Interview: de smartphone van de toekomst

Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben een technologie ontwikkeld die compleet nieuwe functies aan toekomstige smartphones zal toevoegen. Zij maakten namelijk een nieuw soort spectrometer, een device dat eigenschappen van weerkaatst licht kan meten. In tegenstelling tot de spectrometers van tafelformaat die tegenwoordig in de wetenschap en de medische wereld worden gebruikt, is de technologie die in Eindhoven wordt ontwikkeld niet groter dan een chip. Omdat de gangbare spectrometer licht splitst in verschillende kleuren en die apart meet, moet die van een redelijk formaat zijn om een nauwkeurige meting uit te voeren. De micro-spectrometer van de TU Eindhoven gebruikt een heel andere techniek.

De onderzoekers maakten een ‘photonic crystal cavity’ van enkele micrometers groot, waar licht niet uit kan ontsnappen. Het gevangen licht wekt vervolgens een kleine elektrische stroom op die wordt gemeten. ‘De spectrometer die wij ontwikkelen is zo klein, zo goedkoop en zo goed toepasbaar in de hedendaagse elektronica dat hij in een klein device als een smartphone zou kunnen worden ingebouwd,’ legt universitair hoofddocent en een van de leiders van het onderzoek, Rob van der Heijden uit. ‘Daarmee zijn spectrometertoepassingen binnen het bereik van iedere consument.’

Toepassing

Een apparaat waarmee je eigenschappen van licht kan meten klinkt in de eerste instantie niet als iets waar de gemiddelde consument in geïnteresseerd zal zijn. Deze techniek heeft echter tal van praktische toepassingen. Door weerkaatst licht te meten kan bijvoorbeeld de chemische compositie van het materiaal achterhaald worden dat het licht weerkaatst. ‘Ieder materiaal heeft zijn eigen karakteristieke voetafdruk qua absorptie en reflectie van licht,’ aldus van der Heijden. ‘Je moet het van tevoren natuurlijk ijken om het materiaal te kunnen herkennen, maar de mogelijkheden voor toepassing zijn eindeloos.’

‘Een voorbeeld is voedselkwaliteit. Wanneer voedsel bedorven is, heeft het een andere kleur in een ander spectrum dan wanneer het nog goed is. De rijpheid van fruit heeft bijvoorbeeld gevolgen voor het gereflecteerde spectrum. Aan zo'n spectrum zou je kunnen zien hoe goed het voedsel nog is. Ook in land- en tuinbouw zijn grote toepassingen voor spectrometrie. Het spectrum van een gewas zegt iets over de status van het gewas. Of het oogstrijp is, of te droog, of meer kunstmest nodig heeft.’

Ook voor medisch gebruik en zelfdiagnose levert een spectrometer een schat aan betrouwbare informatie. Weefsel diep in je lichaam kun je met een spectrometer niet meten, maar wel het weefsel dat aan de oppervlakte zit. Zo kun je in de toekomst met een spectrometer op je smartphone controleren of een verdacht bultje op je huid kwaadaardig is of niet. Ook zou je een spectrometer kunnen gebruiken om medicijnen te herkennen, bijvoorbeeld in combinatie met een app die de werkende stoffen of bijsluiter toont.

Concurrentie

Geloof het of niet, maar de onderzoekers van de TU Eindhoven zijn niet de eerste die met het idee komen om spectrometers in mobiele telefoons te verwerken. Een bedrijf uit Israël, Consumer Physics, heeft een spectrometer in productie die ook in een smartphone verwerkt zou kunnen worden. Natuurlijk hebben ook de onderzoekers in Eindhoven dat device gespot. ‘Als je goed zoekt dan blijken er al apparaatjes te zijn die je aan een telefoon kunt koppelen. Er is ook al een Chinese telefoonfabrikant die beweert dit apparaat (van Consumer Physics) in de telefoon te kunnen verwerken. Op de website wordt beloofd dat deze telefoons al te koop zijn, maar dat hebben we nagezocht. In Europa en Amerika is hij zeker niet op de markt, maar ook in China is hij nog niet te krijgen.’

‘We hebben ook gevonden hoe die spectrometers werken. Het blijkt een set van filters te zijn die het licht opsplitsen. Dat betekent dat de resolutie van het device niet heel groot is. De techniek die wij hebben is totaal nieuw, en is niet alleen veel kleiner maar heeft ook nog een veel grotere resolutie en is dus nauwkeuriger.’

Toekomst

Het onderzoek loopt inmiddels vier jaar, maar met de ontwikkeling van de eerste microspectrometer is het onderzoek nog niet afgerond. ‘We hebben een eerste belangrijk resultaat gehad, maar we zijn er nog volop mee bezig,’ zegt Rob van der Heijden. ‘Het zal nog wel een aantal jaren doorgaan, en het zal nog zeker een jaar of vijf duren voordat onze technologie op de consumentenmarkt te vinden is. De bottleneck die we nu hebben, is dat het gebied waar we kunnen kijken nog te klein is. Dat bestrijkt een gebied van 30 nanometer. Typische spectra om materialen goed te kunnen vaststellen moeten over een veel groter gebied werken. We werken nu hard om dat gebied met een factor 10 te vergroten. Daarnaast willen we het gebied niet alleen vergroten, maar willen we ook naar andere lichtgebieden kijken. Onze huidige spectrometer zit in het infrarode gebied. Daar is veel informatie te vinden over de compositie van materialen, maar de mogelijkheden worden groter wanneer je ook in andere lichtgebieden kunt kijken. Zichtbaar licht zou een belangrijk gebied kunnen zijn, net als hele lange golflengten ver in het infrarood. Daar liggen veel typische golflengten die een materiaal kunnen identificeren.’

Het onderzoek dat de eerste microspectrometer heeft opgeleverd is onder andere het werk van leidende onderzoekers Rob van der Heijden en Andrea Fiore, en promovendus Žarko Zobenica, die op het onderzoek is gepromoveerd.