Student werkt met het Virtual Laser Lab terwijl de docent meekijkt via de pc

Probleem

Op de campus van de Technische Universiteit Eindhoven bevindt zich een laserlab, waar studenten en onderzoekers werken met krachtige lasers. Maar gebruik maken van dit lab gaat niet zomaar. Om veiligheidsredenen moet elke student eerst een certificaat behalen, en dan nog mogen ze alleen onder begeleiding in het laserlab werken. Naast de derdejaars bachelorstudenten en eerste- en tweedejaars masterstudenten maken ook promovendi en onderzoekers gebruik van het laserlab. Het aantal mensen dat tegelijk in het lab kan werken, is daarnaast beperkt. Dr. Richard Engeln, universitair hoofddocent op het gebied van plasma & materials processing aan de TU/e, gebruikt het laserlab zowel voor zijn eigen onderzoek als bij een nieuw door hem ontwikkeld vak. Zich bewust van de uitdagingen op gebied van capaciteit en bovenal veiligheid van het werken in het laserlab, zocht hij een oplossing. Richard: ‘Om studenten veilig met deze apparatuur te laten werken, zag ik alleen VR als oplossing. Daarnaast zou het starten van het nieuwe vak betekenen dat er nog eens 25 studenten gebruik moesten maken van het laserlab, dat eigenlijk al constant in gebruik is. Het Virtual Laser Lab zou de capaciteit enorm uitbreiden, maar de belangrijkste reden om voor een VR-oplossing te kiezen was de inherente veiligheid er van.’

Screenshot van het Virtual Laser Lab  met v.l.n.r. de werktafel, laser, opslagmodule en optics dispenser.

Ontwikkeling
Richard klopte in oktober 2017 aan bij VR Lab en legde zijn vraag voor. Kon VR Lab een virtueel laserlab ontwikkelen, waar studenten zonder training veilig konden experimenteren met lasers? Pascal Cramer, VR-ontwikkelaar en mede-eigenaar bij VR Lab nam de uitdaging aan. Eerst werd er een pilot gebouwd, waarin studenten zich in het virtuele laser lab bevinden. Daar konden ze een laser aan- en uitzetten, verschillende optieken op een tafel zetten en de positie en hoek van de optieken aanpassen. De baan van de laser wordt door de optieken gemanipuleerd, om tenslotte in een sensor terecht te komen, waarna een display de reistijd van de laserstraal van bron tot sensor in nanoseconden weergeeft. Dat moest allemaal geprogrammeerd worden. Pascal: ‘We moesten nadenken over verschillende dingen. Wat moet er virtueel nagebouwd worden om het doel te bereiken? Hoe moet het programma zich gedragen? Hoe gedragen optieken zich? Hoe gedraagt laserlicht zich? Welke fysica zit er achter? Welke metingen moeten we kunnen verrichten? Dit en meer moesten we verwerken en coderen in het stuurprogramma van de VR applicatie. Ik heb affiniteit met natuurkunde, maar ik ben natuurlijk geen specialist. Daarom was de samenwerking met TU/e zo belangrijk.’ De fysica achter het laserlicht en optieken werd geleverd door TU/e, waarna de theorie door VR Lab in het programma gecodeerd werd. Begin 2018 was de pilot klaar om getest te worden. Studenten kregen de opdracht om de reistijd van de laser met een specifiek aantal nanoseconden te verlengen, daarbij gebruik makend van zo min mogelijk optieken. Richard: ‘De pilot was direct een succes. De studenten konden direct aan de slag, zonder uitleg van tevoren. Ik zag dat mijn studenten in hun enthousiasme langer bezig waren met de materie; ze vonden het zelfs jammer dat ze er maar een half uur mee konden werken. In het onderwijs is dat een grote winst: hoe langer een student actief bezig is met de materie, hoe beter het beklijft. In de eerste applicatie hadden de studenten beschikking over verschillende spiegel- en prismaoptieken, maar zij vroegen al snel zelf om uitbreiding van het aantal optieken in het virtuele lab! Omdat ik zag hoe populair en succesvol de applicatie was bij studenten, wilde ik zelf ook meer opdrachten kunnen doen met het Virtual Laser Lab.’ Richard ging terug naar VR Lab en vroeg hen om de bestaande applicatie uit te breiden. In 2019 was de eerste uitbreiding gereed. Op basis van de feedback en ideeën van docent èn studenten werd het Virtual Laser Lab uitgebreid  met meer optieken om ook andere opdrachten te kunnen doen, een module om labopstellingen te kunnen opslaan en laden en een zogenaamde ‘optics dispenser’ waarmee de gebruiker zelf uit de beschikbare optieken kan kiezen (in de eerste applicatie kon de docent een van de 2 voorgeprogrammeerde optieksets klaarzetten).

Met de interface aan de muur kan de student de optics dispenser bedienen

Richard:’De optics dispenser is het enige wat niet in het echte lab te vinden is. In het echte lab liggen de optieken in ladekastjes, maar om dat ook zo te programmeren zou het onnodig gecompliceerd maken. Verder is het Virtual Laser Lab qua look en feel vrijwel hetzelfde. De virtuele tafel is iets kleiner dan de fysieke tegenhanger en eerlijk gezegd is het virtuele lab een stuk minder rommelig dan mijn echte lab, hahaha’.

Uitdagingen en oplossingen
Het Virtual Laser Lab moet een volwaardig alternatief zijn voor studenten om bepaalde opdrachten uit te voeren. Het ontwikkelen van een virtuele versie van zulke hoogwaardige en tot op de nanoseconde precieze apparatuur bracht verschillende uitdagingen met zich mee.
Een van de lastigste uitdagingen was het programmeren van de optieken. Richard: ‘Je moet de laser als een streep zien. Wanneer de streep een optiek raakt, wordt deze streep gemanipuleerd door dat optiek; bij een spiegel verandert het van richting, bij een prisma splitst de streep zich en deze strepen gaan verder in verschillende richtingen. Hoe elk optiek de laserbaan manipuleert, is ook nog eens afhankelijk van de plek waar de laser de optiek raakt. De laser kan het optiek raken in het midden, aan de rand, vanuit een specifieke hoek, enzovoort. Al met al zijn er dus heel veel zaken die invloed hebben op de laserbaan’ Al deze variabelen moesten in het programma worden gecodeerd. ‘Ik liet mijn studenten een formuleblad opstellen,’ vertelt Richard verder. ‘Waarin alle formules voor de geplande virtuele optieken en hun verschillende variabelen waren uitgeschreven.’
Een andere grote uitdaging in de ontwikkeling was de interactie met de optieken. Pascal: ‘We moesten een User Interface (UI) ontwikkelen dat het niet alleen mogelijk maakte om optieken op de tafel te plaatsen, maar ook om de positie van de optieken met grote precisie aan te passen. Dit moest gebeuren binnen de beperkingen van de HTC Vive controller. Na verschillende manieren getest te hebben, hebben we nu een UI ontwikkeld dat intuïtief werkt.’

Met de HTC Vive controller kunnen de optieken op tafel geplaatst en met precisie gemanipuleerd worden

Ook al is het virtuele lab inherent veilig, moesten de studenten zich gedragen alsof ze in het echte lab werken. Naast de realistische ‘look and feel’ van het lab, de optieken en het gedrag van de laser, werd er ook rekening gehouden met de veiligheidsvoorschriften zoals deze in het echte lab ook gelden. Pascal: ‘Eén van de veiligheidsregels die we hebben ingebouwd is dat studenten de optieken niet kunnen verplaatsen als de laser aan staat.’
Samenwerking

Drs. Pascal Cramer, VR Lab (l) en Dr. Richard Engeln, TU/e (r)

Op de vraag wat de belangrijkste factor voor het succes van het Virtual Laser Lab is, antwoorden zowel Pascal als Richard eensgezind: de goede samenwerking. Pascal: ‘Dit project is echt een samenwerking tussen TU/e en VR Lab. Niet alleen leverden zij de benodigde data en formules, maar ook constante feedback. Zo konden we al vroeg in het traject bijvoorbeeld kleine rekenfoutjes bij de gecodeerde fysica van de optieken herstellen en de VR ervaring steeds verder verbeteren voor de eindgebruikers.’ Richard: ‘In de samenwerking met VR Lab vind ik de korte lijntjes erg prettig. Ik heb steeds dezelfde persoon aan de lijn, waardoor we beiden precies weten waar we het over hebben en over hebben gehad. Ik merkte dat Pascal ook affiniteit met natuurkunde had, wat de communicatie vergemakkelijkte. Dit hielp zeer bij het verwerken van de onderliggende fysica in de VR applicatie. Ik zie het Virtual Laser Lab dan ook niet als iets wat VR Lab voor ons gemaakt heeft, maar samen met ons gemaakt heeft.’

Vooruitblik

Met de pilot en de daaropvolgende uitbreidingen is de samenwerking tussen TU/e en VR Lab nog niet ten einde. De coronacrisis en daaropvolgende sluiting van de TU brachten zowel uitdagingen als kansen voor het Virtual Laser Lab met zich mee. Richard: ‘De huidige toepassing werd op de universiteit gebruikt, en ik kon meekijken met studenten terwijl ze bezig waren. Door de sluiting van de universiteit wegens corona is dit niet meer mogelijk.’ VR Lab werkt nu aan een mogelijkheid waardoor Richard of een andere docent vanuit thuis kan meekijken met studenten en dat studenten thuis kunnen werken met de applicatie. Pascal: ‘Momenteel moet de VR-bril verbonden zijn met een pc met daarop de benodigde software. We gaan werken aan een toepassing voor een stand-alone VR-bril. Zo kan de student een VR bril lenen van de universiteit om thuis aan de slag te gaan.’
Maar dat is niet het enige wat er nog aan uitbreidingen in het verschiet ligt voor het Virtual Laser Lab. Richard: ‘Ik wil studenten niet alleen laten werken met laserlicht en optieken. Een onderdeel van mijn nieuwe vak is spectrumanalyse. Ik wil iets waardoor studenten virtueel stikstofmoleculen kunnen meten met een laser en een spectograaf.  Het is niet mogelijk om 25 studenten dat allemaal te laten doen in het echte lab.’
De TU heeft daarnaast ook gevraagd om enkele aanpassingen. Een docent zet opdrachten klaar in een webportal. In dat portal kan de student zich voorbereiden en aantekeningen maken en na het practicum leveren ze het eindverslag via het portal in. Pascal: ‘Straks kunnen studenten informatie en hun eigen aantekeningen uit het portal oproepen in de virtuele labomgeving en de instellingen opslaan. Daarnaast kan de student foto’s maken van de opstelling. Deze foto’s kunnen door de docent bekeken worden en voorzien worden van feedback. De student kan de foto’s ook gebruiken in het eindverslag.

Wordt het Virtual Laser Lab straks door alle TU’s gebruikt? Pascal: ’De simulatie is nu volledig afgestemd op de opdrachten die TU/e heeft ontwikkeld bij het laser lab en de daarvoor benodigde optieken. Maar de basis en know-how is er, en het Virtual Laser Lab uitbreiden naar een ‘volledig lab’ met alle optieken en geschikt maken voor meerdere universiteiten, is dan een kleine stap.’

Kijk voor meer informatie over het Virtual Laser Lab op: www.vr-lab.nl/virtual-laser-lab