Nieuw horlogemechanisme uit één stuk

Innovatie tot in de winkel

De Delftse onderzoeker en ondernemer Nima Tolou is trots op een nieuwe ontwikkeling in het hart van mechanische horloges; hij gebruikte zijn kennis van elastische mechanismen en MEMS-technologie voor het ontwikkelen van een horloge met een compleet nieuw tijdmechanisme in een hecht team met de LVMH Watch Division (TAG Heuer/Zenith) en Flexous, de Delftse start-up die hij oprichtte met natuurkundige en ondernemer Oleg Guziy. Daarnaast werkt hij momenteel aan een andere innovatie; een apparaatje dat trillingen omzet in gratis stroom.

Nima Tolou

“Een innovatie is voor mij pas af wanneer de vondst in de echte wereld werkt. Buiten het lab dus”, verduidelijkt hij. Want de alledaagse praktijk blijkt vaak weerbarstig. Er duiken onverwachte problemen op die zelfs de prachtigste innovaties laten sneuvelen. De mooie vinding belandt dan slechts in de archieven van de wetenschap. Netjes beschreven in een paper of patent. Dat is belangrijk maar voor Tolou niet genoeg. “Als kind maakte ik zelf mijn speelgoed. Op school in Iran won ik regelmatig prijzen voor mijn creaties. Ik ben een denker, een ontwerper, maar zeker ook een maker.” En wie kunnen een product beter ontwikkelen dan degenen die aan de wieg ervan staan? Zij kennen en begrijpen de technologie als geen ander, is Tolou’s overtuiging. “Bij het horloge zijn we meerdere keren opnieuw begonnen met ontwerpen. Maar je geeft niet snel op als je overtuigd bent dat er een oplossing bestaat. Het vertrouwen dat het kán werken, is heel belangrijk in de ontwikkeling.”

“Ik ben een ontwerper, maar zeker ook een maker”

Flexibel
Sinds Christiaan Huygens in 1675 de pendule bedacht, is het regelmechanisme in horloges sterk geminiaturiseerd, maar het principe is altijd gelijk gebleven. De pendule in de klok, of de balansveer in een horloge, zorgt dat de wijzers de juiste tijd aangeven. Maar Tolou zag, in samenwerking met de LVMH Watch Division en Flexous, een alternatief. Veruit de meeste mechanische systemen bestaan uit harde materialen, vaak metalen. Denk aan tandwielen, assen of lagers. Tolou en zijn onderzoeksteam zijn juist gespecialiseerd in micro-mechanismen die flexibele, elastische componenten bevatten (compliant micro mechanisms). Materie dus die meegeeft, buigt, trilt of vibreert. Het team ontdekte dat een enkel cirkelvormig onderdeel met ingewikkeld gevormde uitsparingen diverse functies kan combineren waar een conventioneel horloge 30 onderdelen voor nodig heeft. Deze nieuwe aanpak, gepaard aan slim gebruik van het niet-lineaire karakter van elastische mechanismen, leidde tot een innovatief mechanisch systeem dat nauwkeuriger en tegelijkertijd energiezuiniger is. 

Groot voordeel: met moderne productietechnieken uit de micro-elektronica kan zo’n klokmechanisme grotendeels uit één stuk worden ‘gegoten’: simpel, klein, slijtvast en robuust. Tolou was overtuigd dat je dit compliant micro mechanisme kunt toepassen in een horloge. Maar wie durft zo’n ‘wild idee’ te realiseren? Mechanische horlogemakers gaan juist vaak prat op hun klassieke vakmanschap. Het Delftse team, Flexous en de LVMH Watch Division kregen het voor elkaar na 3 jaar samengewerkt te hebben. LVMH introduceerde het nieuwe horloge op 14 september 2017 onder de naam ‘Zenith Defy Lab’ als ’s werelds meest nauwkeurige mechanische horloge. 

Zenith Defy Lab Watch With 15Hz Movement Is 'World's Most Accurate' | aBlogtoWatch

Tegelijkertijd werd er een reeks wetenschappelijke publicaties uitgebracht. Het onderzoek leverde algemene kennis op over het nauwkeurig beheersen van trillingen in elastische mechanismen. Behalve de wetenschappelijke publicaties heeft dit werk ook geleid tot de toekenning  van twee Best Paper awards op internationale conferenties in Frankrijk (MARSS) en de Verenigde Staten (ASME IDETC).

Gratis stroom
Een tweede vinding van de Delftse onderzoeker komt eraan: een energy harvester. Een apparaatje dat energie oogst wanneer het trilt door een langsrijdende auto bijvoorbeeld of doordat het op een machine staat. De crux van de uitvinding zit ook weer in het gebruik van zeer kleine flexibele componenten die het apparaat gevoelig maken voor lage frequenties en onregelmatige trillingen. Tolou: “Het gaat om een massa aan een speciaal ontworpen elastisch materiaal. Die massa komt in beweging door trillingen en die beweging zetten we vervolgens om in stroom.”

Het prototype oogt als een dikke klassieke batterij (maatje D). “Maar dan een die zichzelf oplaadt”, zegt Tolou. De energy harvester kan sensoren van stroom voorzien en data laten verzenden. En zulke sensoren komen er steeds meer. De wereld telt er over een paar jaar al twintig miljard is de verwachting. Tolou: “We verbinden tegenwoordig alle apparatuur met elkaar: het Internet of Things. Onze omgeving wordt steeds interactiever.”

Sensoren die hun energie halen uit trillingen hebben geen stekker. Hun batterij gaat ‘eeuwig’ mee. Dat maakt het gebruik een stuk goedkoper. Zeker in vijandige omgevingen of op lastig bereikbare plekken waar het verwisselen van batterijen lastig of duur is.  

Tolou’s energy harvesters zijn daarom handig om bewegende objecten te volgen: zeecontainers, schapen in de bergen of je gestolen fiets. Maar denk ook aan het detecteren van bosbranden of het geluid van illegale kettingzagen diep in het regenwoud. Je hangt de sensor gewoon aan een hangende tak. Tolou hoopt vooral de wereld een stukje veiliger, efficienter en productiever te maken. Sensoren op rails of treinwielen die automatisch waarschuwen dat er een trein in aantocht is. En veel meer sensoren op industrieterreinen. “Als sensoren goedkoop zijn en zelfstandig functioneren, plak je ze op elke opslagtank, leiding, pomp of afsluiter.” Oververhitting wordt dan tijdig gesignaleerd en onderhoud gebeurt op basis van metingen in plaats van jaarlijkse cycli. “Je doet dat bovendien allemaal met energie die anders verloren gaat”, vertelt Tolou. Gratis en milieuvriendelijke elektriciteit dus. De hoeveelheid stroom uit zijn energy harvester is echter beperkt, maximaal 10-20 milliwatt. Tolou: “Zeker te weinig om je mobiel op te laden. Je zou dan je rugzak moeten volladen met harversters. Dat is natuurlijk ondoenlijk.”

Dankzij de onstuitbare opmars van sensoren is omgevingsenergie oogsten ondertussen een hot onderzoeksveld met veel concurrentie. Wat maakt juist de vondst van Tolou kansrijk? “Onze energy harvester kan snelle én langzame trillingen omzetten in stroom. Bij veel andere systemen moeten de trillingen binnen een bepaalde bandbreedte zitten. Maar bij ons maakt het niet uit of je bijvoorbeeld hard of langzaam over een klinkerweg fietst.” Ook hier is het de combinatie van grondige wetenschap, namelijk het VENI project van Tolou, met zijn drive om innovaties tot aan producten door te zetten, die de doorbraak heeft gegenereerd.

Gat
Tolou werkt aan nieuwe producten met het spin-off bedrijf Flexous dat hij begin 2014 oprichtte met collega natuurkundige en ondernemer Oleg Guziy. Tolou is technisch adviseur, Guziy CEO. De divisie die zich richt op het vermarkten van de motion energy harvester is Kinergizer gedoopt. “Flexous overbrugt het gat tussen academie en productie. Als je je idee via een patentlicentie de wijde wereld instuurt, kost het jaren voordat er daadwerkelijk een product is. Werk je als uitvinder, als fundamenteel onderzoeker, mee aan de ontwikkeling dan kan het sneller, in twee à drie jaar. Maar bovenal wil ik er zelf bij zijn, zelf meedenken en doen. Het proces is minstens zo boeiend als het eindresultaat.”

Tolou bewees dat in ieder geval met de huidige producten. Wat wordt zijn volgende project? “Waar ik mijn onderzoek  vooral op richt zijn autonome systemen: zelfredzame elektronica. Apparaten die zelfstandig waarnemen en vervolgens op hun omgeving reageren. En dat kunnen ze dankzij een energy harvester.

Nima Tolou (1982) studeerde Applied mechanical design in Iran. Sinds 2008 werkt hij aan de TU Delft; eerst als promovendus, inmiddels als universitair docent. “Ik wilde verder in het onderzoek, maar de mogelijkheden in Iran waren beperkt.” Tolou zocht een universiteit van naam op het gebied van toegepast onderzoek. Hij zoekt actief partners in het bedrijfsleven om onderzoeksresultaten en vindingen met een eigen team om te zetten in producten. 

 

/* */