Maand: oktober 2018

Huub Janssen van Janssen Precision Engineering is een van de voormalige boegbeelden van de opleiding Design Principles for Precision Engineering. Zijn ambitie was om kennis te verspreiden in de geest van Wim van der Hoek.

Een lang gekoesterde wens van Huub Janssen van Janssen Precision Engineering is in vervulling gegaan: hij deelde zijn kennis op dezelfde manier als zijn mentor Wim van der Hoek dat deed.

Janssen vindt Van der Hoek ‘ontzagwekkend’. Begin jaren tachtig was hij op zoek naar een niche om zijn laatste universiteitsjaren aan de Technische Universiteit Eindhoven in door te brengen en stuitte op een vakman die vooral in de fijnmechanica werkte. “Wim nodigde me uit op zijn maandelijkse ochtenden. Daar legde hij een groot vel papier op tafel en krabbelde allerlei problemen op. Die bespraken we dan met een handjevol studenten die elk hun eigen afstudeeropdracht hadden en twee tot drie uur lang spraken we over vooruitgang en technische problemen.

Huub Janssen is het nieuwe boegbeeld van de training Design Principles for Precision Engineering.

De nadruk lag vooral op de inhoud, de technische aanpak, het concept en hoe het in de praktijk wordt gebracht. Iedereen bood gratis oplossingen aan. Een afgestudeerde legde zijn probleem neer en dan sprongen er vijf of zes mannen op om het op verschillende manieren op te lossen. Het was een soort spel. Die stimulans van Wim sprak me erg aan. Ik voelde me er als een vis in het water. Vanzelfsprekend voelde ik me er thuis.’

In de jaren ’80 werkte Janssen bij ASML, maakte productieapparatuur voor LCD’s bij Philips in Heerlen en startte daarna een ingenieursbureau voor precisie-instrumentatie. Onderwijs heeft hem altijd aangetrokken, maar de laatste decennia heeft het ondernemerschap prioriteit gekregen. Net als Van der Hoek heb ik het altijd leuk gevonden om met jonge mensen over technische problemen te praten. Dat doe ik ook bij het coachen van mijn medewerkers”, zegt Janssen.

Nu medewerkers een deel van zijn taken hebben overgenomen, gaan zijn gedachten automatisch uit naar kennisoverdracht. Toen Jan van Eijk en Adrian Rankers van de Mechatronica Academie, partner van High Tech Institute, hoefde Janssen geen twee keer na te denken.

Limburgse vlaai

We praten in de ruimte die Huub Janssen vernoemde naar zijn grote inspirator, Wim van der Hoek. Onder het genot van Limburgse vlaai en koffie brengt de fijnmechanisch ondernemer een onderwerp ter sprake dat ingenieurs vaak in gesprek brengen: de passie die hij in zijn jeugd al had voor techniek.

In de nieuwe vergaderruimte van Janssen Precision Engineering, volledig omgeven door glas. Huub Janssen vernoemde de ruimte naar zijn mentor.

Tijdens zijn middelbare schooltijd fotografeerde Janssen vogels. Zijn uitdaging was om ze in vlucht vast te leggen. Hij wilde niet de hele dag achter de camera zitten, dus bedacht hij een oplossing. In een nestkastje stelde hij een Praktica op – de spiegelreflexcamera die nog min of meer binnen zijn budget paste – en zette een sluitermechanisme met lichtstraal en fotodetector in elkaar. Alles werd zo geregeld dat de sluiter van de Praktica precies sloot op het moment dat de vogel door de lichtbundel vloog. Een elektrische solenoïde activeerde de zelfontspanner. Niet met een gewone motor, want het moest bam! Klaar.’

Zijn ondernemersgeest kreeg hij van huis uit mee. Zijn ouders hadden een fruitbedrijf en zijn vader bouwde vaak zelf machines, zoals een machine om appels te sorteren. Tijdens zijn laatste jaren aan de universiteit bedacht Huub een meetweegschaal die het makkelijker maakte om fruitbakjes met een bepaald gewicht te vullen. Geen gewone weegschaal, want daarmee moest je heen en weer rekenen en dat wilde Janssen voorkomen. ‘Zo’n weegschaal kon je kopen voor drieduizend gulden, maar dat was toen veel geld. Ik wilde iets waarmee je in één keer kon zien of je er een paar appels bij moest doen of af moest halen. Over dat soort dingen dacht ik altijd na.’

Hij loste het op met bladveren, elektronica en een optische sensor. Er zaten allerlei ontwerpprincipes van Van der Hoek in,” lacht hij, verwijzend naar de professor wiens maandagochtendbijeenkomsten hij in die tijd bijwoonde.

Tijdens zijn laatste studiejaren ontwikkelde Janssen een instrument dat slijtage in vullingen en kiezen in kaart kon brengen. Interferometrie en optica waren een deel van de oplossing. Ik moest positioneren in zes vrijheidsgraden binnen fracties van een micrometer en kon helemaal losgaan met nieuwe ideeën. Bovendien had ik ook een echte klant, dus het moest uiteindelijk wel werken.’

Huub Janssen met de piëzoknop, een onderdeel waarop hij patent heeft; een revolutionair concept op basis van piëzo-elementen en een roterende massa, waarmee stappen van 5 nanometer kunnen worden gemaakt.

Na zijn afstuderen in de jaren tachtig werkte Janssen bij ASML aan de eerste PAS2500 waferstepper. Ik had veel geleerd van Van der Hoek, maar bij ASML heb ik kunnen zien waar het mis kan gaan. Bij Van der Hoek leer je iets statisch bepaald te ontwerpen. Je krijgt bijvoorbeeld stabiliteit met drie steunpunten. Maar niet iedereen is blij met een tafel met drie poten. Bij ASML heb ik geleerd te begrijpen wanneer je specifieke ontwerpprincipes moet toepassen en wanneer niet.’

Voor de PAS2500 hadden ze in eerste instantie een nieuwe interferometer ontwikkeld om de positie van het podium te meten in de richtingen x en y. ‘We hebben dit helemaal volgens de Van der Hoek ontwerpprincipes gedaan, met elastische elementen en zo. Er was geen hysterisis, maar alles bleef trillen. Daar leerde ik dat je de ontwerpprincipes van Van der Hoek niet altijd in elke situatie kunt toepassen. Je moet weten wanneer wel en wanneer niet,” legt Janssen uit.

Na ASML ging hij werken bij Philips in Heerlen, waar hij productieapparatuur voor LCD’s ontwikkelde. Een paar jaar later begon hij zijn eigen ingenieursbureau. ‘Tijdens mijn laatste universiteitsjaren werkte ik ook voor een echte klant met een echt technisch probleem, inclusief de vraag naar hardware. Dat was gewoon mijn ding.’

In 2010 ontving Huub Janssen de Rien Koster prijs als erkenning voor het hoge niveau waarop hij in zijn bedrijf Janssen Precision Engineering (JPE) precisietechnologie beoefent. Naast de grote hoeveelheid geavanceerd werk voor klanten, benadrukte de jury ook Janssens aandacht voor het coachen en opleiden van zijn medewerkers. JPE heeft inmiddels dertig patenten op zijn uitvindingen.

Binnen JPE begon Janssen meer dan tien jaar geleden met het verzamelen en documenteren van technische principes en oplossingen. In eerste instantie voor zijn medewerkers, maar ook voor de buitenwereld. Als Janssen of zijn collega’s zich ergens in verdiepen of een technische oplossing moeten bedenken, leggen ze dat vast. ‘We moeten altijd weer iets uitzoeken of opzoeken. Hoe ging die technische berekening ook alweer? Ik dacht: laten we het een keer goed doen, dan hebben medewerkers er de volgende keer als ze het nodig hebben ook wat aan. Ik begon de zaken te documenteren op één A4-tje. ‘Alles is onderverdeeld in categorieën zoals ‘engineering fundamentals,’ ‘construction fundamentals,’‘dynamics and control’ en‘construction design & examples.’

Je moet er tijd in investeren, “maar dan heb je ook wat,” zegt Janssen. Het technische probleem, alle formules die er toe doen, moeten allemaal op dat A4-tje passen. Dat betekent alleen de essentiële informatie. Inmiddels zijn dat in totaal zo’n vijftig A4-tjes. Janssen vond dat de informatie ook marketingwaarde had en begon ze te publiceren. Zo ontstond het precisiepunt, een pagina op de website van Janssen Precision waar alles toegankelijk is. ‘Zelfs een professor van MIT mailde me om te vragen of hij de kennis mocht gebruiken in zijn colleges.’ Janssen bundelde de A4-hoesjes ook in een handig boekje onder het motto van Albert Einstein ‘onthoud nooit iets wat je kunt opzoeken.’ Hij krijgt regelmatig bestellingen van scholen, concurrenten en klanten.

Onder het motto van Albert Einstein ‘onthoud nooit iets wat je kunt opzoeken’, heeft Huub Janssen precisiegevallen gedocumenteerd. Elk geval past op een A4-tje. De kennis is beschikbaar op Precisiepunt op zijn website, en is ook verkrijgbaar in gedrukte vorm.

Het is moeilijk te zeggen of de inspanningen ook extra business opleveren. ‘Wel zien we dat geïnteresseerden na het lezen van onze precisielink kijken naar onze kernactiviteiten in hightech engineering en naar onze producten.’

Hij ging in op het verzoek van Van Eijk en Rankers om boegbeeld te worden van de training Ontwerpprincipes voor precisietechniek, omdat onderwijs hem altijd heeft aangesproken. Veel van de kennis en ervaring in de opleiding Design principles komt voort uit het gedachtegoed van Wim van der Hoek. Net als Van der Hoek heb ik het altijd leuk gevonden om met jonge mensen over technische problemen te praten. Dat doe ik ook bij het coachen van mijn medewerkers,’ zegt Janssen.

Voor oud-studenten en -collega’s kan Van der Hoek geen voet verkeerd zetten. Toen ze hem op een feest ter ere van zijn 80e verjaardag de hemel in prezen, reageerde de emeritus hoogleraar: ‘Ik word op een beschamende manier de hemel in geprezen.’

Maar na enig nadenken weet Janssen toch een punt van kritiek op te graven. ‘Hij praatte graag. Hij praatte vrij snel, waardoor het voor beginnende universitaire studenten, die het vak nog onder de knie moesten krijgen, best lastig was om alles te volgen. Je moest echt goed opletten, want er kwam in die paar uur veel informatie op je af vliegen.’

Van der Hoek praatte graag, gaf snel aan welke kant het op moest, en hij had ook wat te zeggen. Hij kwam snel met zijn eigen ideeën over de weg die oplossingen moesten inslaan, en dat was vaak verbazingwekkend.’

Dertig jaar geleden was positionering op een micrometer iets van een andere planeet.

Wat was er zo bijzonder aan de aanpak van Van der Hoek?

Het heeft te maken met het veld. Dertig jaar geleden was positionering op een micrometer iets van een andere planeet. Het is een gebied waar je niet zomaar normale functionele elementen zoals lagers en tandwielen kunt toepassen. Zelfs op dit moment is het voor veel partijen nog onontgonnen terrein. Wereldwijd. Tot het vijfde jaar op de universiteit leerden we alleen wat andere aankomende ingenieurs leerden: tandwielen, aandrijfassen, v-snaren enzovoort. Maar als je gaat positioneren op een micrometer of een fractie daarvan, dan kun je die componenten niet zomaar gebruiken. Dan krijg je heel andere oplossingsrichtingen en worden zaken als reproduceerbaarheid en het vermijden van speling belangrijk.

Je wilt de design principles training vormgeven in de geest van Van der Hoek. Wat bedoel je daarmee?

We hebben het over ontwerpprincipes voor precisietechniek. Dat is de wereld van complexe machines en instrumenten voor de chipindustrie, astronomie en ruimtevaart. Om nauwkeuriger dan een micrometer te positioneren, kun je niet simpelweg standaard functionele elementen zoals lagers gebruiken. Dan kom je bij elastische elementen, geen wrijving en dat soort dingen. Daarna wordt het spannend, omdat je heel dicht bij de natuurkunde komt.

Janssen: ‘Ik kan me nog herinneren dat Van der Hoek zijn studenten vroeg om in gedachten in een kogellager te kruipen.’

Fabrikanten moeten erkennen dat ze geen standaardonderdelen uit een catalogus kunnen kopen. Ze moeten iets verder denken, alle problemen analyseren die zich kunnen voordoen. Dan moet je je dingen in je hoofd voorstellen, ‘gedachte-experimenten’ doen: waar kan het misgaan? Als je dat ziet, is de weg naar de oplossing dichtbij. ‘Ik kan me nog herinneren dat Van der Hoek zijn studenten vroeg om in gedachten in een kogellager te kruipen, om zich de buitenring en binnenring voor te stellen met alle kogels ertussen. We moesten ons zo klein maken dat we tussen die ronddraaiende kogels zaten. Dan zie je dat de kogel aan de ene kant tegen de ring zit en aan de andere kant ruimte heeft om te spelen. Vervolgens zie je dat een kogel niet helemaal rond is, hij heeft inkepingen en draait niet goed. Als het een deukje van een micrometer is, betekent dat een micrometer fout. Je hoeft niet veel ervaring te hebben, maar je hebt wel veel verbeeldingskracht nodig om gedachte-experimenten te kunnen doen.

Wat is specifiek aan jouw bijdrage aan de training?

De manier waarop oplossingen tot stand komen is belangrijk. Ik heb niet veel met formules. Natuurlijk zijn ze nodig, maar rekenen is de laatste tien procent van het werk. Ontwerpers moeten vooral gevoel krijgen voor de details. Waar moeten ze op letten? Hoe lossen ze zaken op? Je moet eerst weten waar het mis kan gaan en dan een goede conceptuele richting bedenken. Ik wil vooral intuïtie bijbrengen. Rekentechnieken komen daarna wel.

Daarom wil ik casestudies introduceren. Van der Hoek deed dat in zijn Des Duivels prentenboek waarin hij mislukte projecten publiceerde. ‘Deelnemers gaan dus alleen en in groepjes aan de slag. Daarna houden we een grote groepsdiscussie. Ik wil geen lezing, ik heb liever interactie.’

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech editor van High-Tech Systemen.

Herman Roebbers is een advanced expert bij Capgemini Engineering en werkt al sinds halverwege de jaren tachtig aan embedded systemen en parallelle verwerking. Hij is ook extern adviseur van de EEMBC-werkgroepen Ulpmark, Iotmark en Securemark, en ultra-low power trainer in de workshop“Ultra-low power for the Internet of Things”.

In het streven naar batterijloos IoT is het belangrijk om zo efficiënt mogelijk met energie om te gaan. Aan de hand van een encryptiebibliotheek laat Herman Roebbers zien hoe alleen al kleine aanpassingen aan de tooling en chipinstellingen een enorme impact kunnen hebben op het verbruik.

Hoe kan ik het energieverbruik van mijn IoT-systeem verlagen naar ultralaag vermogen? Deze vraag wordt steeds relevanter nu we steeds hogere verwachtingen hebben van IoT-apparaten. Uiteindelijk is het doel dat systemen zo weinig energie nodig hebben, dat ze het kunnen oogsten uit hun omgeving en geen batterijen meer nodig hebben.

Om dit te bereiken moeten we in twee richtingen werken: de opbrengst van de oogst verhogen en het verbruik verlagen. Aan de eerste wordt gewerkt: nieuwe materialen en methoden om zonnecellen te maken en na te bewerken zorgen voor steeds hogere opbrengsten. Er wordt ook vooruitgang geboekt op het gebied van RF-energieoogst. De Delftse startup Nowi heeft bijvoorbeeld speciale chips gemaakt die hier heel goed in zijn. Verder wordt er veel onderzoek gedaan naar nieuwe materialen om temperatuurverschillen efficiënter om te zetten in energie. Ook wordt er hard gewerkt aan steeds efficiëntere converters die de geoogste energie omzetten in benodigde spanning(en) en zorgen voor efficiënte energieopslag, bijvoorbeeld in oplaadbare batterijen of supercondensatoren.

Een casestudy voor ultralaag vermogen

Een eerder artikel van Bits&Chips gaf een overzicht van alle aspecten die belangrijk zijn om energie te besparen: van chipsubstraat, transistorselectie, processorarchitectuur en de printplaat tot driver, OS, codeertools en coderingsstijlen tot de toepassing. Inmiddels is de tabel iets uitgebreid.

Een recent geval illustreert het effect van verschillende mechanismen op het energieverbruik. EEMBC heeft net een benchmark uitgebracht om de energie te bepalen die nodig is voor verschillende typische tls (transport layer security) operaties. Tls maakt deel uit van een https-implementatie en is als zodanig essentieel voor het opzetten van een veilige verbinding. De benchmark is overgezet naar een evaluatiebord dat cryptografie ondersteunt via de Arm Mbedtls bibliotheek.

We kunnen dat proces gebruiken om te laten zien wat elke optimalisatiestap oplevert. Hiervoor voeren we elke keer eerst een nulmeting uit. Het benchmarkkader gebruikt een energiemonitor van Stmicroelectronics en een Arduino Uno. De Arduino wordt gebruikt als uart-interface naar het geteste apparaat (dut, figuur 1).

Afbeelding 1: De opstelling voor het meten van stroomverbruik

We gebruiken ook de ontwikkelomgeving Atollic Truestudio 9.0.1 voor STM32, die een eigen versie van de GCC-compiler gebruikt, en de software Stm32cubemx, die (initialisatie)code voor randapparatuur kan genereren en zo de configuratie aanzienlijk vereenvoudigt.

Stap 1: Kijk naar de compilerinstellingen

Als we een nulmeting doen met een niet-geoptimaliseerde versie (instelling -O0) op 80 MHz (hoogste snelheid) en 3,0 volt, resulteert dit in een Securemark-score van 505. Als we de optimizer-instelling veranderen in -O1, maakt dit een enorm verschil: we gaan naar 1336! De optimizer instellingen voor -Og en -O2 maken niet veel verschil, maar als we naar -O3 of -Ofast gaan, gaat het nog beter: 1490.

Dit laat zien wat je kunt bereiken met alleen de compilerinstellingen. De ideale instellingen kunnen echter per functie verschillen. In ons geval is er bijvoorbeeld geen verschil tussen -O3 en -Ofast, maar dat is niet altijd het geval. Het kan dus lonen om de instellingen per functie of per bestand apart te kiezen.

Met de compilerinstellingen -O2, -O3 en -Ofast kunnen programmeerfouten optreden die niet optreden met andere instellingen. Timing kan veranderen en het is noodzakelijk om variabelen die in meerdere contexten worden gebruikt (bijv. normale en interrupt-context) als vluchtig te kwalificeren om problemen te voorkomen.

Stap 2: Kijk naar de pll

Microcontrollers hebben tegenwoordig zeer uitgebreide instellingen voor allerlei kloksignalen op de chip. Een van die instellingen betreft de frequentie vermenigvuldiger (pll). Deze kan worden gebruikt om een lage frequentie te vermenigvuldigen en te delen om allerlei andere kloksnelheden te maken.

In ons geval is de frequentie van de interne oscillator 16 MHz. Om daar 80 MHz van te maken, kunnen we het helaas niet simpelweg met vijf vermenigvuldigen. We hebben de keuze uit twee instellingen: de eerste is om te delen door 1, te vermenigvuldigen met 10 en dan te delen door 2. De tweede optie is om te delen door 2, te vermenigvuldigen met 20 en dan weer te delen door 2.

Dat geeft verschillende scores: 1462 tegen 1490. Het resultaat is in beide gevallen 80 MHz, maar de tweede methode is twee procent zuiniger. Hoe lager de klokfrequenties, hoe minder energie je verliest, en hoe eerder je de klokfrequentie verdeelt, hoe beter.

Als je genoeg tijd tot je beschikking hebt, kun je de processor ook zonder pll gebruiken, want dat is eigenlijk best een energievreter. Met de ingebouwde oscillator kunnen we een maximale frequentie van 48 MHz genereren, wat resulteert in een 4 procent hogere score. Het nadeel is dat het wat langer duurt: 80/48 = 1,66 keer langer om precies te zijn.

Het Nucleo L4A6ZG-ontwikkelbord van STMicroelectronics biedt veel hulpmiddelen om het energieverbruik te optimaliseren.

Stap 3: Schakel onnodige klokken uit

Nu we een paar dingen hebben onderzocht, kunnen we een instelling kiezen en van daaruit verder optimaliseren. We beginnen vrij conservatief: -O1 en een frequentie van 80 MHz via onze tweede pll-instelling. Dit brengt onze Securemark-score op 1336.

De volgende stap is het uitschakelen van alle overbodige klokken. In ons geval kunnen de klok naar de uart en alle i/o-poorten uitgeschakeld worden. Dit bespaart tussen de 2,5 en 2,9 mW en geeft een score van 1448. Dit kost 1448/1336 = 1,08 keer minder energie (8 procent winst).

Stap 4: De memcpy-functie optimaliseren

Tijdens het uitvoeren van cryptografische functies wordt de functie memcpy regelmatig gebruikt. Kiezen voor een geoptimaliseerde versie levert vijf procent winst op in het geval van GCC. De IAR compiler levert al een geoptimaliseerde versie. Hierdoor kunnen we onze score verhogen naar 1524. Winst: 5 procent.

Stap 5: Draai de duimschroeven vast

Nu kunnen we kijken of we het ook kunnen doen met een lage klokfrequentie. Daarmee zouden we de kernspanning kunnen verlagen. Voor onze mcu moet deze kernspanning 1,2 V zijn voor frequenties boven 26 MHz. Voor de eenvoud nemen we 24 MHz, een standaardfrequentie in het menu van de msi-oscillator, waarbij de pll uit kan blijven – nog eens 4 procent winst: 1588.

We kunnen ook testen of we de optimalisaties van de compiler veilig wat agressiever kunnen instellen. Als we -O2 gaan instellen, komen we op een score van 1691 – nog eens 6,4 procent winst.

Stap 6: Spanningen verlagen

We hebben de klokfrequentie al voorbereid om een lager kernvoltage toe te staan. Nu gaan we het daadwerkelijk instellen. Het resultaat is prachtig: 2021, bijna 20 procent winst!

De voedingsspanning kan ook iets lager zijn. We zijn begonnen met 3,0 V, maar als we naar 2,4 V gaan, geeft dat weer een verbetering van 26 procent. We kunnen zelfs nog verder gaan naar 1,8 V als dat nodig is. Dat hebben we hier niet gedaan, maar als we extrapoleren, kunnen we een verdere besparing van een derde verwachten.

Conclusie

Met een paar eenvoudige maatregelen kan het energieverbruik al drastisch worden teruggebracht tot ultralaag vermogen. In onze casestudy is een factor vijf tot zeven gemakkelijk haalbaar in vergelijking met een niet-geoptimaliseerde versie.

Ik heb me hier echter beperkt tot gereedschap en spaaninstellingen. Met aanvullende maatregelen op andere gebieden kunnen tientallen procenten extra verbetering worden bereikt. Een embedded systeem zonder batterijen ligt dus binnen handbereik.

Dit artikel is gepubliceerd door Bits&Chips.

Design Principles is een van de meest gerenommeerde opleidingen van de Mechatronica Academie en het High Tech Instituut. Onze ‘mechatronicamannen’ Jan van Eijk en Adrian Rankers hebben de opleiding vernieuwd en Huub Janssen gevraagd de rol van cursusleider op zich te nemen. De opleiding blijft stevig verankerd in de fundamenten die zijn gelegd door de gerenommeerde professor Wim van der Hoek. De grootste veranderingen zijn de toevoeging van nieuwe topspecialisten en nieuwe focuspunten. De opleiding heet nu Design Principles for Precision Engineering.

Het is behoorlijk riskant om een van de meest gerenommeerde trainingen in de Nederlandse hightechwereld opnieuw te ontwerpen. Toch hadden we geen andere optie. Piet van Rens, die lange tijd het gezicht van de cursus was, wilde zijn werk als bouwkundig trainer aanzienlijk inperken. Hij heeft veel plezier in de projecten die hij voor ASML doet, maar zijn agenda is gewoon te vol.

Piet van Rens was jarenlang het gezicht van de Design Principles training. Hij gaat door als trainer maar is niet langer cursusleider.

Van Eijk en Rankers moesten dus op zoek naar opvolgers. Zij grepen deze situatie aan om de opleiding zelf opnieuw vorm te geven. Sinds ongeveer een jaar is de opleiding in handen van een sterk team van specialisten uit de Nederlandse precisiewereld. Naast Van Rens is een handvol topexperts gevonden om de cursisten onder te dompelen in vertrouwde fundamentele kennis en inzichten, maar ook in relevante aanvullingen op het vakgebied. Tot de nieuwe gezichten behoren Huub Janssen van Janssen Precision Engineering in Maastricht, Chris Werner en Roger Hamelinck van Entechna Engineering in Eindhoven, de hoogleraar precisietechniek van de Universiteit Twente, Dannis Brouwer en Kees Verbaan van de NTS. Het debuut van Van Eijk en Rankers in juni 2018 was een succes. Daarna was het nieuwe trainingsprogramma volgeboekt en kreeg het een gemiddeld cijfer van 8,4.

De kennis en ervaring voor de training Ontwerpprincipes komt voort uit het gedachtegoed van Wim van der Hoek, de vermaarde hoogleraar precisietechnologie, waaraan de Nederlandse hightech veel van zijn ontwerpprincipes en kennis te danken heeft. Van der Hoek bedacht in de jaren zestig en zeventig een aantal essentiële ontwerpprincipes, zoals de beroemde gatscharnieren, waarmee machinebouwers nanometerprecisie konden bereiken.

Daarnaast verwierf Van der Hoek grote bekendheid door mislukte ontwerpen te verzamelen en op te nemen in hoofdstuk 13 van zijn beruchte Des Duivels prentenboek. Hij stelde dat je het beste leert door fouten te maken. De makkelijkste en goedkoopste training is door die fouten te leren kennen. Dit naslagwerk werd zo bekend dat het voor iemand een eer werd om zijn ontwerp en verbeteringen eraan toegevoegd te krijgen,” zegt Piet van Rens.

De opvolgers van Van der Hoek, professoren Rien Koster en Herman Soemers, verrijken die basis. De ontwerpprincipeopleiding nieuwe stijl borduurt voort op de erfenis die we in Nederland al tientallen jaren hebben, namelijk goed ontwerpen met behulp van de juiste ontwerpprincipes’, zegt cursusleider Adrian Rankers van Mechatronics Academy, de partner die verantwoordelijk is voor de mechatronicaopleiding van het High Tech Institute.

Huub Janssen is het nieuwe boegbeeld van de Design Principles training. Net als Piet van Rens komt hij uit de denkschool van professor Wim van der Hoek. De precisie-ingenieur eerde zijn mentor door de nieuwe vergader- en demoruimte bij Janssen Precision Engineering te vernoemen naar degene die hem had geïnspireerd, Wim van der Hoek.

De vernieuwde training bevat talloze nieuwe elementen. Er is bijvoorbeeld meer aandacht voor demping en voor geavanceerde elastische elementen die een wat grotere slag hebben. Elastische elementen zijn vaak beperkt in hun bewegingsbereik, maar er zijn concepten beschikbaar die een grotere slag hebben. Dit is een van de onderzoeksonderwerpen van professor Dannis Brouwer van de Universiteit Twente, die een dag training geeft over buigmechanismen.

Brouwer houdt zich ook bezig met energiecompensatie en zwaartekrachtcompensatietechnieken (denk aan de keukenkastjes die je verticaal kunt openen en sluiten en die in elke positie kunnen blijven staan terwijl ze gemakkelijk op en neer bewegen).’Dat omvat ook het balanceren van massaachtige zaken,’ zegt Adrian Rankers. Zoals in een complex robotsysteem waarbij je de reactiekrachten op de vloer probeert weg te werken door een ander lichaam tegelijkertijd de juiste bewegingen te laten maken die de krachten precies compenseren. Dat kan ingewikkeld zijn, dus hebben we het energiecompensatie genoemd. Maar je kunt het ook energiebalanceren noemen.

Rankers benadrukt dat de ‘mechatronische context’ in de hele opleiding terugkomt. ‘Enerzijds stelt het extra eisen aan de mechanica, anderzijds biedt het ook alternatieve oplossingsruimte. Als je vroeger een positioneersysteem moest maken, deed je dat met een nokkenaandrijving en een aandrijfketting tot aan het element dat je goed moest positioneren. In die ketting kwam je allerlei wrijving en speling tegen – allemaal heel vervelend. Maar in een mechatronisch bewegingssysteem heb je sensoren op je payload. Die vertellen je precies wat de positie of positiefout is. In principe hoef je je geen zorgen te maken als er een beetje wrijving of speling tussen zit, want je hebt de informatie en je kunt meteen compenseren. Door dit soort trends verschuift de onderwerpkeuze voor de training Design Principles, hoewel het nog steeds waar is dat je met rammelende mechanica nooit een hoogwaardige systeemoplossing krijgt,’ benadrukt Rankers. ‘In de minder belangrijke onderwerpen hebben we wat ruimte gemaakt voor nieuwe onderwerpen.’

‘We hebben hier een lange geschiedenis van goed ontwerpen volgens de juiste ontwerpprincipes’, zegt Adrian Rankers, directeur van de Mechatronica Academie. ‘Wim van der Hoek is daarmee begonnen, Rien Koster en Herman Soemers zetten dat voort.’

Cursusleider Huub Janssen heeft zich ten doel gesteld de cursus ontwerpprincipes in de geest van Van der Hoek vorm te geven. ‘We hebben het over ontwerpprincipes voor precisietechniek. Dat is de wereld van complexe machines en instrumenten voor de chipindustrie, astronomie en ruimtevaart. Om nauwkeuriger te positioneren dan een micrometer kun je niet volstaan met standaard functionele elementen zoals lagers. Dan kom je bij elastische elementen, geen wrijving en dat soort dingen. Daarna wordt het spannend, omdat je heel dicht bij de natuurkunde komt.

Janssen zegt dat fabrikanten moeten erkennen dat ze geen standaardonderdelen uit een catalogus kunnen kopen. Ze moeten iets verder denken, alle problemen analyseren die zich kunnen voordoen. Dan moet je je dingen in je hoofd voorstellen, ‘gedachte-experimenten’ doen: waar kan het misgaan? Als je dat kunt zien, is de weg naar de oplossing dichtbij.

Tijdens zijn deeltijdhoogleraarschap vroeg Van der Hoek zijn studenten om gedachte-experimenten te doen. Janssen: ‘Ik kan me nog herinneren dat Van der Hoek zijn studenten vroeg om in gedachten in een kogellager te kruipen, om zich de buitenste ring en de binnenste ring voor te stellen met alle balletjes ertussen. We moesten ons zo klein maken dat we tussen die draaiende balletjes zaten. Dan zie je dat de bal aan de ene kant tegen de ring zit en aan de andere kant ruimte heeft om te spelen. Vervolgens zie je dat een bal niet helemaal rond is, hij heeft inkepingen en draait niet goed. Je hoeft niet veel ervaring te hebben, maar wel veel fantasie.’

Het is geen toeval dat Janssen de training wil verrijken met ervaringen en oefeningen. De manier waarop oplossingen tot stand komen is belangrijk. Ik heb niet veel met formules. Natuurlijk zijn ze nodig, maar rekenen is de laatste tien procent van het werk. Ontwerpers moeten vooral gevoel krijgen voor de details. Waar moeten ze op letten? Hoe lossen ze zaken op? Je moet eerst weten waar het mis kan gaan en dan een goede conceptuele richting bedenken. Ik wil vooral intuïtie bijbrengen. Rekentechnieken komen daarna wel.

Hij gebruikt vooral casestudies, net als Van der Hoek in zijn Des Duivels prentenboek. ‘Deelnemers gaan dus alleen en in groepjes aan de slag. Daarna houden we een grote groepsdiscussie. Ik wil geen lezing, ik heb liever interactie.’

Oefeningen, interactie en het werken met praktijkcases zijn onderscheidende factoren in de structurele opleiding die de Mechatronica Academie en het High Tech Instituut op de markt brengen. Bij andere organisaties is de training ook beschikbaar als driedaagse variant.

Piet van Rens heeft ook ervaring als trainer voor deze driedaagse variant. Hij wil benadrukken dat deelnemers aan de korte variant echt iets missen. ‘Sommige klanten eisen van medewerkers die door de uitzendbureaus worden uitgezonden dat ze een training ontwerpprincipes volgen. Dat betekent dat sommige ingenieursbureaus dan kiezen op kostenbasis of voor een avondvariant.’

Van Rens vindt dit niet zo’n verstandige keuze. Praktische oefeningen zijn het meest waardevolle onderdeel van de Design Principles training. Ze zorgen ervoor dat de inhoud echt doordringt en de deelnemers het ook echt begrijpen en toepassen in hun werk. Dit praktijkelement is precies wat in de verkorte versie sneuvelt. “De driedaagse en avondtrainingen zijn niet slecht, maar ze beknibbelen op de inhoud. Dit effect merk je meer als je leert na een normale werkdag, ’s avonds zijn mensen moe. Als je alleen hoorcolleges geeft, dan is het resultaat echt minder effectief,” stelt Van Rens.

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech editor van High-Tech Systemen.

Je kunt van het schrijven van goede softwarebeveiliging een goede gewoonte maken. Iets waar je nauwelijks bij stilstaat, zoals tandenpoetsen of je veiligheidsgordel omdoen. High Tech Institute werkt samen met de specialisten van het Hongaarse Cydrill om je te leren hoe.
‘We leren ontwikkelaars hoe ze niet moeten coderen’. László Drajkó brengt zijn gesprekspartners graag in verwarring met deze gewaagde uitspraak. Toch is dat waar de softwarebeveiligingscursussen van zijn bedrijf, Cydrill, om draaien: programmeurs de professionele discipline bijbrengen om zwakke plekken in hun software te voorkomen.

Misschien is ‘discipline’ een te sterk woord. Drajkó denkt dat het meer te vergelijken is met het omdoen van je veiligheidsgordel. Je merkt niet meer dat je hem omdoet. Op dezelfde manier kun je jezelf de goede gewoonte aanleren om goede softwarebeveiliging te schrijven. En dan vermijd je automatisch valkuilen, zonder erbij na te denken. We leren mensen om instinctief goede codeergewoonten te gebruiken.’ Veilig coderen kost niet meer tijd, zegt Drajkó. Het kost tijd om te leren hoe het moet, maar als je het eenmaal onder de knie hebt, is er geen verschil meer.

Mensen leren veilige code te schrijven is een arbeidsintensieve onderneming. Overal ter wereld vinden voortdurend inbraken plaats, waardoor kwetsbaarheden aan het licht komen. Er is een behoorlijk team voor nodig om al die informatie bij te houden en als casestudy’s in het trainingsmateriaal te verwerken. Een onafhankelijke docent zou per lesuur vier uur bezig zijn om op de hoogte te blijven en nieuw materiaal op te nemen,” schat Drajkó.

Daarom werkt High Tech Institute samen met Cydrill, een specialist die zich volledig richt op het trainen van mensen in het schrijven van veilige code. Het Hongaarse bedrijf richt zich met name op beveiliging voor embedded systemen.

We verkopen geen pijnstillers en pleisters, maar bouwen een immuunsysteem dat extreem veerkrachtig is,” zeggen Ernõ Jeges (links) en László Drajkó (rechts), die afgelopen zomer de High Tech Campus in Eindhoven bezochten.

De Commodore 64 en de ZX Spectrum

Cydrill is gevestigd in de Hongaarse hoofdstad Boedapest. In de jaren tachtig had de jonge László Drajkó toegang tot computers, hoewel die toegang binnen de Russische invloedssfeer zeer beperkt was. Zijn eerste kennismaking kwam toen hij twaalf was. Wetenschap was niet-politiek. Het onderwijssysteem was zeer theoretisch, maar behoorlijk goed. Achter het IJzeren Gordijn moesten we vertrouwen op onze hersenen en hadden we weinig andere middelen.’

Drajkó en zijn medestudenten schreven hun code op papier. We draaiden het in ons hoofd. We controleerden op codeerfouten die nooit waren geïmplementeerd. We maakten onze correcties ook op papier. Want toen we eindelijk toegang hadden tot een machine, wilden we die foutloze programma’s voeren. We hadden nauwelijks geld of computers.

Halverwege de jaren tachtig mochten de Hongaarse programmeurs naar Duitsland en Oostenrijk reizen, waar ze Commodore 64’s en ZX Spectrums konden kopen. De generatie voor ons moest miljoenen dollars neertellen voor een computer, maar wij konden opeens voor vijfhonderd dollar een thuiscomputer kopen. De pc had een grote invloed op onze leeftijdsgroep.

Halverwege de jaren tachtig studeerde Drajkó computerwetenschappen in Hongarije. Het IJzeren Gordijn viel toen hij nog studeerde, wat een enorme impact op hem had. Dankzij een beurs van de Europese Economische Gemeenschap kon hij naar de Technische Universiteit Delft. Het resultaat was een cultuurschok. Zijn eerste maanden in Nederland dompelden hem onder in ’totale miscommunicatie’.

Hoewel hij Engels sprak, begreep Drajkó de vragen van zijn adviseurs niet. Niet qua taal, maar qua concept. De onderwijsaanpak was heel anders. Ze vroegen dingen als: “László, aan welk probleem zou je willen werken? En dan zei ik: “Nee, nee, ik heb geen problemen. Vertel me gewoon welke code je wilt dat ik schrijf en ik zal er het beste algoritme voor vinden’. Maar toen zeiden ze dingen als: “Hoe zou je de wereld ten goede willen veranderen? En ik dacht: ‘Ik ben op de kunstacademie beland!”.

Toen ik in Delft ging studeren, dacht ik dat ik op de kunstacademie terecht zou komen’ – László Drajkó over de cultuurschok die hij ervoer als Hongaarse universiteitsstudent in Nederland.

Novell, Compaq en Microsoft

Na vijfentwintig jaar voor internationale bedrijven als Novell, Compaq en Microsoft te hebben gewerkt, besloot Drajkó te investeren in een opleidingsbedrijf. Hij wilde delen wat hij wist en zocht naar een geschikte niche. Die vond hij in beveiliging. ‘Ik vroeg mezelf wat er mis ging en een van de antwoorden was cyberbeveiliging.’

Enige tijd geleden kwam Drajkó twee bekende gezichten tegen, Zoltán Hornák en Ernõ Jeges. Alle drie studeerden ze aan de Technische Universiteit van Boedapest, maar Hornák en Jeges kennen elkaar al sinds 1990. Dat jaar namen de Hongaar en de Serviër het tegen elkaar op in de tweede Internationale Olympiade voor Informatica in Minsk. Een paar jaar later besloot Jeges om informatica te gaan studeren in Boedapest.

Hornák en Jeges raakten snel bevriend en tijdens hun promotieonderzoek voerden ze tests uit voor Nokia, waarbij ze inbraken in mobiele telefoons en netwerksystemen. De vraag was zo groot dat ze hun PhD’s in de steek lieten en in opdracht systemen gingen hacken. White hat hacking was toen nog onbekend terrein”, zegt Jeges. Er waren maar heel weinig bedrijven die het deden. Nokia had heel veel opdrachten en we realiseerden ons dat we meer leerden tijdens het werk dan aan de universiteit.

De opdrachten voor penetratietesten (pentesting) stroomden binnen bij hun bedrijf, Search Lab: het tweetal werd ingehuurd om in te breken in netwerkhardware, set-top boxes en meer. De meeste doelsystemen waren embedded. Niet veel beveiligingsbedrijven richten zich daarop, omdat je het systeem op chipniveau moet begrijpen. De meeste pentestingbedrijven richten zich op websites en webservices, maar wij zijn expliciet gespecialiseerd in embedded.

De crisis van 2008 heeft Search Lab hard getroffen. In diezelfde periode schakelde de mobiele telefoonindustrie volledig over op de Iphone en Android platformen. Hornák en Jeges verloren het grootste deel van hun omzet van klanten met wie ze een lange geschiedenis hadden.

Hun gedeelde focus op beveiliging zorgde voor de klik met Drajkó. Het aantal incidenten groeit exponentieel, terwijl het bewustzijn minimaal is,” legt hij uit. Slechts een handjevol bedrijven doet er iets aan. Iedereen is druk bezig met het patchen van fouten, maar dat pakt het probleem niet aan. Educatie is de gouden kans om een crisis in softwarebeveiliging te voorkomen. Ons standpunt is dat we geen pijnstillers en pleisters verkopen, maar een immuunsysteem opbouwen dat extreem veerkrachtig is.

Het doel van Ernõ Jeges is niet om mensen te leren hacken, maar om ze paranoïde te maken.

Paranoia inboezemen

In 2018 richtten Drajkó en Jeges Cydrill op, het bedrijf dat zich richt op trainingen. De beveiligingsindustrie is voortdurend in beweging en om bij te blijven biedt Cydrill naast de traditionele klassikale trainingen ook online trainingen aan. Voor een bescheiden jaarlijks bedrag kunnen deelnemers hun kennis aanscherpen met behulp van een digitaal gamification platform. De online aanpak maakt het ook gemakkelijk om de resultaten bij te houden. We meten ons succes aan de manier waarop klanten onze expertise vertalen naar codeergewoonten”, zegt Drajkó.

De behoefte aan inherent veilige code is groot, maar niet alle ontwikkelaars zijn enthousiast over beveiligingscursussen. Als je ontwikkelaars vraagt om een cursus te kiezen uit negentien verschillende opties, zal beveiliging waarschijnlijk onderaan staan. Het klinkt erg voorschrijvend. Een nieuw platform, nieuwe taal of nieuwe architectuur spreekt hen veel meer aan.

De softwarebeveiligingscursussen van Cydrill leren ontwikkelaars niet hoe ze moeten hacken. Er zijn genoeg cursussen die dat doen, zegt Drajkó. Veel van zijn klanten in de VS hebben daar ervaring mee. Maar ze zijn erdoor afgeschrikt, omdat de cursusontwerpers het niet konden relateren aan hun dagelijkse werk.

Drajkó is van mening dat het leren van hacktechnieken om hacks te voorkomen tijdverspilling is. Het maakt niet uit of het ethisch hacken is of hacken met kwade bedoelingen. Want in termen van technologie is er geen verschil; het is een kwestie van moraliteit.

Drajkó vindt dat ontwikkelaars goed moeten weten wat hacken precies is. Daarom pakken we het aan. Deelnemers moeten ook begrijpen dat hackers oneindig veel tijd en middelen hebben. Ze maken gebruik van bots en computers van derden. In het embedded domein groeit dat gebruik hand in hand met het Internet of Things.

Daarom beginnen de cursussen van Cydrill altijd met een kijkje in het hoofd van de hacker. We laten ze bijvoorbeeld zien dat een buffer overflow een probleem kan zijn,’ zegt Jeges. Dat iemand op die manier de controle kan overnemen en dat het niet langer jouw programma is dat draait.

Het doel van Jeges is niet om mensen te leren hacken, maar om ze paranoïde te maken. De eerste dag gaan de deelnemers met een ongemakkelijk gevoel naar huis. Ze realiseren zich dat ze in het verleden fouten hebben gemaakt. Dat gevoel is belangrijk. Het heeft een impact die we niet kunnen bereiken met online training. Na die ervaring zijn deelnemers een en al oor, merkt Jeges glimlachend op. Emotioneel en intellectueel.

Dat maakt de klas rijp voor het behandelen van best practices. We laten ze het verschil zien tussen goedbedoelde pogingen om code hack-proof te maken en daadwerkelijke best practices”, zegt Jeges. Ze kunnen de nieuwe technieken en vaardigheden die ze leren de volgende dag al toepassen.

Casestudies zijn een belangrijk onderdeel van deze best practices. We gebruiken elk incident dat wereldnieuws is geweest”, legt Jeges uit.

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech-redacteur van Bits&Chips.