Etikettarkiv: Chalmers

Grafenforskning i absolut framkant

Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi  och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Ända sedan utforskandet av grafen belönades med Nobelpriset 2010 har materialet rönt stor uppmärksamhet. Men forskare på Chalmers och Linköpings universitet har mycket längre tillbaka än så utvecklat grafenliknande material med unika egenskaper.

Grafen är ett tvådimensionellt material, som består av ett enda lager av kol­atomer. Det är det tunnaste material vi känner till och har en rad spännande potentiella tillämpningar. Men traditionellt grafen har en del begränsningar, som exempelvis storleken, känslighet för vissa gaser samt brist på bandgap, som är nödvändigt för elektronik.
Ledande materialforskare på Chalmers och Linköpings universitet har under många år samverkat i SSF-finansierad forskning om grafenliknande material, som har egenskaper som möter dessa utmaningar. Tillsammans har forskarna byggt upp en unik holistisk forskningsmiljö, med expertis i den absoluta framkanten. Ett viktigt fokus för forskarna är att utveckla högren enkristallgrafen av halvledarmaterialet kiselkarbid (SiC) för metrologi (mätteknik), sensorer och elektronik.
– Möjliga tillämpningar är inom allt från medicinsk fysik till halvledarindustrin. En viktig egenskap hos det grafen vi fokuserar på i projektet är att kristallstrukturen är perfekt, berättar Tomas Löfwander, biträdande professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.

Stabilt, robust och miljövänligt
Linköpings universitet är en pionjär när det gäller att odla den här typen av enkristallgrafen. Forskargruppen har ett grundmurat internationellt rykte och patenterad teknologi. Teknologin har stor potential att nyttiggöras i industrin.
– Vårt grafen kan odlas i såväl ett lager som med bufferlager och det begränsas bara av storleken på det underliggande substratet. Det är stabilt, robust, miljövänligt och kompatibelt med mikroelektronik utan att det behöver överflyttas. Dessutom utgör vårt grafen en utmärkt plattform för att odla andra tvådimensionella material och för att studera och utveckla sensorer, berättar Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Ett viktigt område där grafen redan fått genomslag är inom kvantmetrologi. Grafen gör det möjligt att med extremt hög precision mäta resistans vilket gör det möjligt att kalibrera massa. 2019 introducerades det elektroniska kilogrammet, som innebär en ny definition av viktenheten.
– Det ger ett helt exakt mått, något som blir alltmer nödvändigt i avancerade elektroniska produkter och högteknologiska processer. Vår teknologi gör det möjligt att sprida och industrialisera denna typ av precisionsmetrologi. Det är användarvänligt, hållbart och mycket precist, förklarar Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, samt ledare för Chalmers grafencentrum och Chalmers Vinnovastödda kompetenscentrum 2D-TECH.
Möjliga konsumentnära tillämpningar kan exempelvis vara för högkänsliga magnetfältsensorer som används i fordon, batterier och kraftledningsnät.

Detektorer för luft och vatten
På Linköpings universitet studerar Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik, och hans team hur SiC-baserad enkristallgrafen kan användas till sensorer för att detektera skadliga ämnen i luft och vatten, med särskild fokus på luft. Detta är angeläget – luftföroreningar beräknas ligga bakom sju miljoner förtida dödsfall globalt om året och belastar den globala välfärden med kostnader om 5 biljoner dollar per år. Forskargruppen utvecklar sensorer som är så känsliga att de kan upptäcka molekyler ned till miljarddelar i koncentration.
– Användning av enkristallgrafen för denna typ av sensorer har den stora fördelen att de är extremt känsliga samtidigt som de har en mycket låg brusnivå. Det gäller nu att skala upp och utveckla en plattform för att bredda forskningen, exempelvis för medicinsk diagnostik. Där skulle sådana sensorer kunna detektera biomarkörer för sjukdom i exempelvis utandningsluft och blod, berättar han.

Samverkan avgörande
Den nära, tvärdisciplinära samverkan mellan Chalmers och Linköpings universitet har varit avgörande för att nå så långt i forskningen.
– Till en början fanns en viss skepsis mot vår teknologi från det mer traditionella grafenlägret. Det fanns en uppfattning om att traditionell grafen var det ”riktiga” grafenet. Men vi har visat att vår teknologi håller en mycket hög kvalitet och har enormt goda resultat och tillämpningar inom många områden. Det gör att vi nu kan utöka våra aktiviteter inom forskningen kring andra tvådimensionella material, med målsättningen att finna ytterligare industriella tillämpningar, avslutar Sergey Kubatkin, professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Chalmers och linköpings universitet – Grafenforskning

De två SSF-finansierade projekten ”Epitaxiell grafen för metrologi, sensorer och elektronik”, koordinerat av Tomas Löfwander, samt ”Nya tvådimensionella system från tillväxt till tillämpningar”, koordinerat av Sergey Kubatkin, är exempel på den mångåriga forskningssamverkan inom grafenforskning som görs mellan Chalmers och Linköpings universitet. Forskningen ligger i den absoluta fronten och har resulterat i flera patent.

www.chalmers.se
www.liu.se
www.strategiska.se

FiC banar väg för industri 4.0

mdh-ssf_FicIllustration--6-6-2021--V02

2016 gav sig SSF-finansierade forskningsprojektet Future Factories in the Cloud på att lösa några betyd­ande tekniska utmaningar i utvecklingen av nästa generations industri. I år presenterar de flera spännande resultat.

Hans Hansson, projektledare och professor i realtidssystem vid Mälardalens högskola.
Hans Hansson, projektledare och professor i realtidssystem vid Mälardalens högskola.

Programvara i molnet och förmågan att snabbt få in nya produkter kommer att vara en av de största konkurrensfördelarna för svensk industri i framtiden. Men med ökad automatisering, fler smarta lösningar och en strid ström av enorma mängder data, finns utmaningar att hantera. Styrning av industriella realtidsprocesser från molnet ger flera fördelar, men ställer stränga krav på låg och förutsägbar fördröjning mellan molnet och maskinerna.
Det kräver snabbare, stabilare och mer pålitliga system för både överföring och beräkning av data än vad som finns idag.
De senaste fem åren har forskningsprojektet Future Factories in the Cloud (FiC) banat väg för sådan teknik. Projektet är finansierat av SSF och har genomförts i samverkan mellan Mälardalens högskola, Chalmers och Uppsala universitet. Projektet har arbetat nära industrin, bland annat för att kunna använda skarpa data och digitala simuleringsmodeller baserade på verkliga produktionsmiljöer.
– Vi har tagit fram nya metoder och verktyg som kan bidra till effektivare, flexiblare och mer förutsägbara system. Vi har bland annat fokuserat på områdena funktionssäkerhet, förutsägbara dataflöden och effektiv resursallokering, säger Hans Hansson, projektledare och professor i realtidssystem vid Mälardalens högskola.

Tryggare funktionssäkerhet
Vid Mälardalens högskola har Hans Hansson och hans kollegor tagit fram ett verktyg för att lättare bedöma och garantera funktionssäkerheten hos automatiserade tillämpningar, till exempel samverkande fordon och robot­armar.
– Det behövs en redundans i systemet och möjligheten att bevisa att det inte händer något farligt om något går fel. Det är inte minst en utmaning när flera maskiner och enheter samarbetar, berättar Hans Hansson.
För att kunna säkerställa att säkerhetsnivån i ett system är på en acceptabel nivå har de utvecklat en simuleringsbaserad metod. Med hjälp av så kallade digitala tvillingar av industriella system kan de samla in data från simulerade scenarier.
– Vi har till exempel arbetat med självkörande dumprar i en bergtäkt, där vi kunnat utforska fel och risker hos olika maskiner och enheter.

Per Gunningberg, professor i datakommunikation vid Institutionen för informationsteknologi vid Uppsala universitet.
Per Gunningberg, professor i datakommunikation vid Institutionen för informationsteknologi vid Uppsala universitet.

Förutsägbara fördröjningar
Snabbare internet har gjort det möjligt att köra tidskritiska tillämpningar i molnet. Men internet innebär också fördröjningar i nästintill oförutsägbara variationer. Det gör dataflödet oberäkneligt och kan leda till instabilitet hos tillämpningarna.
Vid Uppsala universitet har Per Gunningberg, professor i datakommunikation vid Institutionen för informationsteknologi, arbetat med verktyg som kan mäta fördröjningar mellan en tillämpning i molnet och en användare eller maskin.
– Det vi mäter är variationer i fördröjningar vilket är en väldigt viktig faktor för att skapa förutsägbarhet för styrsystem i molnet, förklarar Per Gunningberg.– En del programvara för styrsystem kan finnas i molnet, men andra delar behöver finnas närmare tillämpningarna när fördröjningarna blir för långa. Då kan en så kallad Edge-server placerad mellan tillämpningen och molnet vara lösningen. Vårt verktyg kan mäta avstånd och överföringshastigheter på ett sätt som gör det möjligt att avgöra vilka delar som bäst placeras var. Det gör att en industriplanerare kan bygga upp en optimal infrastruktur efter faktiska förutsättningar, säger han.

Marina Papatriantafilou, docent vid Institutionen för data- och informationsteknik vid Chalmers.
Marina Papatriantafilou, docent vid Institutionen för data- och informationsteknik vid Chalmers.

Effektivare databearbetning
Vid Chalmers har Marina Papatriantafilou, docent vid Institutionen för data- och informationsteknik, fokuserat på metoder för snabb och kontinuerlig bearbetning av data. Metoderna riktar sig till exempel mot datatunga tillämpningar som smarta elnät, självkörande bilar och automatiserade fordon i produktionsmiljöer. De kännetecknas av sensorer som ger stora mängder data. Dessa data genereras kontinuerligt, vilket bearbetningen måste kunna hantera. Idag är möjligheterna att hantera sådan data tekniskt begränsade.
– För att kunna dra nytta av de enorma mängder data som genereras från olika sensorer behöver de också bearbetas parallellt, i ”streams”, i den takt de genereras. Vi har utvecklat metoder som delar upp beräkningarna så att vissa beräkningar sker i Edge-servrar, och andra i molnet. Och vi kan göra det med god balans mellan kvalitet och hastighet vilket inte varit möjligt tidigare, säger Marina Papatriantafilou.

Mälardalens Högskola – Factories in the Cloud

Projektet startade 2016 och är finansierat av Stiftelsen för strategisk forskning med 34,6 miljoner kronor under fem år. Projektet är ett samarbete mellan Mälardalens högskola, Uppsala universitet och Chalmers tekniska högskola och leds av Hans Hansson, professor i realtidssystem vid Mälardalens högskola.

www.mdh.se
www.es.mdh.se/fic

Tvärvetenskaplig kraftsamling bakom framgång för FoRmulaEx

Marcus Wilhelmsson, professor vid institutionen för Kemi och kemiteknik, Fredrik Höök, professor och Elin Esbjörner, docent på institutionen för biologi och bioteknik vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Marcus Wilhelmsson, professor vid institutionen för Kemi och kemiteknik, Fredrik Höök, professor och Elin Esbjörner, docent på institutionen för biologi och bioteknik vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav

FoRmulaEx, det industriella forskningscentret för funktionell leverans av RNA, har börjat generera banbrytande resultat. Bakom framgångarna ligger ett nära och mycket fruktbart samarbete mellan forskare från olika vetenskapliga discipliner, universitet och företag.

Ett av samarbetsprojekten inom FoRmulaEx är inriktat på att utveckla en metod som underlättar för läkemedelsbolag att ta fram RNA-baserade läkemedel och vacciner. Här har det hänt en hel del under det gångna året.
– Vi i labbet vågade tro på metoden redan för ett år sedan men nu har vi verifierat resultaten och fått dem publicerade, berättar Marcus Wilhelmsson, professor vid institutionen för Kemi och kemiteknik vid Chalmers.
Metoden är nu föremål för en patentansökan som redan fått en positiv utvärdering i Storbritannien, en indikation som tyder på att ett patent är inom räckhåll. Föremålet för ansökan är att forskargruppen utvecklat en metod som på ett enkelt och rättvisande sätt åskådliggör processen kring upptag av vaccin- eller läkemedels-RNA i cellen. Med hjälp av ett fluorescensmikroskop är det möjligt att med blotta ögat följa vad som sker i cellen när RNA-formuleringen gör entré.
Chalmers Ventures tillsammans med forskarna bakom upptäckten arbetar nu med att utveckla ett bolag kring metoden, en process som löper parallellt med den akademiska forskningen som fortsätter med oförminskad kraft.

Ny screeningmetod för mRNA
Metoden har tagits fram i samarbete med professor Elin Esbjörners grupp som helt nyligen också har publicerat en ny metod för screening av nya mRNA-formuleringar. Det fina med den nya metoden, som är framtagen i samarbete med AstraZeneca, är att forskarna, förutom att titta på upptag och produktion av ett protein i en cell, även kan följa processen ”endosomal escape”.
– Under endosomal escape tar sig RNA ut ur membranklädda blåsor, endosomer, och in i cytoplasman där de har sin terapeutiska effekt. ”Endosomal escape” är en av de största begränsningarna för RNA-baserade läkemedel. Med hjälp av vår metod kan man se hur effektiv den processen är, berättar Elin Esbjörner.
I praktiken innebär den nya metoden att forskare som screenar olika typer av lipidformuleringar, förutom att hitta de mest effektiva, även kan förklara varför de fungerar.
– Är de effektiva för att de är bra på upptag eller för att de är bra på både upptag och endosomal escape? Det är här som vår metod fyller en viktig funktion. Riktigt bra mRNA-läkemedel vill man kunna ge i så låg dos som möjligt, och då är det viktigt att få till väldigt effektiv endosomal escape, förklarar Elin Esbjörner.
Den övergripande målsättningen är att metoden ska bidra till utveckling av mer träffsäkra och effektiva mRNA-läkemedel.
– Något som på sikt även kommer att kunna göra dessa läkemedel billigare. Många av de fantastiska biologiska läkemedlen som utvecklats under de senaste decennierna kommer inte alla till gagn eftersom de är så dyra och det blir policybeslut på vilka som kan få, och inte få, behandlas med dem. I takt med att vi lär oss allt mer om processerna, har vi med våra olika gruppers kompetenser en unik chans att skapa ännu bättre lösningar.

Konkret instrument
Även Björn Agnarsson, forskningsingenjör på avdelningen för nano- och biofysik, har under det gångna året kommit långt med att förfina ett instrument för mätning av nanopartiklar. Insikten om att även andra forskare skulle ha nytta av ett liknande instrument i sitt labb blev starten på ett konkret utvecklingsarbete av själva hårdvaran.
– För oss har det inneburit mycket tester och kanske mer ingenjörsarbete än renodlad forskning. Siktet har varit inställt på att ta fram en användarvänlig produkt, nu återstår bara ett fåtal justeringar innan vi är helt nöjda.
För Mattias Sjöberg, doktorand, har arbetet i forskningsgruppen gett god inblick i både teori och praktik.
– Parallellt med produkt- och teknikutvecklingen arbetar jag med mitt eget forskningsprojekt där jag använder teknologin vi tar fram för att producera data och studera biologiska nanopartiklar. Det är både kul och givande att få ta del av arbetet i två världar.
Fredrik Höök, professor i biologisk fysik vid institutionen för fysik på Chalmers och projektledare för FoRmulaEx, konstaterar att alla forskningsspår börjar knytas ihop till ett projekt där alla bidrar med sin del.
– En bred och öppen akademisk och industriell samverkan är en förutsättning för att lyckas med utmaningen. Genom denna kraftsamling, där vi samlat spetskompetens från både industri och akademi, kan vi göra stor nytta för samhället. Den resan har bara börjat.

Björn Agnarsson, forskningsingenjör och Mattias Sjöberg, doktorand på avdelningen för nano- och biofysik. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Björn Agnarsson, forskningsingenjör och Mattias Sjöberg, doktorand på avdelningen för nano- och biofysik. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto
Chalmers – FoRmulaEx

FoRmulaEx stöds av SFF och handlar om att paketera biologiska läkemedel i nanokapslar för att nå kroppens celler och bota svåra sjukdomar. Förutom Chalmers ingår Karolinska Institutet, Göteborgs universitet, Astra Zeneca, Camurus, Vironova och Nanolyze i konsortiet.

FoRmulaEx, prof. Fredrik Höök
Institutionen för fysik
Chalmers tekniska högskola
E-post: fredrik.hook@chalmers.se

SSF-anslag till forskning om nya beräkningsprinciper

Per Stenström, professor i dataarkitektur på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Per Stenström, professor i dataarkitektur på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Forskningsprogrammet PRIDE tar fram en ny princip som låter datorer utföra både snabbare och energisnålare beräkningar. Nu har det redan uppmärksammade projektet tilldelats 28 miljoner kronor i anslag från SSF.

Sedan den första elektroniska datorn har datorer konstruerats utifrån samma princip: en beräkningsenhet som beräknar data och en minnesenhet som lagrar dem. Principen innebär att beräkningsenheten måste hämta data från minnet för att kunna göra en beräkning, något som tar både tid och kraft från beräkningskapaciteten och dessutom är energiineffektivt.
Genom att integrera beräkningsenheten i minnet istället, hoppas forskarna i projektet PRIDE (Principles for Computing Memory Devices) vid Chalmers universitet, skapa möjligheter att fördubbla beräkningshastigheten.
– För att sätta det i ett perspektiv är en fördubbling av prestanda något som idag, på grund av svårigheten att miniatyrisera transistorer på ett chip, är utmanande, säger Per Stenström, professor i datorarkitektur och avdelningschef på Avdelningen för dator och nätverkssystem vid Institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers.
Den nya principen skulle dessutom minska energiförbrukningen på datorsystem. Då den globala datorkraften står för cirka fem procent av världens energiförbrukning – en siffra som alltjämt ökar – adderar det givetvis till intresset för projektet.

Eftertraktad partner
Idag är forskningsgruppen bakom projektet PRIDE en eftertraktad partner i både europeiska och svenska sammanhang. Utöver stora finansiärer som Wallenberg och Vetenskapsrådet i ryggen är PRIDE som enda svenskt forskningsprojekt en del av det europeiska flaggskeppsprojektet EPI (European Processor Initiative) – vars syfte är att göra Europa mindre beroende av teknik från världsledande USA och Kina.
Första januari 2021 tilldelades PRIDE även ett anslag på cirka 28 miljoner kronor från SSF:s forskningsprogram CHI (Computing and Hardware for ICT Infrastructures). Anslaget var en del av ett större bidrag till projekt med fokus på nästa generations trådlösa kommunikation (6G), accelererad beräkningskraft eller energieffektivare ICT. Med anslaget kommer krav på högkvalitativ forskning och nytta för industrin.
– Med allt större datamängder att hantera börjar den befintliga principen bli obsolet. Och med allt fler datahall­ar skenar energiförbrukningen inom ICT. Med AI och maskininlärning som ett centralt tillämpningsområde dessutom, blir vårt kommande resultat givetvis intressant för många, säger Per Stenström.

chalmers-chi-pride_webb
Chalmers – PRIDE

PRIDE står för Principles for Computing Memory Devices och är ett projekt vid institutionen för data- och informationsteknik på Chalmers. Projektet ska arbeta fram en princip för en helt ny typ av parallella datorer, där beräkningsenheterna är integrerade i minneskretsarna. Projektet pågår i fem år.

Chalmers universitet
031-772 10 00
chalmers@chalmers.se
www.chalmers.se

Chalmers bidrar till bränslecellens genombrott

Anna Martinelli, biträdande professor på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Anna Martinelli, biträdande professor på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Med vatten som enda restprodukt har bränsleceller potential att bidra till ett renare energi- och transportsystem. Men dyr produktion har hittills begränsat tillämpningsmöjligheterna. Anna Martinellis, Chalmers, forskning om superfunktionella jonvätskor kan ha en lösning.

Bränsleceller är en tyst och ren teknologi med potential att bidra till ett avsevärt renare energi- och transportsystem. Trots detta har bränsleceller ännu inte slagit igenom. En anledning är att det används vattenbaserade elektrolyter i cellens komponent som står för protonledningen. När bränslecellen verkar vid temperaturer kring 80–100 °C avdunstar vatten och uttorkning blir ett problem. Sätt att återfukta cellen finns, men de är kostsamma lösningar.
Inom SSF-projektet Superfunktionella jonvätskor för hållbar och ren energi på Chalmers tekniska högskola, studerar Anna Martinelli, biträdande professor på Institutionen för kemi och kemiteknik och doktorand Szilvia Vavra möjligheten att byta ut vatten till vad Anna kallar superfunktionella jonvätskor. Med en jonvätska som elektrolyt kan verkningstemperaturen för en bränslecell höjas till över 150 °C.
– Vi fokuserar på en speciell sorts jonvätskor med sura väteinnehållande grupper. Det vi undersöker är hur joner och protoner (H+) rör sig i vätskan, eftersom det är det som avgör om den kan användas i en bränslecell eller inte.

Illustrationen visar jonvätskans katjoner (+) och anjoner (-) som rör sig inom nano­kanaler av silika.
Illustrationen visar jonvätskans katjoner (+) och anjoner (-) som rör sig inom nano­kanaler av silika.

Rätt omgivning krävs
Vätejonen kan röra sig långsamt eller snabbt, och ju snabbare desto högre prestanda kan den ge. Men för att vätejonen ska röra sig snabbt krävs rätt kemisk omgivning.
– Denna ska anpassas för att utnyttja jonvätskans potential och därmed förbättra bränslecellens prestanda, säger Anna Martinelli.
– Det är fundamental forskning med tillämpning i sikte. Vi fokuserar på bränsleceller, men de jonvätskor vi jobbar med kan tillämpas även i till exempel batterier och superkapacitorer, fortsätter hon.
Val och framställning av rätt jonvätska är dock bara en aspekt av det större projektet. Vätskan behöver befinna sig i en fast, porös struktur, för att utnyttjas. Idag löser man det med en polymer, typiskt en perfluorinerad polymer, men Anna vill studera andra material. Närmare bestämt vill hon studera hur vätejonernas rörelseegenskaper förändras i olika fysiska och kemiska miljöer. Efter att ha fokuserat på olika porösa strukturer av silika, utvecklar hon nu tunna filmer av silika med raka välordnade nanokanaler.
– Det är viktigt att vi lär oss hur vätskans joner och protoner rör sig i dessa nanodomäner och vi är mitt i denna process. Vi tittar på silika med långa kanaler bara några nanometer breda, samt olika kemiska modifieringar på kanalernas porväggar.
– På sikt hoppas vi att bränslecellen med dessa nya material kan bli en viktig och effektiv lösning i arbetet mot ett hållbart energi- och transportsystem.

Chalmers – Bränsleceller

Superfunktionella jonvätskor för hållbar och ren energi är ett SSF-finansierat projekt på Chalmers tekniska högskola. I projektet studeras kostnadseffektivare material för bränsleceller, samt hur bränslecellernas verkningsgrad och robusthet kan öka.

www.chalmers.se

Octopi i bräschen för säkra datorsystem

Carl-Johan Seger, professor i datorvetenskap och WASP-professor på Chalmers.
Carl-Johan Seger, professor i datorvetenskap och WASP-professor på Chalmers.

En kedja är aldrig starkare än sin svagaste länk. Det gäller i högsta grad även det uppkopplade samhället. Carl-Johan Seger forskar inom projektet Octopi om en säker datamiljö, där risken för säkerhetsbrister förebyggs från start.

Samhället i stort och alla de olika saker vi omger oss med digitaliseras snabbt. IoT, sakernas internet, ger många fördelar i form av smarta, kommunicerande enheter, men innebär också stora risker. Fientliga attacker mot systemen sker kontinuerligt och kan få förödande konsekvenser.
– Det finns en stor naivitet bland både beslutsfattare och vanliga medborgare om sårbarheten som kommer med digitaliseringen och IoT. Det brådskar att skapa felfri hårdvara och mjukvara, som redan i sin konstruktion skyddar mot läckor och attacker, säger Carl-Johan Seger, professor i datorvetenskap och WASP-professor på Chalmers. Han är sedan några år tillbaka på det universitet där han påbörjade sina studier för 40 år sedan, efter en lång karriär inom såväl industrin som akademin i Nordamerika och Storbritannien.

Gamla synder
Carl-Johan Seger förklarar att vi lever med gamla synder i våra datorsystem. Brister i mjukvaran är ofta enklare att åtgärda, men svagheter i hårdvaran kan vara oerhört svåra och kostsamma att komma åt och eliminera. Det SSF-finansierade projektet Octopi ligger i forskningsfronten för att utveckla system som är säkra från början. Det gäller både mjukvaruspråket, som forskarna utvecklar från lågnivå till högnivå, där buggar automatiskt upptäcks och städas bort, och hårdvaran, som är Carl-Johan Segers speciella expertisområde. I projektet utvecklar Carl-Johan Seger och hans team en verifierad krets som placeras direkt i hårdvaran och gör det nästan omöjligt för hackare att ta sig in.

Lapptäcke av teknologier
– Det är ett omfattande och komplext arbete. Mjukvarumiljön och hårdvaran ska vara som legobitar som passar perfekt in i varandra. Idag är det ett lapptäcke av olika teknologier, som ofta inte alls är anpassade för att fungera tillsammans. Vårt mål är att bygga en krets, som är felfri från början och skyddar mjukvaran som skalskyddet runt ett hus. Dessutom måste kretsen vara mycket energieffektiv för att fungera i en IoT, berättar Carl-Johan Seger.
Arbetet har kommit långt och kretsens arkitektur är redan nästan färdig. Sedan ska den slutliga designen verifieras och testas.
– SSF-finansieringen möjliggör vår forskning i detta viktiga område. Behovet av robusta, säkra och tillförlitliga system är stort, avslutar Carl-Johan Seger.

Chalmers – Octopi

Octopi är ett femårigt forskningsprojekt vid Chalmers universitet för att skapa en miljö där säker IoT kan utvecklas. Det innefattar såväl mjukvara som hårdvara. Projektet är en gemensam satsning mellan fem professorer och har fem doktorander för forskningens hela varaktighet. Projektet finansieras av Stift­elsen för strategisk forskning, SSF.

octopi.chalmers.se

Chalmersforskare redo för nästa steg

Professor Herbert Zirath på Chalmers, här tillsammans med medlemmar av forskningsgruppen (Simon, Ahmed, Vessen, Sining, Sona, Neda). Foto: Patrik Bergenstav
Professor Herbert Zirath på Chalmers, här tillsammans med medlemmar av forskningsgruppen (Simon, Ahmed, Vessen, Sining, Sona, Neda). Foto: Patrik Bergenstav

För sex år sedan tilldelades Herbert Zirath och hans forskargrupp vid Chalmers tekniska högskola ett femårigt SSF-anslag på drygt 30 miljoner kronor. Uppdraget var att finna nya lösningar för trådlös kommunikation med hög datatakt. Nu är de redo för nästa steg.

Under de gångna åren har forskargruppen under professor Herbert Ziraths ledning utvecklat och konstruerat ett chip som integrerar mottagare och sändare och med vars hjälp man lyckats slå världsrekord i dataöverföring med smarta kretsar. Det första rekordet, som sattes i laboratoriemiljö 2014, nådde en trådlös datatrafik på 48 Gbit/sekund i det så kall-ade D-bandet, 110-170 GHz. För att se hur tekniken fungerar i verkligheten görs testerna numera utomhus. Tillsammans med projektpartnern Ericsson har forsk-arna gjort ett länkhopp på 200 meter.
– Det fungerade fint, nu försöker vi nå 2,7 km, som är lika med avståndet mellan Chalmers och Ericssons hus i Göteborg, berättar Herbert Zirath.
En av drivkrafterna bakom strävan att öka takten i trådlös dataöverföring är att minska fördröjningen i kommunikationen.
– Idag ligger den generellt på upp till 100 millisekunder. Det är alldeles för lång tid för vissa applikationer, som självkörande fordon och kirurgi på distans.

6G
När projektet startade var siktet inställt på att utnyttja ett stort outnyttjat frekvensområde mellan 100 och 500 GHz. Då kretsade tankarna kring användning för det kommande 5G-nätet. Idag är det 6G som är på ritbordet, här är en av målsättningarna att överföra data med upp till 1 Tbit/s i överföringshastighet. Men 6G kommer inte enbart att användas för dataöverföring utan sannolikt även bli ett ramverk för många typer av tjänster, något som SSF-projektet kraftfullt bidragit till.
– Vår forskning har verkligen betytt något för detta frekvensband, vilket inte minst alla inbjudningar till internationella konferenser om mikrovågor vittnar om.
Under de gångna åren har projektet även utexaminerat fyra doktorer, varav tre har gått till industrin. Forskningen har också gett ringar på vattnet i form av deltagande i två europeiska projekt samt två 2 VR-projekt; listan kan göras lång.
– Den korta versionen är att jag är stolt över vad vi lyckats åstadkomma så här långt. Men datatakten har inte slagit i taket, och behovet av högre hastigheter kvarstår, så det finns mycket kvar att göra. Vi är redo för nästa steg, fastslår Herbert Zirath.

Chalmers – THz-kommunikation

Hundratals GHz bandbredd är idag outnyttjat och tillgängligt för trådlös kommunikation, radar och sensorapplikationer i frekvensområdet 100 GHz till 500 GHz (det s.k. THz-området). Traditionella komponenter för detta frekvensområde är dyra, otympliga och energikrävande. Detta multidisciplinära projekt tar fram en helt ny teknologiplattform som kombinerar kunskapen att konstruera komplexa kretsar för detta frekvensområde med design av antenner, kapsling och system.
Projektet stöds av Stiftelsen för strategisk forskning och avslutas i juni 2020.

Chalmers tekniska högskola
412 96 Göteborg
Tel: 031-772 10 00
www.chalmers.se

Pionjärer för ett säkert Sakernas internet

: Alejandro Russo, biträdande professor vid Institutionen för data- och informationsteknik vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav
Alejandro Russo, biträdande professor vid Institutionen för data- och informationsteknik vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav

Vi står på tröskeln till en revolution, där allt fler saker är uppkopplade och sammankopplade – Sakernas internet, IoT. Men många apparater har allvarliga säkerhetsbrister, med potentiellt katastrofala följder. Octopi-projektet ligger i frontlinjen för forskning om ett säkert IoT.

Smarta elektroniska apparater och lösningar i våra hem, industrier och i hela samhället har stora fördelar, men de innebär också risker. Ofta har de programmeringsspråk som används när elektroniken tillverkas allvarliga säkerhetsbrister och når inte den höga säkerhetsstandard som interkonnektivitet kräver. Octopi-projektet vid Chalmers går i bräschen för att adressera detta.
– Osäkra elektroniska enheter gör det möjligt för fientliga hackers att få tillgång till information och orsaka stor skada, genom att stjäla, läcka eller sabotera data. Vi har redan sett många exempel på attacker och dessa kan få enormt svåra konsekvenser. Det är av största vikt att vi skyddar integriteten hos informationen och det görs bäst genom att stämma i bäcken och ha de korrekta programmeringsspråken och disciplinerna redan från start, säger Alejandro Russo, biträdande professor vid Institutionen för data- och informationsteknik vid Chalmers tekniska högskola.

Egna programmeringsspråk
Toppmoderna programmeringsspråk som används för IoT-enheter är inte tillräckligt detaljerade för att garantera ordentlig säkerhet. Octopi-teamet utvecklar nya programmeringsspråk med riklig abstraktion för sammankopplade enheter. Octopi har utvecklat två programmeringsspråk: HailStorm, som används direkt för IoT-enheter tillsammans med särskilt stöd för hårdvaran (som också har utvecklats av Octopi), samt Haskiot, som är ett programmeringsspråk skapat för att generera säker C-kod.

Att lära sig av datan
Octopi har också ett forskningsspår som arbetar med att programmera enheter för att samla information om användarbeteende, samtidigt som individens integritet bevaras (med hjälp av en teknik som kallas Differential Privacy).
– Det handlar om att kunna få värdefull kunskap om grupper av individer som interagerar med IoT-enheter, men utan att urskilja enskilda personer, förklarar Alejandro.
Octopis forskning har fått mycket uppmärksamhet, i Sverige och internationellt. Exempelvis har forskningens resultat presenterats vid flaggskeppskongressen 41st IEEE Symposium on Security & Privacy och tillika 46th ACM SIGPLAN Symposium on Principles of Programming Languages, där den fick en utmärkelse.

Chalmers – Octopi

Octopi är ett femårigt forskningsprojekt för att skapa en miljö där säker IoT kan utvecklas. Det innefattar aspekter hos såväl mjukvara som hårdvara. Projektet är en gemensam satsning mellan fem professorer och har fem doktorander för forskningens hela varaktighet. Tyngdpunkten ligger på att skapa programmeringsspråk på hög nivå och i synnerhet domänspecifika språk, för att skapa en miljö där säkerheten garanteras genom hela utvecklingsprocessen, snarare än att läggas till i efterhand. Projektet finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, SSF.

E-post: russo@chalmers.se

Siktar på ultravioletta lasrar i samhällets tjänst

Johannes Enslin (tekniska universitetet i Berlin), och Chalmers-gruppen bestående av Michael Bergmann, Åsa Haglund och Filip Hjort.
Johannes Enslin (tekniska universitetet i Berlin), och Chalmers-gruppen bestående av Michael Bergmann, Åsa Haglund och Filip Hjort.

Samhällsnyttiga UV-lasrar och UV-lysdioder, det är målet för professor Åsa Haglund och hennes forskargrupp på Chalmers.
– Vi har utvecklat en unik membranmetod som förhoppningsvis kommer att ta oss hela vägen.

Åsa Haglund och hennes forskning på ultravioletta ljuskällor har under de senaste sex åren finansierats av Stiftelsen för Strategisk Forskning och Vetenskapsrådet. Siktet har hela tiden varit inställt på att ta fram nya UV-lasrar och bättre UV-lysdioder.
– Vanliga vita LED-lampor består av blå lysdioder som har en effektverkningsgrad på 80 procent. Ultravioletta lysdioder har i bästa fall en effektverkningsgrad på cirka tio procent, det stora problemet är att få ut ljuset och det är här som vår forskning kommer in i bilden, berättar Åsa Haglund.
Att de blå lysdioderna är så effektiva hör samman med att det tjocka substrat som behövs som underlag för att växa LED-strukturen kan avlägsnas så att ljuset kan komma ut på ett bra sätt.
– Tyvärr går det inte använda samma teknik för detta för UV-lysdioder. Men vi har nu tagit fram en alternativ teknik, baserad på selektiv etsning, som gör det möjligt att ta bort substratet ifrån UV-lysdioder.

Lasrar och lysdioder
Samma teknik kan användas för att bygga UV-lasrar där man då ersätter substratet med en högreflektiv spegel. Gruppen har nu både lyckats frigöra UV-lysdioden från substratet och visat att det går att göra UV-lasrar.
– Vi ska nu försöka att slå vårt eget världsrekord med att åstadkomma vertikal-kavitets-lasrar med ännu kortare våglängder än de 310 nanometer vi precis har uppnått. Målet är att komma ner till våglängder på 260-270 nanometer, även kallat UVC, som är mycket användbart för sterilisering av virus och bakterier på till exempel sjukhus eller vattenreningsanläggningar.
SSF-projektet som nyligen avslutats har mynnat ut i ett prestigefyllt konsolideringsbidrag från det Europeiska forskningsrådet.
– Vi har fått 20 miljoner kronor för att utveckla en elektriskt driven vertikal-kavitets-laser med ultraviolett emission. Det är en fantastisk möjlighet och stor utmaning som vi antar. Tack vare vårt nära samarbete med det tekniska universitetet i Berlin har vi goda chanser att lyckas. Det krävs expertis från många olika områden för att nå det slutgiltiga målet, fastslår Åsa Haglund.

Chalmers – UV-lasrar

Åsa Haglunds forskning handlar om att utveckla mikrokavitetsljuskällor som emitterar i det ultravioletta-blå-gröna våglängdsområdet, vilket möjliggör nya innovativa lösningar inom bland annat virusbekämpning, medicinsk diagnos och behandling, och belysning. Hon fick nyligen två miljoner Euro i anslag från ERC för att bedriva sin spetsforskning inom projektet UV-LASE: Out of the blue: membrane-based microcavity lasers from the blue to the ultraviolet wave-length regime.

Chalmers tekniska högskola
412 96 Göteborg
Tel: 031-772 10 00
www.chalmers.se

Elektroniskt papper som sparar energi

Andreas Dahlin, docent på Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Andreas Dahlin, docent på Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav

Skärmar i färg med låg energianvändning kan skapas genom att ljus reflekteras av pyttesmå hål i metall. En konstellation av forskare tar nu fram elektroniskt papper i färg som kan revolutionera utvecklingen.

Elektroniska skärmar är viktiga kommunikationsmedel men kräver stora mängder energi för att tillgodose våra dagliga behov. En grupp forskare håller nu på att skapa en ny typ av skärm med mycket låg energiförbrukning. Projektet är ett samarbete mellan forskare från Chalmers, Linköpings universitet och forskningsinstitutet RISE.
– De skärmar vi vill bygga sparar mycket energi eftersom de inte skickar ut något ljus. I stället reflekterar de ljus från omgivningen. Skärmar i telefoner, datorer och tv-apparater har en hög energiförbrukning och kan inte förbättras mycket mer. Ska vi spara mer energi, måste vi gå över till en annan typ av skärm, berättar Andreas Dahlin som är docent på Chalmers och huvudansvarig för forskningsprojektet.
Andra fördelar med den nya skärmen är att den är behagligare att läsa på än skärmar som skickar ut ljus. Det kan bland annat hjälpa att inte störa sömnen.

Ny teknik skapar skarpa färger
Den som känner till läsplattan Kindle vet att elektroniskt papper redan finns. Emellertid saknar den tekniken möjligheten att visa färger på ett bra sätt.
– Vår skärm visar intensiva färger. För att lyckas med detta tar vi inspiration av hur naturen skapar vackra färger genom små strukturer som inte ens syns i vanliga mikroskop. De strukturer vi använder är i nanostorlek och tillverkas av metaller, säger Andreas Dahlin.

Simuleringar leder vägen
– Många av utmaningarna i projektet handlar om fundamentala frågeställningar kring hur ljus interagerar med nanostrukturer, med avsikt att få så bra egenskaper som möjligt för en skärm. Vi använder bland annat optiska simuleringar för att hitta rätt väg, berättar Magnus Jonsson, universitetslektor och docent vid Linköpings universitet.
För att kunna slå på och stänga av färgerna, eller ändra till andra färger, används en typ av speciell plast som leder elektricitet och vars optiska egenskaper kan ändras fram och tillbaka.

Magnus Jonsson, docent vid Linköpings universitet. Foto: Thor Balkhed
Magnus Jonsson, docent vid Linköpings universitet. Foto: Thor Balkhed
Chalmers – Elektroniska papper

Målet med forskningsprojektet är att skapa elektroniskt papper i färg, vilket innebär en skärm med minimal energiförbrukning. Forskningsledare är Andreas Dahlin på Chalmers, Magnus Jonsson på Linköpings universitet och Peter Andersson Ersman på RISE. Projektet får bidrag från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF.

Andreas Dahlin
Tel: 031-772 28 44
E-post: andreas.dahlin@chalmers.se