Dutch language English language

Voorproefjes - Moeder natuur als ingenieur (nr. 2/2006)

 

Van boomblad tot botstructuur, van tentakels tot vogelvlucht... De natuur staat bol van de concepten die zo geniaal zijn dat ingenieurs er enkel van kunnen dromen. Wetenschappers proberen uit alle macht de natuurlijke principes te ontrafelen. Industriële toepassingen zijn legio.

Nienke Beintema

“Kijk, het concept is simpel maar verbazend handig,” zegt prof. dr. John Videler. Hij houdt een model omhoog dat bestaat uit twee licht naar elkaar toe gebogen staven, die aan de punten aan elkaar vast zitten en door een tiental dwarsbalkjes onderling zijn verbonden. “Als ik de rechterkant omhoog beweeg, buigt het hele ding naar links. En andersom.” Enthousiast beweegt hij de constructie een aantal keren heen en weer.

Videler, hoogleraar experimentele mariene zoölogie aan de Rijksuniversiteit Groningen, baseerde zijn model op vinstralen van vissen. Vinstralen zijn de harde sprieten in een vin. Door spieren aan de basis van de vinstralen aan te spannen kan een vis zijn vinnen bewegen. “Houd je dit ding horizontaal, dan heb je een ontwerp voor een ingenieuze vliegtuigvleugel,” zegt hij. “Tijdens de vlucht is de vleugel recht, maar bij het opstijgen en landen zorgt een sterke kromming voor voldoende liftkracht. Het uitschuiven van die enorme flappen is dan onnodig.”

Een soort hobby

Concepten uit de natuur dienen al sinds mensenheugenis als voorbeeld voor technologische ontwerpen. Leonardo da Vinci liet zich door vogels en vleermuizen inspireren bij het ontwerpen van zijn futuristische vliegmachines, en Gustave Eiffel baseerde zijn Eiffeltoren op de interne structuur van de menselijke heup. De laatste decennia hebben steeds meer principes uit de natuur een technologische toepassing gekregen. De natuur, zo realiseren we ons, heeft ontelbare concepten voortgebracht die alles overtreffen wat mensen ooit zouden kunnen bedenken. Door miljoenen jaren van natuurlijke selectie zijn alleen de meest vernuftige en efficiënte oplossingen overgebleven. Likkebaardend proberen ingenieurs, wetenschappers en het bedrijfsleven de natuurlijke principes toe te passen.

“Je komt hiervoor vaak de termen biomimicry en biomimetica tegen,” zegt Videler, “maar die leggen erg de nadruk op het nabootsen van de natuur.” Zelf spreekt hij liever van bionica – een samengaan van biologie en techniek. “Je kunt de natuur wel willen kopiëren, maar waar het om gaat is dat je precies begrijpt hoe iets werkt. Je moet de principes tot in detail hebben ontrafeld voor je er op een zinnige manier iets mee kunt.”

Videler en zijn collega dr. Eize Stamhuis zijn samen al jaren bezig met het uitpluizen van natuurlijke mechanismen. “Het is een soort hobby van ons,” lacht Stamhuis. “We zijn nu zelfs aan het kijken of we hier in Groningen niet een nieuwe studierichting bionica kunnen opzetten: een soort combinatie van biologie, biomedische technologie, technische natuurkunde en materiaalkunde. In Duitsland bestaat die studierichting al en daar is die mateloos populair.”

Baggertanden

De beide biologen publiceerden revolutionaire inzichten in het zwemmen van vissen, het vliegen van vogels en het kruipen van kreeften. Videlers ontdekkingen over het knagen van slakken kregen in 2004 zelfs een plekje in het VPRO-programma ‘Dat willen wij ook’, een achtdelige serie over bionica. “We hadden ontdekt hoe het kan dat de tanden van slakken nooit afbreken,” vertelt Videler. “Die kennis kan interessant zijn voor de baggerindustrie: die gebruikt ronddraaiende boorkoppen met tanden die wél regelmatig afbreken.”

Een slakkentong is bezaaid met een groot aantal tandjes. Daarmee schraapt de slak algen van de ondergrond af. Sommige slakken kunnen er zelfs laagjes rots mee afschrapen, of gaten knagen in harde schelpen. De tandjes, die ongeveer een tiende millimeter groot zijn, zijn oersterk en onverslijtbaar. Videler: “De truc is dat die tanden licht gekromd zijn. Daardoor worden de krachten zodanig over de tanden verdeeld dat de basis, die het breedst is, de meeste kracht opvangt.” De tanden van een boorkop van een baggermachine zijn daarentegen recht. De punt krijgt het daardoor naar verhouding het zwaarst te verduren en breekt snel af. Videler adviseerde de fabrikanten de tanden krom te maken. “Maar daar wilden ze niet aan,” vertelt hij. Ten eerste omdat ze dan hun mallen zouden moeten vervangen, en ten tweede omdat ze vervolgens veel minder tanden zouden verkopen. “Ze zeiden: waarom zouden we? Deze tanden gaan lekker snel kapot, dus we verkopen ze aan de lopende band. Dat was dus echt een zelfzuchtige kortetermijnredenering. Als ze hadden gewild, hadden ze een wereldwijd patent kunnen aanvragen en uiteindelijk veel meer kunnen verdienen.”

Soms werkt het echter andersom: dan komt een fabrikant uit zichzelf naar de wetenschappers toe. Dat gebeurde onlangs naar aanleiding van een veelbesproken publicatie van Videler, Stamhuis en de Leidse gierzwaluwexpert David Povel in Science (december 2004), die de heersende ideeën over het vliegen van vogels op losse schroeven zette. Men ging er altijd vanuit dat een vogel - net als een vliegtuig - in de lucht blijft doordat de lucht aan de bovenkant van de gewelfde vleugel sneller stroomt dan die aan de onderkant. Daardoor ontstaat een luchtdrukverschil, dat de vogel omhoog trekt. “Dat verklaart echter onvoldoende hoe een vogel in de lucht kan blijven als zijn snelheid bijna nul is, bijvoorbeeld bij het landen,” stelt Videler. De Groningers ontdekten dat de scherpe voorrand van het handgedeelte van een vogelvleugel een spiraalvormige luchtwervel opwekt die de vogel omhoog trekt, ook bij zeer lage snelheden. “Niet lang daarna kregen we een telefoontje van een fabrikant van stabilisatoren van schepen. Stabilisatoren zijn een soort vinnen aan weerszijden van de onderkant van een schip. De fabrikant had in de krant over onze publicatie gelezen en vroeg: mag ik eens komen praten?” Zijn vinnen werkten minder goed dan verwacht, en hij wilde weten waarom. Stamhuis en Videler gingen aan de slag en testten verschillende modellen in hun laboratorium. Stamhuis: “Het werd snel duidelijk dat de oorspronkelijke vorm niet optimaal was. We willen nu modellen gaan maken die op gierzwaluwvleugels lijken. Hopelijk levert dat stabilisatoren op die ook werken als het schip stilligt.”

Marskruipers en -vliegers

Stamhuis richt zich vooral op voortbeweging bij geleedpotigen. “We gebruiken een onderwatertredmolen om te bestuderen hoe kreeften precies lopen,” vertelt hij. “We brengen de looppatronen in beeld als functie van de snelheid. Net zoals een paard verandert een kreeft bij een bepaalde snelheid zijn gang. Het patroon is alleen ingewikkelder, want een kreeft heeft acht looppoten in plaats van vier.” Juist vanwege die acht poten is een kreeft een vernuftig voertuig. Hij beklimt moeiteloos allerlei oneffenheden op de zeebodem. Efficiënte voortbeweging in een ruige omgeving met verminderde zwaartekracht: volgens Stamhuis is het een concept dat vraagt om toepassing in de ruimtevaart.

En inderdaad, geleedpotige Marsvoertuigen zijn een realiteit. Het European Space Agency (ESA) werkt met een krekelrobot van slechts vijf centimeter lang die zelfstandig het oppervlak van een planeet kan onderzoeken. Een schorpioenrobot voor extra onregelmatig terrein is in de maak. ESA’s kreeftrobot, ideaal in ondiep water, wordt op Aarde ingezet bij het ruimen van mijnen in rivieren en havens.

Ook de potentie van andere natuurlijke concepten is de ruimtevaartindustrie niet ontgaan. ESA heeft zelfs een aparte afdeling, op Nederlandse bodem, die zich specifiek bezighoudt met bionica ten bate van de ruimtevaart. “Inzichten uit de biologie zijn voor ons heel interessant,” zegt dr. Carlo Menon van ESA in Noordwijk. “De ruimte is een onbekende en onherbergzame omgeving die vraagt om robuustheid en aanpassingsvermogen. Waar kun je dan beter naar ideeën zoeken dan in de dierenwereld? Dieren zijn als geen ander aangepast aan hun omgeving.”

In samenwerking met universiteiten in heel Europa onderzoeken de ESA-wetenschappers een breed bionisch spectrum. Zo bestuderen ze de principes van winterslaap in de hoop dat ze ooit het metabolisme van astronauten tijdens lange ruimtereizen kunnen vertragen. Die zullen dan minder water en voedsel nodig hebben. “Verder werken we aan biomimetische manieren van horen, zien, voelen en communiceren,” vertelt Menon. “We bestuderen neurale netwerken en kijken naar zwermgedrag, zoals mieren die hun weg zoeken, termieten die een heuvel bouwen en vissen die in een school zwemmen.” Ook is ESA geïnteresseerd in de ingenieuze manier waarop een boomblad is opgebouwd en opgevouwen in een knop, en hoe een insectenvleugel zich ontvouwt vlak nadat het insect uit zijn cocon is gekropen. Met die kennis kan ESA wellicht in de toekomst slimme uitvouwbare satellietpanelen maken.

Een ander mooi voorbeeld is de Tumbleweed Rover, een bolvormig Marsvoertuig dat metingen uitvoert terwijl het door de wind wordt voortgedreven. Voor dit voertuig stond een plant model: stekend loogkruid, in het Engels tumbleweed. Na het bloeien breekt deze bolvormige struik aan de basis af, waarna hij kilometerslang door de wind wordt meegevoerd en zo zijn zaden verspreidt.

Ook de serie voertuigen naar geleedpotig voorbeeld groeit gestaag. De eerste prototypes van de Robofly, een klein, zelfstandig vliegend spionagerobotje, zijn al werkelijkheid. ESA werkt als ultiem project zelfs aan een Entomopter-voertuig dat kan lopen, kruipen én vliegen.

Rotatiesystemen

“De grootste uitdaging bij dit soort voertuigen is het maken van bruikbare gewrichten,” vertelt Menon. “Eigenlijk is er geen enkel ontwerp dat zo goed werkt als een gewricht van een insect of een zoogdier.” Zoogdiergewrichten zijn niet alleen gemaakt van superieure materialen, zoals bot, kraakbeen, pezen en smeervloeistoffen, maar ze hebben ook een unieke geometrische opbouw. Van wervel tot elleboog, van heup tot knie: ieder type rotatie is mogelijk. ESA bestudeert tot in detail hoe de delen zijn gevormd, hoe ze ten opzichte van elkaar bewegen en hoe krachten worden overgebracht en versterkt.

ESA’s gewrichten gebruiken kunstmatige spieren. Die bestaan uit elektro-actieve polymeren: een soort plastics die kunnen uitzetten, krimpen of van vorm veranderen onder invloed van een elektrische stroom. “De mogelijkheden zijn nog lang niet uitgeput,” zegt Menon, “vooral als je niet alleen kijkt naar standaardgewrichten, maar ook naar andere systemen die een rotatie mogelijk maken. Denk maar aan het lichaam van een regenworm of de slurf van een olifant.”

Het voordeel van dergelijke gespierde slierten is dat ze werkelijk alle kanten op kunnen bewegen en zelfs onder de meest onmogelijke hoeken heel gerichte krachten kunnen uitoefenen. Dat gegeven is niet alleen aantrekkelijk voor de ruimtevaart, maar ook voor bijvoorbeeld chirurgen die kijkoperaties uitvoeren. Die willen graag organen aan alle kanten kunnen bekijken en precisie-ingrepen kunnen uitvoeren zonder de hele buikholte te hoeven openleggen. Ingenieurs proberen daarom extreem flexibele endoscopen te ontwerpen.

Wegwerp-endoscoop

Dr. ir. Paul Breedveld, werktuigbouwkundige aan de TU Delft, is zo’n endoscoopbedenker. “Mijn ontwerpen zijn zuiver mechanisch,” vertelt hij. “De uiteinden zijn niets anders dan flexibele veren. Met kabeltjes die in de lengterichting van zo’n veer lopen, kan ik de veer alle kanten op trekken.” De veren van zijn eerste prototypen bestaan uit platte stalen ringetjes die zigzag op elkaar zijn gelast. De besturingskabeltjes lopen door gaatjes in die ringetjes. “Het probleem is dat deze prototypen te dik zijn. Wil je de doorsnede reduceren tot anderhalve millimeter, waar we voor catheter- of microchirurgietoepassingen uiteindelijk naartoe willen, dan wordt de constructie zo minutieus dat het maken ervan veel te duur is.” En dat wil Breedveld voorkomen: hij wil dat zijn endoscoop zo goedkoop is dat hij als wegwerpinstrument kan dienen. De onderdelen van een mechanische flexibele endoscoop zijn namelijk zeer lastig afzonderlijk te steriliseren na een operatie.

Tijdens het halen van een kopje koffie kwam Breedveld tot zijn eureka. “Ik had ooit, voor een ander project, toevallig iets gelezen over de opbouw van een inktvistentakel,” vertelt hij. “Die werkt met een ingenieuze combinatie van kring- en lengtespieren. De lengtespieren liggen niet alleen in een dunne laag aan de buitenkant van de tentakel, maar ook in afzonderlijke spierbundels binnenin. Op een doorsnede liggen die bundels in een krans. Ik zag daarin opeens een oplossing voor mijn probleem.” Breedveld ontwierp een nieuw prototype, dit keer vijf millimeter in doorsnee, bestaande uit een gewone spiraalveer met een iets kleinere spiraalveer er binnenin. In de ruimte tussen de twee veren legde hij 22 staalkabels in de lengterichting van de veren. “Doordat de kabels precies tussen de beide veren passen, en tegen elkaar aan liggen,” vervolgt hij, “kunnen ze niet zijwaarts alle kanten op floepen. Je hebt dus geen gaatjes in platte ringetjes meer nodig om ze op hun plek te houden. Je kunt gewoon standaardveren gebruiken. Die zijn goedkoop, en je kunt ze bijna zo klein maken als je maar wilt.” Binnenkort zet Breedveld een nieuw prototype in elkaar met een doorsnede van 1,3 millimeter. Een speciaal daarvoor opgericht bedrijf van de TU Delft commercialiseert het gepatenteerde kabelkransmechanisme, en de ‘grote’ medische industrie staat te trappelen.

Graag zou Breedveld de inktvistentakel nader bestuderen. Van de anatomie is gek genoeg nog maar weinig bekend. “Sommige tentakels lopen bijvoorbeeld taps toe. Ik vraag me af of de spierbundels dunner worden, of dat ze niet allemaal tot het einde doorlopen,” mijmert hij. “Er zit vast een slimmigheid achter die ik zou kunnen gebruiken.” En hiermee houdt zijn bionische interesse. Hij ontwierp al een darminspectieinstrument dat door een darm beweegt als een menselijke pees door een peesschede. En ook Breedveld gaat zijn studenten binnenkort cursussen bio-inspired design aanbieden.

“De natuur heeft veel vernuftige oplossingen voortgebracht,” besluit hij, “maar mensen kunnen er ook wat van. Natuurlijke concepten zijn niet altijd beter. Het is de kunst het beste van de natuur te combineren met het beste van de technologie.”

Zoöloog Videler blijft intussen vurig hopen dat de vliegtuigindustrie enthousiast wordt voor een vleugel die een spiraalvormige wervel opwekt. “Wat we nodig hebben zijn vliegtuigen die niet zo hard gaan. Langzaam vliegen kan ook heel prettig zijn. En soms zelfs handiger dan dat gejakker de hele tijd.” Voor waarnemingen doen of opnamen maken kun je immers beter langzaam vliegen. Zelf droomt hij nog altijd van grote, lichtgewicht vleugels die hij aan zijn schouders kan bevestigen. De eerste stap is gezet: hij gaat vlieglessen nemen in een ultralight vliegtuigje.

Dit is het eerste deel in een tweedelige serie over bionica; klik hier voor het artikel over bionische materialen.


< Terug naar de voorproefjes
Copyright © 2010 - Alle rechten voorbehouden - Webdesign Laurens Mast Freelance Webdesign