Een kleine hoeveelheid vloeistof is niet niks

‘Hoe doseer je precies 0,000000000000001 liter vloeistof via een holle naald? We hebben een eerste stap gezet door onze expertise in het ontwerpen van micro/nanosystemen en besturingstechniek bij elkaar te brengen.’

Hun kantoren in de Afd. Precision and Microsystems Engineering zijn maar een paar meter van elkaar verwijderd, toch werken Dr. Murali Ghatkesar en Dr. Hassan HosseinNia in totaal verschillende gebieden binnen de werktuigbouwkunde. Ghatkesar, expert in micro/nanotecniek, bouwt bijvoorbeeld innovatieve systemen die de kleinst denkbare druppels produceren voor allerlei futuristische toepassingen. HosseinNia, expert in besturingstechniek, laat bijvoorbeeld grootschalige systemen met uiterste precisie bewegen. Het cohesiefonds maakte het mogelijk dat zij de handen ineensloegen en elkaars taal leerden. ‘We wilden een besturingssysteem ontwikkelen om het afgeven van druppels met volumes van maar een femtoliter te automatiseren.’ Hun wens om te komen tot een besturingssystematiek die makkelijk aangepast kon worden aan verschillende omstandigheden zorgde ervoor dat Dr. Simone Baldi (Delft Centre for Systems and Control), expert in adaptieve besturingstechniek, aan het team werd toegevoegd. Gezamenlijk noemen de drie onderzoekers het project een ‘casestudy in mechatronisch ontwerpen’ en hopen ze dat de veelbelovende resultaten de weg vrijmaakt voor toekomstige onderzoeksvoorstellen.

Murali Ghatkesar

Hassan HosseinNia

Simone Baldi

Taalbarrière
‘We moesten eerst een zekere taalbarrière overwinnen,’ vertelt Ghatkesar. ‘Ik legde het concept van mijn zogenaamde femtopipet uit, een bladveer met een holle naald die met een nauwkeurigheid van minder dan een micrometer (een miljoenste meter) gepositioneerd kan worden en een femtoliter vloeistof produceert, wat overeenkomt met een kubieke micrometer. Ik dacht dat dat voldoende was om mijn collega’s het besturingssysteem te laten ontwerpen, maar zo werkt dat niet. Er waren enkele weken van discussies nodig om een gemeenschappelijke basis te vinden: we moesten eerst een model van het systeem ontwikkelen, en precies vastleggen wat de fysische eigenschappen, de parameters en de verbanden tussen de parameters waren. Als ingenieur denk ik meestal niet in termen van modelparameters over de technologie die ik ontwikkel.’ De definitie van het model bracht de disciplines bij elkaar.

‘We moesten eerst een zekere taalbarrière overwinnen. Er waren enkele weken van discussies nodig om een gemeenschappelijke basis te vinden. De definitie van het model bracht de disciplines bij elkaar.’   

Biopsie van een enkele cel
Er zijn veel mogelijke toepassingen voor een pipetsysteem dat druppels van een femtoliter produceert. ‘Stel je een femtopipet voor die een druppel fluorescerende markeringsvloeistof op een levende cel deponeert en een bepaald onderdeel eruit haalt op basis van die markering. Zo’n gereedschap zou onderzoekers helpen om te doorgronden hoe het complexe systeem van het leven werkt, doordat ze kunnen inzoomen op de elementaire bouwsteen ervan –de cel– en de verschillende structuren kunnen onderzoeken die het bevat. ‘De enige manier om zo’n biopsie van een enkele cel succesvol uit te voeren is door de hoeveelheid vloeistof die afgegeven of opgezogen wordt te kunnen beperken. Te veel zou de cel beschadigen.’ Voor deze en andere toepassingen is het essentieel om de hoeveelheid vloeistof die door de pipet wordt verplaatst precies in de hand te hebben.

 Veel parameters
En dus moesten de onderzoekers eerst een model bedenken voor hoe de dosering van de vloeistof afhangt van de verschillende parameters. Om het nog complexer te maken, waren er veel parameters: de eigenschappen van het oppervlak waar de druppel op wordt gedeponeerd, de materiaaleigenschappen en afmetingen van de holle naald, de viscositeit en dichtheid van de vloeistof, enzovoorts. Om de rol van elke parameter duidelijk te krijgen, werden er een boel experimenten met een boel pipetten gedaan. ‘De femtopipetten worden gemaakt met behulp van technieken afkomstig uit de productie van microchips, wat nogal een duur proces is,’ legt Ghatkesar uit. Als gevolg hiervan was er binnen het budget van het cohesieproject alleen nog ruimte om een afstudeerder Ghatkesar en HosseinNia te laten ondersteunen bij het werk. ‘Gelukkig vonden we Drs. Xi Cao, die erg goed was in zowel de natuurkundige als de besturingstechnische aspecten. Het was een perfect project voor hem.’ En een succesvol project, gezien de presentatie die Cao mocht geven op het prestigieuze wereldcongres van de International Federation of Automatic Control (IFAC). De resultaten werden goed ontvangen en gepubliceerd als conferentiebijdrage.

 ‘De resultaten werden goed ontvangen en gepubliceerd als conferentiebijdrage’    

Iteratieve-adaptieve-fractionele besturing
Nadat ze een beeld hadden gekregen van de fysica die een rol speelt, ontwierpen HosseinNia en Baldi een besturingsschema. Ze bedachten een integrale benadering waarin (1) een besturingslus het systeem iteratief laat leren door de beoogde en gerealiseerde hoeveelheden vloeistof met elkaar te vergelijken, (2) een adaptieve besturing het iteratieve proces stabiliseert en aanpast aan verschillende experimentele omstandigheden, en (3) de besturingslus zogenaamde fractionele-orde eigenschappen heeft om het proces beter bestand te maken tegen ongewenste verstoringen. HosseinNia is met name enthousiast over dit derde onderdeel. ‘De overgrote meerderheid van besturingssystemen die industrieel gebruikt worden, zijn van een eenvoudig lineair type. Daar waar betere prestaties nodig zijn, zoals een betere nauwkeurigheid of hogere snelheid, worden de besturingssystemen zo gecompliceerd dat het praktisch gebruik afschrikt. De fractionele-orde benadering is zeer veelbelovend omdat het een middenweg vormt tussen goede prestaties en compatibiliteit met industriestandaards.’ Hij vervolgt: ‘De combinatie van adaptieve en fractionele-orde besturing is een theoretische innovatie die nog niet eerder is toegepast op praktische systemen. Ons cohesieproject is de eerste.’

 ‘De combinatie van adaptieve en fractionele-orde besturing is een theoretische innovatie die nog niet eerder is toegepast op praktische systemen. Ons cohesieproject is de eerste.’

Het volgende op de agenda
Al geeft Ghatkesar aan dat ze nog niet klaar zijn, hij kijkt terug op een vruchtbaar project. ‘Ik vond het absoluut een prettige samenwerking.’ Voor besturingstechnologen HosseinNia en Baldi had het project verrassingen in petto. ‘We zijn gewend te werken met veel grotere systemen. Door naar zulke kleine schalen te gaan, wordt de situatie veel complexer en problematischer.’ HosseinNia voegt hieraan toe: ‘In zeker zin maakte het me trots om een experimentele besturingstechnoloog te zijn. Het project bevestigt dat besturingstheorie niet zomaar toegepast kan worden op de praktijk, het vereist een diepe duik in de experimentele realiteit.’ Hoewel het cohesieproject is afgelopen en hun afstudeerstudent promovendus is geworden bij de Technische Universiteit Eindhoven, gaat de samenwerking door. Het testen van hun nieuw-ontwikkelde besturingssystematiek is het volgende op de agenda van Ghatkesar, HosseinNia en Baldi.


Dr. Hassan HosseinNia (Afd. Precision and Microsystems Engineering) promoveerde cum laude in elektrotechniek, met een specialisatie in geautomatiseerde sturing, aan de Universiteit van of Extremadura, Spanje. Hij heeft ook een industriële achtergrond door zijn werk bij ABB in Zweden. In 2014 werd hij benoemd als onderzoeker en universitair docent aan de TU Delft. Zijn werkt richt zich op precisie-mechatronisch systeemontwerp, nauwkeurige bewegingssturing en mechatronische systemen met gedistribueerde actuatoren en sensoren.

Dr. Murali Ghatkesar (Afd. Precision and Microsystems Engineering) promoveerde summa cum laude aan de Universiteit van Basel in Zwitserland. Daarna werkte hij onder andere aan CalTech en de Universiteit van Virginia in de VS. Als onderzoeker en universitair docent ‘Micro and Nano Engineering’ aan de TU Delft ontwikkelt hij gereedschappen gebaseerd op micro- en nanotechnologie die kunnen bijdragen aan het oplossen van intrigerende problemen in de biologie en chemie en aan het ontrafelen van mysteries van de natuur op de kleinste lengteschalen. 

Dr.ir. Simone Baldi (Delft Centre for Systems and Control) promoveerde in 2011 aan de Universiteit van Florence. Daarna werkte hij als postdoc in Griekenland en Cyprus. Sinds 2014 is hij onderzoeker en universitair docent (tenure-track) aan het Delft Centre for Systems and Control. Zijn belangrijkste onderzoeksinteresses liggen op het gebied van besturingstheorie en omvatten adaptieve besturing, adaptieve optimalisatietechnieken om grootschalige systemen te besturen, en switching supervisory control met meerdere modellen.