Autonome evolutie

Litouwse wetenschappers passen nieuwe inzichten uit de biologie toe bij de ontwikkeling van micro-elektronica. In een onbetekenend gebouw in het centrum van Vilnius werken wetenschappers aan een aantal zeer grote ideeën over hele kleine dingen. Een klein land dat groot is in autonome evolutie en de ontwikkeling van LED verlichting. Litouwen is de thuisbasis van de theorie van de autonome evolutie, een begrip dat de abstracte beginselen van de hogere wiskunde met concrete vooruitgang op het gebied van micro-elektronica samenbrengt.

Hoewel interdisciplinaire initiatieven meer dan gemeengoed zijn in de wetenschappelijke wereld, hebben een aantal wetenschappers de stap gezet om zich voorstanders te verklaren van autonome evolutie: kunstmatige apparaten kunnen in wezen hun eigen ontwerp kiezen met behulp van een patroon dat de evolutie in de natuur nabootst. Na meer dan 30 jaar van hard werken en het overkomen van politieke en intellectuele intriges, zijn onderzoekers begonnen met het ontginnen van het geweldige potentieel van autonome evolutie.

De eerste stappen bij de toepassing van de theorie leverde niets minder op dan een paradigma-verschuiving in de wijze waarop bepaalde vormen van kleine elektronische schakelingen worden geproduceerd. Maar als de ambitieuze visie van autonome evolutie klopt, kan dit elegante Litouwse idee de visie die de mensheid heeft ten aanzien van de productie van technologie permanent veranderen.

Een nieuwe dimensie in denken leidt tot inzichten voor LED verlichting

Drie-dimensionale ruimte, kent alleen de lengte, breedte en diepte, zou volledig leeg zijn als er geen andere factoren waren die andere dimensies aantonen. In totaal zijn dat er acht.

Acht-dimensionale ruimte is een wiskundig instrument welke wordt gebruikt om de berekeningen te maken die nodig zijn voor autonome evolutie. Om te begrijpen waarom, is het handig om te bekijken naar hoe een object, zoals een transistor, op conventionele wijze wordt geproduceerd, zonder de hulp van al die extra dimensies.

Op deze ouderwetse wijze van vervaardiging wordt een foto-masker gemaakt met het patroon dat de ingenieurs willen reproduceren. Dit foto-masker wordt vervolgens bovenop blanco wafel geplaatst. Met behulp van verschillende technieken wordt het patroon van het foto-masker overgezet naar de lege halfgeleider, waarmee in feite een kopie wordt gemaakt.

Globaal gezien kan dit proces worden vergeleken met een rubber stempel waarmee telkens hetzelfde patroon op een leeg oppervlak wordt gezet, zoals een gewoon stuk metaal of papier. Het klinkt misschien vreemd, maar bij autonome evolutie geldt dat de afdruk die moet worden gemaakt zelf haar eigen patroon kan vaststellen, dus zonder hulp van de originele “stempel”. Om dit te realiseren, moeten we met het gewenste patroon niet alleen in punten en lijnen zien, maar ook in factoren die niet in op normaal grafiek papier passen: vandaar de extra dimensies.

De grote variabele in de transistor industrie is altijd al het omzetten van patronen geweest: autonome evolutie regelt dat proces af in de extra dimensies. Hierdoor bepaald het onbedrukte materiaal het proces van de vorming van het patroon en beslist het hoe dat patroon eruit zal zien. Terugkomend op het “stempel”, dan is het alsof het metaal of papier dat moest worden gestempeld zelf beslist met wat voor soort patroon het bedrukt wil worden, terwijl het oorspronkelijke ontwerp op het stempel bijzaak is.

Wafels en dimensies daargelaten, is de belangrijkste gedachte achter autonome evolutie dat de natuurlijke loop van de evolutie zoals die kan worden waargenomen bij levende organismen net zo goed toegepast kan worden op kunstmatige, synthetische processen. Levende organismen passen zich aan en veranderen in de tijd, dat doen zij uit eigen beweging en niet door toedoen van een externe biologische 'stempel' die bepaalt hoe dat organisme eruit zal zien.

Charles Darwin zijn beroemde vinken van de Galápagos eilanden splitsten zich af in afzonderlijke soorten door natuurlijke adaptieve ontwikkeling, niet omdat een vogel-fabrikant nieuwe modellen had ontworpen. Dezelfde redenering geldt bij autonome evolutie: de patronen die gebruikt worden in de micro-elektronica moeten de mogelijkheid krijgen om hun eigen ontwerp te kiezen, waarbij het creëren van een steeds hogere mate van innovatie het gevolg is. Dit kan leiden tot ontwerpen welke ontwerpers zelf waarschijnlijk niet zouden hebben overwogen.

De theorie in actie

Op zichzelf is autonome evolutie al een indrukwekkend idee. Maar net als iedere theorie welke toepassing vindt in een gebied als de micro-elektronica, bewijst de werkelijke waarde zich in de effectiviteit ervan in het laboratorium. De de weg naar de praktische toepassing van autonome evolutie was langdurig en een hobbelig. Professor Januðonis introduceerde het idee voor het eerst in een wetenschappelijk tijdschrift in 1974.

Het concept zou een abstract idee blijven, totdat Januðonis het verder ontwikkelde tot een meer concreet en uniform model in de jaren '80. De eerste universitaire conferentie gewijd aan autonome evolutie vond in 1983 plaats in Vilnius en meer wetenschappelijke artikelen volgden. Maar net op het moment dat het concept serieuze aandacht begon te trekken, werd het gedwarsboomd door bureaucratie. Onder de Sovjet-bezetting werd er vaak neergekeken op Litouwse wetenschappers door hun Russische collega's.

Toen een invloedrijke Sovjet-minister voorstelde dat een wetenschappelijke instellingen in Moskou zou beginnen met het uitvoeren van experimenten op basis van deze theorieën, stagneerden de Russische wetenschappers opzettelijk dit onderzoek. De Russische wetenschappers waren ontzettend beledigd dat het werk van enkele wetenschapper uit Litouwen beter werd gewaardeerd dan dat van hun.

Autonome evolutie leidde een slapend bestaan in de eerste jaren van de Litouwse onafhankelijkheid. Tot in 1999, toen Januðonis zijn team steun ontving uit het kaderprogramma voor onderzoek en ontwikkeling, het belangrijkste Europese wetenschappelijke financierings-initiatief dat wordt beheerd door het directoraat-generaal voor Onderzoek.

Een groep Litouwse wetenschappers werd samengesteld om een studie te starten naar hoe autonome evolutie kan worden gebruikt voor verbeterde productie van fotovoltaïsche cellen, circuits welke elektriciteit uit licht maken.

Omdat zij grote waardering voor hun werk kregen, mocht de Litouwse groep met een nieuwe subsidie uit het kaderprogramma in 2002 verder te gaan met hun onderzoek. Als resultaat van hun zes jaar durende onderzoek hebben de wetenschappers een fotovoltaïsche cel ontwikkeld die helft zou kosten om te produceren ten opzichte van een conventioneel model. In de laatste fase van het onderzoek hoopt het team hoopt om de elektriciteit die hun cellen produceren verder op te voeren. Dit is een belangrijke vooruitgang, vooral omdat het grootschalige gebruik van fotovoltaïsche cellen wordt belemmerd door de hoge kosten van productie ervan en de lage energie-efficiëntie.

Hoewel het werk aan fotovoltaïsche cellen heeft bewezen dat autonome evolutie echt werkt, levert het het zoeken naar aansluiting van de theorie aan de praktijk een aantal onverwachte resultaten op. Eén van de belangrijke vroege ontdekkingen van de groep was dat natuurlijke ontwikkeling soms heel rommelig kan zijn. Wanneer door de computer modellen van fotovoltaïsche cellen worden gedraaid volgens de principes van autonome evolutie, dus als het wordt toegestaan zelf een vorm te kiezen, worden duizenden onbruikbare varianten gegenereerd. Aan het Instituut voor Wiskunde en informatica zijn daarom modellen ontwikkeld om de goede van de slechte patronen te kunnen scheiden.

De toekomst

De voorstanders van een autonome evolutie hebben grote, of liever gezegd kleine visioenen van wat nog te wachten op hun gebied. De patronen die gebruikt worden in fotovoltaïsche technologie zijn klein, zodanig klein dat ze worden gemeten in micro-meter, of een 0,001 gedeelte van een millimeter. Op basis van hun eerdere succes hopen de wetenschappers om op nog kleinere schaal te kunnen gaan werken en wel op nanometer niveau.

Het onderzoeken van nieuwe mogelijkheden voor de toepassing van autonome evolutie bij micro-en nanotechnologie is een opening naar een hele reeks van toepassingen, waaronder brandstof-cellen en meer complexe versies van transistors en circuits.

Lees verder

• Een Zweed strijdt voor de onafhankelijkheid van Litouwen
• Geschiedenis van de Litouwse taal
• Wie waren Groothertog van Litouwen
• Rail Baltica - per spoor van West- naar Oost-Europa
• Plattelandstoerisme in Litouwen