Uutta tietoa huipputeknologiasta ja sen hyödyntämisestä, tietoa tulevaisuuden ratkaisuista ja palveluista päätöksenteon tueksi ja liiketoiminnan kehittämiseen. Kohdistettu VTT:n kumppaneille, asiakkaille sekä huipputeknologiasta ja sen sovelluksista kiinnostuneille.
Julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta

​​​​Kuvassa rullalta rullalle -valmistettuja kullattuja ja kultaamattomia anturisiruja eri formaateissa.

 

Tulevaisuuden sensori

Riitta Niskanen | 31.12.2014

​Painettu elektroniikka ja siihen lisätty äly kätkee sisäänsä valtavasti eri sovelluskohteita ja markkinamahdollisuuksia.

VTT:n johdolla on kansainvälinen Photosens-tutkimusprojekti kehittänyt anturiratkaisun, jossa muoville painetut sensorit mittaavat yhden tai useamman halutun aineen pitoisuuksia. Uuden teknologian käyttömahdollisuudet ovat huikeat ja siihen perustuvien sovellusten markkinat vasta avautumassa. 

Tutkimusprojektin koordinaattori, tutkimusprofessori Pentti Karioja Oulun VTT:ltä esittelee rullaa, jossa on  tukevaa, pieniruutuista muovikalvoa. Rulla sisältää polymeeripohjalle painettuja nanofotonisia anturipiirejä.  

– Kehitimme nimenomaan massavalmistustekniikkaa, jolloin antureita voidaan tehdä suuria määriä. Halusimme helposti käsiteltävän, valmistajalle ja kuluttajalle halvan anturirat­kaisun, hän selvittää.  

Sensorialusta on siis valmis, mutta se ei vielä riitä. Oulun VTT:llä tutkijana toimiva Jussi Hiltunen näyttää pientä, metallista lukulaitetta, joka on prototyyppi. Hän laittaa lukulaitteen sisälle anturin ja laitteessa oleva kameratekniikka lukee sen keräämät tiedot. 

– Tavoitteena on pidemmällä aikavälillä kehittää laitetta kuluttajakäyttöön, hän toteaa.

Helppokäyttöinen massatuote

VTT:n johtama kolmivuotinen ja EU-rahoitteinen Photosens-tutkimusprojekti päättyi viime tammikuussa.

– Oulun VTT koordinoi hankkeen, keräsi kansainvälisen konsortion siihen ja näytti suunnan, mihin tutkimuksessa kannatti mennä, Pentti Karioja tarkentaa.

– Meillä oli muodostunut näkemys siitä, mitä palasia tarvitaan sekä kansallisesti että Euroopan tasolla, Jussi Hiltunen jatkaa.

Tutkimusprojektin tavoitteeksi määriteltiin kertakäyttöinen ja massatuotantona valmistettava anturipiiri, jolla voidaan mitata useiden aineiden pitoisuuksia yhtä aikaa. Keskeinen vaatimus oli, että anturipiiri tekee seulontatestit ilman erikoislaitteistoa ja erikoisosaamista.

Päämäärän saavuttamiseksi VTT antoi oman panostuksensa polymeeripohjaisten nanofotonisten rakenteiden valmistukseen käyttäen UV-nanopainatusta sekä vastaten moniparametrianturin integroinnista. 

– Meidän osuutemme oli tehdä painettua elektroniikka ja siihen lisättyä älyä optisella mittaustekniikalla terästettynä, Pentti Karioja kiteyttää.


 

Tunnistettavia aineita yksi tai useampi 

Anturiratkaisu on toimintaperiaatteeltaan yksinkertainen. Sensorialusta mittaa ympäristöstä tai teollisuudessa prosessivalvonnasta eri kemikaaleja. Kun pintaan tarttuu vieraita aineita, ne pystytään havainnoimaan ja analysoimaan.

Projektissa käytettiin muutamaa esimerkkiä, joilla sensorialustan toimivuutta demonstroitiin. 

Toinen oli lääkeprosessi eli mittasimme lääkejäämiä. Toinen tapaus liittyi Kiinan maitoskandaaliin. Kehittämämme anturirakenenne herkistettiin melamiinin havannointiin, Hiltunen kertoo.

Keskeinen osa innovaatiota on mahdollisuus yksilöidä mihin anturin pinta reagoi, eli voimme tarkoituksella hakea tiettyjä aineita. Yleisesti sanoen: voimme hakea mitä vaan. Mahdollisuuksia on miljoonia, joten yleensä määritellään tarkasti tietty kemikaali, jonka olemisen tai ei-olemisen anturi kertoo, hän jatkaa. 

Anturi voi tunnistaa yhtä aikaa myös monta ainetta, ei vain yhtä. Kaikkien haitallisten aineiden mittaus ja tieto niistä saadaan helposti samassa näytteessä. 

Näyte voi myös tulla eri lähteistä, mutta aineen tunnistavan anturin rakenne on aina sama.

impulssi-anturi-sers-menetelma-fotonikiteita-kuva2.jpg
 

Anturissa hyödynnetään sekä SERS (Surface Enhanced Roman Scattering) -menetelmää että fotonikiteitä.

Ensin ammattikäyttöön, sitten kuluttajille

Painetun elektroniikan käyttömahdollisuudet ovat valtavat. Sen avulla on mahdollista valvoa muun muassa ilmanlaatua, lääketeollisuuden prosessien puhtautta ja elintarviketurvallisuutta.

Itselläni on haave, että vanhana minulla on mikron vieressä kone, jolla tehtävillä mittauksilla varmistan kaiken olevan kunnossa. Eli tulevaisuudessa tämäntapaiset mittaukset ovat kaikkien ihmisten käytettävissä. Niillä toimintaamme voidaan seurata ja tehdä ratkaisuja esimerkiksi lääkityksen ja elintoimintojen suhteen, Karioja
kuvailee.

Elintarvikkeissa voidaan varmistaa, että niissä ei ole ylimääräisiä, haitallisia aineita. 

Huoneilmassa sensoria heiluttelemalla voidaan tarkistaa, osoittautuivatko epäilyt homeitiöistä todeksi vai ei. 

Terveyden valvonnassa voidaan päivittäiset näytteet ottaa helposti ja edullisesti, välittää lääkärille tietokoneen avulla ja seurata näin, mihin suuntaan terveydentilasta kertovat indikaattorit ovat menossa.

Tässä on vain muutama esimerkki innovaation mahdollisista sovelluksista. Lähtölaukaus on kuitenkin jo ammuttu. 

Jatkossa ketju etenee näin: ensin ammattikäyttö, sitten vasta kuluttajat. Ensimmäiset käyttäjät voivat olla esimerkiksi lähikaupat ja ravintolat, koska lukulaitteen hinta riippuu siitä, kuinka paljon niitä tarvitaan. Sitten vasta tavalliset kuluttajat, Pentti Karioja hahmottelee.  

Sensorialusta on valmis. Mittausmenetelmät ovat valmiit. Näytteiden analysointiin kehitetty lukulaite on lopullista hiomista vaille valmis. 

– Meillä on toimiva teknologia. Nyt pitää enää löytää maailmalta yritykset, jotka ovat valmiita hyödyntämään tutkimustulokset ja käyttämään niitä omassa toiminnassaan, Karioja
kiteyttää. 


 

Nanocomp mukana tutkimuspartnerina

Uuden innovaation kaupallistamisessa on pisimmällä joensuulainen nano-optiikan valmistuksen alalla toimiva Nanocomp Oy. 

Photosens-tutkimusprojektissa yritys oli mukana VTT:n partnerina ja ratkaisevassa asemassa kehitettäessä anturien massavalmistus­tekniikkaa.

Roolimme oli tutkia rullalta rullalle -tekniikkaa, eli miten tehdä isovolyymisesti nanofoto­niikan roll-on-roll-massavalmistusta, kertoo Nanocompin teknologiajohtaja Samuli Siitonen.

Nanofotoniikan massavalmistustekniikassa on periaatteessa kolme tasoa. Perinteisellä litografiamenetelmällä on valmistettu antureita jo pitkään. Oulun VTT tutki erityisesti sheetlevel-teknologiaa eli arkkivalmistusta. Nanocomp keskittyi rullalta rullalle -valmistustasoon.

Pyrimme löytämään edullisen ja nopean tavan valmistaa nanofotoniikkaan perustuvia anturipiirejä myös tekniikan ja laitteiden osalta. Tavoitteemme on päästä komponenttihinnoissa kertakäyttötoimintamoodiin, josta on tässä anturi­rakenteen herkässä mittausmenetelmässä kysekin, Siitonen selvittää.

Jokamiehelle soveltuvassa kertakäyttömentelmässä näytteen ja anturipintojen käyttäjän ei tarvitse tehdä monimutkaisia toimenpiteitä. Anturin voi käytön jälkeen pistää muovikierrätykseen tai polttaa.  

Tutkimusprojektissa puhutaan kuitenkin hyvin haastavista detektointityypeistä. Helppokäyttöisyys on tulevaisuuden haaste ja koko ajan mielessä, Siitonen sanoo.

Nanofotoniikkaan perustuvien anturipiirien painamiseen ei sovellu mikä tahansa painokone. 

– Nanocomp on työskennellyt vuosia nano­luokan pintarakenteiden massavalmistuksen parissa. Siksi meillä on ollut hyvä lähtökohta kehittää anturipintojenkin painamista. Meillä on laitteet optisten painokomponenttien eli fotoniikka­komponenttien painamiselle  ja myös laitteita jatkoprosessointiin, Samuli Siitonen kertoo.

impulssi-2x7-siru-kuva3.jpg
 

Anturi pystyy tunnistamaan useampia aineita kerralla. Kuvassa yksittäinen 2x7-siru.​

Lähivuosina markkinoille

Vaikka Nanocomp on pitkällä photosens-tekniikassa, eivät anturirakenteet ole vielä yrityksessä varsinaisessa tuotannossa.

Kysymys on pitkälti tutkimuksesta, joka tähtää tulevaisuuden tuotteisiin. Tämä edellyttää pitkiä kehityskaaria, Samuli Siitonen täsmentää.

Ala on kuitenkin teknologiajohtajan mielestä erittäin innostava ja odotukset kovat. 

Anturiteknologia rullalta rullalle on hyvin nouseva ja kiinnostava toiminta-alue. Pääsemme eturintamassa paneutumaan asioihin. Olemme valmiita sinä päivänä kun kaikki tukitoiminnot markkinoille menemiseen ovat riittävän kypsät, hän iloitsee.

Esimerkiksi edullinen ja helppokäyttöinen lukijalaite pitää Siitosen mukaan olla markkinoilla ennen kuin kukaan haluaa ostaa antureita. Kemialliset funktionalisoinnit, jotka mahdollistavat tiettyjen aineiden tutkimisen, pitää olla niin ikään valmiit.

Kyse ei ole vain yhden yksittäisen teknologian esilletulosta vaan monen summasta. Markkinoille meneminen tapahtuu, kun kaikki haarat ovat kypsät. Nyt on jo valmius tehdä tietynlaisia antureita, mutta valmista hyllytavaraa ei ole vielä.

Samuli Siitonen uskoo noin viiden vuoden aikavälillä tapahtuvan konkreettisia askelia uuden innovaation hyödyntämisessä. Moni nyt meneillään oleva asia tukee vahvasti tätä arviota.


 

 

 

Impulssihttp://www.vtt.fi/ImpulssiImpulssi
Impulssi 2/2017http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2017.aspxImpulssi 2/2017
Uusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusi-agenda-tehostaa-tutkimusinfran-käyttöä.aspxUusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöä
Robottiautojen esiinmarssihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Robottiautojen-esiinmarssi.aspxRobottiautojen esiinmarssi
Infinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Infinited-Fiber-tuo-muutoksen-tekstiiliteollisuuteen.aspxInfinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteen
Suomi suuntaa vähähiiliseen älyliikenteeseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-suuntaa-vahahiiliseen-alyliikenteeseen.aspxSuomi suuntaa vähähiiliseen älyliikenteeseen
Digitaaliset ekosysteemit valtaavat alaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digitaaliset-ekosysteemit-valtaavat-alaa.aspxDigitaaliset ekosysteemit valtaavat alaa
Voiko älykkäiden kaupunkien suorituskykyä mitata?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Voiko-alykkaiden-kaupunkien-suorituskykya-mitata.aspxVoiko älykkäiden kaupunkien suorituskykyä mitata?
Turbiinisiivillä miljoonien säästöihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Turbiinisiivet-saastavat-miljoonia.aspxTurbiinisiivillä miljoonien säästöihin
Kovaakin kovempi vientituotehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
Mediatuotannossa ja asumispalveluissa valmistaudutaan 5G-verkkoonhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mediatuotannossa-ja-asumispalveluissa-valmistaudutaan-5G-verkkoon.aspxMediatuotannossa ja asumispalveluissa valmistaudutaan 5G-verkkoon
VTT:n nuoret tutkijat tekevät tulevaisuuttahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Nuoret-tutkijat-tekevat-tulevaisuutta.aspxVTT:n nuoret tutkijat tekevät tulevaisuutta
Teollinen 3D-tulostus nousukiidossahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Teollinen-3D-tulostus-nousukiidossa.aspxTeollinen 3D-tulostus nousukiidossa
Suomi tavoittelee kärkipaikkaa tekoälyn soveltamisessahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-tavoittelee-karkipaikkaa-tekoalyn-soveltamisessa.aspxSuomi tavoittelee kärkipaikkaa tekoälyn soveltamisessa
Maailma kuluttajien silminhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Maailma-kuluttajien-silmin.aspxMaailma kuluttajien silmin
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
Petri Kalliokoski: Tekoäly siirtyy sanoista tekoihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Petri-Kalliokoski-Tekoaly-siirtyy-sanoista-tekoihin.aspxPetri Kalliokoski: Tekoäly siirtyy sanoista tekoihin
Wärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisellahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Wärtsilän-Jaakko-Eskolaä-Menestymme-vain-innovoinnilla-ja-uusiutumisella.aspxWärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisella
5G tuo vauhtia verkkopalveluihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/5G-tuo-vauhtia-verkkopalveluihin.aspx5G tuo vauhtia verkkopalveluihin
Minima Processor Oy – Energiatehokkuuden maailmanennätys kiihdyttää IoT-kehitystähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Minima-Processor-Oy-Energiatehokkuuden-maailmanennätys-kiihdyttää-IoT-kehitystä.aspxMinima Processor Oy – Energiatehokkuuden maailmanennätys kiihdyttää IoT-kehitystä
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Tuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöönhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuotteita-jätteestä.aspxTuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöön
Bisnesenkeli Sauli Törmälä: Kasvua kansainvälisiltä kentiltähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sauli-Tormala-Kasvua-kansainvalisilta-kentilta.aspxBisnesenkeli Sauli Törmälä: Kasvua kansainvälisiltä kentiltä
Tulevaisuuden arkkitehdit asiallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-arkkitehdit-asialla.aspxTulevaisuuden arkkitehdit asialla
Asiakasasenteen airuethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asiakasasenteen-airuet.aspxAsiakasasenteen airuet
Impulssi 1/2014http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2014.aspxImpulssi 1/2014
Selluloosakuitu herättää vanhan puuvillatekstiilin uuteen eloonhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Selluloosakuitu-herattaa-kaytetyn-puuvillatekstiilin-uuteen-eloon.aspxSelluloosakuitu herättää vanhan puuvillatekstiilin uuteen eloon
Yhteisöllisiä asumisratkaisuja Suomesta Namibiaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Yhteisöllisiä-asumisratkaisuja-Suomesta-Namibiaan.aspxYhteisöllisiä asumisratkaisuja Suomesta Namibiaan
VTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Fabry-Perot-interferometriteknologia.aspxVTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaa
Sopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sopiiko-elinkaariarviointi-poliittisen-päätöksenteon-tueksi.aspxSopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?
ChemSheet-innovaatioilla tietä uusille ratkaisuillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Chemsheet-innovaatioilla-tietä-uusille-ratkaisuille.aspxChemSheet-innovaatioilla tietä uusille ratkaisuille
Asuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asuinmukavuus-ja-energiatehokkuus-mahtuvat-samaan-kotiin.aspxAsuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiin
Puun voimalla biotalouteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puun-voimalla-biotalouteen.aspxPuun voimalla biotalouteen
Laitteet kämmenen kokoisiksihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Laitteet-kammenen-kokoisiksi.aspxLaitteet kämmenen kokoisiksi
Mallinnuksen ja simuloinnin hyödyntäminen uusissa voimalaitoskonsepteissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mallinnuksen-ja-simuloinnin-hyodyntaminen-uusissa-voimalaitoskonsepteissa.aspxMallinnuksen ja simuloinnin hyödyntäminen uusissa voimalaitoskonsepteissa
Salofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Salofa-tuo-pikatestit-terveyden-ja-ympariston-seurantaan.aspxSalofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaan
Puolustusvoimat hakee etumatkaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puolustusvoimat-hakee-etumatkaa.aspxPuolustusvoimat hakee etumatkaa
Autonomiset järjestelmät yleistyvät teollisuudessa nopeastihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Autonomiset-jarjestelmat-yleistyvat-teollisuudessa-nopeasti.aspxAutonomiset järjestelmät yleistyvät teollisuudessa nopeasti
Digitalisaatio tasoittaa erojahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digitalisaatio-tasoittaa-eroja.aspxDigitalisaatio tasoittaa eroja
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Oma osaaminen yhteiseksi hyväksihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Oma-osaaminen-yhteiseksi-hyvaksi.aspxOma osaaminen yhteiseksi hyväksi
Ikäteknologia arjen apuna ja turvanahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ikäteknologia-arjen-apuna-ja-turvana.aspxIkäteknologia arjen apuna ja turvana
Liiketoimintaa liikenteeseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Liiketoimintaa-liikenteeseen.aspxLiiketoimintaa liikenteeseen
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa
Lämpöaistimus on monen tekijän summahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Lampoaistimus-on-monen-tekijan-summa.aspxLämpöaistimus on monen tekijän summa
S-ryhmä uskoo monikanavamalliinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/S-ryhma-uskoo-monikanavamalliin.aspxS-ryhmä uskoo monikanavamalliin
Suomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomalaispyörät-pyörivät-myös-tulevaisuudessa.aspxSuomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessa
Maailmalla ei ole parempaa innovaatiomalliahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Maailmalla-ei-ole-parempaa-innovaatiomallia.aspxMaailmalla ei ole parempaa innovaatiomallia
Impulssi 1/2016http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2016.aspxImpulssi 1/2016
IPR edellä ulkomaillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/IPR-edella-ulkomaille.aspxIPR edellä ulkomaille