Check out our science

Discover the stories of researchers at the
Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering.

3D-printing en origami

Image reproduced by permission of Shahram Janbaz from Materials Horizons, 2016 DOI: 10.1039/C6MH00195E De nieuwste botprotheses rollen uit een 3D-printer. Precies op maat en met holtes waarin eigen bot groeit. Maar het kan nog beter, nog natuurlijker, denkt onderzoeker Amir Zadpoor. Met origami van biomateriaal. De chirurg stapt even opzij. Een scanner zoeft zachtjes over en rond de patiënt op de operatietafel. In de hoek komt een apparaat tot leven, dat even later een plaatje met kleine en grote perforaties en ‘rafels’ uitspuugt. Het valt in een bakje met vloeistof. Langzaam zwelt en ontvouwt het zich en krijgt uiteindelijk precies de dimensies van het gat dat de chirurg zojuist maakte om een grote bottumor te verwijderen. Die klikt de prothese snel op de juiste plek. Zo stelt Amir Zadpoor van de TU Delft zich de toekomst voor. “De botprothese bestaat uit een poreus, gelaagd materiaal dat probleemloos hecht aan het eigen bot,” voorspelt hij. “En het groeit snel vol met nieuw, gezond, stevig bot zodat het als twee druppels water op echt bot lijkt, en levenslang meegaat.” Dat is nu nog toekomstmuziek, maar ook een logisch vervolg op wat er al kan in de kliniek: meer eigen bot behouden dankzij implantaten op maat uit de 3D-printer. Sander Dijkstra, orthopedisch chirurg in het LUMC, gebruikt soms al geprinte implantaten. “Jonge mensen met een tumor in het dijbeen kan ik nu vertellen dat ze wellicht weer kunnen rennen na de operatie.” Hij hoeft namelijk niet het hele kniegewricht weg te nemen zoals voorheen. “Laatst vertelde een patiënt dat hij weer hardloopt. Geweldig toch, daar doe je het voor.” Poreus De geprinte protheses die Dijkstra gebruikt, zijn nu gedeeltelijk poreus. Dat is mede dankzij het werk van materiaalkundige Zadpoor: “Met de 3D-printer kun je eenvoudig een poreuze prothese maken die toch stevig is. Zo’n implantaat heeft een veel groter oppervlakte. Dat betekent dat een antibacteriële laag op de buitenzijde veel effectiever is. Maar nog belangrijker: in die holtes kan eigen bot groeien. Dat zorgt voor betere hechting en extra stevigheid.” En dat is welkom, want bijna een op de zeven implantaten moet opnieuw worden vervangen, weet Dijkstra. “Implantaten kunnen na verloop van tijd losraken én ze slijten. Zeker jonge patiënten lopen daarom kans dat hun prothese vervangen moet worden.” Additively manufactured (3D printed) porous biomaterials aimed for bone tissue regeneration manufactured at the Additive Manufacturing Laboratory, TU Delft (Medical Delta © de Beeldredacteur). Als 3D-geprinte protheses langer meegaan, waarom worden dan niet alle implantaten geprint? Zadpoor: “Een geprinte prothese is relatief duur. Bij het maken zijn nu nog veel specialisten nodig. Ik verwacht dat de kosten nog flink naar beneden zullen gaan de komende jaren. Dan zouden ook standaardimplantaten inderdaad uit de 3D-printer kunnen komen.” Toch verwacht hij nog niet snel 3D-geprinte heupprotheses op de markt. “Dat is zo’n geperfectioneerd product met weinig complicaties, dan moet het voordeel groot en overtuigend bewezen zijn. Dat vergt eerst langetermijnonderzoek.” Schouderblad Dijkstra plaatst op dit moment “eens in de vier maanden” een geprinte prothese. Want het is zeker geen standaardoperatie. De orthopeed is een van de pioniers. De 3D-printer staat ook nog niet in de operatiekamer, maar bij een gespecialiseerd bedrijf: Implantcast (Duitsland). Dijkstra: “Ik maak een botscan en bepaal welk gedeelte van het been echt weg moet. In een speciaal computerprogramma ontwerpen we dan een precies passend opzetstuk dat net boven de knie komt. Die koppelen we met een standaardpin aan het gezonde bovenste deel van het dijbeen.” Het hele proces van eerste ontwerp tot operatie duurt nu zeven weken. Arts en ingenieur ontwerpen in nauw overleg over de beste oplossing voor die ene patiënt. Die krijgt in die tussentijd een chemokuur om mogelijke uitzaaiingen te bestrijden. De groep patiënten waar het om gaat -jonge mensen met ernstige bottumoren- is gelukkig klein. En de techniek komt vooralsnog alleen in beeld als een standaardprothese geen goede oplossing biedt. Dijkstra verving zo ook al eens een half schouderblad en een deel van een bekken - botten waarvoor geen standaardprotheses bestaan. Dijkstra: “Een nieuw product betekent altijd een risico. Er kan een onverwacht nadeel opduiken, ook op lange termijn. Dat besef ik als arts terdege. We behandelen eerst de groep die er het meest baat bij 3D-geprinte protheses heeft. En volgen hen langdurig en nauwkeurig.” Van alle 3D-geprinte implantaten die Dijkstra gebruikt, wordt bijvoorbeeld ook een kopie geprint. In het laboratorium in Delft testen onderzoekers wat er misschien nog beter kan. Origami Om de geprinte prothese nog beter met het lichaam te laten vergroeien, wil materiaalkundige Zadpoor eigenlijk het ‘onmogelijke’ realiseren. Sinds een jaar of tien is duidelijk dat een bepaald oppervlaktepatroon op implantaten de aangroei van botcellen stimuleert. Waarschijnlijk lijkt dit patroon op het natuurlijk oppervlak van bot en nestelen botvormende cellen er daarom graag op. Zadpoor wil protheses maken waarbij dit patroon ook in de poriën zit. Maar het gaat hier om een nanopatroon: ribbels ter grootte van een paar duizendste millimeter. Zadpoor: “Zo’n nanotopografie kun je maken met technieken uit de chipindustrie, maar alleen op vlakke oppervlakten. De techniek is dus eigenlijk niet te combineren met 3D-printen.” Met ‘zelfvouwende materialen’ wil de onderzoeker dit dilemma oplossen. “Denk aan origami”, begint Zadpoor zijn uitleg. “Daar begin je met een vlak stuk papier, maar het resultaat is een heel complex gevouwen vorm.” Het idee is om vlakke structuren te printen en daar vervolgens het juiste nanopatroon op aan te brengen. Daarna volgt een vouwtruc. Het geprinte materiaal bestaat uit laagjes passieve en actieve polymeren. Die krimpen of zwellen wanneer de temperatuur stijgt, als ze in water belanden of als er licht op schijnt. Zadpoor: “Wij combineren ze zo dat vlakke vormen zichzelf kunnen uitvouwen of vanzelf oprollen.” Self-folding origami Miljoenen De Europese Unie beloonde Zadpoors idee in 2015 een beurs van 1,5 miljoen euro (ERC-grant). De eerste zichtbare resultaten zijn er nu: een trap wordt onder water een DNA-streng en een raamwerk krimpt ineen tot ‘kippengaas’. Maar hoe leidt dit fraaie origamiwerk nu tot een poreus implantaat met nanopatroon waarmee Dijkstra zijn patiënten kan helpen? Zadpoor: “Wij laten nu de principes zien waarmee 2D-vormen zichzelf kunnen opvouwen tot 3D-structuren. Dat is fundamenteel onderzoek. Het is nu een kwestie van flink knutselen om er uiteindelijk echte implantaten met levenslange garantie mee te maken.” Self-twisting of DNA-inspired constructs Om dat einddoel te bereiken werkt Zadpoor samen met verschillende ziekenhuizen in en buiten de regio, met grote en kleine bedrijven en is deelnemer aan grote, internationale onderzoeksprojecten zoals het onlangs gestarte miljoenenproject PRosPERoS ( PRinting PERsonalized orthopaedic implantS ). Zijn lab in Delft is een belangrijk knooppunt in de ontwikkeling van nieuwe biomedische materialen. Toch had Zadpoor nu ook bij SpaceX of Boeing kunnen werken. Hij promoveerde in de Lucht- en Ruimtevaarttechniek. “Ik heb zes jaar geleden heel bewust de switch gemaakt van vliegtuigmaterialen naar biomaterialen. Want niets is uiteindelijk mooier dan te helpen om mensen beter te maken.” Lees hier het persbericht. Nederlandse media Door origami geïnspireerd botherstel Nemo Kennislink, 25 oktober 2016 Origami en 3D-printen voor zelfbouwende materialen De Ingenieur, 22 oktober 2016 TU Delft gebruikt origami voor 3d-objecten met oppervlaktepatroon Bits & Chips, 24 oktober 2016 TU Delft combineert 3D-printen met orgimami-technieken voor implantaten ICT & Health, 1 november 2016 3D-printen en origami bij ontwikkeling zelfvouwende medische implantaten (video) Engineersonline.nl, 23 oktober 2016 Zelfvouwend origami-botweefsel uit de 3D-printer BNR radio, 24 oktober 2016 Zelfvouwende medische implantaten door 3D-printen en origami Nano House, 30 oktober 2016 Kennis van Nu, 2 maart 2017: Internationaal 3-D printing and origami techniques combined in development of self-folding medical implants Phys.org, 21 oktober 2016 TU Delft researchers pioneer self-folding medical implants using 3D printing and origami techniques 3ders.org, 24 oktober 2016 3D Printing and Origami Could Yield Self-Folding Medical Implants Engineering.com, 24 oktober 2016 Self folding medical implants 3dprint.com 3D PRINTING & ORIGAMI TECHNIQUES FOR MEDICAL IMPLANTS 3dprintersonlinestore.com, 2-11-2016 3d-printing and origami techniques combined development self folding medical implants ECNmag.com http://it.sohu.com/20161029/n471739916.shtml http://md.tech-ex.com/engineering/2016/47549.html Bio Focus: Nanopatterned self-folding origami may open up new possibilities in tissue engineering MRS Bulletin, 28 november 2016 Bio Focus: Nanopatterned self-folding origami may open up new possibilities in tissue engineering MRS Bulletin, 7 november 2016 Shape Memory Polymers to Create Origami-like Biomplants EdgyLabs, 8 november 2016 3D printanje i origami tehnike u kombinaciji razvoja samosklopivih medicinskih implantata Skala.ba, 6 november 2016 TU Delft researchers develop self-twisting of DNA-inspired constructs (VIDEO) 4dpmmconference.com, 26 oktober 2016 Amir Zadpoor

Weefsels lezen met licht

Bij kanker-operaties is het uiteraard zaak dat een tumor volledig verwijderd wordt. Om dit zo goed mogelijk te doen baseert de chirurg zijn operatieplan op beelden die tijdens de diagnostische fase gemaakt worden met beeldvormende technieken. Tijdens de operatie is hij dan grotendeels aangewezen op zijn zintuigen. Volgens Benno Hendriks, deeltijdhoogleraar Optics for minimally invasive instruments bij de TU Delft en Research Fellow bij Philips Research in Eindhoven, kan dit beter. Te vaak blijft een stukje aangetast weefsel achter of is gezond weefsel beschadigd door de operatie. Dit kan leiden tot her operaties, extra behandelingen en slechtere patiëntuitkomsten. Meer terugkoppeling tijdens de operatie kan uitkomst bieden. Hoe? Volgens Hendriks door de toevoeging van optische terugkoppeling in medische instrumenten. Eenvoudig gezegd draait dat om het herkennen van weefsels met behulp van licht. Verschillende moleculen absorberen en zenden licht uit op verschillende golflengtes. Wij zien dat als kleur; daarom is bloed bijvoorbeeld rood en vetweefsel geel. “Met spectroscopie kijken we naar die kleuren van het licht aan de hand van die golflengtes. Daarmee kunnen we nauwkeuriger onderscheid maken dan het oog kan”, zegt Hendriks. Biopsienaalden van glasvezeltechnologie Dat fenomeen heeft hij de afgelopen jaren onder meer toegepast om biopsienaalden van optische terugkoppeling te voorzien. Hendriks legt uit: “Als je bijvoorbeeld een biopt moet nemen in een long, dan beweegt die tijdens de procedure door de ademhaling. Dus hoe nauwkeurig je vooraf gemaakte röntgen- of MRI-beelden ook zijn, er blijft kans op onnauwkeurigheid tijdens het plaatsen van die naald.” Om dat te verhelpen, hebben Hendriks en zijn collega’s biopsienaalden van glasvezeltechnologie voorzien. “De uiteinden van de glasvezels komen op de tip van de naald. Eén glasvezel fungeert als lampje en schijnt licht het weefsel in; een andere glasvezel neemt het licht dat door het weefsel gegaan is weer op en dat signaal wordt naar een detector gestuurd”, legt hij uit. Op die manier kan worden uitgelezen of het om normaal of afwijkend weefsel gaat. Tenminste, dan moet natuurlijk wel eerst duidelijk zijn hoe je normaal en afwijkend weefsel van elkaar onderscheidt. Daar is heel wat onderzoek aan vooraf gegaan. “Ik heb in ziekenhuizen allerlei weefsels in verschillende situaties gemeten”, vertelt Hendriks. “Om te beginnen op de pathologieafdeling met weefsels afkomstig van patiënten.” Hij werkte hier onder ander voor samen met het Nederlands Kanker Instituut. Gewapend met de kennis over het weefsel moest vervolgens de technologie in de biopsienaalden worden verwerkt. “Dat is nog best complex, omdat het een bewegend systeem is. De laatste stap in de ontwikkeling is dan dat je je instrument in de praktijk valideert.” Marktintroductie Na al die stappen in de ontwikkeling is het aan het bedrijfsonderdeel – van Philips of een andere onderneming – om te kijken of het de juiste tijd is voor de marktintroductie. Geld speelt daarbij uiteraard een rol. Hendriks deed bijvoorbeeld ook onderzoek naar de mogelijkheden voor een vergelijkbaar systeem voor weefselherkenning bij regionale anesthesie. “Bij regionale anesthesie moet je de naald heel dicht bij de zenuw brengen. Zit je er te ver vandaan, dan werkt het niet. Doe je het op de verkeerde plek, dan kun je de zenuw beschadigen”, vertelt hij. Spectroscopische beeldherkenning van het zenuwweefsel zou daar goed bij kunnen helpen. “Maar een anesthesienaald is een vrij goedkoop hulpmiddel. Er zit altijd een grens aan wat de technologie mag kosten. Als zo’n anesthesie- of biopsienaald door de innovatie te duur wordt, zal die toch niet gebruikt gaan worden.” Slim chirurgisch mes Hoewel het misschien lijkt of nieuwe technologie vooral kosten toevoegt, kunnen er in werkelijkheid juist veel medische en maatschappelijke kosten mee bespaard worden. Een van de ideeën die Hendriks nog meer heeft is het aanpassen van de veelgebruikte elektrische operatiemessen, waarmee weefsel wordt weggebrand. “Je zou zo’n mes slim kunt maken, zodat de tip van het mes het weefsel herkent voor je gaat snijden”, legt hij uit. “Het snijdt alleen als je op de knop drukt en dat kun je uitstekend verwerken in de terugkoppelingslus. Als die een signaal geeft dat je moet stoppen, stopt het mes onmiddellijk.” De spectroscopische weefselherkenning als voor bijvoorbeeld de biopsienaalden is echter niet een-op-een te gebruiken. “Dit is een stuk complexer, want als je snijdt, verander je ook het weefsel in de omgeving van het mes een beetje. Vergelijk het met vlees dat bruin wordt als je het bakt. Dat heeft dus invloed op de optische signalen die je krijgt.” “We moeten daarom eerst allerlei onderzoek doen naar de interactie van het mes met het weefsel”, gaat hij verder. Terug naar af dus, en naar het pathologielab. En dat is pas het begin, want hoe integreer je vervolgens de terugkoppeling precies in het mes en behoud je tegelijkertijd de overige functionaliteit? Ook de chirurg moet bij dit onderzoek betrokken worden. “Hoe gebruikt die precies het mes? Wanneer is het voor een chirurg zinvol om terugkoppeling te krijgen? Dat zijn nog een hoop vragen die de komende jaren beantwoord moeten worden”, stelt Hendriks. Het chirurgisch mes is nog maar één voorbeeld. “Er worden veel meer instrumenten gebruikt tijdens operaties, zoals hechtmachines of apparaten om darmverbindingen te maken. Die zou je allemaal op deze manier slimmer kunnen maken en daarmee allerlei complicaties voorkomen.” Innovatie & samenwerking Integratie en samenwerking zijn daarbij onontbeerlijk. “Het toverwoord voor innovatie in de medische wereld is ‘simpel’. Het moet gemakkelijk en intuïtief te gebruiken zijn”, zegt Hendriks. “Dat is ook de insteek van Philips: als je innovaties naar het ziekenhuis brengt, zorg dan dat het niet om losse componenten gaat, maar op een totaalconcept.” Volgens Hendriks maakt het samenspel van alle partijen innovatie succesvol. “Een stuk van de oplossing ligt bij bedrijven als Philips, een stuk bij de TU Delft en een stuk bij het ziekenhuis. Je moet dus in een vroeg stadium met elkaar samenwerken.” Een goed voorbeeld vindt hij het hartkatheterisatielab, waar niet alleen diagnoses gesteld worden, maar ook stents in vernauwde slagader s worden aangebracht en zelfs vervangende hartkleppen via de lies kunnen worden ingebracht. “Iets waar vroeger een openhartoperatie voor nodig was is nu nog maar een ingreep van een aantal minuten. Je stapt bij wijze van spreken van de tafel af en kunt naar huis”, zegt Hendriks. “Dat is de kracht van de integratie van al die systemen als beeldvorming, navigatie en instrumenten. Daardoor is iets dat heel complex is toch eenvoudig gebleven.” Persoonlijke drijfveer Met zijn nieuwe leerstoel komen veel van de in de operatiekamer te integreren componenten samen. ““De TU Delft is bijvoorbeeld heel goed in systemen voor besturing en terugkoppeling van slimme instrumenten, zoals voor sleutelgatoperaties. Ook naar de workflow in de operatiekamer en het trainen van medici in het gebruik van nieuwe systemen wordt hier gekeken.” Hendriks voorziet grote mogelijkheden. “Bij de meeste operaties komt het nu nog uitsluitend aan op de kunde van de chirurg. Als je de beeldbegeleiding van de diagnostische fase naar de operatiekamer kunt brengen, ben je al een stap verder. Als je dat ook nog eens kunt combineren met sensing-technologie en terugkoppeling breng je het hele veld voorwaarts. Dat is mijn doel.” “Als Research Fellow bij Philips heb ik de kans om zelf nieuwe richtingen af te tasten en mijn onderwerp breder te exploreren”, zegt Hendriks. “Onderzoek bij een bedrijf heeft toch een andere focus: een bedrijf kiest voor dingen die nu kansrijk zijn. Een universiteit kan meer naar de lange termijn kijken.” Hij ziet zijn huidige dubbelfunctie als een mogelijkheid om die twee wel dichter bij elkaar te brengen. “Je kunt het niet alleen. Richtingen die over een paar jaar interessant kunnen worden, kun je niet allemaal aftasten als bedrijf. Aan de andere kant, is het voor een universiteit weinig zinvol om potentiele oplossingen verder te brengen en er dan jaren later achter te komen dat niemand het in de praktijk wil hebben. Juist de overbrugging van die twee situaties wil ik aan meewerken.” Lees hier het persbericht. De volgende berichten verschenen over dit onderzoek in de media: Benno Hendriks (TU Delft): ‘Weefsels lezen met licht’ kan kanker-operaties verbeteren In: FMT Gezondheidszorg, 30 november 2016 Optische instrumenten helpen bij verbetering minimaal invasieve operaties In: ICT& Health , 30 november 2016 ´Weefsels lezen met licht´ kan kanker-operaties verbeteren Drimble, 30 november 2016 ‘Weefsels lezen met licht’ kan kanker-operaties verbeteren In: Delft op Zondag , 1 december 2016 Benno Hendriks

Autonoom varen

TU Delft - Professor Rudy Negenborn tells you more about Autonomous vessels In 2030 zit de kapitein aan wal in plaats van op zijn schip. Vanuit zijn uit de kluiten gewassen stuurhut, die vergelijkbaar is met de inrichting van een luchtverkeerstoren, bekijkt hij alle schepen die de haven van Rotterdam willen binnenvaren. Wanneer hij z’n vingers over het touchscreen voor z’n neus beweegt, krijgt hij gedetailleerde informatie over elk vaartuig, bijvoorbeeld welke koers het vaart en wat z’n snelheid is. Met de logistiek hoeft de kapitein zich nauwelijks meer te bemoeien, want de schepen stemmen tegenwoordig zelf hun planning af met containerterminals, sluizen en bruggen. Aan het roer hoeft hij ook al niet meer te staan, net zo min als er matrozen aan boord nodig zijn. In plaats daarvan leggen vaartuigen zelf contact met hun gezagvoerder aan wal, bijvoorbeeld als het erg druk is op het water en ze in een moeilijke situatie verzeild raken. Of als er een onderdeel kapot is. Op dat soort momenten neemt de kapitein de controle weer over. Daardoor is hij in staat om meerdere schepen tegelijk te besturen. Voordelen autonoom varen Het grote voordeel van onbemand varen is dat het goederenvervoer dertig tot veertig procent goedkoper kan. “Daardoor zal de vracht vaker per schip dan per auto vervoerd gaan worden”, zegt Rudy Negenborn, onderzoeker automatische controle voor transporttechnologie en logistiek bij de faculteit 3mE van de TU Delft. Dat is meteen een van de belangrijkste maatschappelijke voordelen van autonoom varen. Bovendien past het bij de Europese doelstelling om het goederentransport duurzamer te maken: door deze van de weg te halen en naar het water en spoor te brengen. Om een voorbeeld van die duurzamere logistiek te noemen: in havens zouden containers meer met autonome schepen verplaatst kunnen worden in plaats van autonome transportwagens. “Als je de vaarkosten verder kunt verlagen, wordt het daadwerkelijk een interessantere optie”. De kosten worden ook op een andere manier verlaagd: doordat schepen, containerterminals, bruggen, sluizen en andere partijen in de haven automatisch informatie met elkaar uitwisselen, kunnen ze met elkaar afstemmen hoe snel ze waar naar toe op welke manier varen om hun cargo op te halen en af te leveren. Op dit moment ontbreekt die centrale coördinatie. “Alle binnenvaartschippers stemmen zelf met elke terminal af hoe laat ze aankomen. Maar als de kraan aan de kade langzamer werkt dan verwacht, dan komen er vertragingen. Die werken door op de planning van alle andere schepen”, zegt Negenborn. Met de komst van steeds grotere vrachtschepen, zullen straks grotere pieken komen in het aantal containers dat wordt aangeleverd en nemen files in de haven alleen maar toe. Hoog tijd dus om te zorgen voor een betere coördinatie, wat zal leiden tot een hogere efficiëntie van het hele havengebied en goederen die beter op tijd worden geleverd. Het is een van de belangrijke onderzoeksrichtingen van de Technische Universiteit Delft. Autonoom varen is ook nog eens veiliger, denken de Delftse wetenschappers. “Op dit moment wordt 75 tot 95 procent van alle ongevallen op zee mede veroorzaakt door de mens”, zegt Robert Hekkenberg, onderzoeker maritieme techniek. Hij laat een afbeelding zien van een ongeluk in het Kanaal, een van de drukste scheepvaartroutes ter wereld, waar twee schepen in de mist op elkaar voeren. “Dat komt door de bemanning die niet goed genoeg heeft opgelet. Nadat het ene schip zonk, zijn er nog drie andere bovenop geklapt. Dit soort menselijke fouten kun je in de toekomst voorkomen door dingen, waaronder de navigatie, te automatiseren”. Ontwerp Maar hoe reëel is autonoom varen eigenlijk, als je bedenkt dat de wet in 150 landen voorschrijft om altijd bemanning aan boord te hebben? Hekkenberg denkt dat het juridische kader rond 2030 wel aangepast zal zijn. Hij vindt het een minstens zo grote uitdaging om schepen volledig te herontwerpen, omdat die nu eenmaal zijn bedacht om te functioneren met behulp van bemanning. “Als er mensen aan boord zijn, kunnen ze tussen de complexe machine-installatie doorlopen, hun hand er tegenaan leggen, luisteren wat er gebeurt, een filter vervangen en kleine reparaties doen. Als er geen mensen meer meevaren, dan gaan de huidige schepen binnen no-time kapot”. En dat is nogal problematisch als je midden op zee zit en er geen haven in de buurt is. De belangrijkste onderzoeksuitdaging van Hekkenberg is dan ook het volledig herontwerpen van het schip en zijn machinekamer. “Heel veel vastigheid die we hebben in het scheepsontwerp is de regelgeving om mensen in leven te houden en bovendien vertrouwen we in hoge mate op de mens om allerlei taken uit te voeren, variërend van onderhoud en navigeren tot het buiten boord gooien van een lijntje, het terugpraten over de radio en het afweren van piraten. Zonder bemanning kan een vaartuig er heel anders uitzien, want een stuurhut is niet meer nodig, net zo min als reddingsboten. Kortom, we hebben over schepen niet meer zo fundamenteel hoeven nadenken sinds we overgingen van houten zeilschepen naar stalen stoomschepen. Door autonoom varen valt ons hele ontwerpkader weg. We zijn feitelijk bezig met een grote systeemverandering”. De Technische Universiteit Delft loopt daarbij in Europa voorop, samen met de Scandinaviërs. In Nederland is ze koploper en werkt nauw samen met de hele scheepsbouwwereld, waaronder onderzoeksinstituten Marin en TNO, rederijen, het loodswezen, mensen die in de haven schepen begeleiden, bedrijven die technische eisen aan schepen stellen, grote scheepsbouwers, leveranciers van equipment, ministeries en brancheverenigingen. Voor het onderzoeken hoe schepen met het bredere transportproces kunnen communiceren, werkt de Technische Universiteit Delft vooral samen met logistieke planners zoals operatoren van containerterminals, havens en binnenvaartschippers. Toch is autonoom varen niet alleen een technische uitdaging voor de Delftse wetenschappers, er zijn ook nog juridische en financiële uitdagingen op te lossen. “Om een schip om zich heen te laten kijken, kun je een standaard radar gebruiken. Die ziet een hoop, maar lang niet alles. Je kunt ook een militaire radar gebruiken, die tien keer zo duur is en alles ziet”, zegt Negenborn. “Hoe gaan we de voordelen halen uit autonoom varen en bedenken we tegelijkertijd een goede business case?”. Maar wacht eens even, wat gebeurt er dan met al die matrozen als ze eenmaal aan wal staan? Worden die allemaal ontslagen? “Lager opgeleiden lijken geleidelijk aan hun baan te verliezen, maar tegelijkertijd is het aantal arbeidsplaatsen in de maritieme sector de afgelopen jaren verdubbeld. Dat aantal zal nog verder omhoog gaan doordat de wereldhandel stijgt en er dus een toename van het aantal schepen nodig is. Omdat die schepen steeds autonomer worden, komen er nieuwe functies in de productiehoek bij”, zegt Hekkenberg. Dat betekent dat niet alleen de kapitein, maar ook de matroos in 2030 voet aan wal zet. In de media Autonoom varen antwoord op dreigend personeelstekort? Maritiemnieuws.nl, 8 december 2016 Autonoom varen mogelijk antwoord op dreigend personeelstekort in de scheepvaart TUdelft.nl, 8 december 2016 Met autonoom varen blijven alle stuurlui aan wal woensdag 14-12-2016, NPO, radio 1 Zelfvarend containerschip verwacht in 2030 BNR radio, woensdag 14-12-2016 ‘Developing the roboat’ TU Delta, 14-12-2016 ‘Onbemand varen is slechts tussenstap’ Schuttevaer, (achter betaalmuur) Autonomous shipping as a possible solution to impending labour shortages in the shipping sector Phys.org Technology, 13-12-2016 Het robotschip komt eraan De Twentsche Courant Turbantia, 23 december 2016 Het robotschip komt eraan Eindhovens Dagblad, 23 december 2016 Het robotschip komt eraan Algemeen Dagblad, 23 december 2016 Slimme schepen varen met 'roboots' Delta, 7 februari 2017 De opkomst van de autonome scheepvaart De Ingenieur, 13 maart 2017 Robert Hekkenberg “We hebben over schepen niet meer zo fundamenteel hoeven nadenken sinds we overgingen van houten zeilschepen naar stalen stoomschepen. Door autonoom varen valt ons hele ontwerpkader weg. We zijn feitelijk bezig met een grote systeemverandering” Rudy Negenborn "Een groot voordeel van onbemand varen is verder dat het goederenvervoer aanzienlijk goedkoper kan. Daardoor zal vracht vaker over het water dan over land vervoerd gaan worden"

Sluit de CO2 kringloop met chemie

Maak er brandstoffen van, met behulp van groene stroom Als we de wereld duurzamer willen maken, moeten we een oplossing vinden voor CO2. Prof.dr.ir. Wiebren de Jong (TU Delft) van de afdeling Process & Energy (sectie Large-Scale Energy storage, LSE) werkt daar hard aan. Hij wil het broeikasgas vastleggen in brandstoffen en andere chemische bulkproducten. In april gaat een project van start om er mierenzuur van te maken. Op de lange duur ziet De Jong mogelijkheden voor transportbrandstoffen en opslag van duurzame elektriciteit. Het is hét probleem van onze tijd: kooldioxide (CO2). Het komt vrij als we benzine, diesel, gas of kolen verbranden, en het hoopt zich op in onze atmosfeer. Daar functioneert het als een warme deken die de aardse temperatuur doet stijgen en het klimaat ontregelt. "Als we het klimaatprobleem willen aanpakken, dan moeten we slimmer omgaan met CO2", zegt De Jong. "De sleutel voor een duurzame toekomst ligt in het sluiten van de CO2 kringloop. Bijvoorbeeld door er weer brandstoffen van te maken, of grondstoffen voor de industrie." Dat klinkt logisch, maar het vergt een flinke dosis technologieontwikkeling. Het probleem is dat het op zich ongevaarlijke, kleurloze gas in de chemische praktijk een soort eindstation is. Het CO2 molecuul is heel stabiel en wie er iets nuttigs mee wil doen, moet er veel energie instoppen. Figuurlijk gezien, maar ook letterlijk. Chemici zijn wat dat betreft flink jaloers op de natuur. Planten gebruiken zonlicht om van CO2 en water suikers te maken, en van daaruit weer andere stoffen. Het kán dus, CO2 benutten, alleen laat zulke biologische fotosynthese zich chemisch niet gemakkelijk nabootsen. Wiebren de Jong gooit het daarom over een andere boeg: "Er komt steeds meer duurzame energie beschikbaar in de vorm van elektriciteit, afkomstig van zonnepanelen en windmolens. Met die groene stroom gaan wij straks de chemische processen aandrijven die CO2 verwerken. Zo kunnen we van CO2 weer brandstoffen maken." Prof.dr.ir. Wiebren de Jong werd op 1 december 2016 benoemd tot hoogleraar 'Large-scale Energy Storage' bij de afdeling Process & Energy van de faculteit 3mE. Enkele maanden eerder werd hij ook al deeltijdhoogleraar ‘Integrated Thermochemical Biorefineries’ aan de Rijksuniversiteit van Groningen. Wiebren de Jong is expert op het gebied van thermische & chemische conversie en bioraffinage. De Jong is aan de TU Delft verbonden sinds de start van zijn promotieonderzoek in 1996. Elektriciteit opslaan Als dat lukt slaat De Jong twee vliegen in één klap. In de eerste plaats wordt het mogelijk om het transport met vrachtwagens, schepen en vliegtuigen een stuk duurzamer te maken. "Elektrische aandrijving is daarvoor te zwaar, en de actieradius is te klein", zegt De Jong. "Met 'CO2-brandstoffen' in de tank kan de transportsector relatief gemakkelijk een gesloten CO2 kringloop realiseren, zonder grote investeringen of veranderingen". De tweede, minstens zo belangrijke toepassing vloeit voort uit het feit dat de processen waar De Jong aan werkt in feite elektriciteit opslaan in de CO¬¬2-brandstoffen. Daarmee is vraag en aanbod van groene stroom in balans te brengen. De productie van groene stroom valt immers zelden samen met de behoefte. Een zonnecel levert stroom als de zon schijnt, maar je doet pas een lamp aan als het donker is geworden. En als je met een windmolen elektriciteit maakt, is het fijn als je die ook in windstille periodes kunt gebruiken. Daar komt nog bij dat in het elektriciteitsnet productie en afname altijd met elkaar in balans moeten zijn. Het heeft weinig zin een land vol zonnecellen te zetten, als er op zonnige dagen voor al die stroom geen afnemers zijn. " Voor een stabiele duurzame elektriciteitsvoorziening is het cruciaal dat je groene stroom kunt opslaan ", zegt De Jong. "Dat kan natuurlijk deels met batterijen. Maar chemische opslag in CO2-brandstoffen maakt het mogelijk echt op grote schaal elektrische energie op te slaan". Een centrale op CO2-brandstoffen kan vervolgens aanvullende stroom leveren op momenten dat zonnecellen en windmolens niet genoeg produceren. De Jong: "Zo buffer je vraag en aanbod en verminder je de afhankelijkheid van conventionele energiebronnen als kolen en kernenergie". Bovendien, zo voegt hij toe, de CO2-brandstoffen kunnen ook een rol vervullen in het 'koppelen van de seizoenen'. Zo wordt het mogelijk om duurzame energie van de zomer (zon) en herfst (wind) te 'bewaren' tot de winter, als er huizen verwarmd moeten worden. Als CO2 eenmaal in de atmosfeer is terechtgekomen, dan is het chemisch gezien niet erg gemakkelijk meer te gebruiken. De Jong: "De concentratie is 400 ppm, een paar honderdste van een procent. Voor het klimaat is dat te hoog, maar procestechnologisch is het niet optimaal". Hij ziet eerder mogelijkheden om CO2 te benutten dat in hoge concentraties vrijkomt, bijvoorbeeld in de schoorstenen van energiecentrales, afvalverbranders en staalfabrieken. Een andere mogelijkheid is om bomen en planten te laten groeien (die nemen immers CO2 op) en die biomassa vervolgens te gebruiken.. Daar besteedt Wiebren de Jong ook veel aandacht aan, met name waar het de benutting van bio-restproducten betreft. Van lab naar fabriek Het onderzoek van De Jong kenmerkt zich door de ambitie om "iets te maken dat werkt", zoals hij het zelf uitdrukt. Zijn kamer grenst aan de proceshal met de 'skids': de technologie-opstellingen om nieuwe processen te ontwikkelen en onderzoeken. "Hier maken we de stap van idee naar werkelijkheid", zegt De Jong. "Wat in een lab bedacht is en op hele kleine schaal in een zuurkast is uitgevoerd, dat werken wij hier uit op zo'n manier dat de industrie er op grote schaal echt iets mee kan doen. Dat betekent bijvoorbeeld dat we optimaal gebruik maken van de warmte-effecten van de chemische omzetting. Zo komen we tot een geïntegreerd proces dat in principe klaar is voor grootschalige toepassing." De industrie, of researchinstituten als TNO en ECN, waar De Jong veel mee samenwerkt, kunnen dan de volgende stap maken met de ontwikkeling van proeffabrieken. Op het gebied van CO2-omzetting is het zover nog niet. Je kunt CO2 met behulp van elektriciteit omzetten in CO, legt hij uit. Dat koolmonoxide is veel minder stabiel en kan daarom als startpunt dienen voor de synthese van brandstoffen en chemische grondstoffen. Zoals zo vaak is het allemaal makkelijker gezegd dan gedaan. Er zijn efficiënte elektrodes nodig om de elektrische energie in de reactor te brengen, het CO2 moet in oplossing gebracht worden, er zijn goede katalysatoren nodig en het is nog een uitdaging om het complexe samenspel van chemische reacties zo te sturen dat vooral het gewenste product ontstaat. "Genoeg werk aan de winkel", zo vat De Jong het samen. Het net twee jaar oude Process & Energy Lab van de faculteit 3mE is de centrale plek voor al het grootschalige onderzoek van de TU Delft op het gebied van proces- en energietechnologie. Het is het enige in zijn soort in Nederland. Het Delftse onderzoek in dit domein vindt plaats binnen zes secties: intensified reaction and separation technology; energy technology; large-scale energy storage; fluid dynamics; multi-phase systems; en engineering thermodynamics. Mierenzuur Een interessant voorbeeld van CO2-benutting is de conversie tot mierenzuur. Dat is een 'brandstof' voor batterijloze elektrische auto's, maar ook een duurzame grondstof voor de chemische industrie. Die wil graag 'vergroenen' en is daarom bereid te investeren. De Jong: "De kennis die we daarmee ontwikkelen is uiteraard ook relevant voor de echt grootschalige processen op de lange termijn, zoals de productie van transportbrandstoffen en 'duurzaam aardgas". In april 2017 gaat een bijzonder project van start, waarin De Jong de route van CO2 naar mierenzuur verder uitwerkt samen met TNO (projectcoördinator), startup bedrijf COVAL Energy, Mestverwerking Friesland, en CE Delft. Ook het Eindhovense studententeam FAST, dat een auto op mierenzuur ontwikkeld, is er bij betrokken. Het onderzoek leverde tot nu toe een eerste prototype op ter grootte van een stoeptegel. "Het is nu zaak het proces in de richting van industriële relevantie te brengen. Dat betekent onder andere grotere elektroden en bijvoorbeeld hogere drukken. Samen met TNO en in nauwe aansluiting op het Voltachem platform voor elektrochemische conversie gaan we uitzoeken wat dat betekent voor de procesvoering." Aan de slag De Jong verwacht veel van onderzoek naar het sluiten van de CO2 kringloop, dat wereldwijd steeds meer aandacht krijgt. Het frustreert hem wel dat er economisch gezien nauwelijks drijvende krachten zijn voor een omschakeling naar duurzame technologie. Fossiele grondstoffen zijn nog erg goedkoop, en CO2 emissierechten zijn veel te laag geprijsd. Hij voelt zelf de urgentie wel degelijk. "Het is onze taak als technologen om oplossingen paraat te hebben als de maatschappij er om vraagt. Het kost tijd om die technologie te ontwikkelen, dus werken we er hard aan." Ondertussen moeten we de maatschappij wat De Jong betreft zelf al flink aan de slag: "Er valt op korte termijn al heel veel te doen", zegt de hoogleraar. "We moeten absoluut energie besparen en het aandeel van duurzame, hernieuwbare grondstoffen vergroten. En het is van belang dat we het CO2 opvangen dat nu vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, en het opslaan". Want, zo legt hij uit, ook met effectieve nieuwe technologie kunnen we het klimaatprobleem zeker niet van de ene op de andere dag oplossen. "Het is net als het sturen van een enorm groot schip; daar zit een forse traagheid in, zo'n schip ligt niet meteen op koers. Daarom moeten we alle zeilen bijzetten en nu al alle maatregelen nemen die mogelijk zijn."

Nauwkeurige structuren maken op hele kleine schaal

Aantrekkelijk gereedschap voor biomedisch en farmaceutisch onderzoek Stel je voor dat een kleine sensor een alarm laat afgaan wanneer er een infectie bij een herstellende wond optreedt, of dat een experimenteel geneesmiddel niet wordt getest op dieren of mensen, maar op een kleine chip vol biologische cellen en sensoren. Het biomedisch vakgebied gaat steeds meer gebruikmaken van technologie op zeer kleine schaal. Dr. Luigi Sasso van de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) werkt aan mogelijkheden om dergelijke kleinschalige technologieën op grote schaal te produceren. De jongste toevoeging aan zijn verzameling gereedschappen is een geavanceerde 3D-printer (de ‘Nanoscribe’) die probleemloos zeer kleine voorwerpen van zo’n 20 nanometer (1 nanometer = 1 miljoenste millimeter) maakt. “We zijn heel blij dat we nu het volledige resolutiebereik tot onze beschikking hebben”, zegt Sasso. Orgaan op een chip Een spannende richting in de gepersonaliseerde geneeskunde is om behandelopties voor individuele patiënten te testen met een kleine hoeveelheid cellen of weefsel. Hoe breng je voedingsstoffen of geneesmiddelen in bij deze cellen en hoe lees je in realtime de reactie op de geneesmiddelen uit? Sasso gebruikt zachte plastics, polymeren genaamd, om kleine structuren te bouwen waarin kanalen zitten voor het transport van vloeistoffen, en die ook sensoren bevatten. “Polymeren zijn biocompatibel: cellen reageren er beter op dan op andere materialen. Ze kunnen ook elektrische stroom geleiden, zodat er elektrochemische sensoren van kunnen worden gemaakt.” Deze sensoren zijn gevoelig voor biomedische parameters zoals de zuurgraad (pH), temperatuur en glucosewaarden. Sasso: “De glucosewaarde van het bloed geeft bijvoorbeeld informatie over de stofwisseling van een cel. En veranderingen in de pH van een wond die aan het herstellen is, kunnen erop wijzen dat de wond geïnfecteerd is.” Wanneer zulke sensoren zijn ingebed in een structuur die cellen kan bevatten en vloeistoffen kan transporteren, ontstaat er een miniatuurlaboratorium (een zogenaamd ‘orgaan op een chip’), dat een heel aantrekkelijk gereedschap is voor biomedisch en farmaceutisch onderzoek. Replicatie Inmiddels zijn de basisconcepten bewezen in laboratoriumomstandigheden. De uitdaging voor Sasso en zijn team is nu om de systemen nauwkeurig en betrouwbaar te repliceren, zodat de weg wordt geopend voor grootschalige productie en gebruik. Als belangrijkste techniek voor de replicatie van polymeerstructuren passen ze soft embossing toe, waarbij een mal wordt gemaakt om de gewenste structuren als het ware te stempelen in het polymeermateriaal. De lengteschaal van deze structuren kan variëren van micro (1 micrometer = 1 duizendste millimeter) tot nano (1 nanometer = 1 miljoenste millimeter). “Hoe kleiner en nauwkeuriger de structuur kan worden gemaakt, en vooral ook gerepliceerd, hoe beter”, legt Sasso uit. Ontwikkeling van medicijnen Neem bijvoorbeeld onderzoek naar medicijnen die nierstenen helpen voorkomen. Nierstenen ontstaan door stoffen in urine die eerst kristallen vormen en vervolgens macroscopische stenen. Om geneesmiddelen sneller te kunnen testen zijn biomedisch onderzoekers op zoek naar kleine testsubstraten voor het basismateriaal waaruit deze kristallen ontstaan. In deze substraten kunnen ze het geneesmiddel inbrengen, zodat het effect op de kristalvorming kan worden bekeken. De vorming van niersteenkristallen op polymeersubstraten kan worden gecontroleerd bij een zorgvuldig ontwerp van de oppervlaktestructuur: hoe meer het oppervlak lijkt op de kristalstructuur van het niersteenmateriaal, hoe sneller het materiaal groeit en hoe eerder het kan worden gebruikt voor de beoordeling van nieuwe geneesmiddelen. Sasso’s werk aan massaal geproduceerde polymeersubstraten met fijne structuren kan daarom bijdragen aan een snellere ontwikkeling van medicijnen. 3D-printen op nanoschaal Een zo hoog mogelijke resolutie is cruciaal voor Sasso’s werk. Daarom is zijn nieuwste gereedschap, de ‘Nanoscribe’ (genoemd naar de leverancier) zo’n belangrijke aanwinst. “Alle relevante lengteschalen zijn nu binnen bereik, van 20 nanometer tot millimeterschaal.” Om op dergelijke kleine schalen 3D-structuren te printen gebruikt de Nanoscribe een techniek die geïnspireerd is op de fabricage van conventionele chips. Bij de fabricagestap die ‘lithografie’ wordt genoemd, wordt een dunne polymeerlaag gedeeltelijk verlicht met ultraviolet licht. Het licht verandert de plaatselijke chemische structuur van de laag zodanig dat in een volgende stap de niet-verlichte delen kunnen worden opgelost en verwijderd, waarna alleen de delen overblijven die in de lithografiestap werden verlicht. In plaats van UV-licht gebruikt de Nanoscribe 2-fotonenabsorptie om de polymeerlaag te verlichten, één 3D-pixel van 20 nm tegelijk. “Het is geweldig dat we de Nanoscribe kunnen gebruiken. Deze opent echt nieuwe wegen voor onze groep. Mijn studenten waren al druk projecten aan het plannen nog voordat hij daadwerkelijk gearriveerd was.” De kleinste Rietveldstoel ter wereld De Nanoscribe zal worden getest om te controleren of hij inderdaad de gewenste objecten van 20 nanometer kan produceren. Als eerste oefening in het gebruik programmeerde Sasso de machine om een 3D-print te maken van een Rietveldstoel ter grootte van 100 micrometer (een tiende millimeter). “Dit is enorm groot in vergelijking met de kleine schalen die de Nanoscribe aankan, maar het leek ons leuk om eenvoudig te beginnen. Het resultaat is prachtig.” De nieuwe machine zou heel Madurodam zo kunnen printen dat het park niet groter wordt dan een paar vierkante centimeter. Diversiteit In de ontwikkelingsketen van idee tot product richt Sasso zich op de technologie, door methoden en technieken te ontwikkelen die cruciaal zijn om in de toekomst producten op grotere schaal te kunnen produceren, met name gereedschappen voor biomedisch onderzoek. Met andere woorden, hij slaat een brug tussen laboratoriumconcepten en gebruikers over de hele wereld. Sasso licht toe: “Delft is een heel vruchtbare omgeving voor dit type onderzoek. Bij de afdeling Precision and Microsystems Engineering heerst een goede samenwerkingsgeest. Samen zijn de onderzoekers deskundig in alle relevante vakgebieden, van theoretische modelvorming tot experimentele methoden. Door deze diversiteit kunnen we uitdagingen vanuit verschillende hoeken bekijken. En met onze technische mentaliteit zijn we een aantrekkelijke partner als aanvulling op de expertise van biomedici.” Volgende doel Sasso’s volgende doel in zijn zoektocht naar oplossingen voor reproduceerbare structuren en een grotere functionaliteit van deze structuren is de toepassing van composietmaterialen. Er worden niet-polymere materialen, zoals nanodeeltjes, aan het arsenaal toegevoegd, zodat nieuwe functionaliteiten binnen bereik komen. Dit betekent echter ook nieuwe uitdagingen voor het productie- en replicatieproces. “Die uitdagingen gaan we graag aan”, besluit Sasso. NERI De afdeling PME heeft het NanoEngineering research Initiative (NERI) geïnitieerd. NERI is een platform voor langetermijnsamenwerking tussen wetenschap en bedrijfsleven om nanowetenschap te vertalen naar toepassingen die relevant zijn voor het bedrijfsleven: Moving nano from lab to app. Moving nano from lab to app vereist een nieuwe basis voor kennis en technologie waarmee reproduceerbare en betrouwbare functies en toepassingen worden ontwikkeld en gemaakt op een schaal die relevant is voor het bedrijfsleven. Dit is een uitdaging waarvoor wetenschap en bedrijfsleven de handen ineen moeten slaan. Luigi Sasso

Fotonica voor een sneller Internet

Een grote uitdaging binnen de fotonica is het nauwkeurig uitlijnen van de fotonische chips, lenzen en spiegels die in minuscule componenten worden gebruikt. Onderzoeker Marcel Tichem werkt aan een methode om dit onderdeel van de assemblage binnen de component zelf te laten plaatsvinden, zogenaamde ‘on-chip assembly’. Daarmee kan de productie nauwkeuriger en veel sneller verlopen dan met de huidige handmatige productieprocessen. Een veelbelovende toepassing voor dit nieuwe assemblageconcept zijn componenten voor de overdracht van data via glasvezelkabels. Marcel Tichem is als universitair hoofddocent verbonden aan de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) van de TU Delft. Zijn vakgebied is de wereld van de hightechsystemen, waar precisie, snelheid en betrouwbaarheid essentieel zijn. “Bedrijven als ASM International, NXP, ASML en FEI produceren complexe machines en instrumenten die topprestaties leveren. Wij ontwikkelen nieuwe concepten voor de positionering en besturing van precisiesystemen en microsystemen en voor geautomatiseerd ontwerp”, vertelt Tichem. “Zulke concepten maken het mogelijk om te voldoen aan de hoge eisen die optische systemen stellen aan bijvoorbeeld de nauwkeurige uitlijning van lenzen en spiegels.” Dataoverdracht via glasvezel Een van de toepassingen van Tichems werk is dataoverdracht via glasvezel. De bandbreedte van traditionele koperkabel is beperkt, net als de hoeveelheid data die kan worden verzonden, maar de vraag naar dataverkeer blijft groeien. Internet dreigt zelfs vast te lopen als gevolg van de explosieve toename van online video en mobiel dataverkeer. En dan is er nog de factor duurzaamheid. “Kopertechnologie is niet echt energie-efficiënt”, legt hij uit. “Daarom hebben grote datacentra altijd nog veel grotere koelsystemen, vaak in een havengebied zodat er voldoende koelwater beschikbaar is.” Glasvezel kan een oplossing vormen voor beide problemen. “Je kunt via een glasvezelkabel veel meer data doorgeven, zonder dat er overtollige warmte wordt gegenereerd.” Chip ontwerp: TJ Peters, Beeld: Hans de Lijser “Fotonische chips werken met licht in plaats van elektrische signalen. Ze kunnen lichtgolven waarnemen en produceren, die van golflengte veranderen enzovoort”, vertelt Tichem. “Maar zulke functies op microformaat zijn bijzonder lastig te produceren. Stel je eens voor: je moet een piepkleine laserbron maken die een stabiele straal uitzendt en dat gedurende jaren kan blijven doen.” Maar na jarenlang onderzoek is Nederland een van de koplopers geworden op het gebied van de ontwikkeling van fotonische chips, en PIC’s ( Photonic Integrated Circuits , de optische versie van traditionele elektronische microchips) kunnen voor een redelijke prijs worden geproduceerd. Maar fotonica is een orde van grootte complexer dan elektronica. Fotonische componenten, ook wel ‘packages’ genoemd, bevatten naast PIC’s ook micro‐optica en elektronische onderdelen. On-chip MEMS voor de uitlijning van fotonica “Zo’n package is in feite een complex fotonisch systeem. Met name doordat alle onderdelen moeten worden geïntegreerd en uitgelijnd is de assemblage bijzonder complex, en de industrie beschikt nog niet over de technologie om dat proces te automatiseren”, aldus Tichem. Maar daar gaat hij verandering in brengen: zijn huidige onderzoek is gericht op micro-elektromechanische systemen (MEMS) voor de uitlijning van fotonische onderdelen op een chip. “We integreren piepkleine mechanische systemen op de chip, die kunnen helpen met de uitlijning van de fotonische onderdelen.” Dit onderzoek maakt deel uit van een project van STW en het door de EU gefinancierde project PHASTFlex ( Photonic Hybrid Assembly Through Flexible Waveguides ), waarbij onderzoek wordt gedaan naar geautomatiseerde assemblagesystemen om in te spelen op de behoeften van de datacommunicatiesector. Binnen dit project wordt samengewerkt met belangrijke Europese spelers die actief zijn op het gebied van toepassingen en fotonische chips (LioniX, Oclaro) of precisie-assemblage (ficonTEC, Aifotec). Beeld: TJ Peters” Micromachines 2016 , 7(11), 200; doi: 10.3390/mi7110200 Een eerste mijlpaal op de weg naar volledige automatisering zou de automatische uitlijning van twee PIC’s binnen één package zijn. “Bij het assembleren van elektronica kunnen machines duizenden chips per uur oppakken en plaatsen. Bij de assemblage van optica wordt dat nog altijd door een mens gedaan, met behulp van microscopen en zogenaamde precisie manipulatoren”, vertelt Tichem. Binnen het PHASTFlex-project wordt gewerkt aan een proces dat uit twee stappen bestaat. Eerst pakt een machine de PIC’s op en plaatst deze met een nauwkeurigheid van enkele micrometers op een substraat. De machines kunnen dat, maar voor een echt perfecte plaatsing is dat nog veel te onnauwkeurig. Dat is de taak van de MEMS op de chip. “Op een van de chips integreren we een assemblagemachine die bestaat uit piepkleine actuatoren. Met behulp daarvan kun je de positionering van de lichtgolven van de flexibele golfgeleiders op de ene chip heel nauwkeurig uitlijnen ten opzichte van de andere chip.” Zoals de naam suggereert wordt deze functionaliteit puur met assemblage als doel toegevoegd. “Die gebruik je maar één keer. Dit neemt ruimte in beslag op je chip en kost geld, maar je moet dat zien in vergelijking met de huidige productiemethodes, die heel arbeidsintensief zijn.” PME De afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) is een van de afdelingen van de TU Delft die werken aan technologieën die kunnen worden toegepast binnen de optica. De missie van PME is om fenomenen en technologieën van de kleine lengteschaal te benutten om baanbrekende innovatie te realiseren op het gebied van slimme materialen, systemen en apparaten. “We houden ons met name bezig met mechatronica, ofwel systemen die heel nauwkeurig moeten kunnen bewegen”, legt Tichem uit. “De optica is slechts één toepassingsgebied. Slimme materialen geven nieuwe mogelijkheden voor verbeterde prestaties van systemen. Tichem: “Binnen de optica is de uitlijning van spiegels en lenzen van kritiek belang. Die uitlijning kan echter veranderen, bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen. Je kunt de gevolgen daarvan minimaliseren door een constructie te ontwerpen waarvan bepaalde onderdelen niet uitzetten onder de invloed van warmte.” Dat wordt topologie-optimalisatie genoemd, een vakgebied dat ook van belang is voor de moderne technologie van 3D-printen. Optische technologieën – in de context van optische microsystemen ook wel fotonica genoemd – zijn in opkomst. Een toekomstige leerstoel van deze afdeling zal zich uitsluitend toeleggen op micro-optica en opto-mechatronica. De afdeling werkt al aan de ontwikkeling van belangrijke ondersteunende technologieën “Veel van wat we hier doen kan door anderen worden gebruikt om optische systemen te verbeteren, van medische instrumenten en inspectiecamera’s tot meetinstrumenten.” De afdeling PME heeft het NanoEngineering research Initiative (NERI) geïnitieerd. Het doel van NERI is nanowetenschap te vertalen naar industrieel relevante toepassingen: Nano from lab to app . Deze uitdaging vereist lange-termijn samenwerking met bedrijven, academia en andere onderzoek instellingen. PME neemt ook deel aan het recent geïnitieerde Dutch Optics Center (DOC). Kijk voor meer informatie op http://www.phastflex.eu/ of neem contact op met dr. Marcel Tichem ( m.tichem@tudelft.nl ). Marcel Tichem

Mechatronica 2.0: duurzame vorm van alles-in-een

Nederland is goed in mechatronica, het multidisciplinaire veld dat draait om geïntegreerde mechanische systemen die hun werk doen door een slimme combinatie van sensoren, actuatoren en regeltechniek. Prof.dr.ir. Just Herder, hoogleraar Interactieve Mechanismen en Mechatronica en kersverse voorzitter van de Afdeling Precision and Microsystems Engineering aan de TU Delft, kijkt graag verder, naar wat in de wandelgangen ‘mechatronica 2.0’ wordt genoemd. Waar mechatronische onderdelen traditioneel los van elkaar staan, probeert Herder ze verregaand met elkaar te integreren. “Het kan kleiner en preciezer, en met minder materiaal -en energieverbruik”. Crowdsurfen “Waarom heeft een mobiele telefoon aparte onderdelen om met nullen en enen om te gaan, om de buitenwereld af te tasten, en om een trilsignaal af te geven?” vraagt Herder. Zijn onderzoeksgroep probeert de uiteenlopende functies van mechanische systemen op slimme wijze met elkaar te integreren. Een belangrijk voordeel van deze benadering is dat het zich beter leent voor miniaturisatie. En zo is Herder beland in de wondere wereld van de nanotechnologie. “Als we steeds kleinere computerchips willen maken, zullen de apparaten die dat doen ook steeds preciezer moeten worden, zonder dat hun energieverbruik explodeert.” Herder schetst een stip aan de horizon van zijn vakgebied: “Nu chips met een nauwkeurigheid van miljoensten millimeters (de schaal van de nanometer) worden gefabriceerd, moeten we ook nadenken over vervormingen op nanoschaal in de bewegende houder die de chip tijdens het fabricageproces van A naar B verplaatst. Een actieve actuatorlaag tussen houder en chip kan vervormingen op nanometerschaal in de houder compenseren, om zo de chip te beschermen. Maar kunnen we de houder ook helemaal vervangen door duizenden minuscule vingers, die de chip met de grootst mogelijk precisie laten crowdsurfen? Misschien kunnen die vingers ondertussen de chip ook inspecteren.” Het fabriceren en aansturen van dergelijke slimme vingers is bij uitstek een uitdaging voor de nieuwe mechatronica. Buigzaam Een belangrijk gereedschap zijn elastische mechanismen met een extreem lage stijfheid. Door traditionele mechanische systemen, bijvoorbeeld op basis van lagers, te vervangen door deze buigzame alternatieven, ontstaat er een materiaaloppervlak waar actieve lagen op aangebracht kunnen worden. Elektro-actieve polymeerlagen kunnen bijvoorbeeld dienst doen als sensoren, en piëzo-elektrische lagen als actuatoren om bewegingen te genereren. Op deze manier worden beweging, actuatie en sensing in één continue structuur gecombineerd. Deze structuur verspilt minder energie en is bovendien ook goed te verkleinen. Herder: “Dit is een andere manier om naar werktuigbouwkundige machines te kijken. Momenteel zien we dat machines steeds groter worden om een grotere nauwkeurigheid te bereiken en om die reden steeds meer ruimte, materiaal en energie gebruiken.” Energy harvesting Een bijzondere eigenschap van de mechanismen met extreem lage stijfheid die in Herder’s groep worden onderzocht, is dat ze gebruikt kunnen worden om energie te ‘oogsten’ uit trage bewegingen. “Denk bijvoorbeeld aan een zeecontainer,” legt hij uit. “Om te weten waar die zich bevindt, wil je eigenlijk een GPS tracker inbouwen die af en toe een signaal afgeeft. Maar je wil niet telkens de batterijen moeten vervangen. Een simpel mechanisch systeem dat energie haalt uit de bewegingen die de container maakt terwijl het de oceaan oversteekt, heeft geen batterij nodig.” De toepassingen zijn legio, en Herder werkt nauw samen met industriële partners. Het spin-off bedrijf dat voortkwam uit Herder’s onderzoek naar flexibele mechanische onderdelen, Flexous BV, heeft inmiddels dochterbedrijf Kinergizer BV gestart dat zich specifiek richt op energy harvesting toepassingen. Autonome microrobots Herder: “Over 5 jaar hoop ik dat we erin geslaagd zijn om deze lage-stijfheid mechanismen volledig te integreren in micro-elektromechanische systemen (MEMS), gefabriceerd door middel van de gangbare chipfabricagetechnieken. “Als we deze veelgebruikte technieken kunnen inzetten om ook geïntegreerde MEMS/mechatronische systemen te bouwen, gaat er een wereld van mogelijkheden open.” In dezelfde tijd verwacht hij voortgang op het gebied van biogeïnspireerde robotjes voor zich, die autonoom in ongestructureerde omgevingen, zoals over bepaalde organen in het lichaam, kunnen manoeuvreren om deze langdurig en volcontinu te inspecteren. “De natuur maakt geen gebruik van propellers om beweging door een vloeistof te genereren. In plaats daarvan zien we dat trilhaartjes of staartjes die taak uitvoeren. De combinatie van mechatronica en nanotechnologie biedt mogelijkheden om dergelijke systemen te bouwen op de kleinst mogelijke lengteschaal. Op groter formaat hebben we al de eerste resultaten verkregen. In de komende jaren hoop ik dat prototypes zich autonoom kunnen verplaatsen, een beetje zoals een robotstofzuiger dat doet.” Nano-Engineering Research Initiative Herder is enthousiast over het potentieel van de combinatie van mechatronica en nanotechnologie binnen zijn afdeling. “Ik denk dat we nog veel meer kunnen. Talloze interessante fenomenen liggen voor het oprapen nu we nanotechnologische expertise in het vakgebied van de mechatronica injecteren. Hiermee kunnen we materialen, instrumenten en apparaten maken die werken dankzij nanotechnologie ( nano-enabled ), en, omgekeerd, machines ontwikkelen die op grote schaal producten op basis van nanotechnologie maken ( enabling nano ).” Hij verwacht dan ook veel van het Nano-Engineering Research Initiative (NERI) initiatief. “Het mooie aan NERI is de combinatie van expertisegebieden in één afdeling. “Ik heb maar weinig verstand van nanotechnologie maar wel van automatisering. Voor anderen is dat precies andersom. De lijnen zijn kort. We bedenken de meest exotische plannen en komen er telkens achter dat die plannen best haalbaar zijn als we het samen doen.” In aanvulling op de vele projectmatige samenwerkingsverbanden met het bedrijfsleven ziet Herder in NERI een nieuwe manier om de samenwerking vloeiender voort te zetten en om continuïteit te garanderen op de langere termijn. “Het idee is om groepsgewijs bepaalde onderzoeksrichtingen te steunen. Bedrijven uit verschillende branches met interesse in hetzelfde onderzoeksthema slaan de handen ineen. Doordat de deelnemers verschillende toepassingen voor ogen hebben, is er alle ruimte voor samenwerking in plaats van concurrentie.” Momenteel zijn Herder en collega’s volop bezig met de eerste NERI-contracten. “Dit is een kantelpunt. Met NERI kunnen we laten zien wat we in huis hebben en wat we waard zijn.” Prof. Just Herder
/* */