Daniel Schaddock ist Mitbegründer von Flüssige Instrumente und Professor für Physik an der Australian National University in Canberra. Er sprach mit Hamish Johnston über Innovationen in der Test- und Messbranche
mit Prüf- und Messgeräten. (Mit freundlicher Genehmigung von Liquid Instruments)
Ein Großteil Ihrer Forschungskarriere konzentrierte sich auf die Verwendung von Optiken zur Messung winziger Schwankungen der Schwerkraft, einschließlich Gravitationswellen. Können Sie Ihre wissenschaftliche Arbeit beschreiben?
Meine Hauptforschungsinteressen liegen in der optischen Messtechnik und ich habe daran gearbeitet LIGO und LISA Gravitationswellendetektoren. Ich bin ein sehr zielorientierter Mensch und fühlte mich von den großen messtechnischen Herausforderungen der Gravitationswellendetektion sehr angezogen, als ich 1996 als Doktorand begann, auf diesem Gebiet zu arbeiten. Es schien ein unglaublich schwieriges Problem zu sein: Wie stellt man das empfindlichste Messgerät der Welt her? Ich habe mit Hunderten anderen Forschern zusammengearbeitet, was uns meiner Meinung nach alle ein bisschen weniger verrückt gemacht hat. Es war sehr erfreulich, als LIGO im Jahr 2015 Gravitationswellen entdeckte.
Während meiner frühen Karriere interessierte ich mich sehr für die Problemlösungsaspekte der Messung. Wir hatten so viel Zeit und Mühe in die Entwicklung der LIGO-Technologie investiert und ich begann darüber nachzudenken, wie wir sie mit dem Rest der Welt teilen könnten, um andere Messherausforderungen zu lösen. Das hat mich dazu bewogen, mich tiefer mit dem Verständnis der Messtechnik auf einer sehr grundlegenden, wissenschaftlichen Ebene zu befassen.
Sie haben Liquid Instruments im Jahr 2014 gegründet, weil Sie über den Mangel an Innovation in der Test- und Messbranche frustriert waren. Welche Probleme gab es damals mit dem angebotenen Bausatz?
Es ist eine dieser Branchen, die sich seit vielen, vielen Jahrzehnten nicht verändert hat. Menschen, die in den 1970er oder sogar 1960er Jahren ein Oszilloskop benutzten, würden moderne Instrumente vertraut finden. Die Testgeräte hatten nicht mit der Art und Weise Schritt gehalten, wie wir mit der Technologie interagieren – es machte keinen Spaß, sie zu benutzen. So viele andere Branchen hatten ihre Produkte im Lichte moderner digitaler Technologien verbessert und angepasst. Mir wurde klar, dass sich ihr Leben im Labor verbessern würde, wenn wir die Interaktion der Menschen mit ihren Geräten verbessern würden.
Zu dieser Zeit verlagerte sich meine Gravitationswellenforschung weg von bodengestützten Detektoren wie LIGO hin zu weltraumgestützten Detektoren wie Lisa Pfadfinder. Das bedeutete, dass wir die Art und Weise, wie wir Messungen durchführten, ändern mussten. LIGO verfügt über etwa 100,000 Messkanäle und erfordert eine Armee von Doktoranden und Postdoktoranden, um es am Laufen zu halten. Das ist im Weltraum nicht möglich, daher bestand die Herausforderung darin, ein neuartiges Messsystem zu entwickeln, das man mit einer Rakete starten und ein Jahrzehnt lang fernbedienen konnte. Uns wurde klar, dass wir von einem physischen, fest verdrahteten Test- und Messansatz zu einem computerbasierten System mit intelligenter Software übergehen mussten.
Haben Sie damals angefangen, FPGA-Computerchips (Field Programmable Gate Array) zu verwenden?
Ja. Das Problem beim Versuch, Tests und Messungen mit einem herkömmlichen Computer durchzuführen, besteht darin, dass dieser nicht über die physischen Verbindungen zur realen Welt verfügt, die für genaue Messungen erforderlich sind. Aber es gab einen neuen Typ von Computerchip, von dem ich Ende der 1990er-Jahre am Caltech gehört hatte – den FPGA. Ein FPGA ist ein Computer, der im Bruchteil einer Sekunde komplett neu konfiguriert und verkabelt werden kann. Das FPGA schien eine nützliche Plattform zu sein, um die Welt der Computer mit der Welt der Hardware zu verschmelzen und etwas zu schaffen, das größer ist als die Summe seiner Teile.
Wir erkannten, dass wir das FPGA nutzen könnten, um einen großen Teil der herkömmlichen Instrumentierung zu ersetzen, darunter Oszilloskope, Spektrumanalysatoren, Signalgeneratoren und Lock-in-Verstärker. Es gibt Dutzende, vielleicht sogar mehr als 100 verschiedene Gerätetypen, die mit FPGAs erstellt werden können.
Moku-Pro kann viele Instrumente gleichzeitig betreiben sind in der Lage, miteinander zu kommunizieren
Welche Vorteile bietet der FPGA-Ansatz?
Wir hatten begonnen, FPGAs zu verwenden, um einen Phasenmesser für den LISA-Gravitationswellendetektor zu entwickeln. Aufgrund der Flexibilität haben wir uns nicht für eine FPGA-basierte Architektur entschieden. Wir haben uns damals dafür entschieden, weil wir nur so die von LISA geforderte Leistung erzielen konnten.
Wir erkannten jedoch schnell, dass wir das FPGA so umkonfigurieren konnten, dass es als Oszilloskop oder vielleicht als Spektrumanalysator funktioniert. Entscheidend ist, dass wir festgestellt haben, dass dieser Ansatz viele Vorteile hat. Das bedeutete, dass wir nicht mit den anderen Forschern in einem Labor, in dem wir nur einen Spektrumanalysator hatten, um die Ausrüstung kämpfen mussten. Dies bedeutete auch, dass wir Experimente aus der Ferne durchführen konnten, da wir zum Wechseln der Instrumente keine Kabel ein- oder ausstecken mussten.
Ein weiterer wichtiger Vorteil unseres FPGA-Ansatzes besteht darin, dass wir die Instrumente mithilfe von Software so anpassen konnten, dass sie genau das tun, was wir wollten. Wenn wir beispielsweise den Filter an unserem Lock-In-Verstärker wechseln wollten, mussten wir nicht den Karton aufbrechen und einen Lötkolben hervorholen.
Wir könnten mit einem einzigen Gerät eine enorme Vielfalt an Instrumenten erstellen. Und weil dieses Gerät unglaublich nützlich war, haben wir uns die Mühe gemacht, es auf höchstem Niveau zu entwickeln. Wir begannen, unsere Instrumente an unsere Kollegen auf der ganzen Welt zu verleihen, und stellten fest, dass sie sie niemals zurückgeben würden. Sie würden sich weigern, sie zurückzugeben. Und wir dachten: „Oh, das ist interessant.“
Haben Sie da das kommerzielle Potenzial des FPGA-Ansatzes erkannt?
Ja, unser softwaredefinierter Ansatz verschaffte uns Flexibilität, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit. Die Technologie entwickelte sich rasch weiter und mir war klar, dass sie in fünf oder zehn Jahren die Test- und Messbranche dominieren würde. Gleichzeitig konzentrierte sich die Computerbranche auf die Verbesserung des Benutzererlebnisses, und dadurch wurde uns klar, dass wir ein wirklich überzeugendes Produkt hatten.
Sie haben also 2016 Ihr erstes Produkt, Moku:Lab, auf den Markt gebracht. Wie war es?
Wir haben Moku:Lab als unser Minimum Viable Product veröffentlicht und hatten drei Instrumente darauf: ein Oszilloskop; ein Spektrumanalysator; und einen Wellenformgenerator. Heute können diese ersten Kunden 12 Instrumente betreiben, indem sie einfach eine App auf einem iPad aktualisieren. Dieser Ansatz wird im gesamten Technologiesektor immer üblicher – Produkte, die mit der Zeit besser werden. Dies ist anders als bei herkömmlichen Testgeräten, die nach dem Kauf nicht einfach aufgerüstet werden können.
Wie wurde Moku:Lab zum ersten Mal angenommen?
Als wir das Unternehmen gründeten, hatten mein Team und ich einen ziemlich guten Ruf in der Entwicklung von Instrumenten. Anstatt also abgetan zu werden, dachten die Leute: „Hinter Liquid Instruments stehen einige ziemlich ernsthafte Leute, und wenn sie denken, dass es eine gute Idee ist, dann lohnt es sich wahrscheinlich, einen zweiten Blick darauf zu werfen.“ Unser anfänglicher Ruf war auf dem Universitätsmarkt besonders stark, weil ich Professor für Physik an der ANU war, einer erstklassigen Universität.
Wir haben festgestellt, dass Experimentalphysiker und Ingenieure eine zukunftsorientierte Gruppe sind und bereit sind, neue Technologien auszuprobieren. Dies sind in der Regel die Menschen, die im Freundeskreis als Erste neue persönliche Technologien einführen – oder als Kind waren sie wahrscheinlich für die Programmierung des Videorecorder-Timers der Familie verantwortlich. Wir hatten in der Anfangszeit eine große Anzahl von Unterstützern, die sofort die potenziellen Vorteile unseres Ansatzes erkannten und erkannten, dass unser erster Versuch nicht perfekt sein würde.
Als wir in neue Märkte vordrangen, stellten wir fest, dass verschiedene Sektoren bei der Einführung neuer Technologien eine unterschiedliche Risikobereitschaft haben. Außerdem gibt es eine sehr interessante psychologische Seite, wenn Menschen mit neuen Technologien in Berührung kommen. Das haben wir herausgefunden, als wir die ersten neuen Instrumente für Moku:Lab herausgebracht haben – darunter ein Phasenmesser und ein Lock-in-Verstärker. Wir verkauften das Gerät damals für 5000 US-Dollar und hörten zwei sehr unterschiedliche Dinge. Die erste war: „Nun, ich benutze nicht alle diese Instrumente, also hätte ich gerne einen Rabatt.“ Eine zweite Gruppe von Leuten sagte zu uns: „Oh mein Gott, das ist einfach ein unglaublicher Wert.“ Wenn man wirklich alle diese Instrumente zu diesem Preis anbietet, können sie nicht sehr gut sein. Das muss alles Müll sein.“
Also haben wir am Ende eine günstigere Version von Moku:Lab gemacht, die über weniger Instrumente verfügte, und eine teurere Version, die jetzt mit 12 Instrumenten ausgestattet ist. Aus kommerzieller Sicht war dies eine der besten Entscheidungen, die wir getroffen haben.
Eine dieser Versionen ist für den Einsatz in Studentenlaboren konzipiert. Wie ist dieser Markt entstanden?
Uns ist aufgefallen, dass viele Leute das Original-Moku:Lab in Studentenlaboren nutzten, es jedoch nie wirklich für diese Anwendung konzipiert wurde – es war viel zu teuer und viel zu leistungsstark. Aber die Universitäten stellten fest, dass die Studenten es wirklich gerne nutzten. Sie empfanden die Nutzung als ansprechend, fesselnd und nicht einschüchternd, weil sie die Art und Weise ansprach, wie sie mit persönlichen Technologiegeräten interagierten. Ein weiterer Pluspunkt war, dass Moku:Lab die Messung im Labor vereinfachte und es den Schülern somit ermöglichte, sich auf die Konzepte zu konzentrieren, die sie lernen sollten.
Da die Originalversion jedoch zu teuer war, haben wir letztes Jahr Moku:Go herausgebracht. Es kostet rund 600 US-Dollar und ersetzt einen kompletten Labortisch für Studenten in einem typischen Elektrotechnik- oder Physiklabor. Es war ein echter Erfolg und wir haben in der Geschichte des Unternehmens bereits mehr Moku:Gos verkauft als Moku:Labs. Wir glauben, dass es das Potenzial hat, die wissenschaftliche Ausbildung auf der ganzen Welt zu demokratisieren und die Erfahrungen der Studierenden zu verbessern. Tatsächlich haben uns Studenten geschrieben, dass sie ihre Laborarbeit erst dann genossen oder verstanden hätten, als sie angefangen haben, Moku:Go zu verwenden – was sehr erfreulich ist.
Sie haben auch eine High-End-Version von Moku:Lab veröffentlicht
Seit 2016 haben wir viel Erfahrung gesammelt, wir sind ein viel größeres Unternehmen und wir haben viel mehr Ingenieurskompetenz im Team. Dadurch konnten wir unser neues Flaggschiffprodukt Moku:Pro auf den Markt bringen. Es ist das Produkt, das wir am Anfang gerne hätten herstellen können, aber es hat nur ein wenig Zeit gedauert, bis wir es geschafft haben. Es kann mit High-End-Instrumenten, einschließlich Oszilloskopen, mithalten und hat den Menschen wirklich gezeigt, was die Zukunft für Tests und Messungen bereithält.
Wir haben uns die Tatsache zunutze gemacht, dass FPGAs mit der Zeit immer größer werden. Moku:Lab wurde für den Betrieb als einzelnes Instrument konzipiert – und im besten Fall kann es in Zukunft möglicherweise mehrere Instrumente gleichzeitig betreiben. Der FPGA in Moku:Pro ist zehnmal so groß wie der Chip in Moku:Lab und das bedeutet, dass wir ihn in mehrere Abschnitte unterteilen können. Anstatt nur ein Instrument laufen zu lassen, können mehrere Instrumente gleichzeitig laufen.
Darüber hinaus können diese Instrumente über verlustfreie Signale mit hoher Bandbreite und geringer Latenz miteinander kommunizieren, die den Chip nie verlassen. Moku:Pro ist praktisch eine Alternative zu den großen PXI- und VXI-Systemen, die derzeit in High-End-Laboren sowie in Entwicklungs- und Fertigungsanlagen auf der ganzen Welt allgegenwärtig sind.
Eine weitere Neuheit für uns ist, dass Moku:Pro-Benutzer das FPGA mit ihren eigenen Instrumenten programmieren können, indem sie einfache Tools verwenden, die wir bereitstellen. Sie benötigen lediglich einen Webbrowser – es muss keine Software installiert werden – und Sie können Ihr eigenes Instrument von Grund auf erstellen und es dann in wenigen Minuten im Labor in Betrieb nehmen. Das hat den Menschen die Möglichkeit eröffnet, mit Moku:Pro genau die Messlösung zu entwickeln, die sie benötigen.
