Virtueel laboratorium valt of staat met goede IT-infrastructuur

Hoe groot kan de tegenstelling zijn met de software die werkt over het wereldwijde web. Softwarecomponenten interacteren met componenten en applicaties op heel andere plekken, grote hoeveelheden data worden rondgestuurd en er is een vrijwel onuitputtelijke hoeveelheid resources beschikbaar, zoals opslagcapaciteit, rekencapaciteit en mensen om mee samen te werken. Services worden bij diverse serviceproviders ingekocht en uitbesteed en overal liggen gevaren op de loer rondom beveiliging en betrouwbaarheid. De twee ontwerpparadigma’s - mechatronica en het web - zijn volstrekt verschillend. Ze maken gebruik van verschillende ontwikkeltalen en -omgevingen, andere ontwerpaanpakken en hebben sterk verschillende basiseisen. Toch zien we in steeds sterkere mate verwevenheid optreden. Al lange tijd is het mogelijk dat, bijvoorbeeld, kopieerapparaten op afstand worden gemonitord of zelfs onderhouden. Exclusieve auto’s kunnen zelf melden wanneer ze gestolen worden of wanneer ze naar de garage moeten. En tracking en tracing van containers of vrachtwagens in transport en logistiek is gemeengoed aan het worden. De kansen en voordelen zijn dan ook enorm: waarom zou je geavanceerde apparatuur, die al voor een substantieel deel uit software bestaat, niet als een service via het internet kunnen benaderen? Een voorbeeld van een toepassingsdomein waarin wordt gewerkt aan een dergelijke integratie tussen mechatronica en het internet is het virtuele laboratorium. Virtueel lab De procesindustrie maakt veel gebruik van geavanceerde laboratoriumapparatuur, zoals elektronenmicroscopen, massaspectrometers en microprobes. Daarmee zijn analyses van materialen op nanoschaal mogelijk. Als R&D-medewerkers bijvoorbeeld willen weten welke veranderingen op moleculair niveau plaatsvinden als staal of polymeren op specifieke manieren worden belast, dan is dit soort apparatuur onontbeerlijk. Toch worden vele van deze kostbare apparaten in de praktijk niet volledig benut. Deze onderbezetting heeft niet alleen financiële consequenties, maar tevens een negatieve invloed op het kennisniveau en de motivatie van laboratoriummedewerkers. Ook het omgekeerde komt voor. Soms is de capaciteit van een specifiek apparaat onvoldoende om de gevraagde analyses te verwerken. Tijdens piekbelastingen zouden bedrijven er tijdelijk extra apparatuur bij willen hebben. Daarnaast staat de techniek niet stil en wordt laboratoriumapparatuur steeds geavanceerder. Zo kan de huidige generatie elektronenmicroscopen niet alleen een beeld enorm vergroten, maar tevens op micrometerniveau kleine manipulaties van het te analyseren materiaal doorvoeren en 3D-beelden van objecten genereren. Daar staat natuurlijk een prijs tegenover die kleinere bedrijven en zelfs industriële laboratoria alleen niet altijd kunnen opbrengen. In al deze gevallen kan een flexibele infrastructuur uitkomst bieden. Hierbij kunnen bedrijven via het internet gebruikmaken van de apparatuur en deskundigheid van goed geoutilleerde laboratoria. Bedrijven betalen dan niet meer voor de apparatuur, maar voor het gebruik ervan. Of als ze zelf als provider optreden, kunnen ze een deel van de kosten van hun eigen apparatuur in rekening brengen bij derden. Voor leveranciers van deze geavanceerde apparatuur kan dat geheel nieuwe markten openen. Een dergelijke infrastructuur werkt niet alleen kostenbesparend, het biedt laboratoria ook mogelijkheden om hun dienstenpakket aan hun klanten uit te breiden door zelf kennis en instrumenttijd in te huren. Bovendien komen op deze manier allerlei nieuwe diensten binnen handbereik, zoals de opslag en analyse van onderzoeksresultaten en de vergelijking van de resultaten met die van andere analyses. Zo wordt apparatuur eenvoudig uitbreidbaar met additionele diensten die nog meer waarde toevoegen aan het delen van apparatuur. Apparaten veranderen in analysediensten. Dergelijke ontwikkelingen zijn het onderwerp van onderzoek in fundamentele onderzoeksprogramma’s zoals Virtual Lab E-Science (www.vl-e.nl). Daarin worden ook verschillende toepassingsgebieden bekeken, zoals biowetenschappen, voedsel en high-performance computing. Deze ontwikkeling is niet volledig nieuw. In de wetenschappelijke wereld bestaan dergelijke toepassingen al, onder meer in de astronomie (zie bijvoorbeeld www.scienceofcollaboratories.org voor een overzicht). De context van deze industriële toepas-singen is echter heel anders: in een zakelijke context is de beveiliging en betrouwbaarheid veel belangrijker. Analyse maakt deel uit van het primaire proces van de gebruikers, en heeft daarmee een hoge economische waarde. Ook is de inbedding van de dienst in de bedrijfsprocessen van groot belang. Kernelementen Wat is er nodig om een dergelijke toepassing verantwoord te ontwikkelen? De volgende componenten zijn essentieel: -toegang tot apparatuur (meekijken en besturing); -toegang tot experts en expertise; -structurele beveiliging (data-integriteit, vertrouwelijkheid en autorisatie van instrumententoegang en -bediening); -zakelijke faciliteiten (instrumentreserveringen en meten en verrekenen van gebruik); -geavanceerde analysesoftware en ondersteunende reken- en opslagcomponenten (grid). Een deel van deze functies is primair synchroon van karakter: het gaat daarin om de interactie tussen apparaten en mensen, en mensen onderling. Het synchrone deel omvat de collaboratieve elementen (conferentiemogelijkheden, audio, chatting) als de toegang tot analyseapparatuur. Een ander deel is meer asyn- chroon van karakter. Het asynchrone deel omvat de portal van waaruit analysejobs worden gestart, rekeningen worden opgemaakt en het beheer van de toegangsrechten en technische omgeving plaatsvindt. Voor het asynchrone deel zijn er interessante software-ontwikkelingen, zowel in de commerciële software als in de open source (onder meer Sakai en Gridsphere). Gemeenschappelijk aan alle componenten is beveiliging. Deze kan niet puur worden afgedaan op applicatie- of op netwerkniveau. Op netwerkniveau is met name vertrouwelijkheid van communicatie van belang, op applicatieniveau de autorisatie en vertrouwelijkheid van data. Analyseapparaten kunnen bij verschillende bedrijven en providers staan. De stricte ICT-regimes van bedrijven met betrekking tot netwerk en softwarebeleid vormen een uitdaging om het virtuele laboratorium in de praktijk te realiseren. Dit betekent dat over verschillende admini-stratieve domeinen heen een veilige infrastructuur moet worden gelegd. Tegelijkertijd zitten de gebruikers ook bij verschillende organisaties, waarbij de pc’s waar ze gebruik van maken ook nog onder relatief strikte regimes staan. Voor de autorisaties van de gebruikers staat het ‘job concept’ centraal in een virtueel laboratorium. Een job bundelt een aantal analyseapparaten en andere resources met mensen, waarbij de mensen verschillende rechten hebben voor de verschillende apparaten: een expert voor analyses op een massaspectrometer hoeft niet bekwaam te zijn in de bediening van een microprobe, maar kan wellicht wel goed adviseren als hij meekijkt. Een gebruiker kan in meerdere jobs participeren, met verschillende rollen en rechten. Al deze elementen kunnen voortbouwen op open standaarden, onder meer voor jobbeschrijvingen (JSDL), role based access control (RBAC onder Globus AAA). Het bovenstaande geeft al aan dat de ontsluiting van een analyseapparaat het nodige omvat. Daarnaast hebben verschillende apparaten ook sterk verschillende karakteristieken. Een instrument zoals een XPS-apparaat (X-ray Photo-electron Spectroscopy) wordt gebruikt om de samenstelling van het oppervlak van materialen te bepalen. Een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) wordt meer gebruikt voor structuuranalyses van materialen. Een TEM is sterk interactief: aan de hand van een videobeeld en geavanceerde bediening wordt een monster bekeken en worden foto’s gemaakt. De TEM is een data-intensieve machine, die ook nog niet volledig op afstand bedienbaar is. Een XPS-apparaat aan de andere kant is meer batchgeoriënteerd. Het kan met reeksen monsters werken die na elkaar worden geanalyseerd, waarbij de analyses ook geruime tijd duren. Verder is de bediening volledig via de pc en zijn de uitkomsten niet data- en communicatie-intensief. Het gevolg is dat voor machines met de karakteristieken van een XPS desktop sharing een adequate wijze van ontsluiten is (met nog wat aandachtspunten rondom het delen van analyseresultaten). Voor een machine als een TEM is dat volstrekt onvoldoende. Daarvoor moet een specifieke user interface worden ontwikkeld die gebruik op afstand ondersteunt en onder meer gebruik maakt van streaming video. Ambities In het bovenstaande zijn we met name ingegaan op de technologische aspecten van het virtuele laboratorium en de complexiteit van de integratie van mechatronische apparaten in een internetcontext. Daarbuiten liggen ook nog verschillende uitdagingen. Wanneer je analyseapparatuur inzet via het internet en gaat delen met anderen, ontstaat een nieuwe vorm van dienstverlening. Behalve het leveren van apparatuur kan ook interne kennis op het gebied van bepaalde analysetechnieken en bijbehorende applicatiekennis beschikbaar worden gesteld. Voor laboratoria die hun apparatuur gaan ontsluiten voor externen, heeft dit enorme consequenties in termen van organisatie en IT. Een dergelijke stap is niet eenvoudig gezet. Het vereist een doordacht businessmodel, waarbij met name de rol (en ambitie) van de centrale dienstverlener (de virtual lab provider) de bepalende factor is. Het businessmodel kan variëren van een heel beperkte variant (vergelijkbaar met een Gouden Gids) tot een totale probleemoplossing (met alle expertise en apparatuur in house). Die verschillende ambitieniveaus leveren verschillende kostenplaatjes, maar hebben ook verschillende toegevoegde waarde en dus een verschillend potentieel rendement. Het type kennis dat analisten in een laboratorium nodig hebben, verandert. Domeinkennis en generieke kennis van analysetechnieken krijgen een centrale rol. Specifieke kennis van analysetechnieken of instrumenten komt terecht bij de instrumentenprovider. Een ander element dat niet sterk aan technologie is gekoppeld, is het proces: nu worden monsters lokaal beperkt en geanalyseerd en worden data lokaal opgeslagen. In het geval van een virtueel laboratorium moeten monsters worden getransporteerd. De veiligheid en traceerbaarheid van dat proces zijn net zo belangrijk als de beveiliging van de communicatie en systemen. Kortom, de integratie van mechatronica en internet brengt heel wat met zich mee. Door een goede samenhang tussen synchrone en asynchrone componenten in de software-infrastructuur is de integratie goed vorm te geven en bieden ze wederzijdse meerwaarde. De architecturen die hiervoor zijn ontworpen zijn ook in veel andere situaties waar resources tussen mensen en organisaties worden gedeeld, goed inzetbaar. Denk bijvoorbeeld aan de zorg of aan het onderwijs. Dit kan ook worden doorgetrokken naar de toepassingsdomeinen zoals automotive en onderhoud op afstand. De kansen die het virtuele laboratorium bieden om tot een van de meeste geavanceerde laboratoriuminfrastructuren ter wereld te komen - open voor grote bedrijven en het midden- en kleinbedrijf, naast academische instellingen - zijn nauwelijks voorstelbaar. Wil Janssen (wil.janssen@telin.nl) en René van Buuren (rene.vanbuuren@telin.nl) zijn als onderzoekers verbonden aan het Telematica Instituut te Enschede. Auke van Balen is chief technologist bij FEI Company (avb@nl.feico.com).Koploper In het project Collaboratory.nl (www.collaboratory.nl) werkt het Telematica Instituut samen met de Universiteit van Amsterdam en de bedrijven Corus, DSM, Philips en FEI Company, ondersteund door Surfnet. Collaboratory is koploper in de wereld met het onderzoek naar experimenteren op afstand. Het doel is de ontwikkeling van een virtuele laboratoriuminfrastructuur waarmee bedrijven op afstand, via breedbandinternet, gebruik kunnen maken van kostbare laboratoriumapparatuur en de specifieke deskundigheid van derden. Het project heeft een prototype van deze infrastructuur ontwikkeld en gevalideerd. Dit prototype wordt inmiddels omgezet naar een toekomstvaste softwarebasis voor het virtuele lab. De applicatie wordt nu verder ontwikkeld tot een robuuste toekomstvaste infrastructuur die eind 2006 beschikbaar moet zijn. Nu al wordt met succes het virtuele laboratorium tussen de projectpartners ingezet.