Waarom het wiel opnieuw uitvinden? Het dierenrijk als inspiratie voor nieuwe technologie

  • Compacte röntgenscanner geïnspireerd door kreeftogen kijkt dwars door stalen wand
  • Robot-cheetah springt autonoom over verschillende hindernissen
  • Blindengeleidestok maakt, net als vleermuizen, gebruik van echolokalisatie
  • Robot-snorharen nemen het voortouw in nieuwe navigatietechnologie
  • Flexibele legboor van de houtwesp inspireert neurochirurgische sonde
  • Optimale benutting van de efficiëntie van moeder natuur

Biomimicry, het nabootsen van processen en systemen in de natuur voor toepassingen in de technologie, wint steeds meer aan populariteit en is in veel gevallen de meest voor de hand liggende manier om nieuwe technologie te ontwikkelen. Robotici, software- en hardware-ontwerpers en wetenschappers zijn het er allemaal over eens dat het tijdverspilling is om het wiel opnieuw uit te vinden en doen dat dan ook steeds minder vaak. Enkele voorbeelden van door het dierenrijk geïnspireerde technologie zijn de blindengeleidestok die gebruikmaakt van echolokalisatie en de nieuwe navigatietechnologie op basis van snorharen. In dit artikel laten we je zien hoe wetenschappers de efficiëntie van moeder natuur nog meer benutten.

1. Compacte röntgenscanner geïnspireerd door kreeftenoog kijkt dwars door stalen wand

Omdat röntgenstralen moeilijker gemanipuleerd en gebundeld kunnen worden dan gewoon licht, moeten ziekenhuispatiënten en koffers op het vliegveld vaak blootgesteld worden aan een stortvloed aan straling. Hiervoor hebben we grote, onhandige röntgenapparatuur nodig. Maar dankzij nieuwe technologie, geïnspireerd door kreeften, gaan we dat binnenkort anders doen. Kreeften die op de bodem van de oceaan leven, in de duisternis en de modder, beschikken over een soort van röntgenvisie,  gebaseerd op reflectie, in plaats van refractie zoals bij mensen. Dit maakt het mogelijk om golflengten waar te nemen die je niet met een lens kunt afbuigen. Hierdoor kunnen kreeften veel meer soorten straling waarnemen dan mensen. Het is een uniek optisch geometrisch ontwerp waarmee kreeften zelfs in de meest troebele omgeving kunnen zien.

 de LEXID (Lobster Eye X-ray Imaging Device)
Met het LEXID (Lobster Eye X-ray Imaging Device) apparaat kijk je dwars door hout, beton en zelfs 7 cm dikke stalen constructies.

Wetenschappers van de Physical Optics Corporation, gefinancierd door het US Department of Homeland Security, hebben nu een manier gevonden om dit proces na te bootsen en ontwikkelden een soort draagbare ‘kreeftenkijker’. Met het LEXID (Lobster Eye X-ray Imaging Device) apparaat kijk je dwars door hout, beton en zelfs 7 cm dikke stalen constructies. Hoewel de beelden niet high-definition zijn is de kwaliteit goed genoeg om bijvoorbeeld wapens op te sporen in een zeecontainer of een persoon te zien die zich achter een muur verstopt.

2. Robot-cheetah springt autonoom over verschillende hindernissen

Zelfs robotica-ingenieurs wenden zich voor ontwerpinspiratie tot het dierenrijk. Wetenschappers aan het MIT Biometrics Robotics Lab, medegefinancierd door de Maximum Mobility and Manipulation Division van DARPA, gaven hun bekende robot-cheetah onlangs een upgrade. Dit deden ze door de machine met een driedelig algoritme te leren om autonoom over obstakels te springen. Door middel van het 2D LIDAR lasersysteem (Light Detection And Ranging) detecteert de cheetah eerst de afstand tot de obstakels. Daarna berekent het algoritme hoe de robot over de hindernis moet springen om goed te landen. De berekening duurt overigens maar 100 milliseconden, snel genoeg om de berekeningen ruim voor de sprong te maken. De vorige indrukwekkende prestatie van de robot-cheetah was dat hij kon rennen zonder met kabels aan computers verbonden te zijn. Uiteindelijk krijgt de cheetah een flexibele ruggengraat en zal hij in staat zijn om scherpe bochten te nemen, te zigzaggen, te sprinten en onmiddellijk tot stilstand te komen. De robot wordt in de toekomst gebruikt door het leger maar kan daarnaast ook ingezet worden bij onder andere brand- en rampenbestrijding of in de geavanceerde landbouw.

3. Blindengeleidestok maakt, net als vleermuizen, gebruik van echolokalisatie

De Ultrasound Research Interest Group van de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk ontwierp onlangs de UltraCane, een geleidestok voor blinden en slechtzienden die trilt wanneer het een obstakel detecteert. De UltraCane is voorzien van sonar waarmee de omgeving voortdurend wordt afgetast. Door middel van deze geavanceerde obstakeldetectie-technologie krijgt de gebruiker via vibrerende knoppen op de geleidestok een tactiele terugkoppeling. Hoe dichterbij de hindernis, des te sneller is de trilling. Hiermee kan de gebruiker haast intuïtief een beeld vormen van zijn omgeving. De techniek is direct geïnspireerd door de manier waarop vleermuizen en dolfijnen navigeren: door gebruik te maken van ultrasone golven (echolokalisatie). De gevoeligheid van de geleidestok kan ingesteld worden op twee of vier meter afstand. Naast hindernissen als parkeerpalen of afvalbakken op straat of kledingrekken in een winkel detecteert de UltraCane ook laaghangende takken of andere voorwerpen boven het hoofd van de gebruiker. De UltraCane ‘ziet’ de obstakels voordat de gebruiker er in de buurt komt, zodat hij er op een veilige manier omheen kan lopen.

4. Robotsnorharen nemen het voortouw in nieuwe navigatie-technologie

Veel dieren die zich in een omgeving bevinden waar hun gehoor of gezichtsvermogen beperkt is, vertrouwen op hun snorharen. Zeehonden kunnen daarmee veranderingen in de zeestromen waarnemen en ratten weten waar ze zijn door met hun snorharen over objecten in de omgeving te strijken. Geïnspireerd door deze dieren, ontwierpen onderzoekers uit Singapore en de VS onlangs kunstmatige snorharen voor robots. Door te analyseren hoe snorharen reageren op lucht- of waterstroom, kunnen ze robots in staat stellen om zelfs in een donkere omgeving subtiele bewegingen waar te nemen. De kunstmatige snorharen zijn gemaakt van elastische vezels met een geleidend laagje dat bestaat uit nanodeeltjes en nanobuisjes. De kunstmatige snorharen hebben, vergeleken bij soortgelijke druksensoren, een extreem hoge drukgevoeligheid. Ze zijn zelfs in staat om een lichte druk van één pascal (Pa) waar te nemen. Dit is vergelijkbaar met een stukje papier dat op een tafel ‘drukt’. Deze ultragevoelige snorharen worden in de toekomst wellicht gebruikt als alternatief voor conventionele sonar- of radarsystemen, in situaties waarin optische sensoren niet optimaal functioneren. Potentiële toepassingen zijn foutdetectie in machines, leidingen en pijpen waar de snorharen problemen kunnen detecteren, diagnosticeren en repareren. Een andere mogelijke toepassing is niet-invasieve intravasculaire chirurgie – waarvoor de robotsnorharen uiteraard geminiaturiseerd moeten worden. Hoewel er al verschillende optische detectiemethoden voor chirurgische procedures bestaan kunnen alleen robotsnorharen de tastzin repliceren  die tijdens niet-invasieve chirurgie verloren gaat.

5. Flexibele legboor van de houtwesp inspireert neurochirurgische sonde

Het heeft lang geduurd voordat wetenschappers en biologen erachter kwamen hoe de flexibele ‘legboor’ aan het achterlijf van een vrouwelijke houtwesp werkt. Met deze ‘boor’ leggen de wespen hun eitjes in naaldbomen. De houtwesp kan onder alle mogelijke hoeken en zonder enige kracht of lichaamsgewicht boren. Na jarenlange studies en experimenten ontdekten de wetenschappers dat de legboor in feite een buisvormig orgaan is met twee ‘boorschachten’ met minuscule tandjes. Deze boor maakt snelle zaagbewegingen waarbij de schachten zich om de beurt vastzetten en vooruitgaan. De manier waarop de houtwesp dit doet heeft Dr. Ferdinando Rodriguez y Baena van het Imperial College geïnspireerd om de Sting te ontwikkelen (Soft Tissue Interventie en Neurosurgical Guide), een computergestuurde neurochirurgische sonde voor gebruik in delicate hersenchirurgie. De sonde is gemaakt van een silicumnaald met twee op en neer bewegende schachten waarmee het mogelijk is om tot gebieden diep in de hersenen door te dringen met minimale schade aan omliggend weefsel.
Ook wetenschappers aan de Universiteit van Bath in het Verenigd Koninkrijk, die onderzoeken of er leven is op Mars, werden geïnspireerd door de legboor van de houtwesp. Omdat er op de rode planeet nauwelijks sprake is van zwaartekracht zou boren in het oppervlak nagenoeg onmogelijk zijn. De houtwesp inspireerde de wetenschappers om een zaagboor te ontwerpen met extra  zaagbladen die op dezelfde manier werken als de legboor van de wesp. Deze technologie biedt zelfs de mogelijkheid om te boren in het oppervlak van meteoren of planeten waar helemaal geen zwaartekracht is.

6. Optimale benutting van de efficiëntie van moeder natuur

Biomimicry speelt in op de ongeëvenaarde efficiëntie van de natuur en met het oog op oplossingen vinden voor problemen, vragen steeds meer wetenschappers zich af: ‘Hoe zou de natuur dit oplossen?’ Vervolgens bestuderen, kopiëren en verbeteren ze de processen en systemen die ze in de natuur zien en baseren daar nieuwe technologieën op. Vaak gaat dat goed, maar de verfijning van de natuur repliceren blijkt in veel gevallen echter een enorme uitdaging. Zou dit iets te maken hebben met het feit dat moeder natuur honderden miljoenen jaren de tijd heeft gehad om haar ontwerpen te perfectioneren?

Gratis e-books voor 13 sectoren.

De wereld verandert in snel tempo en dat heeft grote impact op all sectoren. Daarom hebben we voor maar liefst 13 sectoren een compact e-book ontwikkeld. Daarin vind je de laatste trends op een rij, onderbouwd met interessante statistieken.
Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen