Check out our science

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

From cohesion project to the world’s first sea water cavitation tunnel

Cavitation is a phenomenon that causes shipping a lot of problems – damage to propellers, noise in the marine environment and vibrations in the ship to name a few. Determined to study this process in depth, Professor Tom van Terwisga and Professor Jerry Westerweel worked together to design a new type of Cavitation Tunnel – a one-year Cohesion project that led to the construction of an experimental facility that is unique in the world.

Hoe werkt jouw hart? Een digital twin geeft antwoorden

Wereldwijd kampen zo’n 26 miljoen mensen met hartfalen. De vergrijzing en onze zittende levensstijl vergroten de kans op hartproblemen, dus dit getal gaat alleen maar stijgen. Er is momenteel geen goede behandeling voor hartfalen. Mathias Peirlinck, Assistant Professor aan de TU Delft, doet daarom onderzoek naar het hart. Om behandelopties voor patiënten te verbeteren, wil hij het hart beter begrijpen: hoe het functioneert en reageert. Dit is een erg complexe puzzel met duizenden chemische, elektrische, hydraulische en mechanische processen die interactie met elkaar hebben. Iedereen kent wel mensen die hartproblemen hebben. Het komt dus snel heel dichtbij, zo ook in mijn eigen familie. Dan wil je maar al te graag de best mogelijke behandeling voor hun specifieke geval. Mathias Peirlinck Hartfalen ontstaat als het hart niet langer voldoende bloed door het lichaam heen kan pompen. Organen en spieren krijgen daardoor te weinig bloed, zuurstof en voeding. De gevolgen hiervan zijn o.a. vermoeidheid, benauwdheid bij inspanning, dikke enkels, en concentratieproblemen. Hartfalen ontstaat door veranderende eigenschappen van het hartspierweefsel, bijvoorbeeld na een hartinfarct. Door beter inzicht te krijgen hoe dit proces precies werkt kunnen er nieuwe behandelingen ontwikkeld worden. Digital Twins Mathias Peirlinck is biomechanisch ingenieur. Na een PhD aan de Universiteit van Gent en een postdoc aan Stanford University, heeft hij nu zijn eigen groep aan de TU Delft. Binnen zijn groep van onderzoekers ontwikkelt men digitale tweelingen van het hart. Mathias: “Een digital twin is een virtuele kopie van het hart, dat zich precies zo gedraagt en reageert als het echte hart zou doen. Om zo’n kopie te maken moeten alle processen in het hart vertaald worden naar mathematische vergelijkingen die we dan kunnen gaan uitrekenen. We weten dat het hart uit verschillende gekoppelde natuurkundige processen bestaat. Daarom houden we rekening met elektrische signalen die door het hart gaan, de mechanische ontspanning en samentrekking van het hart, en de daarmee gekoppelde drukopbouw en stroming van het bloed.” Testen van nieuwe behandelingen Met behulp van digital twins kunnen artsen gaan voorspellen hoe het hart reageert op een behandeling, voordat deze effectief uitgevoerd wordt op de patiënt. Digital twins vormen een belangrijke stap richting gepersonaliseerde geneeskunde. Op dit moment kiezen artsen de voor de patiënt meest geschikte hartklep bijvoorbeeld vooral op basis van klinische proeven, statische beelden van de patient’s hart, en hun ervaring. Met de modellen die Peirlinck ontwikkelt, kunnen zij bijvoorbeeld voor iedere patiënt virtueel verschillende kleppen dynamisch gaan uitproberen, en de verkregen inzichten als extra informatie aan de arts bezorgen. Per patiënt ontwikkelen de onderzoekers een drie-dimensionaal computermodel op basis van de klinische data die beschikbaar is. Zo passen ze de geometrische, elektrische en mechanische eigenschappen van hun model aan het specifieke hart van de patient aan. Indien de patient bijvoorbeeld een lekkende klep of benauwde aorta heeft, passen ze de belastingen in hun model aan en berekenen ze wat dat met dat specifieke hart en de bloedstroom doet. Op deze manier kunnen zij ook gaan voorspellen hoe het hart reageert op een bepaalde behandelingstechniek. “Een groot voordeel van zo’n digital twin is dat de therapieën veel persoonlijker uitgetest kunnen worden en de succeskans daarmee omhoog kan gaan. Daarnaast kunnen nieuwe klinische onderzoeken deels digitaal uitgevoerd worden waardoor er minder dierenexperimenten nodig zijn. Dit scheelt veel tijd, geld en dierenleed.” Mathias Peirlinck De toekomst van de Digital Twin Niet alleen artsen, maar ook ingenieurs en het bedrijfsleven kunnen de digital twins goed gebruiken. Nieuwe instrumenten, implantaten en behandelingstechnieken kunnen snel en goedkoop getest worden op computermodellen van het hart in virtuele patiëntenpopulaties. Vroeger duurde het jaren voordat een eerste ontwerp in patiënten getest kon worden. Nu kan er al vanaf dag 1 een prototype in een digitaal hart getest worden. Ingenieurs kunnen nu voorspellen hoe het hart zich gedraagt in de eerste uren na een procedure. Met dit onderzoek willen zij ook begrijpen hoe het hart functioneert en verandert over een aantal dagen, weken, maanden, jaren om de arts te helpen kiezen welke procedure het meest voordelig is voor de patiënt, zowel op korte als lange termijn. Ook willen zij kijken hoe ze de progressie van hartfalen kunnen afremmen. Een uitdaging is echter nog dat niet alle data van patiënten altijd beschikbaar is om een virtuele kopie van het hart te kunnen maken. Momenteel wordt gekeken hoe daarmee om te gaan, en hoe complex het model moet zijn om klinisch relevant te zijn. Lees ook Meer verhalen Meer verhalen

Reducing large data for efficient perception in driverless vehicles

‘Tensor Decomposition for Efficient Robotic Perception’ is a Cohesion project, bringing together Dr Kim Batselier and Dr Julian Kooij. Their aim is to use the mathematical concept of Tensor Decomposition to compress the huge amounts of sensory data perceived by driverless vehicles to improve their overall efficiency.

Robotic physical therapy for safe shoulder rehabilitation

Research shows that shoulders recover better and more quickly if they are manipulated more often and put through a wider range of movements. This demands a better insight into the working of the shoulder joint, which is where robots can play an important role. Dr Ajay Seth collaborated with Dr Luka Peternel and post-doctoral researcher, Dr Micah Prendergast to design a ‘biomechanics aware’ robotic system that delivers optimal rehabilitation of rotator-cuff injuries within self-defined safety limits.

De wetenschap en “alchemie” achter het maken van duurzaam staal

Maria Santofimia Navarro is over de hele wereld bekend vanwege haar onderzoek naar geavanceerde hoge-sterktestalen. Met haar team bestudeert Santofimia de invloed van de microscopische structuur van staal op de fysische eigenschappen van het materiaal, aan de hand van fundamenteel theoretisch onderzoek, geavanceerde simulatietechniek en hoge-resolutie-experimenten. Deze kennis over de microstructuur van materialen zet ze in voor het ontwerp van “groenere”, duurzamere soorten staal.

Een optimaal kluitje van windturbines

Een enkele windturbine stuur je altijd met de neus recht in de wind. Maar voor maximale energieopbrengst van een geheel windpark kan het beter zijn de stand van de windturbines zo te kiezen dat ze niet in elkaars zog (“windschaduw”) komen te staan. Maarten van den Broek ontwikkelt een algoritme om die optimalisatie in real-time uit te voeren en won daarmee de prijs voor Best Energy Paper van de TU Delft.

Het belang van Open Science voor de maritieme industrie

Niet alleen schepen op zee hebben het soms zwaar te verduren. Met de komst van windparken-op-zee is de behoefte aan kennis over de impact van golven op maritieme constructies alleen maar toegenomen. Peter Wellens is een expert op dat gebied. Zijn onderzoeksresultaten deelt hij liefst zo snel en zo breed mogelijk met andere onderzoekers én met de industrie.