Hij staat bekend als dé fietsonderzoeker. Een onderwerp dat soms wat scepsis oproept in wetenschappelijke kringen. Maar inmiddels zijn de vruchten van het onderzoek onmiskenbaar, niet alleen qua fundamentele kennis maar ook in praktische zin. Zo werd afgelopen jaar de steer assist gelanceerd om het stijgend aantal ongevallen met fietsers tegen te gaan.  

Het is min of meer toevallig dat ik in het onder-zoek naar fietsen ben beland. Ik ben begonnen met een studie werktuigbouwkunde aan de hts (in Dordrecht) en dat vond ik in één woord: gewéldig. Ik draag die sfeer van bouten, moeren en knutselen nog steeds een warm hart toe trouwens. Ik vond het als kind altijd al jammer dat mijn vader geen autosloperij had…” “Ik ben na de hts naar de TU in Delft gegaan (toen nog TH, red.) en ben hier pas vrij laat gepromoveerd. Maar ik heb die oude fascinatie gehouden. Een bedrijf als Hoogovens, ijzer en staal, daar bloeit mijn hart van op. Maar specifiek een voorkeur voor onderzoek naar fietsen, die had ik zeker niet, nee.”

Cornell

“Die fietsen kwamen pas in beeld toen ik rond 2001 een sabbatical jaar heb gedaan. Ik ging naar Cornell University in de Verenigde Staten en ontmoette daar onderzoeker Andy Ruina. Hij was, net als ik, bezig met robots en biomechanica. Het klikte meteen tussen Andy en mij. Hij moest in die tijd een onderzoeksvoorstel indienen bij de National Science Foundation en vroeg of ik eens wilde uitzoeken wat er eigenlijk aan wetenschappelijk onderzoek naar fietsen was gedaan. Best veel, zo bleek. Alleen was die kennis nogal versnipperd. Ik zag dus dat er enorme mogelijkheden lagen om interessant onderzoek te doen. Dat was in 2002. En daarna is het eigenlijk niet meer opgehouden.”

Science

De nieuwe fascinatie van Schwab voor het rijwiel leidde bij terugkeer in Delft onder meer tot de oprichting van het – inmiddels fameuze- Fietslab aan de TU Delft. En na enige tijd zelfs tot een publicatie in het prestigieuze Science. “Ja, dat was wel even een mijlpaal voor dit vakgebied.”

Schwab en “fietspromovendus” Jodi Kooijman (alsmede Ruina, Jim Papadopoulos en Jaap Meijaard) bogen zich in het artikel over de vraag: waarom is een fiets, boven een bepaalde snelheid, uit zichzelf stabiel? Je geeft een fiets snelheid en dan kun je hem zo maar een flinke zwieper geven, zonder dat hij omvalt. Men ging er altijd van uit dat die stabiliteit heel sterk te maken had met twee factoren. Ten eerste zouden de draaiende wielen van de fiets, via gyroscopische effecten, voor stabiliteit zorgen. En ten tweede dacht men dat de factor “naloop” een belangrijke rol speelde. Naloop is de mate waarin het voorwiel achter de stuuras aanloopt. De publicatie in Science maakt aan dit oude idee definitief een einde. Gyroscopische effecten en naloop helpen wel, maar zijn niet noodzakelijk voor de stabiliteit. Dit werd niet alleen theoretisch maar ook experimenteel bewezen.

Niets nieuws

Het was zoals gezegd een mijlpaal. Fietsontwerpers bouwden voort op traditionele inzichten, ook als die niet bleken te kloppen. Aan het basisontwerp van de fiets was dan ook al honderd jaar niets wezenlijks veranderd. “We hebben in die tijd onder meer een wiskundig model ontwikkeld met zo’n 25 fysieke parameters, dat goed bleek te kunnen voorspellen óf, en bij welke snelheden, een bepaald fietsontwerp stabiel is. Er is ook experimenteel aangetoond dat de inzichten hierover kloppen.”

“Met het ontwikkelde model kunnen fabrikanten nu gericht sleutelen aan de stabiliteit en besturing van hun fietsen. Dat kan interessant zijn voor allerlei fietsen.” Ook de hogesnelheidsfiets van het Delftse studententeam HPT, dat afgelopen jaar het wereldsnelheidsrecord voor vrouwen korte tijd in handen had, profiteerde bijvoorbeeld van de verworven fundamentele kennis.

Steer-assist

Maar dat geldt ook voor gewone fietsen. Zo zagen we in het afgelopen jaar de lancering van de steer assist bike. De TU Delft en Gazelle hebben een prototype ontwikkeld van een fiets met slimme stuurondersteuning. Deze fiets moet in de toekomst helpen om het aantal valpartijen op de fiets te voorkomen. En dat is nodig, zegt Schwab. “Het aantal ongevallen bij fietsers neemt toe: tussen 2000 en 2010 met zo’n 30%. Ernstige fietsongevallen gebeuren vaak doordat de fietser zelf de controle over de fiets verliest. In veel gevallen gaat het dan om ouderen. Er overlijden per jaar 120 fietsers van 55+ en meer dan 4.000 fietsers van 55+ hebben een ernstig ongeval.”

Simpel

“Daarom hebben we een prototype van een elektrische fiets met stuurondersteuning ontwikkeld. Dit steer-assist-systeem is het eerste systeem ter wereld dat een fiets rechtop kan houden; dit door de hulp van een motortje in de stuurkolom. Deze motor stuurt bij op het moment dat de fietser dreigt om te vallen. Met dit systeem kunnen fiets en rijder boven een snelheid van vier kilometer per uur stabiel worden gehouden”, zegt Schwab.

“De technische uitvoering is niet eens zo moeilijk. Er is een sensor nodig die meet hoe snel de fiets omvalt, een motortje en een processor die dat motortje aanstuurt. Het moeilijke gedeelte zit vooral in het vinden van de goede algoritmes waar de processor mee moet werken. En daarvoor was ons wetenschappelijke onderzoek over hoe een fiets eigenlijk stabiel blijft, van enorm belang.”

Mens en machine

“We zijn de steer-assist nu samen met Gazelle verder aan het testen en ontwikkelen. Er is nog wel het een ander aan onderzoek nodig voordat de steer-assist ook door de consument gebruikt kan worden. Het prototype wordt nu vooral gebruikt om te testen hoe gebruikers de stuurondersteuning ervaren, en om na te gaan welke vorm van ondersteuning het beste werkt. We willen bijvoorbeeld verder onderzoeken wat de fietser prettig vindt en wanneer er welke ondersteuning gegeven moet worden.”

“Dat laatste aspect, de menselijke factor, zie je steeds meer terugkomen in ons onderzoek. Het verschuift steeds meer van fundamenteel fietsonderzoek naar de interactie tussen mens en machine. En daar is nog zo veel te doen. We weten bijvoorbeeld nog steeds niet precies hoe we nou eigenlijk een fiets besturen. En ook de acceptatie van technische nieuwigheden door de gebruiker is heel belangrijk. Wat vindt de gebruiker eigenlijk fijn, en hoever wil hij de invloed van de techniek, bijvoorbeeld de steer assist, überhaupt laten gaan?”

Olympische Spelen en Tour

Schwab doet dus behoorlijk veelzijdig onderzoek. Een onverwachte, maar inmiddels wel belangrijke researchtak, ligt in de sport. “Dat is iets wat ik zelf nooit had kunnen bedenken. Maar door het Sports Engineering Institute hier aan de TU, is dat soort onderzoek sterk gestimuleerd.”

Een van de vele voorbeelden is het model dat de TU Delft ontwikkelde voor de optimale ploegentijdrit voor Team Sunweb tijdens de afgelopen Tour de France. Het optimaliseren van de ploegentijdrit is een stuk complexer dan bij de individuele tijdrit, omdat de prestatie afhangt van meerdere renners. Het gaat onder meer om het optimaliseren van de aflossingen. Daar kun je met wis-kundige modellering de ideale strategie voor ontwikkelen. Daarnaast is het ook belangrijk om bij te houden hoe lang een renner precies op kop rijdt, want dat is sterk bepalend voor hoe snel hij “leegloopt”. Het model berekent die tijden op kop op basis van onder meer de gegevens over snelheid en wattage. “Verder zijn we onder meer bezig geweest met de baanwielrenners en hun fietsen. Het viel me meteen op dat de meeste fietsen voor baanwielrenners eigenlijk te klein zijn, waardoor ze hun kracht niet optimaal kunnen overbrengen. De handling en in het bijzonder de stuurstijfheid van de fiets was een ander onderwerp waar we aan gesleuteld hebben.”

Het moet allemaal leiden tot (extra) mooie successen voor de wielrenners bij de Olympische Spelen, later dit jaar in Tokyo. Schwab zal daar zeker bij aanwezig zijn.

Scepsis

Er blijft nog genoeg te onderzoeken volgens Schwab, die met zijn 64 jaar het einde van zijn lange loopbaan aan de TU Delft langzaam in beeld ziet komen. “De vouwfiets is een voorbeeld. Ik weet niet hoe het met u gaat, maar die van mij rijdt belabberd. Ik zou daar echt niet met losse handen op durven te rijden. Kijk, dat hele basisontwerp van de vouwfiets, daar zou ik nog wel eens helemaal opnieuw naar willen kijken, net als naar de ontwikkeling van cargobikes, de moderne bakfiets, trouwens.”

“Ik ben een beetje een vreemde eend in de wetenschappelijke bijt. En ik heb altijd wel de nodige scepsis ondervonden: onderzoek aan fietsen, wat stelt dat wetenschappelijk nou voor? Maar het Fietslab, dat ik in 2002 ben begonnen, zal zeker blijven bestaan, ook als ik zelf niet meer werk voor de TU. Daar ben ik echt trots op.”

De menselijke factor zie je steeds meer terugkomen in ons onderzoek. Het verschuift van fundamenteel fietsonderzoek naar de interactie tussen mens en machine

Het is min of meer toevallig dat ik in het onder-zoek naar fietsen ben beland. Ik ben begonnen met een studie werktuigbouwkunde aan de hts (in Dordrecht) en dat vond ik in één woord: gewéldig. Ik draag die sfeer van bouten, moeren en knutselen nog steeds een warm hart toe trouwens. Ik vond het als kind altijd al jammer dat mijn vader geen autosloperij had…” “Ik ben na de hts naar de TU in Delft gegaan (toen nog TH, red.) en ben hier pas vrij laat gepromoveerd. Maar ik heb die oude fascinatie gehouden. Een bedrijf als Hoogovens, ijzer en staal, daar bloeit mijn hart van op. Maar specifiek een voorkeur voor onderzoek naar fietsen, die had ik zeker niet, nee.”

Cornell

“Die fietsen kwamen pas in beeld toen ik rond 2001 een sabbatical jaar heb gedaan. Ik ging naar Cornell University in de Verenigde Staten en ontmoette daar onderzoeker Andy Ruina. Hij was, net als ik, bezig met robots en biomechanica. Het klikte meteen tussen Andy en mij. Hij moest in die tijd een onderzoeksvoorstel indienen bij de National Science Foundation en vroeg of ik eens wilde uitzoeken wat er eigenlijk aan wetenschappelijk onderzoek naar fietsen was gedaan. Best veel, zo bleek. Alleen was die kennis nogal versnipperd. Ik zag dus dat er enorme mogelijkheden lagen om interessant onderzoek te doen. Dat was in 2002. En daarna is het eigenlijk niet meer opgehouden.”

Science

De nieuwe fascinatie van Schwab voor het rijwiel leidde bij terugkeer in Delft onder meer tot de oprichting van het – inmiddels fameuze- Fietslab aan de TU Delft. En na enige tijd zelfs tot een publicatie in het prestigieuze Science. “Ja, dat was wel even een mijlpaal voor dit vakgebied.”

Schwab en “fietspromovendus” Jodi Kooijman (alsmede Ruina, Jim Papadopoulos en Jaap Meijaard) bogen zich in het artikel over de vraag: waarom is een fiets, boven een bepaalde snelheid, uit zichzelf stabiel? Je geeft een fiets snelheid en dan kun je hem zo maar een flinke zwieper geven, zonder dat hij omvalt. Men ging er altijd van uit dat die stabiliteit heel sterk te maken had met twee factoren. Ten eerste zouden de draaiende wielen van de fiets, via gyroscopische effecten, voor stabiliteit zorgen. En ten tweede dacht men dat de factor “naloop” een belangrijke rol speelde. Naloop is de mate waarin het voorwiel achter de stuuras aanloopt. De publicatie in Science maakt aan dit oude idee definitief een einde. Gyroscopische effecten en naloop helpen wel, maar zijn niet noodzakelijk voor de stabiliteit. Dit werd niet alleen theoretisch maar ook experimenteel bewezen.

Niets nieuws

Het was zoals gezegd een mijlpaal. Fietsontwerpers bouwden voort op traditionele inzichten, ook als die niet bleken te kloppen. Aan het basisontwerp van de fiets was dan ook al honderd jaar niets wezenlijks veranderd. “We hebben in die tijd onder meer een wiskundig model ontwikkeld met zo’n 25 fysieke parameters, dat goed bleek te kunnen voorspellen óf, en bij welke snelheden, een bepaald fietsontwerp stabiel is. Er is ook experimenteel aangetoond dat de inzichten hierover kloppen.”

“Met het ontwikkelde model kunnen fabrikanten nu gericht sleutelen aan de stabiliteit en besturing van hun fietsen. Dat kan interessant zijn voor allerlei fietsen.” Ook de hogesnelheidsfiets van het Delftse studententeam HPT, dat afgelopen jaar het wereldsnelheidsrecord voor vrouwen korte tijd in handen had, profiteerde bijvoorbeeld van de verworven fundamentele kennis.

Steer-assist

Maar dat geldt ook voor gewone fietsen. Zo zagen we in het afgelopen jaar de lancering van de steer assist bike. De TU Delft en Gazelle hebben een prototype ontwikkeld van een fiets met slimme stuurondersteuning. Deze fiets moet in de toekomst helpen om het aantal valpartijen op de fiets te voorkomen. En dat is nodig, zegt Schwab. “Het aantal ongevallen bij fietsers neemt toe: tussen 2000 en 2010 met zo’n 30%. Ernstige fietsongevallen gebeuren vaak doordat de fietser zelf de controle over de fiets verliest. In veel gevallen gaat het dan om ouderen. Er overlijden per jaar 120 fietsers van 55+ en meer dan 4.000 fietsers van 55+ hebben een ernstig ongeval.”

Simpel

“Daarom hebben we een prototype van een elektrische fiets met stuurondersteuning ontwikkeld. Dit steer-assist-systeem is het eerste systeem ter wereld dat een fiets rechtop kan houden; dit door de hulp van een motortje in de stuurkolom. Deze motor stuurt bij op het moment dat de fietser dreigt om te vallen. Met dit systeem kunnen fiets en rijder boven een snelheid van vier kilometer per uur stabiel worden gehouden”, zegt Schwab.

“De technische uitvoering is niet eens zo moeilijk. Er is een sensor nodig die meet hoe snel de fiets omvalt, een motortje en een processor die dat motortje aanstuurt. Het moeilijke gedeelte zit vooral in het vinden van de goede algoritmes waar de processor mee moet werken. En daarvoor was ons wetenschappelijke onderzoek over hoe een fiets eigenlijk stabiel blijft, van enorm belang.”

Mens en machine

“We zijn de steer-assist nu samen met Gazelle verder aan het testen en ontwikkelen. Er is nog wel het een ander aan onderzoek nodig voordat de steer-assist ook door de consument gebruikt kan worden. Het prototype wordt nu vooral gebruikt om te testen hoe gebruikers de stuurondersteuning ervaren, en om na te gaan welke vorm van ondersteuning het beste werkt. We willen bijvoorbeeld verder onderzoeken wat de fietser prettig vindt en wanneer er welke ondersteuning gegeven moet worden.”

“Dat laatste aspect, de menselijke factor, zie je steeds meer terugkomen in ons onderzoek. Het verschuift steeds meer van fundamenteel fietsonderzoek naar de interactie tussen mens en machine. En daar is nog zo veel te doen. We weten bijvoorbeeld nog steeds niet precies hoe we nou eigenlijk een fiets besturen. En ook de acceptatie van technische nieuwigheden door de gebruiker is heel belangrijk. Wat vindt de gebruiker eigenlijk fijn, en hoever wil hij de invloed van de techniek, bijvoorbeeld de steer assist, überhaupt laten gaan?”

Olympische Spelen en Tour

Schwab doet dus behoorlijk veelzijdig onderzoek. Een onverwachte, maar inmiddels wel belangrijke researchtak, ligt in de sport. “Dat is iets wat ik zelf nooit had kunnen bedenken. Maar door het Sports Engineering Institute hier aan de TU, is dat soort onderzoek sterk gestimuleerd.”

Een van de vele voorbeelden is het model dat de TU Delft ontwikkelde voor de optimale ploegentijdrit voor Team Sunweb tijdens de afgelopen Tour de France. Het optimaliseren van de ploegentijdrit is een stuk complexer dan bij de individuele tijdrit, omdat de prestatie afhangt van meerdere renners. Het gaat onder meer om het optimaliseren van de aflossingen. Daar kun je met wis-kundige modellering de ideale strategie voor ontwikkelen. Daarnaast is het ook belangrijk om bij te houden hoe lang een renner precies op kop rijdt, want dat is sterk bepalend voor hoe snel hij “leegloopt”. Het model berekent die tijden op kop op basis van onder meer de gegevens over snelheid en wattage. “Verder zijn we onder meer bezig geweest met de baanwielrenners en hun fietsen. Het viel me meteen op dat de meeste fietsen voor baanwielrenners eigenlijk te klein zijn, waardoor ze hun kracht niet optimaal kunnen overbrengen. De handling en in het bijzonder de stuurstijfheid van de fiets was een ander onderwerp waar we aan gesleuteld hebben.”

Het moet allemaal leiden tot (extra) mooie successen voor de wielrenners bij de Olympische Spelen, later dit jaar in Tokyo. Schwab zal daar zeker bij aanwezig zijn.

Scepsis

Er blijft nog genoeg te onderzoeken volgens Schwab, die met zijn 64 jaar het einde van zijn lange loopbaan aan de TU Delft langzaam in beeld ziet komen. “De vouwfiets is een voorbeeld. Ik weet niet hoe het met u gaat, maar die van mij rijdt belabberd. Ik zou daar echt niet met losse handen op durven te rijden. Kijk, dat hele basisontwerp van de vouwfiets, daar zou ik nog wel eens helemaal opnieuw naar willen kijken, net als naar de ontwikkeling van cargobikes, de moderne bakfiets, trouwens.”

“Ik ben een beetje een vreemde eend in de wetenschappelijke bijt. En ik heb altijd wel de nodige scepsis ondervonden: onderzoek aan fietsen, wat stelt dat wetenschappelijk nou voor? Maar het Fietslab, dat ik in 2002 ben begonnen, zal zeker blijven bestaan, ook als ik zelf niet meer werk voor de TU. Daar ben ik echt trots op.”

De menselijke factor zie je steeds meer terugkomen in ons onderzoek. Het verschuift van fundamenteel fietsonderzoek naar de interactie tussen mens en machine


Mens en machine

“We zijn de steer-assist nu samen met Gazelle verder aan het testen en ontwikkelen. Er is nog wel het een ander aan onderzoek nodig voordat de steer-assist ook door de consument gebruikt kan worden. Het prototype wordt nu vooral gebruikt om te testen hoe gebruikers de stuurondersteuning ervaren, en om na te gaan welke vorm van ondersteuning het beste werkt. We willen bijvoorbeeld verder onderzoeken wat de fietser prettig vindt en wanneer er welke ondersteuning gegeven moet worden.”

“Dat laatste aspect, de menselijke factor, zie je steeds meer terugkomen in ons onderzoek. Het verschuift steeds meer van fundamenteel fietsonderzoek naar de interactie tussen mens en machine. En daar is nog zo veel te doen. We weten bijvoorbeeld nog steeds niet precies hoe we nou eigenlijk een fiets besturen. En ook de acceptatie van technische nieuwigheden door de gebruiker is heel belangrijk. Wat vindt de gebruiker eigenlijk fijn, en hoever wil hij de invloed van de techniek, bijvoorbeeld de steer assist, überhaupt laten gaan?”

Olympische Spelen en Tour

Schwab doet dus behoorlijk veelzijdig onderzoek. Een onverwachte, maar inmiddels wel belangrijke researchtak, ligt in de sport. “Dat is iets wat ik zelf nooit had kunnen bedenken. Maar door het Sports Engineering Institute hier aan de TU, is dat soort onderzoek sterk gestimuleerd.”

Een van de vele voorbeelden is het model dat de TU Delft ontwikkelde voor de optimale ploegentijdrit voor Team Sunweb tijdens de afgelopen Tour de France. Het optimaliseren van de ploegentijdrit is een stuk complexer dan bij de individuele tijdrit, omdat de prestatie afhangt van meerdere renners. Het gaat onder meer om het optimaliseren van de aflossingen. Daar kun je met wis-kundige modellering de ideale strategie voor ontwikkelen. Daarnaast is het ook belangrijk om bij te houden hoe lang een renner precies op kop rijdt, want dat is sterk bepalend voor hoe snel hij “leegloopt”. Het model berekent die tijden op kop op basis van onder meer de gegevens over snelheid en wattage. “Verder zijn we onder meer bezig geweest met de baanwielrenners en hun fietsen. Het viel me meteen op dat de meeste fietsen voor baanwielrenners eigenlijk te klein zijn, waardoor ze hun kracht niet optimaal kunnen overbrengen. De handling en in het bijzonder de stuurstijfheid van de fiets was een ander onderwerp waar we aan gesleuteld hebben.”

Het moet allemaal leiden tot (extra) mooie successen voor de wielrenners bij de Olympische Spelen, later dit jaar in Tokyo. Schwab zal daar zeker bij aanwezig zijn.

Andere Portraits of Science

Tweedeling in klimaatadaptatie voorkomen