BioEARS, een sensor gebaseerd op krekelharen ‘Hoe krijgt de natuur het in hemelsnaam voor elkaar om met zo weinig energie zo veel te doen?’ Eind maart 2014. De zon van het ongewoon zachte voorjaar beschijnt het Twentse universiteitsterrein, dat zoals gewoonlijk onder constructie is. Dit keer wordt een rij oudere gebouwen gerenoveerd. We lopen langs een shovel en kruiwagens naar gebouw Carré. Op de begane grond treffen we prof.dr.ir. Gijs Krijnen, de man van BioEARS, een VICI project waarin hij sensortechnologie ontwikkelt gebaseerd op krekelharen. Hij verwelkomt hartelijk: ‘Koffie?’ We gaan zitten in een propvolle kamer. Twee bureaus tegenover elkaar, computerschermen staan rug aan rug, omringd door paperassen. Een wand vullende kast links bevat een ondefinieerbaar apparaat met oud Philips-logo, en onderin een rijtje boeken waarin ‘Umberto Eco – Hoe schrijf ik een scriptie’ vreedzaam samenleeft met ‘Fluid Mechanics’. Krijnen: ‘Deze kamer delen we met z’n tweeën, dat is efficiënter en goedkoper. We huren de kamer van de universiteit. Bedrijfsruimte. De gebouwen waar je net langs bent gekomen, daarmee zijn ze bezig om nog meer bedrijfsruimte te maken, want dat is het eigenlijk. Maar goed, daar kwam je niet voor.’ Nee, we gaan het hebben over krekelharen en sensortechnologie.
Schema krekelhaarsensor Hoe werkt het? BioEARS (Bio-inspired Engineering of ARRay Sensors). De kunstmatige krekelhaar is een knap staaltje zogeheten bio mimetica. De haartjes die een krekel op zijn achterlijf heeft vormen de inspiratiebron. Die haartjes stellen de krekel in staat om zijn belagers goed te voelen of horen aankomen: de krekel schat afstand en richting op deze manier feilloos in. Door een haartje te maken dat is opgehangen in een flexibel microsysteem, bootsen Twentse onderzoekers in de groep van professor Gijs Krijnen deze eigenschappen na. Het haartje heeft een lengte van 0,9 millimeter en is onderaan dikker dan bovenaan. De kleinste bewegingen worden
geregistreerd door de flexibel opgehangen plaat waaraan het haartje is bevestigd. Een beweging verandert de elektrische capaciteit, wat een maat is voor de beweging. De gevoeligheid kan worden vergroot met een ander type haartje dat minder stijf is. Onderzoeker Harmen Droogendijk ontdekte dat de veerstijfheid ook elektronisch is aan te passen. Hij onderzocht welke wisselspanningen gebruikt kunnen worden om het veertje op de gewenste momenten ‘slapper’ te krijgen en zo extra gevoelig te maken voor de bijbehorende frequenties. Het effect bleek groot: bij de ingestelde frequentie haalde een haartje een tien maal grotere gevoeligheid. Dat maakt dat de sensor nog beter toepasbaar wordt zonder dat ingegrepen hoeft te worden in het ontwerp. Te denken valt aan richtingssensoren die een robot gebruikt, of het onderzoeken van heel specifieke luchtstromingen. In al deze toepassingen kunnen de haartjes extra gevoelig gemaakt worden voor een bepaalde frequentie. ‘Dat gaan we even doen…’ Hoe kwam je op het idee van een haarsensor? ‘Het begon met een Europees project, waarin we gingen kijken naar sensoren die gebaseerd waren op haarsensoren. Zoals bij een krekel. Ik dacht, dat gaan we even doen. Maar dat bleek net wat anders uit te pakken. Een haartje maken van 1 mm lang in MEMS technologie was nog niet zo simpel.'
De eerste haartjes Waarom een krekelhaar? ‘Als techneut verbaas je je over hoe dingen werken in de natuur. De natuur is heel efficiënt, met energie, met materiaal, en laat vaak enorm goede prestaties zien. Dus er valt veel te ontdekken waarmee onze technologie beter kan worden gemaakt. ‘EARS’ staat niet voor oren, het is nogal aanmatigend om te veronderstellen dat we een oor kunnen maken. Met de kennis uit het Europese project hebben we toen de VICI-aanvraag geschreven.’ Wat heb je geleerd van dat VICI project? Lachje. ‘Allereerst dat een krekel niet meet met één haartje. Hij heeft een bos haren en gebruikt de informatie van de flowpatronen die daaroverheen lopen. Aan de hand van een model, en het inzicht in de geweldige performance van de krekel in dat model, ontstond het inzicht hoe je die flows het beste kunt meten. Grosso modo zie je hier twee dingen: haar en ophanging. Wacht, ik laat het even zien.’ Staat op, pakt een stift en begint te schrijven op het whiteboard dat boven de tafel hangt.
De biomimetische les En toen kon je de sensor maken? Licht misprijzende blik. ‘Daar zaten wel wat meer kantjes aan. Hoe lang moesten de haren zijn? Te lange haren werkten niet goed, en te korte haren ook niet. Bij de krekel zijn alle haren efficiënt. Bij ons niet. Een goed systeem moet gevoeligheid hebben en niet teveel ruis.’ Korte pauze. Dan: 'Het is niet zo dat we als ingenieurs aan het klungelen zijn. Wij hebben als enige groep in de wereld een haarsensor gemaakt die wisselende luchtverplaatsingen kan meten, en betrouwbare informatie geeft bij kleine flows.’ Wel een mooie uitkomst van de VICI 'Zeker. Onze onderzoeker Harmen Droogendijk is hier als laatste in 2014 op gepromoveerd, hij heeft mooi werk geleverd. We hebben de VICI in drie delen uitgevoerd.’ Gaat weer staan en tekent het VICI uitvoeringsplan op het bord.
Het VICI plan Keuzestress Wat was het moeilijkste moment in het onderzoek? Peinst even. ‘Het moment dat we onze haar, die werkte, niet verder konden optimaliseren zonder grote veranderingen in technologie door te voeren. Toen moest ik de keus maken: wat ik nu heb is
goed genoeg om leuke parametrische effecten met de sensoren te laten zien, of verder te gaan optimaliseren aan de haar-sensor.’ Even een STW vraag: hoe kan de sensor toegepast worden? ‘Je zou hem kunnen gebruiken in robots om te kijken wat er in de omgeving gebeurt. De grap is dat we een systeem hebben dat met heel weinig energie werkt. Dat was ook één van mijn vragen: hoe krijgt de natuur het in hemelsnaam voor elkaar om met zo weinig energie zo veel te doen?’
Meer geavanceerde haartjes Het onderzoek is afgelopen, hoe nu verder? Weifelend. ‘Bedrijven willen een probleem opgelost hebben, niet per se bio mimetisch. Wat zijn de verkooppunten van de biologie? Ik ga graag nog een hele tijd door met op insecten gebaseerd sensoronderzoek. Ik wil het geluid meten zoals sprinkhanen dat doen, met één membraan verschillende frequenties meten op verschillende plekken.’ Enthousiast: ‘Wist je dat er een mechanische infraroodgevoelige sensor bestaat bij kevers die leven in pas verbrand bos?’ Je bent wel door de natuur gefascineerd. Corrigeert: ‘Door biologen. Vaak leer ik dat iets in de natuur zus of zo werkt, en dan denk ik ‘fantastisch!’ De natuur komt met trial and error tot de goede oplossing. Datgene dat goed werkt, dat is uiteindelijk wat overleeft. De biologie draagt in die zin onderzoek van miljoenen jaren met zich mee.’ En hoe kijk je tegen valorisatie aan? Glimlach. ‘Valorisatie, daarvoor moet je academia en industrie niet te hard op elkaar drukken. Die tijdschalen passen niet bij elkaar. Onderzoek zie ik toch ook als een vehikel om mensen op te leiden.’ Insecten-oren Wat zou je doen in een ideale wereld? ‘Op de korte termijn zou ik me richten op insecten-oren. Met name de mechanische functies die daarin worden gerealiseerd. En dat met zeer laag energieverbruik. Ik zou meer willen weten van neuronale systemen en bekijken hoe je hieruit zaken kunt destilleren die voor technische toepassingen interessant zijn. Met name het quasi-digitale karakter van deze signalen, die ze relatief ongevoelig maakt voor storingen. En hoe neuronen de sensoriek in staat stellen nauwkeurig en met hoge resolutie waar te nemen.’
Hoe ziet je jezelf over vijf jaar? ‘Ik zal in de bio mimetica richting blijven. Ik hoop een grotere verscheidenheid aan sensoren, geïnspireerd op de natuur, te hebben begrepen en gerealiseerd. Met betere performance dan wat we normaal maken. Mijn grootste droom zou zijn tot nieuwe uitleesprincipes te komen die net zo robuust, flexibel en nauwkeurig zijn als in de natuur. Mechanisch kunnen we veel maken dat de vergelijking met de natuur kan doorstaan. Maar op het vlak van uitlezing, transport en verwerking van signalen blijft het een uitdaging te wedijveren met neuronen!’
2014: Derde prijs in Bionic-Award De Twentse onderzoeker Harmen Droogendijk is op 24 oktober in Bremen door een internationale jury beloond met de derde plaats in de Bionic-Award 2014. De tweejaarlijkse prijs is in het leven geroepen door de Schauenburg Foundation, en de uitreiking wordt georganiseerd door de VDI (Verenigde Duitse Ingenieurs). Droogendijk kreeg de prijs dankzij de kwaliteit van zijn biomimetische werk op het NWO/STW VICI project BioEARS (Bioinspired Engineering of Array Sensors). Het BioEARS project onder leiding van Prof. Dr. Ir. Gijs Krijnen gaat over de analyse, het begrijpen en technisch implementeren van flowsensors gebaseerd op krekelharen.
Dr. Juri Tschernjaew (Laudatio), Prof. Dr. Karin Luckey (President Hochschule Bremen); Marc Schauenburg (Schauenburg-Stiftung); Prof. Antonia Kesel (VDI Society Technologies of Life Sciences), Prof. Dr. Ir. Gijs Krijnen (Supervisor 3. Price Bionic Award 2014), Dipl.-Biol. Julia Nickerl (Winner Bionic Award 2014), Dipl.-Ing Kai Tausch (2. Price Bionic Award 2014), Dr. rer. nat. Ralf Helbig (Winner Bionic Award 2014), Dr. rer. nat. René Hensel (Winnaar Bionic Award 2014), Dr. rer. nat. Adrian Klein (3. Price Bionic Award 2014), Dipl.-Biol. Hendrik Herzog (3. Price Bionic Award 2014).
