2020‐luvun radikaalit teknologiat

Biokasvu‐teemaseminaariXAMK Savonlinna, 9.10.2019Risto Linturi, tulevaisuudentutkija

Esityksen avainalueet!•Energiamurros•Elintarvikemurros•Geenimuuntelu•Biomateriaalit•Robotisaatio•DigitalisaatioLähteet ja taustoitus raportissa, joka on ladattavissa Eduskunnan sivuilta

AVID Arvonluontiverkosto Valtaregiimi Haastajaregiimi Päämäärä1 Henkilöliikenne Kuljettajallinen yksityisauto, julkinen joukkoliikenne Kuljettajaton liikenne palveluna Ihmisten siirto2 Tavaraliikenne Kuljettajallinen liikenne, toisteinen kuormausautomaatio Kuljettajaton liikenne, älykäs kuormausrobotiikka Tavaroiden/aineiden siirto3 Tavaroiden valmistus Teollinen, keskitetty, toisteinen valmistus Robotisoitu, hajautettu, yksilöllinen valmistus Tavaroiden saanti4 Ravinto Maanviljelys, elintarviketeollisuus, jakelu Kaupunkiviljely, robottilähikeittiö Ravinnon saanti5 Energia Keskitetyt ja fossiiliset energialähteet, säätövoima Uusiutuvat, hajautetut energialähteet ja ‐varastot Energian saanti6 Materiaalit Kaivannaiset, energiarikas prosessiteollisuus Kiertotalous, uusiutuvat materiaalit Materiaalien saanti7 Rakennettu ympäristö Perinteinen rakentaminen ja kunnossapito Rakentamisen ja kunnossapidon robotisaatio Tilojen tarpeenmukaisuus8 Vaihdanta Brändit, fyysiset kauppapaikat, hierarkiat, B2B2C Peukut, verkkokauppa, vertaisuus, C2B2C Tarpeenmukainen vaihdanta9 Etävaikuttaminen Puhelin, televisio, internet, some VR/AR, etiäiset ja muu kauko‐ohjaus Etävaikuttaminen

10 Työn korvaus koneilla Keskitetty, konevoimaan ja ihmisälyyn perustuva Hajautettu, koneälyyn ja joukkoistukseen perustuva Työn automatisointi11 Työ ja ansainta Palkkatyö erikoistumiseen ja vaihdantaan liittyen Yhteistyö, omavaraisuus, mikroyrittäminen Hyvinvoinnin turvaaminen12 Terveys Terveydenhuollon järjestelmä, yleiset suositukset Itsediagnostiikka, pelillistäminen, yksilöllinen ravinto Eläminen terveenä13 Toimintakyvyn avusteet Laitos‐, avo‐ ja omaishoito, halvat apuvälineet Robotiikka, tekoäly, etiäiset, keinoelimet, joukkoistus Puutteiden kompensointi14 Havainnot ja tietäminen Sertifioidut tutkimukset, raportit, uutiset Keinoäly, joukkoistus, yksilön havaintovälineet Luotettava tieto15 Osaaminen ja sen näyttö Oppilaitokset ja niiden tutkinnot, työssä oppiminen Käännetty ja itseoppiminen, AI, osaamisen näyttö Osaaminen ja sen näyttö16 Elämykset Tuottaja‐kuluttajapainotus, massaviihde, turismi Pelit, jaettu VR‐todellisuus, AR, vuorovaikutus, AI Elämykset, kokemukset17 Turvallisuus Aineellinen yhteiskunnan turvallisuus, sosiaaliturva Hajautettu, yksilöllinen ja joukkoistettu turva Säännönmukaisuus18 Yhteistyökyky Viranomaisten, brändien, hierarkioiden takaama Vertaisluottamus alustojen ja läpinäkyvyyden kautta Yhteistyö, mittakaavaedut19 Tarkoituksellisuus Työ, asema, sosiaalinen verkosto Aikaansaannokset, peukut, osallisuus, yhteisöllisyys Mielekäs elämä20 Valtarakenteet Alueellinen valtarakenne, läpinäkymätön valta Asiapohjainen subsidiariteetti, paikkariippumattomuus Päätösten optimaalisuus

IPCC 8.10.2018.+1.5C raja vaatii päästöjen nopeaa lopettamista ja negatiivisia päästöjä!

Resurssien tärkeimmät tulevaisuusdimensiot

Energiatuotanto/kulutus/siirto/varasto

Liikkuminen ja yhdyskuntarakenne

Kulutus, materiaalikierrot ja virtuaalisuus

Ruoan tuotanto ja kulutus sekä vesitalous

Aurinkosähkö

SaudiArabia

• Halpa sähkö etelään ja kesäänEnnätyshinta nyt $1,7snt/kWh

Kehitys vie alle sentin kWh ‐tasoon:• Energiaintensiivinen vientiteollisuus Suomessa heikommin kannattavaksi

• Tuotanto auringon rytmiin tai varastoinnista suuri kuluerä

EnerKite, Makani, ym.https://www.faulhaber.com/global/markets/environmental-

safety/energy-kites/

• Makani

Tuulivoimala ilman tornin kustannusta!

Sähkövarastot• LI‐akut 2025 $50/kWh?• Natrium, alumiini & muut haastajat odottavat vuoroa

• Aluminiini‐ilma 2,5kWh/kg• Jakeluverkon kuorman tasaus, huoltovarmuus yms.

200MW 800MWh 

Talojen lämpökaivot jateolliset lämpöpumput• Kesällä +80C lämmitetty vesi vielä +40C keväällä

• Ei lämpöpumppua eikä eristystä, vain porakaivoja• Teollinen laudelämpö käytetään lämpöpumpun avulla prosessissa itsessään, hyötysuhde ylös 

Keinotekoinen lehti, polttoainetta auringonvalosta ja hiilidioksidista!• Nanoteknologian avulla valmistetaan rakenteita (mm. MOF), jotka tuottavat 

polttoaineita valo+H2O+CO2. Esim. vedyn, metaanin, eteenin ja etanolin tuottamista tutkittu. Myös itsestään uusiutuvilla bakteerifilmeillä tuotetaan jo polttonesteitä.

• Kilpailee ehkä jo lähitulevaisuudessa energiakasvien kanssa. Laboratoriossa saavutettu jopa 22.4% hyötysuhde, korroosio‐ongelmat ratkeamassa. http://ensia.com/features/new‐life‐for‐the‐artificial‐leaf/http://www.techtimes.com/articles/77142/20150818/this‐artificial‐leaf‐could‐be‐humanitys‐lifeline‐when‐fossil‐fuels‐are‐out.htmhttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00983j#!divAbstract https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180503142632.htm

• Polttonesteitä tuotetaan myös biologisten prosessien ja elektrolyysin avulla ylijäämäsähköstä. Oletettavaa on syöttötariffien heikkouden ja polttokennojen yleistymisen vuoksi, että kotitaloudet ryhtyvät polttonesteiden tuottajiksi.

Paikallinen sähkö ja lämpö polttokennoilla• Raaka‐aineinatavallisimmin vety, metaani, metanoli – jopaligniini tai metallit

• Hyötysuhde sähkön ja lämmön tuotannossa aina 95%, mutta pelkän sähkön tuotannossa alhaisempi, esimerkiksi Serenergy ‐metanolikennossa 45%

• Nopeassa kehityksessä ‐hinta voimakkaasti valmistusmäärästä riippuva.https://www.mdpi.com/1996‐1073/9/12/1008/htm

Kaupunkiviljely

• Ihmisen päivittäinen ravinto noin 2kWh

• Hyötysuhteet ml. noin 50m2 aurinko‐paneeli+ledfarmihenkeä kohden.

• Kaupungeista CO2‐vapaita, omavaraisia

Keinoliha ja labraliha

• Kasvisproteiinit kasvattavat suosiotaan tyypillisen kasvisruoan, mutta myös lihaimitaatioiden myötä. (Beyond Meat, Impossible burger, Härkis, Nyhtökaura ym.)

• Nyt myös tulossa fermentoimalla sähköstä 60% hyötysuhteella valmistettu Solein, jossa proteiinia 50%.

Laskeminen tuottaa hämmentäviä lukuja!Hehtaarin vuosituotto Etelä‐Suomessa, yksikkönä MWhSkenario vuodelle 2030, arviot suotuisille alueilleAurinkopaneelien sähköntuotto 30‐40% hyötysuhde 3000Aurinkopaneelien sähkö vedyksi ja polttonesteiksi 66% 2000Metsä, suotuisa keskikasvu 7m3/Ha, 1400kWh/m3 10Aurinkopaneelien sähkö ravinnoksi sisäviljelynä 10% 300Aurinkosähkö Solar foods‐proteiiniksi 10kWh/kg, 60% 1500Viljelytuotto vehnä n. 7.000kg/Ha, 5kWh/kg 35Kuivarehua 10.000kg/Ha, lihaksi seitsemäsosa , 1,7kWh/kg 2,4

• suunnittelu yhä helpompaa, IoT‐tietokone nyt vain $5• Toimilaitteet/mittalaitteet verkossa, sensoreita miljardeja• mobiililaitteissa antureita, crowd sourcing• palvelurobotiikka kasvaa räjähdysmäisesti• big data, keinoäly, pilvipalvelut vahvistuvat• laitteet palveluiksi, etädiagnostiikka• Käyttäjien ja huollon valmiudet parantuneet –

• kaikilla on älylaite mukanaan, pian jopa 90% aikuisista• langattomat verkot ulottuvat kaikkialle• langaton sähkö ja biosähkö kehittyvät nopeasti

• 5G‐verkot, LiFi suunnitellaan IOT‐tarpeisiinÄlykkäiden verkkoon kytkettyjen laitteiden määrä 75MRD v. 2025. Jos MTBF on esim. miljoona tuntia,rikkoutuisi joka päivä kaksi miljoonaa laitetta.https://www.statista.com/statistics/471264/iot‐number‐of‐connected‐devices‐worldwide/

IOT/Digitalisaatio vauhdittuu

Internet of Things  15

Digitalisaatio tukee lähellä valmistusta• Tehdas kaupan takahuoneeseen

Robotisaatio lisää joustavuutta• Sarjat lyhenevät ja yksilöllisyys kasvaasäätötarve formulakisojen kaltaiseksi

• Maailmankaupan/logistiikan osuus laskee• Valmistus hajautuu lähemmäksi asiakasta• Ylläpito hajautuu etäämmälle asiantuntijoista,etähuollon ja huoltoneuvonnan rooli kasvaa

Kuituja ja keveitä materiaaleja• Synteettinen hämähäkinseitti AMSilk

• painossa 5*teräksen luja, 3*kevlarin joustava• Nanohiilet jopa 100 kertaa terästä lujempia

• MIT: styroksinkevyt teräksenluja materiaali testattu• Lujat metallivaahdot alkavat yleistyä• Titaaninluja teräsalumiini 1/10 hintaan

• Ligniinin avulla ABL, 10*ABS‐lujuus• Aerogeelieriste, monia variaatioita

• Ohut/kevyt• Palamaton• Lujia versioita• Esim. nano‐sellu, grafeeni

Grafeeni&muut uudet materiaalittuoteominaisuudet muuttuvat, prosessit muuttuvat, raaka‐aineet muuttuvat• Grafeeni voidaan valmistaa useista biomateriaaleista

• Kymmeniä kertoja terästä lujempaa, läpinäkyvä• Hiilinanoputkien raaka‐aine, piezosähköinen• Soveltuu optiikkaan, elektroniikkaan, mekaniikkaan• Läpäisee veden, muttei esimerkiksi heliumia• Estää korroosion, suodattaa suolan vedestä yms.• Punnitsee neutronin, toimii superherkkänä valokennona, 

aurinkopaneelina, lujitemuovin kuituna, akkuna, ym.• On bio‐adaptiivinen, sopii proteeseihin• Koostuu yhdestä hiiliatomikerroksesta• Satojen tutkimusten kohde ympäri maailmaa

• Nanosellu – lukuisia eri variaatioita ja prosesseja• valmistetaan jo tonneittain, mukana mm. VTT, Stora Enso• voi olla läpinäkyvää, kevlarin vahvuinen• optisesti ja sähköisesti aktiivinen, toimii seosaineena

15.10.2019 19

Kemistirobotti & tekoälyvelho• Tekoäly yhdistelee virtuaalisia molekyylejä –kehitys nopeutuu!

• Tekoäly opetetaan tuhansilla valmiiksi osatuilla reaktioilla

• Robotti testaa 10% ja ennustaa loput 90% testaamatta

https://arstechnica.com/science/2018/07/ai‐plus‐a‐chemistry‐robot‐finds‐all‐the‐reactions‐that‐will‐work/

Hiivat&bakteerit tehtaiksi!• Yhä täsmällisempi DNA:n editointi

• Jopa yksittäisen emäksen vaihto onnistuu• Laajojen sekvenssien istutus soluun, ml. tilanne‐

kohtaisesti aktivoituvien toimintojen ohjelmointi• Epigenetiikka/metylaation editointi ja soluviljely 

rutinoitumassa hoitojen ja tuotannon tasolle• Solutyypin vaihto tai solun nuorentaminen• Geenien aktivointi ja sammuttaminen yms. 

• Bakterien, hiivojen yms editointi ja viljely tuottamaan haluttuja materiaaleja ja jopa kerrosrakenteita, kuten toimivia akkuja ja aurinkopaneeleja (Belcher)

• Voisiko maito syntyä sammiossa samalla tavalla kuin Solein ‐proteiinivalmiste?

• GMO –lajien räätälöinti kummallisiinkin tarkoituksiin: perhosen siipiin IBM‐logo?

21

Materiaalitutka arkeen• molekyylikoostumus vaikuttaa heijastuvaan ja läpäisevään säteilyyn tunnistettavalla tavallaIR‐ ja THz‐ alueilla spektroskopia paljastaa materiaalikoostumuksen• IR‐alue muuttumassa hyvin edulliseksi, THz tulossa käytännölliseksi• SCIO toimitukset kuluttajakäyttöön alkaneet 250$, CES2016 voittaja• Nyt saatavilla myös kännykän sisään integroituna (CES2017)• Kärsiikö kasvi tai mummo nestevajauksesta? Kuinka paljon juomassa 

on kaloreita tai alkoholia? Onko avokado kypsä? Onko ruoassa viljaa?• Valmistajan mukaan laite erottaa jopa alkuperäislääkkeen kopiosta! • Vaativammassa käytössä monia lääketieteellisiä testejä optisesti!

15.10.2019 22

DNA‐luku pian kuin valokuvaus!• QuantumMD QPoc: DNA‐sekvenssejä

• älypuhelimen hinta, testit 5‐20$kpl

• Minion – lukenut ihmisen koko perimän• nanopore‐tekniikka, lukutarkkuus 85%• Tarkkuutta lukukertoja lisäämällä, • Laitehinta $1.000

• Nanopore‐tekniikkaa simuloitu –90% tarkkuus,  ei vääriä positiivisia, teoreettinen nopeus 66mrd bp/s (NIST)

• Illuminan tavoitekustannus palveluna$100 full genome

15.10.2019 23

DNA‐kävelijä https://phys.org/news/2017‐02‐super‐resolution‐reveals‐mechanics‐tiny‐dna.html#nRlv

Itsediagnostiikka”Terveyden tekoälypalvelut ja kehittyneiden analyysilaitteiden kuluttajistuminen johtavat itsediagnostiikan yleistymiseen!”

• Kansainväliset ja laitteisiin kuuluvat tekoälypalvelut

• Kuluttajistuneet laitteet ja jatkuva monitorointi

• Tricorder X‐Prize‐voittaja DxtERtunnistaa 35 tautia maallikon kädessä!

Syötävät ja muut biorobotit ja anturit• Verisuonistossa kulkevat mittalaitteet alkavat olla totta, nanokokoista radiota, moottoreita ja virtalähteitä kehitetään 

• Suolistoon sopivat kamerat ja lähettimet ovat jo toimivia. • Sudenkorentoja valjastetaan kauko‐ohjattaviksi kameroiksi• Mittatiedon lisäksi nanorobotit voivat suorittaa operaatioita, geeniterapiaa sekä syöpäsolujen eliminointia ja annostella lääkkeitä tarpeen / ohjeiden mukaan paikallisesti. https://phys.org/news/2017‐02‐super‐resolution‐reveals‐mechanics‐tiny‐dna.html#nRlv

15.10.2019 25

Mallit ja IoT avuksi:robotit metsään ja pelloille!

Metsän keilaus 3D‐malliksi – eri menetelmiä• Dronella metsän yläpuolelta• Perinteisesti kiinteistä pisteistä• Dronella metsän sisältä• Robottikulkijalla metsän sisältä

• FOPEN/OPC Lidar lehvästön raoista femto‐laserilla https://www.youtube.com/watch?v=Q8hl7A3T8o8

• DIAL Lidar tunnistaa eri materiaalit• Videokuvasta laskennallisesti 3D –malli, jossa rungot yksilöitävissä

https://www.aeroscout.ch/index.php/news/52‐white‐paper‐airborne‐laser‐scanning‐with‐uavs

VR‐laseilla metsään

• Neuvottelut• Suunnittelu• Harjoittelu

3D –Unreal Engine 4 malli https://www.artstation.com/artwork/8Z65w

https://smy.fi/en/artikkeli/virtual‐reality‐to‐boost‐forest‐management/

The user of the Forestry App can harvest the trees by pressing the buttons of the game controllers. The application calculates the revenue that the logging would bring. Photo: Anna Kauppi

VR‐kunto/pelisali Virtuaalimaailmassa liikkumiseen, VR‐turismiin, VR‐urheiluun ja VR‐peleihin sopivasti kalustettuja tai tyhjiä pehmustettuja tiloja

• Laitteistot elämyksellisiä• VR‐kuntoilu, VR‐matkailu

Osaamisen tasaus tukiälyn keinoin!• AI tunnistaa & analysoi sen mitä näet ja neuvoo

• Meistä tulee kaikkien alojen osaajia (auttavasti) 

Keinoäly ja paikkatieto, toimialakohtaisia tarpeitayhteinen tieto konsolidoidaan pilveen, AI harkitsee, mikä on relevanttia

Toimialoja• Pankki ja rahoitus• Sotesektori• Liikenne• Energia‐ala• Kauppa• Maatalous• Maanpuolustus• Opetustoimi• Rakentaminen• Kunnossapito• Matkailu• Urheilu• Vakuutusala• Viranomaiset ym.

Se näkyy naamasta?Onko yksityisyys burkhan takana?• Homotutka löytää 50% viestin kohderyhmästä ja vain 50% virheellisiä positiivisia –markkinointi kohdentuu hyvin yksilöllisesti ja yksityisesti!

• Nyt AI tunnistaa emootitilan, älykkyyden, poliittisen suuntauksen, sairauksia, yms.

• Tarkkuus paranee jatkuvasti

Profilointi/viestin sovitus somessa!AI ehtii ja osaa mielistellä yksilöllisesti

Mielipiteiden muokkaus on tehokasta, kun jokaisen profiili tunnetaan ja se huomioidaanTotuus on yhä nopeammin katoava luonnonvaraDeep Mind osaa mm. kaunistella rumia kuvia

Uusia valvontakeinoja‐optiset menetelmät

http://www.gcomtech.com/ccp0‐prodshow/laser‐surveillance‐laser‐listening.html

Nasa

Extremetech 2014

• Peltipoliisi näkee, onko autossa alkoholihuuruja ja poliisi erottaa huumehörhön kadun toiselta puolelta hengityksestä

• Puheen voi salakuunnella, jos LIDAR näkee huoneessa puheen tahtiin värähtelevän pinnan (kasvi, taulu tms.)

• DIAL LIDAR näkee kaasujäämät ilmakehässä ja tunnistaa esim. metaanivuodot tms. luontoon pääsevät epäpuhtaudet

Paikkatieto• Paikkatietoa syntyy yhä helpommin 

• Kiinteät sensorit, uudet sensorityypit• Monenlaiset liikkuvat sensorit 

(autot, kopterit, satelliitit, kännykät)• AI, hahmontunnistus kuvista yms.• Esimerkkisensoreita: TrackR, wifitutka, 

DIAL‐lidar, IR&THz‐spektroskopia• Aerial satellites – reaaliaikaista tietoa 10km2 alueelta varpusen tarkkuudella, drone‐kuvaus jne.

Robottiliikenne – miljardi tuntia auton ratissa!turhiksi kaksi miljoonaa autoa+ autotallitErittäin tärkeä kehityksen ajurireaaliaikaisen ympäristömallinnuksenja mobiilin robotiikan saralla!

Turvaominaisuudet autonomisia –muutoin systeeminen riski on liian suuri –ei siis suoraa kauko‐ohjausta!!! 

Tavara muuttuu palveluksi!Myös monet tuotantolaitteet palveluistuvat

Palvelun muuttuva luonne• Itsepalvelusta robottipalveluun• Palvelu tuntee asiakkaan

• Muistaa• Mittaa• Vertailee

• Palvelu valmistaa tarpeeseen• Palvelu on etäläsnä• Palvelu integroituu tavaroihin, kauppaan ja valmistukseen

Asiakkuu

denmuu

tos

• Asiakkaat heimoutuvat osaksi tuote/palveluekosysteemejä

• Asiakas vertaa kaiken ja julkaisee ‐ vertaisverkossa

• Asiakas hankkii AI‐agentin ja elää tämän luomassa kuplassa

• Asiakkaat palvelevat toisiaan ja maksavat palveluista tiedoillaan

• Asiakas on osa tuotetta• Asiakas tietää myyjää enemmän

Huoltokäynti etänä?• Etäläsnäolo – ei matka‐aikaa

15.10.2019 38

Logistiikan kehitys – välikädet pois • Robottirekkoja ja jakeluautoja kokeillaan

• Aluksi ajon avustus, 2020‐luvulla autonominen ajo• Robotit yhä taitavammaksi maastossakin

• Dronekuljetukset muuttumassa laillisiksi 2018• Pakkaus&purku robotisoituu ‐> heterogeniset kontit

• Tavara reitittyy yhtä yksilöllisemmin tehtaalta asiakkaalle

• Transaktiokustannukset laskevat, viiveet poistuvat

Ilmalaivat metsäkoneiden ja tukkien siirtoon

15.10.2019 40

Flying Whales – payload 60 tons, prototype ready 2022

15.10.2019 41

Tietoliikenteen tulevaisuutta?• Monikaistasalaus – palat eri reittiä, viesti yhdistyy kokonaisuudeksi perillä

• IBM: Kvanttitietokone saattaa purkaa nykyiset julkisen avaimen salaukset 5 vuoden kuluttua!  Nykytiedot paljastuvat!

• Autentikointi 24/7 live‐striimauksella? Kiinassa autentikointi jo nyt kasvojen tunnistuksella!

• Kvanttilomitus tulevaisuuden sinetiksi• THz‐kaistat, satelliitti‐internet – SpaceX aikoo laukaista 1200 internet‐satelliittia ensi vuonna!

Year2059!

Utopia if we manage all these• Negative CO2 emissions < 500PPM• Life expectancy up 40 years since2019 due to NAD+ & other means

• Towns & villages mainly physicallyself sustained – conflict has ended

• Farms returned to free nature• Work democratized, AI makeseveryone capable, immaterialthings are mainly wikipedized

• Most people build their dreamcastles/status symbols to VR 

Dystopia if these take place• CO2 growing, breached 500PPM, fallen ecosystems, famine

• Global physical dependenciesand resource/power struggles

• Shattered digital realm• Asymmetric cyber warfare and GMO viral attacks & robot terror

• Mass unemployment & scarcityof resources, food and shelter

• Increasing number fallen states• VR/AR & implant addiction

Risto 102years