Az emberi civilizáció számos fontos vívmánya egy kevéssé ismert technológián, a mikromegmunkáláson alapul
Mára a tudomány eljutott oda, hogy az új mikromegmunkálási eljárásokkal minden eddiginél hatékonyabb eszközöket lehet fejleszteni, és a kérdés nem az, hogy rendelkezésre áll-e a technológia, hanem az, hogy melyik vállalatnak sikerül költséghatékony megoldással előállnia. Hasonlóan biztató képet fest a jövő fejlesztéseiről az a tény, hogy a mai csúcstechnológiás chipgyártás az űrtávcsövek tükreihez kidolgozott technológiákon alapul, és a kvantumszámítógépek és alkatrészeik előállításához is léteznek precíziós szerszámgépek. Ráadásul az új, stabilabb termelési rendszerek létrehozásához nem kell varázsgömbbe nézni: néha elég ötletet meríteni a természetből.
Hol tart ma a mikromegmunkálás, milyen eredmények születnek, és milyen kihívásokat tartogat a terület? Ennek megvitatására a héten Budapesten gyűltek össze az atomi mérettartományú gyártási lehetőségek és a digitális termelési megoldások kutatói. A területek képviselői más, a technológiákban jártas szakemberekkel közösen osztották meg eredményeiket és tapasztalataikat a Nemzetközi Mérnöki és Technológiai Akadémia (International Academy of Technology and Engineering, AET) 5. alkalommal megrendezett nemzetközi szimpóziumán.
Az AETS konferenciának minden évben más város ad otthont, a szervezet tagjai sorban vállalják a szervezést. Idén először Monostori László, a Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet (SZTAKI) igazgatója és a kutatóintézet Magyarországon rendezte meg a konferenciát és a hozzá tartozó kísérőprogramokat. A csütörtöki előadások között szó volt a precíziós megmunkálásokról, a biológiai transzformációról a gyártásban, és a megbízható mikrotartományú gyártásról is, ami egészen új lehetőségeket teremt az egészségügyben és a diagnosztikában is.
Az űrteleszkópokhoz kifejlesztett technológiák elengedhetetlenek lettek a legfejlettebb chipek gyártásához
„2005 körül nyertük el a megbízást, hogy megépíthessük a James Webb űrteleszkóp közép-infravörös műszerének (MIRI) optikai rendszerét, de előtte már 20 éve voltunk benne űrtávcsőprogramokban” – mondta a Qubitnek Paul Shore, a brit Loxham Precision vállalat ügyvezetője. A mérnök korábban a brit Cranfieldi Egyetem professzora volt, ahol az 1980-as években elnyerték az angol-német ROSAT röntgentávcső optikai rendszerének megépítésének lehetőségét.
A MIRI optikai rendszerénél a legnagyobb kihívást a rendkívüli precizitás elérése jelentette, mondta Shore, amire azért volt szükség, mert a Hubble űrteleszkóppal ellentétben a Földtől 1,5 millió kilométerre a Lagrange-2 pontból mérő James Webb űrtávcső nem javítható. Az Európai Űrügynökség megbízása alapján készülő komplex és kompakt optikai rendszer bonyolult formájú tükreinél nanométeres pontosságot kellett elérniük.
Az ehhez szükséges technológia a Cranfieldi Egyetemről hozott gyémánteszterga volt, ami a gyártás során elképesztően stabilan tudja tartani a hőmérsékletet, ezred foknyi pontossággal. „Ez lehetővé tette, hogy megmunkáljuk az egyes optikai felszíneket, újrapozicionáljuk őket, és így le tudtuk gyártani ezt a kis helyet foglaló, komplex optikai rendszert” – mondta Shore.
Amikor kiderült, hogy a MIRI működik, Shore első reakciója a megkönnyebbülés volt. „Úgy tudom, hogy 91 ponton lehetett volna komoly probléma [az űrteleszkóppal] a MIRI bekapcsolása előtt, és nagyon nagy nyomás alatt voltunk, mert ha nem megy minden rendben, akkor ez lett volna az egyetlen dolog, ami nem működik, hiszen minden más fantasztikusan sikeres volt”.
A James Webb űrtávcső „a leglenyűgözőbb műszer, amit valaha a világűrbe juttattunk, és abban a pillanatban, amikor kiderült, hogy működik „én és kollégáim, köztük a Cranfieldi Egyetem tükrökön munkálkodó népes csoportja, mind nagyon büszkék voltunk” – mondta Shore. A sikerhez az is kellett, hogy a mérnökök sokszor napi 15 órát dolgozzanak az optikai elemek minőségének javításán. Az űrügynökséggel történő közös munka során azt is megtanulták, hogy az űrkutatásban zajló fejlesztések során a folyamatok nagyon strukturáltak és formálisak, aminek célja, hogy minimálisra csökkentse a kockázatokat.
A munka eredményét nemcsak az űrkutatásban lehet alkalmazni: azoknak a gépeknek a technológiája, amiket a ROSAT űrteleszkóp röntgentartományú optikai elemeinek gyártásához készítettek, valamint a tükrökhöz mások által kifejlesztett bevonatok évekkel később nélkülözhetetlenek lettek a chipgyártásban. A mikroprocesszorok készítéséhez elengedhetetlen fotolitográfiai berendezések piacán vezető szerepet játszó holland cég, az ASML legfejlettebb, extrém ultraibolya fényt alkalmazó (EUV) berendezéseinek optikai rendszereiben a tranzisztorok felviteléhez szükséges fényt fókuszáló tükrök nem nagyon különböznek a röntgen-űrteleszkópokban használtaktól, mondta Shore. Az ASML EUV berendezéseivel gyártja a tajvani TSMC félvezetőgyártó az Apple iPhone-jaiban és Macjeiben található chipeket, és az Intel idén ősszel debütáló Meteor Lake kódnevű processzoraiban is azokkal viszik fel az integrált áramköröket a szilíciumszeletekre.
Közel 20 évvel ezelőtt Shore és kollégái egy európai fúziós kísérlet, a HiPER előkészítő fázisában is részt vettek. Ez a tavaly a breakeven pontot elérő, amerikai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium National Ignition Facility (NIF) kísérletéhez hasonló lézeres inerciális fúziós berendezés lett volna, ahol rendkívül erős lézerek segítségével indítanak be üzemanyagcsomagokban (pellet) fúziós reakciókat. A mérnök és munkatársai a JWST alkatrészekhez használt gyémánt esztergagépet úgy fejlesztették tovább, hogy az képes legyen milliméteres mérettartományú pelletteket gyártani.
Shore szerint a következő években a legnagyobb lehetőséget a kvantumszámítógépek tartogatják, amik szerinte alapvetően átalakítják majd életünket. Jelenleg jelentős mértékű magánbefektetés áramlik kvantumszámítógépekkel foglalkozó startupokba az Egyesült Királyságban, és az olyan gigacégek, mint az IBM vagy a Google is több millió dollárt fektetnek be az egymással versengő fejlesztéseikbe. „A gép, amit fúziós reaktorok komponenseinek gyártásához építettünk, jelenleg qubit szubsztrát platformokat hoz létre kvantumszámítógépekhez” – mondta Shore, jelezve, mennyi hasznot tudnak húzni abból, hogy milliméteres mérettartományú komponenseket gyártó gépeik vannak. Ennél azért nem kell kisebb tartományokban gondolkodni, mert a kétállapotú kvantumrendszereknél jelenleg nem a méretcsökkentés, hanem stabilitás javítása a cél. „Kicsit ott tartunk a kvantumszámítógépekkel, mint a tranzisztorokkal az 1970-es években” – mondta Shore.
A konferencián Peter De Wolf, az amerikai Bruker vállalat Nanofelszínek és Méréstechnológia részlegének alkalmazási igazgatója a milliméteresnél is precízebb, nanométeres megmunkálási és vizsgálati technológiákról beszélt. Ezt az atomerő-mikroszkópia (Atomic Force Microscopy, AFM) teszi lehetővé, ami a felszín vagy anyagok mechanikus letapogatásának elvén működik. A nanométeres képalkotásra alkalmas technológiát általában felszínek, vagy molekulák „lefényképezésére” és anyagok fizikai tulajdonságainak meghatározására használják, magyarázta előadásában De Wolf, de az utóbbi időkben ezekhez újabb képességeket tudtak hozzáadni.
Amint előadásában bemutatta, ilyen az anyagok kémiai összetételenek infravörös spektroszkópiával történő megállapítása, valamint új eszközökkel anyagok nanotartományú manipulációja. Ez történhet például mechanikus úton, ahol az atomerő-mikroszkópra egy robosztus tapogató fejet szerelnek, amit rendkívüli precízitással lehet a tér három irányában mozgatni. Egy alkalmazása ennek a már említett extrém ultraibolya fényt alkalmazó EUV litográfiás berendezéseknél jelenik meg, ahol az anyagok manipulációjára képes atomerő-mikroszkópok szennyeződések észlelésére és eltávolítására lehetnek alkalmasak, amivel több százezer eurós komponensek cseréjét lehet megspórolni.
Miniatűr laborok sorakoznak a fiókban
„A legnagyobb kihívást a piacra lépés jelenti” – foglalta össze röviden a Qubit kérdésére Jens Ducrée, a Dublini Városi Egyetem professzora, hogy mi áll a „lab-on-a-chip” vagy „lab-on-a-disc” megoldások elterjedésének útjában. (A lab-on a-chip olyan eszköz, amely egyetlen parányi, néha mindössze milliméteres integrált áramkörön egyesít különböző laboratóriumi funkciókat.) Bár a kutató úgy látja, hogy világszerte több tucat cég foglalkozik ilyen miniatürizált és egyszerűsített megoldásokkal, az, hogy ezek a mindennapok részévé váljanak, még várat magára, miközben a fejlesztésüknek története több évtizedre nyúlik vissza.
A chipméretű vizsgálati eszközök előnyei felbecsülhetetlenek. Nemcsak az apró méret, hanem a könnyű használat is praktikussá teszi őket, mondta a mikrofluidikával foglalkozó szakértő. Ő elsősorban vér- és vizelettesztelési eszközök fejlesztési lehetőségeiről beszélt az előadásában, de más folyadékok is vizsgálhatók lehetnek ezekkel az apró rendszerekkel.
Az előnyöknek ugyanakkor áruk is van: Ducrée szerint a megmunkálási költségek magasak, a termékfejlesztés szintén drága, a mikrofluidikában mégis óriási lehetőségek rejlenek. Bár ezeket az eszközöket soha nem lehet annyira összezsugorítani, mint a mikroelektronikai rendszereket, fontos helyük van a jövő iparában.
„Ki vásárolna külön számítógépet a különböző feladataihoz?” – tette fel a kérdést Ducrée, majd gyorsan meg is válaszolta: a „lab-on-a-chip” és a „lab-on-a-disc” koncepciók lényege épp a multifunkcionalitás, vagyis az, hogy számos, akár több tíz vagy száz feladat is elvégezhető velük. Ez az egészségügyi tesztrendszerek esetében egy sor vértesztet jelenthet mindössze néhány csepp vérből, nagyon rövid idő alatt.
Az ilyen eszközök használatához ráadásul nem lenne szükség speciálisan képzett személyzetre sem, és az értékelés is automatikusan zajlik. Ducrée szerint épp ezért remekül lehetne őket használni a harmadik világ országaiban, nehezen elérhető területeken vagy akár kisebb háziorvosi rendelőkben is, a vizsgálatok ára pedig leszorítható lenne, annak köszönhetően, hogy lényegesen kisebb vizsgálati apparátust kellene fenntartani, mint amekkorával most dolgoznak a laborok.
Mégsem ezek a miniatűr tesztek jelentik az egyetlen univerzális megoldást a világ összes fertőző betegségének tesztelésére. Ducrée a Qubit kérdésére elmondta, hogy bár lát lehetőséget arra, hogy például a koronavírus-járványt okozó COVID-vírusvariánsokat is szűrjék ilyen tesztekkel, az, hogy milyen tesztelési módszer terjed el, nem feltétlenül azon múlik, hogy mi alkalmas a kórokozó szűrésére. „Az országok és a szolgáltatások között is volt különbség abban, hogy milyen tesztek eredményeit fogadták el; más kellett a repüléshez, megint más a munkahelyek látogatásához. Ezt egy összetette szabályozás szerint állapítják meg, de elképzelhető, hogy a jövőben használnak majd miniatürizált teszteket is hasonló célra” mondta a professzor.
Hosszú távon ugyanakkor nem elég a precíziós és miniatürizált gyártás nehézségeivel megküzdeni, ott van még a digitalizáció és a virtuális gyártási feltételek megteremtése. Ducrée foglalkozik a digitális ikrek tesztkörnyezetként történő alkalmazásával, továbbá a gyártás virtuálissá tételével, amiben a blockchain-technológia jelenthet megoldást.
A természet inspirálhat, sőt integrálható is a termelési rendszerekbe
A gyártás- és a termékfejlesztés folyamata a jelenkori kihívások közepette sokszor nehézkessé válhat, hiszen a mérnököknek és a kutatóknak olyan feladatokat kell megoldaniuk, ahol általában nincs jó válasz, csak olyan kompromisszum, ami lehetővé teszi, hogy a funkciókkal szemben támasztott követelmények teljesüljenek, és a minőség is elfogadható legyen.
Éppen ezért érdemes minél többet meríteni a természetből, ami évmilliók óta csiszolódik, és ahogy Roberto Teti, a Nápolyi Egyetem professzora fogalmazott, mintaként áll előttünk. Teti előadásában elmondta: egy nyolc konzorciumi tagból álló kutatócsoporttal azon dolgoznak, hogy a gyártásban minél szélesebb körben el tudjanak terjedni a biológiai ihletésű megoldások. Alkalmazási lehetőségeket keresnek a természeti konstrukcióknak, vagy pont fordítva: igyekeznek megtalálni azt a természetben már bevált megoldást, ami választ ad egy-egy mérnöki problémára.
Az eredmény általában pozitív, amire a professzor több példát is felhozott: többek között az olyan bio-hibrid megmunkálógépeket, amelyek képesek többféle anyaggal egy időben dolgozni, vagy az olyan robosztus kooperatív gyártósorokat, amelyek adaptívan alkalmazkodnak a gyártott termékek sokféleségéhez.
Az olasz professzor elmélete szerint három szint különböztethető meg a természeti megoldások integrálásában. A legegyszerűbb és alapszintű megoldás, amikor a természet ihletet ad. Ez lehet egy új anyag, szín vagy mechanikai modell, ami utánoz egy természeti példát (ilyenek például a polipcsápra emlékeztető megfogószerkezetek).
A második szint, amikor a környezeti modell már nemcsak példaként szolgál, hanem integrálódik a technológiai és a biológiai rendszer. A harmadik és egyben legkomplexebb szinten már biointelligens gyártásról beszélhetünk. Ebben az esetben a környezet és a műszaki rendszerek között kölcsönös a kommunikáció, és a kapcsolatot információs rendszer segíti. Teti szerint az ilyen összetett rendszerek jelentik a választ a jövő gyártási kihívásaira.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
