Een python die model staat voor een robotarm, een inktvis voor een instrument op de operatietafel. Een mier als voorbeeld voor een vernuftig algoritme. Veel wetenschappers op de TU Delft laten zich inspireren door dieren.
Delen
Op de kamer van werktuigbouwkundige dr.ir. Paul Breedveld (sectie mens-machinesystemen, OCP) is de evolutie van zijn uitvinding goed te volgen: drie koffers staan in afnemende grootte in een hoek van zijn kamer. Breedveld is de bedenker van de stuurbare endoscoop, een instrument waarmee chirurgen via een gaatje in de buikwand ter grootte van een knoopsgat operaties kunnen uitvoeren. Zijn endo-periscoop helpt bij de dieptewaarneming en oog-handcoördinatie die bij dit soort laparoscopische chirurgie lastig is. Het is een dertig centimeter lange buis, met aan het einde een cameraatje. De laatste versie van het instrument heeft een diameter van slechts vijf millimeter.
Wat het ontwerp moeilijk maakt is dat de camera in een kleine ruimte helemaal rond moet kunnen draaien, zodat chirurgen in alle richtingen in de buikholte kunnen kijken. De instrumenten zijn daarom duur en lastig te hanteren. Om deze problemen op te lossen bestudeerde Breedveld de pijlinktvis. “Een inktvis heeft geen skelet. Toch kan het dier zich met zijn spieren voortbewegen, buigen en langer maken. Spieren kunnen alleen maar trekken, niet duwen. Daarom vroeg ik me af hoe de inktvis zijn tentakels kan verlengen, want eigenlijk is dat heel raar.”
Breedveld kende de publicaties van bioloog prof.dr.ir Johan van Leeuwen van de Universiteit van Wageningen. Van Leeuwen heeft onder andere modellen gemaakt van de tentakels van de inktvis. Ook maakt hij mechanische simulaties van andere zachte weefsels en spierstructuren, zoals de tongen van kameleons en slangen.
Het blijkt dat de tentakel van de inktvis een langwerpig zakje met spieren is met een constant volume. In de tentakel zitten kringspieren en lengtespieren. De inktvis kan de kringspieren aantrekken, waardoor de tentakel bij een constant volume langer en dunner wordt. Door het aanspannen van de lengtespieren wordt de tentakel weer korter en dikker.
Verder ligt een deel van de lengtespieren van de tentakel in afzonderlijke spiervezelbundels. Deze bundels liggen op een doorsnede van de tentakel in een krans. Deze ‘krans van kabels’, zoals Breedveld de spiervezelbundels interpreteert, gebruikte hij voor een nieuwe versie van de stuurbare endoscoop. “Ik wilde iets dat een paar millimeter dik is en tegelijk stuurbaar. Daarbij komt dat ‘kabelkransmechanisme’ goed van pas.” Inmiddels is op dit apparaat patent aangevraagd en brengt het bedrijf van de aan de TU Delft gepromoveerde dr.ir. Jules Scheltes het in productie. Breedveld is er trots op: “Het is zeldzaam dat wetenschappelijke ideeën hun weg vinden naar de industrie.”
Breedveld wil als werktuigbouwkundige ‘dingen maken die bewegen’. “Veel organismen in de natuur bewegen, voor mij is het vanzelfsprekend dat ik daar naar kijk. In de psychologie bijvoorbeeld kan ik de oplossing niet vinden.” De natuur is als een onontgonnen akker, vindt hij. “Ik zie nog veel mogelijkheden voor biologisch geïnspireerd ontwerp voor de medische technologie.”. Hij verwijst naar zijn nieuwste project: een darminspectierobot. Hiervoor liet Breedveld zich inspireren door menselijke gewrichten en de natuur waarin dieren met gemak door slijmerige omgevingen glibberen. Het prototype is in december klaar, maar hoe de robot precies werkt wil Breedveld nog niet kwijt. Want er zijn meer mensen geïnteresseerd in zijn uitvinding.
Sinds een aantal jaar is een nieuw vakgebied ontstaan dat wetenschappers biomimetics noemen, al spreekt Breedveld liever van bio-inspired. “Ik wil geen inktvistentakel namaken. Ik wil me erdoor laten inspireren, zodat ik simpele apparaten kan maken die nog niet bestaan.” Om de bio-inspiratie aan studenten werktuigbouwkunde over te dragen, wil Breedveld ze de mogelijkheid geven om in Wageningen af te studeren bij de experimental zoology-groep van Van Leeuwen.
Van Leeuwen denkt dat techneuten zijn onderzoek naar de tong van de python in de toekomst kunnen gebruiken. “Een python maakt ingewikkelde ruimtelijke bewegingen met zijn tong, die zowel zijn smaak- als reukorgaan is. Ingenieurs zouden die tong, waarin geen bot of gewricht zit, goed kunnen gebruiken voor robotarmen die nu nog stijf zijn vanwege de gebruikte scharnieren en materialen.” Wanneer de eerste werktuigbouwkundestudent voor een externe stage naar Wageningen afreist is nog niet bekend.
Stroperig
Dat luchtvaartingenieurs zich door vogels laten inspireren lijkt minder ver gezocht dan een werktuigbouwkundige die door een weekdier op nieuwe ideeën komt. Maar een fruitvlieg die het studieobject is van een luchtvaart- en ruimtevaarttechniekpromovendus is weer andere koek.
Toch bestudeert promovendus David Lentink van de leerstoel aërodynamica fruitvliegen. Lentink rekent aan de luchtwervelingen die deze vliegjes maken en stopt die in modellen met als doel zeer efficiënte onbemande miniatuurvliegtuigen te maken. Lentink doet onderzoek in Caltech (Californië) bij bioloog Michael Dickinson, een expert op het gebied van fruitvliegen en de luchtstroming rondom hun vleugels. Dickinson houdt in zijn laboratorium in Californië een honderd keer vergrote robotfruitvlieg in een bak met olie. Juist in olie, omdat de stroming zich dan net zo stroperig gedraagt als bij een echte fruitvlieg in de lucht.
Verder kijkt ir. Loek Boermans van het Aerodynamics Laboratory regelmatig naar vogels en vissen in de dierentuin om te zien hoe de natuur bepaalde aëro- of hydrodynamische problemen te lijf gaat. “Maar ik realiseer me goed dat andere factoren ook van levensbelang en daarom doorslaggevend kunnen zijn, zoals het opvouwen van vleugels bij vogels.”
Boermans ontwierp zo’n vijftien zweefvliegtuigen. Om een bepaald type stromingsprobleem op te lossen, rekende hij een halfjaar aan een nieuw idee. Dit leidde uiteindelijk tot een gebogen vleugel die lijkt op die van een albatros. Had hij die vleugel niet beter meteen bij het dier kunnen afkijken? “Dat zal ik nooit doen zonder het waarom te begrijpen”, zegt Boermans. “Nu weet ik waaróm de vleugel is gebogen. Dat heeft mij een halfjaar gekost, maar de natuur heeft er langer over gedaan.”
Het is dus niet altijd verstandig om naar het dierenrijk te kijken. Wel leidt het tot onverwachte uitvindingen. Want wie had ooit verwacht dat de oplossing voor het fileprobleem in het gedrag van mieren ligt? Tenminste, dat denkt informaticus, wiskundige en psycholoog drs.dr. Leon Rothkrantz van de basiseenheid mens-machnine-interactie (EWI).
De universitair hoofddocent is sinds zijn jonge jaren gefascineerd door mieren, die altijd de kortste route afleggen van hun nest naar een voedselbron. Hij pestte de mieren door af en toe de snelste route te blokkeren met stokken en stenen. Wat bleek: binnen de kortste tijd hadden de mieren opnieuw de snelste route gevonden. “Als kind dacht ik: mieren zien de kortste route. Later kwam ik erachter dat ze geuren ruiken. De mier die de kortste route kiest naar het eten, is het snelst terug bij het nest. Zijn geurspoor is daarom sterker dan dat van de mier die een langere route kiest en nog onderweg is. Een volgende mier kiest het sterkste geurspoor, waardoor het spoor nog sterker gaat ruiken, enzovoort.”
De geursporen van de mieren zorgen er dus voor dat succesvolle korte sporen (routes) veel worden gebruikt. Deze observatie gebruikte Rothkrantz om een algoritme of rekenprocedure te maken voor een dynamische routeplanner. Automobilisten met zo’n dynamische routeplanner laten via een satelliet aan een centrale weten waar ze zijn. De centrale berekent vervolgens voor de automobilist de drukte op de weg en bepaalt de snelste route. Momenteel wordt een computersimulatie gevoed met echte data uit het verkeer in Berlijn. Het systeem blijkt goed te werken.
Het voordeel van deze routeplanner – vergeleken met huidige routeplanners – is dat de dynamische routeplanner de autorijder niet meer de file instuurt: hij weet dat er een file staat en plant direct een nieuwe route.
Voor brandweermannen die in brandende gebouwen ontsnappingsroutes moeten weten is zo’n routeplanner trouwens ook handig. De brandweerman wordt gewaarschuwd om een andere route te nemen als hij een trap op wil die vanwege het puin niet toegankelijk is.
Volgens Rothkrantz is zijn ant base control-algoritme gebaseerd op simpel maar zeer efficiënt gedrag. “Je ziet vaak complexe dingen in de natuur, zoals een spinnenweb of een zwerm vogels die zonder te botsen overvliegt. Dat blijken simpele algoritmes. Een spin bedenkt van tevoren heus geen plan voor zijn web, hij gaat van knoop naar knoop. Vogels in een zwerm houden één buurman in de gaten, niet a’lle vogels om zich heen. Zelf heeft de vogel daar geen notie van, hij past alleen het simpele principe toe: houd je buurman in de gaten.”
Paul Breedveld liet zich voor zijn endo-periscoop inspireren door de inktvis. (Foto’s: XXXXX)
Ingenieurs zouden de tong van een python goed kunnen gebruiken voor robotarmen die nu nog stijf zijn vanwege de gebruikte scharnieren en materialen. (Foto’s: XXXXX)
David Lentink rekent aan de luchtwervelingen van fruitvliegjes om efficiënte onbemande miniatuurvliegtuigen te maken. (Foto’s: XXXXX)
Een stromingsprobleem bij zweefvliegtuigen leidde uiteindelijk tot een gebogen vleugel die lijkt op die van een albatros. (Foto’s: XXXX)
Wie had ooit verwacht dat de oplossing voor het fileprobleem in het gedrag van mieren ligt? (Foto’s: XXXXX)
De Aibo-hondjes van Sony, onder handen genomen door het Delftse Decis-team, kwamen dit voorjaar op de wereldkampioenschappen robotvoetbal in Portugal tot de kwartfinales. Volgens drs.dr. Leon Rothkrantz van de basiseenheid mens-machnine-interactie was deze prestatie te danken aan het feit dat de Delftse hondjes geluid en zicht wisten te combineren.
De volgende stap is een resque dog met een betere traptechniek. Hij heeft naast een camera en oren ook een rooksensor; een chemische neus. “Door al die modaliteiten te combineren kunnen we de honden inzetten als agressiedetector in treinen of in ziekenhuizen”, laat Rothkrantz weten.
Onderzoekers van de TU, de Universiteit van Amsterdam, TNO en Thales werken aan dit hondje in het Decis-laboratorium op het DelfTech-park in het kader van Interactive Collaborative Information Systems. Het eerste prototype wordt in augustus 2005 verwacht.
Op de kamer van werktuigbouwkundige dr.ir. Paul Breedveld (sectie mens-machinesystemen, OCP) is de evolutie van zijn uitvinding goed te volgen: drie koffers staan in afnemende grootte in een hoek van zijn kamer. Breedveld is de bedenker van de stuurbare endoscoop, een instrument waarmee chirurgen via een gaatje in de buikwand ter grootte van een knoopsgat operaties kunnen uitvoeren. Zijn endo-periscoop helpt bij de dieptewaarneming en oog-handcoördinatie die bij dit soort laparoscopische chirurgie lastig is. Het is een dertig centimeter lange buis, met aan het einde een cameraatje. De laatste versie van het instrument heeft een diameter van slechts vijf millimeter.
Wat het ontwerp moeilijk maakt is dat de camera in een kleine ruimte helemaal rond moet kunnen draaien, zodat chirurgen in alle richtingen in de buikholte kunnen kijken. De instrumenten zijn daarom duur en lastig te hanteren. Om deze problemen op te lossen bestudeerde Breedveld de pijlinktvis. “Een inktvis heeft geen skelet. Toch kan het dier zich met zijn spieren voortbewegen, buigen en langer maken. Spieren kunnen alleen maar trekken, niet duwen. Daarom vroeg ik me af hoe de inktvis zijn tentakels kan verlengen, want eigenlijk is dat heel raar.”
Breedveld kende de publicaties van bioloog prof.dr.ir Johan van Leeuwen van de Universiteit van Wageningen. Van Leeuwen heeft onder andere modellen gemaakt van de tentakels van de inktvis. Ook maakt hij mechanische simulaties van andere zachte weefsels en spierstructuren, zoals de tongen van kameleons en slangen.
Het blijkt dat de tentakel van de inktvis een langwerpig zakje met spieren is met een constant volume. In de tentakel zitten kringspieren en lengtespieren. De inktvis kan de kringspieren aantrekken, waardoor de tentakel bij een constant volume langer en dunner wordt. Door het aanspannen van de lengtespieren wordt de tentakel weer korter en dikker.
Verder ligt een deel van de lengtespieren van de tentakel in afzonderlijke spiervezelbundels. Deze bundels liggen op een doorsnede van de tentakel in een krans. Deze ‘krans van kabels’, zoals Breedveld de spiervezelbundels interpreteert, gebruikte hij voor een nieuwe versie van de stuurbare endoscoop. “Ik wilde iets dat een paar millimeter dik is en tegelijk stuurbaar. Daarbij komt dat ‘kabelkransmechanisme’ goed van pas.” Inmiddels is op dit apparaat patent aangevraagd en brengt het bedrijf van de aan de TU Delft gepromoveerde dr.ir. Jules Scheltes het in productie. Breedveld is er trots op: “Het is zeldzaam dat wetenschappelijke ideeën hun weg vinden naar de industrie.”
Breedveld wil als werktuigbouwkundige ‘dingen maken die bewegen’. “Veel organismen in de natuur bewegen, voor mij is het vanzelfsprekend dat ik daar naar kijk. In de psychologie bijvoorbeeld kan ik de oplossing niet vinden.” De natuur is als een onontgonnen akker, vindt hij. “Ik zie nog veel mogelijkheden voor biologisch geïnspireerd ontwerp voor de medische technologie.”. Hij verwijst naar zijn nieuwste project: een darminspectierobot. Hiervoor liet Breedveld zich inspireren door menselijke gewrichten en de natuur waarin dieren met gemak door slijmerige omgevingen glibberen. Het prototype is in december klaar, maar hoe de robot precies werkt wil Breedveld nog niet kwijt. Want er zijn meer mensen geïnteresseerd in zijn uitvinding.
Sinds een aantal jaar is een nieuw vakgebied ontstaan dat wetenschappers biomimetics noemen, al spreekt Breedveld liever van bio-inspired. “Ik wil geen inktvistentakel namaken. Ik wil me erdoor laten inspireren, zodat ik simpele apparaten kan maken die nog niet bestaan.” Om de bio-inspiratie aan studenten werktuigbouwkunde over te dragen, wil Breedveld ze de mogelijkheid geven om in Wageningen af te studeren bij de experimental zoology-groep van Van Leeuwen.
Van Leeuwen denkt dat techneuten zijn onderzoek naar de tong van de python in de toekomst kunnen gebruiken. “Een python maakt ingewikkelde ruimtelijke bewegingen met zijn tong, die zowel zijn smaak- als reukorgaan is. Ingenieurs zouden die tong, waarin geen bot of gewricht zit, goed kunnen gebruiken voor robotarmen die nu nog stijf zijn vanwege de gebruikte scharnieren en materialen.” Wanneer de eerste werktuigbouwkundestudent voor een externe stage naar Wageningen afreist is nog niet bekend.
Stroperig
Dat luchtvaartingenieurs zich door vogels laten inspireren lijkt minder ver gezocht dan een werktuigbouwkundige die door een weekdier op nieuwe ideeën komt. Maar een fruitvlieg die het studieobject is van een luchtvaart- en ruimtevaarttechniekpromovendus is weer andere koek.
Toch bestudeert promovendus David Lentink van de leerstoel aërodynamica fruitvliegen. Lentink rekent aan de luchtwervelingen die deze vliegjes maken en stopt die in modellen met als doel zeer efficiënte onbemande miniatuurvliegtuigen te maken. Lentink doet onderzoek in Caltech (Californië) bij bioloog Michael Dickinson, een expert op het gebied van fruitvliegen en de luchtstroming rondom hun vleugels. Dickinson houdt in zijn laboratorium in Californië een honderd keer vergrote robotfruitvlieg in een bak met olie. Juist in olie, omdat de stroming zich dan net zo stroperig gedraagt als bij een echte fruitvlieg in de lucht.
Verder kijkt ir. Loek Boermans van het Aerodynamics Laboratory regelmatig naar vogels en vissen in de dierentuin om te zien hoe de natuur bepaalde aëro- of hydrodynamische problemen te lijf gaat. “Maar ik realiseer me goed dat andere factoren ook van levensbelang en daarom doorslaggevend kunnen zijn, zoals het opvouwen van vleugels bij vogels.”
Boermans ontwierp zo’n vijftien zweefvliegtuigen. Om een bepaald type stromingsprobleem op te lossen, rekende hij een halfjaar aan een nieuw idee. Dit leidde uiteindelijk tot een gebogen vleugel die lijkt op die van een albatros. Had hij die vleugel niet beter meteen bij het dier kunnen afkijken? “Dat zal ik nooit doen zonder het waarom te begrijpen”, zegt Boermans. “Nu weet ik waaróm de vleugel is gebogen. Dat heeft mij een halfjaar gekost, maar de natuur heeft er langer over gedaan.”
Het is dus niet altijd verstandig om naar het dierenrijk te kijken. Wel leidt het tot onverwachte uitvindingen. Want wie had ooit verwacht dat de oplossing voor het fileprobleem in het gedrag van mieren ligt? Tenminste, dat denkt informaticus, wiskundige en psycholoog drs.dr. Leon Rothkrantz van de basiseenheid mens-machnine-interactie (EWI).
De universitair hoofddocent is sinds zijn jonge jaren gefascineerd door mieren, die altijd de kortste route afleggen van hun nest naar een voedselbron. Hij pestte de mieren door af en toe de snelste route te blokkeren met stokken en stenen. Wat bleek: binnen de kortste tijd hadden de mieren opnieuw de snelste route gevonden. “Als kind dacht ik: mieren zien de kortste route. Later kwam ik erachter dat ze geuren ruiken. De mier die de kortste route kiest naar het eten, is het snelst terug bij het nest. Zijn geurspoor is daarom sterker dan dat van de mier die een langere route kiest en nog onderweg is. Een volgende mier kiest het sterkste geurspoor, waardoor het spoor nog sterker gaat ruiken, enzovoort.”
De geursporen van de mieren zorgen er dus voor dat succesvolle korte sporen (routes) veel worden gebruikt. Deze observatie gebruikte Rothkrantz om een algoritme of rekenprocedure te maken voor een dynamische routeplanner. Automobilisten met zo’n dynamische routeplanner laten via een satelliet aan een centrale weten waar ze zijn. De centrale berekent vervolgens voor de automobilist de drukte op de weg en bepaalt de snelste route. Momenteel wordt een computersimulatie gevoed met echte data uit het verkeer in Berlijn. Het systeem blijkt goed te werken.
Het voordeel van deze routeplanner – vergeleken met huidige routeplanners – is dat de dynamische routeplanner de autorijder niet meer de file instuurt: hij weet dat er een file staat en plant direct een nieuwe route.
Voor brandweermannen die in brandende gebouwen ontsnappingsroutes moeten weten is zo’n routeplanner trouwens ook handig. De brandweerman wordt gewaarschuwd om een andere route te nemen als hij een trap op wil die vanwege het puin niet toegankelijk is.
Volgens Rothkrantz is zijn ant base control-algoritme gebaseerd op simpel maar zeer efficiënt gedrag. “Je ziet vaak complexe dingen in de natuur, zoals een spinnenweb of een zwerm vogels die zonder te botsen overvliegt. Dat blijken simpele algoritmes. Een spin bedenkt van tevoren heus geen plan voor zijn web, hij gaat van knoop naar knoop. Vogels in een zwerm houden één buurman in de gaten, niet a’lle vogels om zich heen. Zelf heeft de vogel daar geen notie van, hij past alleen het simpele principe toe: houd je buurman in de gaten.”
Paul Breedveld liet zich voor zijn endo-periscoop inspireren door de inktvis. (Foto’s: XXXXX)
Ingenieurs zouden de tong van een python goed kunnen gebruiken voor robotarmen die nu nog stijf zijn vanwege de gebruikte scharnieren en materialen. (Foto’s: XXXXX)
David Lentink rekent aan de luchtwervelingen van fruitvliegjes om efficiënte onbemande miniatuurvliegtuigen te maken. (Foto’s: XXXXX)
Een stromingsprobleem bij zweefvliegtuigen leidde uiteindelijk tot een gebogen vleugel die lijkt op die van een albatros. (Foto’s: XXXX)
Wie had ooit verwacht dat de oplossing voor het fileprobleem in het gedrag van mieren ligt? (Foto’s: XXXXX)
De Aibo-hondjes van Sony, onder handen genomen door het Delftse Decis-team, kwamen dit voorjaar op de wereldkampioenschappen robotvoetbal in Portugal tot de kwartfinales. Volgens drs.dr. Leon Rothkrantz van de basiseenheid mens-machnine-interactie was deze prestatie te danken aan het feit dat de Delftse hondjes geluid en zicht wisten te combineren.
De volgende stap is een resque dog met een betere traptechniek. Hij heeft naast een camera en oren ook een rooksensor; een chemische neus. “Door al die modaliteiten te combineren kunnen we de honden inzetten als agressiedetector in treinen of in ziekenhuizen”, laat Rothkrantz weten.
Onderzoekers van de TU, de Universiteit van Amsterdam, TNO en Thales werken aan dit hondje in het Decis-laboratorium op het DelfTech-park in het kader van Interactive Collaborative Information Systems. Het eerste prototype wordt in augustus 2005 verwacht.
Comments are closed.