Virtuele laboratoria – werken met dure apparatuur en gevaarlijke experimenten ook voor studenten

Christina Schindler en Cornelius Weiß bij de echte ellipsometer in de cleanroom. (Foto: Mark Siaulys Pfeiffer)

Zoals in de realiteit: Van het ellipsometer dat zich in de cleanroom van het laboratorium bevindt, bestaat al een volledige digitale tweeling. (Grafiek: Corneliu Weiß)

Hybride laboratoria kunnen de schaarse middelen van fysieke laboratoria, die ruimte en financiële middelen vereisen, uitbreiden met een virtuele en digitale component. Het virtuele HM-laboratorium voor de studie van micro- en nanotechnologie stelt studenten in staat gevaarlijke experimenten uit te voeren en met dure apparatuur om te gaan.

Toegepaste wetenschappen betekent in de studierichtingen aan de Hochschule München (HM) ook een groot aandeel praktijk. In de studie micro- en nanotechnologie voeren studenten bijvoorbeeld in hun stages echte experimenten in het laboratorium uit. Dit is dubbel riskant: enerzijds omdat de apparatuur op het gebied van halfgeleiders en nanotechnologie vaak zeer duur is, anderzijds omdat sommige proeven risicovol zijn, zoals het omgaan met bijtende zuren. Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Christina Schindler en Dr. Cornelius Weiß aan de faculteit voor toegepaste natuurwetenschappen en mechatronica van de HM is daarom bezig met het creëren van een digitale tweeling van het HM-laboratorium.

Virtuele laboratoria bieden studenten veel mogelijkheden

De 1:1-weergave van laboratoria in de virtuele ruimte opent veel mogelijkheden: studenten kunnen zich hiermee beter voorbereiden op hun aanwezigheid en zich vooraf vertrouwd maken met de laboratoriumomgeving. Vragen die open blijven, kunnen ze al vooraf verduidelijken. Fouten die vanuit veiligheidsredenen gevaarlijk zouden zijn, blijven in een virtueel laboratorium zonder bijvoorbeeld gezondheidsrisico’s. En de inwerking in de materie gebeurt op een speelse manier. Hele proeven of afzonderlijke proefonderdelen kunnen zoals in een videospel worden getest en zo worden geleerd. „Het grote voordeel van VR (Virtual Reality) zie ik persoonlijk daarin dat complexe vakinhoudelijke onderwerpen en natuurwetenschappelijke fenomenen, die anders moeilijk te begrijpen of te visualiseren zijn, op een duidelijke en ook speelse manier kunnen worden overgebracht,” zegt Weiß over de didactiek.

Het is de bedoeling om op een gegeven moment een volledige digitale tweeling van de Hochschule München te programmeren – maar tot die tijd zullen nog enkele jaren verstrijken. Momenteel wordt eerst een digitale tweeling van de zogenaamde cleanroom ontwikkeld, een laboratorium waarin de concentratie van luchtgedragen deeltjes, partikels of kiemen zeer laag wordt gehouden en dat daarom alleen met beschermende kleding mag worden betreden. In een 360°-rondleiding kan de cleanroom worden verkend en kunnen de digitale tweelingen van individuele apparaten zoals de ellipsometer of het profilometer al worden gebruikt.

Internationale samenwerking

Ook de mogelijkheden van internationale samenwerking zijn spannend: in een Double Degree-programma van de master micro- en nanotechnologie aan de HM met het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec, Canada, worden studieprestaties wederzijds erkend en worden tegelijkertijd twee diploma’s uitgereikt. De studenten moet in de toekomst toegang krijgen tot de virtuele laboratoria van de andere instelling, zodat ze verschillende apparatuur kunnen gebruiken en zich bijvoorbeeld kunnen voorbereiden op een verblijf in het buitenland.