Check out our science

Discover the stories of researchers at the
Faculty of Mechanical Engineering.

Vloeistofmechanica voor de toekomst

Vloeistofmechanica is een integraal onderdeel van veel aspecten van ons moderne leven, zoals sport, medicijnen, klimaatverandering en milieukwesties, en ook van de meer traditionele vakgebieden als transport, energie en infrastructuur van gebouwen. Zo is dr. Jerry Westerweel, hoogleraar vloeistofmechanica, betrokken bij een vloeistofmechanicaproject als onderdeel van een onderzoek naar zwemtechnieken.

Duurzame medische instrumenten voor ontwikkelingslanden

Sterilisatie van vrouwen is in India sinds de jaren zeventig de meest gebruikte methode van geboortebeperking. Dat is volgens de nationale overheid nodig om de groei van de bevolking onder controle te houden. Anders zou India in 2028 China inhalen, wat op dit moment het land is met de meeste inwoners ter wereld. Hoewel stevige kritiek op dit sterilisatiebeleid bestaat, er zijn immers ook minder ingrijpende manieren om minder kinderen te krijgen en bovendien daalt het geboortecijfer al door de toename van welvaart in India, wordt meer dan één op de drie vrouwen vandaag de dag gesteriliseerd. Regelmatig zelfs met dodelijke afloop.

Hét beest van de TU Delft klaar voor actie

De onderhoudskosten zijn een nachtmerrie voor elke scheepseigenaar, volgens Mirek Kaminski, hoogleraar scheeps- en offshore constructies aan de afdeling Maritieme – en transporttechniek van de TU Delft (3ME). In zijn ideale toekomst zijn schepen duurzamer, effectiever en goedkoper. De hexapod biedt daarbij uitkomst als testfaciliteit.

In de verf openbaart zich de meester

Zelfs het beroemdste schilderij is gewoon een doek met verf, aldus kunsthistoricus Joris Dik. Onderzoek aan die verf kan vervalsingen ontmaskeren, verborgen schilderijen zichtbaar maken, en je laten meekijken in het atelier van een schilderende Rembrandt of Picasso.

Windmolenparken kunnen veel meer energie opwekken

Om meer duurzame energie op te wekken en minder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen, verschijnen in ons land steeds meer windmolens aan de horizon. Vooral op zee, want daar staan ze niet alleen niemand in de weg, er is vooral veel meer ruimte dan op het land. En er is nóg een voordeel. Waar windmolens eerst nog keurig in een park in het gelid stonden, drijven ze sinds 2030 en is de structuur van de parken dynamisch.

Nieuwe grijper lost schepen sneller en slimmer

De vlag ging uit bij transporttechnoloog Dingena Schott en haar team van de TU Delft. Niet alleen bedachten zij een ontwerpmethode voor een nieuwe grijper; de door Nemag gebouwde grijper blijkt ook nog eens te voldoen aan al hun voorspellingen op basis van de door hen gevalideerde modellen, testen en stimulaties. “Dat is nog niet eerder aan bod gekomen in de wetenschappelijke literatuur en zeker een kroon op ons werk”, zegt Schott. De Nederlandse grijper zou op alle havens ter wereld schepen sneller en duurzamer kunnen lossen. Dingena Schott Vanuit Brazilië en Australië varen dagelijks enorme schepen met duizenden tonnen ijzererts, steenkool en andere bulkgoederen de haven van Rotterdam binnen. Hier zorgen kraanmachinisten ervoor dat die vracht snel en efficiënt wordt geleegd, zodat het kan worden opgeslagen of verdeeld over kleinere schepen die het via de Rijn naar staalfabrieken in Duitsland en Oostenrijk transporteren. Voor het lossen van zo’n vracht kan een kraanmachinist kiezen uit verschillende grijpers, afhankelijk van het bulk materiaal. “De vraag is: hebben ze wel een optimale grijper voor het product dat ze willen lossen?” zegt Dingena Schott, die bij de afdeling maritieme en transporttechnologie van de faculteit ME onderzoek doet naar nieuwe technologieën voor haven gerelateerde transportlogistiek. “Het meest recente ontwerp voor grijpers is ongeveer vijftig jaar oud. Sinds die tijd zijn er geen principieel nieuwe ontwerpen op de markt gekomen”. Zouden schepen dus nog sneller gelost kunnen worden, zodat ze eerder terug kunnen varen om de volgende lading te halen? Video created by Stef Lommen Schott denkt van wel. Sterker nog, het onderzoek dat zij en haar team deden heeft inmiddels geleid tot een innovatieve grijper die de lostijd van een schip met tenminste tien procent verkort. De TU Delft ontwikkelde hiervoor de modellen, het inzicht en de ontwerpmethode en werkte samen met grijperfabrikant Nemag uit Zierikzee, die het nieuwe ontwerp bedacht. Nemag ontving deze week zelfs een prestigieuze award, een prijs die het International Bulk Journal uitreikt aan de meest innovatieve technologie voor vrachtafhandeling. Op het eerste oog verschilt de nieuwe grijper weinig van de bestaande grijpers. Alle grijpers hebben twee schelpen met een scharnierpunt in het midden en een sluitmechanisme. “Het gaat erom dat je zoveel mogelijk materiaal per schep kunt meenemen”, zegt Schott. “Die hoeveelheid wordt beperkt door de kraan die op de kade staat, die maar een bepaald gewicht omhoog kan tillen. Kies je een hele zware grijper, dan dringt ‘ie weliswaar dieper in het materiaal, maar kan per greep niet zoveel meenemen. De ideale grijper is dus zo licht mogelijk en graaft zich toch goed in. Het is een soort van trade-off van massa en kracht”. Maar waar begin je met het verbeteren van een vertrouwde grijper in de conservatieve wereld van de bulk-, op- en overslag? “Sinds 2007 gebruikt Schott de discrete elementen software als onderdeel van een innovatieve ontwerpmethode. Sinds de komst van deze techniek begrijpen we voor het eerst wat er precies gebeurt tijdens het grijpen van materiaal. Het stelt ons in staat om korrels ijzererts en de grijper te modelleren, hun gedrag tijdens het oppakken in een simulatie te bekijken en zo te bepalen of dat leidt tot een optimale vulling van de grijper. Dat laatste deden we eerst met de bestaande grijper bij Tata Steel in IJmuiden voor het valideren van het model”. Dankzij de software kunnen Schott en haar team berekenen hoeveel kracht er precies nodig is voor het grijpen van zoveel mogelijk ijzererts-korrels . “Om de grijper te kunnen bewegen, moet je bovenaan de kabels trekken. Dan probeert de grijper te sluiten, maar door de weerstand van het ijzererts zal dat steeds langzamer gaan. Om dezelfde snelheid te houden, moet je dan harder aan de kabels trekken”, zegt Schott. Om de dynamica van de grijper samen met het ijzererts goed te begrijpen, koppelde ze deze met het discrete elementen model. Het verschil tussen de bestaande en de nieuwe grijper zit ‘m in het totale ontwerp: zowel het nieuwe mechanisme als de nieuwe schelpvorm zorgen ervoor dat de verhouding tussen de uitgeoefende krachten en de vulling van de grijper optimaal is. Daardoor wordt een schip uiteindelijk in tien procent minder tijd gelost. En wat blijkt? Waar ontwerpers tot nu toe met trial en error een nieuw concept probeerden, voldoet de nieuwe grijper van Nemag voor het eerst aan alle voorspellingen die de TU Delft deed op basis van de door hen gevalideerde modellen, testen en simulaties. “Dat is nog niet eerder aan bod gekomen in de wetenschappelijke literatuur”, zegt Schott. “We hebben hier dan ook de vlag uitgehangen, omdat het wetenschappelijk gezien de kroon is op ons werk. Bovendien vind ik het als wetenschapper gaaf dat ons onderzoek leidt tot een concrete verbetering voor een Nederlands bedrijf dat wereldwijd de markt bedient”. Het is al een flinke efficiëntieslag. Naast de productiviteit die met 10 procent toe is genomen, weegt de grijper 15 procent minder. Daardoor zijn minder schaarse grondstoffen nodig. Bovendien liggen schepen minder lang in de haven te wachten en te lossen, wat voor een aanzienlijke emissiereductie zorgt. Maar het kan nog optimaler. De ambitie van Schott is om in de toekomst nóg sneller te lossen door een dynamische grijper te maken die zichzelf aanpast. Bovendien gaat het niet alleen om de grijper, maar ook om de kraan waar de grijper met kabels aanhangt. “We hebben nu alleen het grijperontwerp aangepast, want bovenin de kraan konden we nog geen dingen veranderen”, zegt Schott. “Maar eigenlijk zouden we niet alleen de grijper, maar ook de interactie met de kraan willen optimaliseren. Momenteel werkt er een promovendus aan het ontwikkelen van modellen voor andere soorten bulkmateriaal. De eigenschappen van materiaal, zoals korrelvorm, textuur en stijfheid, zorgen er namelijk voor dat elk materiaal zich anders ‘gedraagt’. Dit heeft invloed op de stroming binnen in de grijper. Denk aan droog zand dat gemakkelijker stroomt dan nat zand. Door de analyse van allerlei soorten substanties kunnen we de grijper nog verder ontwikkelen. Uiteindelijk willen we uiteraard een grijper die voor alle producten en onder alle omstandigheden optimaal presteert. Lees het persbericht van Nemag: ‘ Nederlandse grijperfabrikant Nemag wint prijs voor innovatie’.

Denken en praten als arts én technoloog

Denken en praten als arts én technoloog Eerste lichting bachelors Klinische Technologie Nieuwe technologieën zoals 3D-printen of sensor-chips veranderen de geneeskunde. Maar ook de operatielamp of stethoscoop kan nog beter, laten de eerste bachelors Klinische Technologie zien in hun meesterproef. Ze willen het leven van chirurgen, artsen en patiënten makkelijker maken met nieuwe techniek. Chirurgisch polslicht De brainwave kwam toen ze met de groep aan het sparren waren over hun eindopdracht, vertelt Tessa van Hartingsveldt, kersverse BSc in Klinische Technologie. Ondanks speciale operatielampen klagen chirurgen over te weinig licht. Hun eigen hoofd en handen zorgen voor schaduw. Van Hartingsveldt: “We bedachten dat licht ook van onder de handen kan komen.” Het resulteerde in een prototype van het chirurgisch polslicht: een reeks led-lampjes onder de pols. Eerste tests laten zien dat ze inderdaad meer licht brengen, precies waar het nodig is. De TU Delft, Universiteit Leiden en Erasmus Universiteit scholen sinds drie jaar gezamenlijk studenten in geneeskunde én techniek, in de bacheloropleiding Klinische Technologie. Dat gebeurt op verzoek van de zorg. Medische technologie is steeds belangrijker in ziekenhuizen, revalidatieklinieken en verzorgingstehuizen. “Dat is ook nodig vanwege vergrijzing, personeelstekort en stijgende zorgkosten”, stelt Arjo Loeve docent en onderzoeker Biomechanical Engineering aan de TU Delft en coördinator van de eindprojecten. “Een operatiekamer zonder klinisch technicus zal een zeldzaamheid worden. Die zorgt ervoor dat alle techniek optimaal wordt ingezet.” Tweetalig Als klinisch technoloog moet je echt een duizendpoot zijn, vervolgt Loeve. “Je hebt een brugfunctie tussen technologie en geneeskunde. Dat betekent dat ‘harde techniek’ je moet boeien, maar ook dat je grondige kennis hebt van geneeskunde en de taal van artsen spreekt.” In de eindprojecten, een soort meesterproef komen al die eisen samen. Zo verdiepte een groep studenten zich in geluidstechniek om de klassieke stethoscoop te ‘isoleren’. Na een groot ongeluk of ramp kan het omgevingslawaai namelijk oorverdovend zijn, probeer dan maar eens een zwakke hartslag of longruis te ontdekken. Een andere groep verdiepte zich in botreplica’s uit de 3D-printer. Waar in de productie ontstaan eventuele vormafwijkingen en hoe groot zijn die? De studenten gingen aan de slag met scantechnieken, 3D-printers, meettechnieken en statistiek en ontwikkelde een testmodel om de diverse technieken te beoordelen. Ysbrand Willink: “De afwijkingen blijken zeer klein, een paar tiende millimeter, en ontstaan vooral in de printer.” Paul Roos: “Kaakchirurgen kunnen de modellen zeker gebruiken bij de voorbereiding van de operatie, maar voor forensisch onderzoek zijn ze niet geschikt. Het verschil tussen een zaag- of mes-spoor op een bot verdwijnt bij een replica. De ‘kopieën’ zijn eventueel wel geschikt als vervangend bot.” Het stoffelijk overschot kan dan misschien worden overgedragen aan de nabestaanden terwijl bewijsmateriaal bewaard blijft. Geisoleerde stethoscoop Onderzoek isoleren stethoscoop in dode kamer ‘Alledaagse’ problemen Klinisch technologen moeten ook contact kunnen leggen met patiënten, benadrukt Lex Linsen, hoofd Studentenonderwijs Huisartsgeneeskunde bij Erasmus MC. Linsen is bedenker en coördinator van het vak ‘Van inleving naar innovatie’. Studenten ontmoeten een chronische patiënt en bedenken hoe ze hem of haar kunnen helpen. Linsen: “Het gaat dan niet om een revolutionaire dwarslaesie-operatietechniek maar juist om hulp bij hele alledaagse, hinderlijke problemen. Innovatie niet omdat het kan, maar omdat het moet.” Linsen benaderde patiëntenverenigingen met de vraag of mensen met een chronische aandoening zouden willen meewerken. Zo trokken studenten Paul Roos en Amne Mousa een dagje op met een leeftijdsgenoot met hydrocefalie (‘waterhoofd’). Ze leerden onder andere dat deze patiënten een paar maal per jaar naar het ziekenhuis moeten omdat de druk in de hersenen oploopt of juist afneemt. Dan moet de afvoersnelheid van de drain worden aangepast. Elke keer weer moet daarvoor een klein gaatje in de schedel worden geboord. Roos en Mousa presenteerden een mogelijke oplossing: plaats een druksensor in het klepje van de drain dan is het boren niet meer nodig. “Geniaal”, vindt Linsen. “En dat vonden ook de neurochirurgen. Die zeiden meteen: waarom hebben we dat zelf niet bedacht.” De smart-drain is er nog niet, benadrukt Linsen. Het gaat om een idee, een eerste ontwerp. Maar hopelijk komt er een prototype en uiteindelijk een bruikbare slimme drain. Pioniers Op 12 oktober krijgen [kregen] de ruim veertig studenten Klinische Technologie, die hun studie nominaal doorliepen, hun diploma. Hoe was het om de allereerste lichting te zijn? Van Hartingsveldt: “Omdat je de allereerste bent, zijn er nog geen oefentoetsen. En in het begin stonden we regelmatig voor een dichte collegezaal. Het roosteren met drie reserveringssystemen bij drie universiteiten liep nog niet soepel. Maar er was ook veel mogelijk juist omdat we de eersten waren. Zo mochten we bijvoorbeeld meekijken bij een openhartoperatie. Echt heel bijzonder.” Willink: “Ook voor docenten is alles nieuw. Ze staan daarom echt open voor ideeën en kritiek. Je vormt zo je eigen opleiding een beetje mee.” Een opleiding door drie partners levert ook voor docenten interessante contacten op, zegt Loeve. “Ik praat met artsen en onderzoekers die ik voorheen niet tegenkwam. Dat heeft al tot nieuwe samenwerking in het onderzoek geleid.” Overigens ook met instellingen buiten de Medical Delta. Onder de eindprojecten waren ook opdrachtgevers van het AMC en Jeroen Boschziekenhuis. Loeve: “Mijn oproep voor projectideeën heeft via-via veel mensen bereikt, ook ambulancediensten en revalidatiecentra. Dat is alleen maar mooi.” En de reacties op het onderzoekswerk zijn lovend, vertelt Loeve. “Artsen zijn echt verrast en onder de indruk van wat deze studenten in korte tijd bedenken en uitvoeren.” Van Hartingsveldt: “Voor sommige artsen was het wel wennen dat een niet-arts zich ermee bemoeit. Maar ik kwam vooral enthousiasme tegen in de ziekenhuizen en mensen die graag met ons wilden praten en meewerkten aan ons onderzoek.” Delft-Leiden-Rotterdam De bacheloropleiding Klinische Technologie leidt een nieuw soort medisch professional op. Een academicus met grondige medische én technische kennis, die een brug slaat tussen de techniek en arts en patiënt. De opleiding startte in het studiejaar 2013-2014 met honderd studenten per jaar die via een selectieprocedure worden toegelaten. De Technische Universiteit Delft is penvoerder van de opleiding. Partners zijn Universiteit Leiden (LUMC) en de Erasmus Universiteit Rotterdam (Erasmus MC). Zorginstellingen binnen de Medical Delta werken mee. De eerste veertig bachelors haalden op 12 oktober 2017 hun diploma op. Het vervolg: Technical Medicine Bachelors Klinische Technologie Paul Roos en Ysbrand Willink starten in september met de nieuwe driejarige masteropleiding Technical Medicine. Deze tweetalige MSc-studie zorgt voor verdere verdieping in geneeskunde én medische technologie. Er zijn twee specialisaties: Imaging & Intervention gericht op beeldtechnieken en Sensing & Stimulation gericht op het volgen en bewaken van de gezondheidstoestand van patiënten. Wie een BSc Klinische Technologie op zak heeft, kan ook kiezen voor een master in een van de twee basisdisciplines: geneeskunde of biomedische techniek. Voor een vervolg in geneeskunde is een schakeljaar vereist. Tessa van Hartingsveldt overweegt doorstroom naar de master Biomedische Techniek. “De technische kant spreekt me toch het meest aan. Maar ik neem eerst een tussenjaar: werken en reizen.”