bijdragen aan de verdere ontwikkeling daarvan. De komende jaren leggen we het accent dan ook op het verder ontwikkelen van methodologieën in 2 clusters. Ten eerste Visie, verbeelding en impact. En als tweede Gezamenlijk innoveren en warde creëren en opschalen in experimentele omgevingen.

Visie, verbeelding en impact

We ontwikkelen methoden die het mogelijk maken om beter te begrijpen hoe technologie, wereldbeelden, gedrag en systemen zich gaan ontwikkelen, welke innovaties te verwachten zijn en welke invloed dat gaat hebben op de maatschappij. Onder deze methodes vallen bijvoorbeeld ‘technology foresight’, het inschatten van de sociaaleconomische en maatschappelijke impact van innovaties, het opstellen van toekomstscenario’s en vaststellen van mogelijke beleidskeuzes in de domeinen waarin we actief zijn.

We investeren in het modelleren van maatschappelijke en economische systemen om tot betere voorspellingen van effecten, beter beleid en continue bijsturing te komen. Modellen van bijvoorbeeld ruimtegebruik maken afwegingen mogelijk tussen de kwaliteit van de leefomgeving, de economie, mobiliteit en wonen. Bij veel maatschappelijke uitdagingen en transities speelt gedrag van betrokkenen een sleutelrol. TNO versterkt haar methoden om gedrag in te schatten en te beïnvloeden (bijvoorbeeld door effectieve vormen van communicatie en opleiding). Focus technologieën: ‘Technology foresight’, ‘data-driven roadmapping’, ‘socio-economic impact assessment’, integrale modellen t.b.v. grote maatschappelijke uitdagingen en transities

Gezamenlijk innoveren en waarde creëren en opschalen in experimentele omgevingen

Grote innovaties spelen zich niet meer af binnen afzonderlijke organisaties: samenwerking is noodzaak, zowel in de prillere stadia als bij opschaling. In de voorgaande jaren is het ‘orkestreren van innovatie’ prominent op de TNO-agenda komen te staan. TNO bouwt haar kennis en vaardigheden hierop uit.

Nieuwe ‘collaboratieve’ businessmodellen zijn nodig, bijvoorbeeld in de bouwwereld om tot aanpak van de grote bouw- en onderhoudsopgaven te komen. Nieuwe methoden van participatie moeten belanghebbenden betrekken bij beleid, ontwerp en de implementatie van oplossingen (‘citizen involvement and co-creation’, ‘participatory system dynamics’, ‘serious gaming’).

Innovatie wordt versneld door partijen bijeen te brengen: (Digital) Innovation Hubs en Field Labs zijn bewezen ‘innovatiegereedschappen’. Uitbreiding van TNO’s kennis over het opzetten en besturen van dergelijke experimenteeromgevingen is een voorwaarde voor succes in de komende periode.

Focustechnologieën

De focustechnologieën hier zijn ‘Collaborative business models’, ‘stakeholder involvement’, ‘innovation hubs’ en fieldlabs.

Alle bovengenoemde ontwikkelingen hebben twee kenmerken gemeenschappelijk. Ten eerste gaat het hier steeds om transdisciplinariteit: het combineren van kennis uit verschillende disciplines is de sleutel tot succes. Ten tweede gaat het om verantwoordelijke innovatie: het gaat steeds om het vinden van de juiste balans tussen verschillende maatschappelijke belangen, op een transparante wijze.