Mechatronica 2.0: duurzame vorm van alles-in-een

Nederland is goed in mechatronica, het multidisciplinaire veld dat draait om geïntegreerde mechanische systemen die hun werk doen door een slimme combinatie van sensoren, actuatoren en regeltechniek. Prof.dr.ir. Just Herder, hoogleraar Interactieve Mechanismen en Mechatronica en kersverse voorzitter van de Afdeling Precision and Microsystems Engineering aan de TU Delft, kijkt graag verder, naar wat in de wandelgangen ‘mechatronica 2.0’ wordt genoemd. Waar mechatronische onderdelen traditioneel los van elkaar staan, probeert Herder ze verregaand met elkaar te integreren. “Het kan kleiner en preciezer, en met minder materiaal -en energieverbruik”.

Crowdsurfen

“Waarom heeft een mobiele telefoon aparte onderdelen om met nullen en enen om te gaan, om de buitenwereld af te tasten, en om een trilsignaal af te geven?” vraagt Herder. Zijn onderzoeksgroep probeert de uiteenlopende functies van mechanische systemen op slimme wijze met elkaar te integreren. Een belangrijk voordeel van deze benadering is dat het zich beter leent voor miniaturisatie. En zo is Herder beland in de wondere wereld van de nanotechnologie. “Als we steeds kleinere computerchips willen maken, zullen de apparaten die dat doen ook steeds preciezer moeten worden, zonder dat hun energieverbruik explodeert.” Herder schetst een stip aan de horizon van zijn vakgebied: “Nu chips met een nauwkeurigheid van miljoensten millimeters (de schaal van de nanometer) worden gefabriceerd, moeten we ook nadenken over vervormingen op nanoschaal in de bewegende houder die de chip tijdens het fabricageproces van A naar B verplaatst. Een actieve actuatorlaag tussen houder en chip kan vervormingen op nanometerschaal in de houder compenseren, om zo de chip te beschermen. Maar kunnen we de houder ook helemaal vervangen door duizenden minuscule vingers, die de chip met de grootst mogelijk precisie laten crowdsurfen? Misschien kunnen die vingers ondertussen de chip ook inspecteren.” Het fabriceren en aansturen van dergelijke slimme vingers is bij uitstek een uitdaging voor de nieuwe mechatronica.

Buigzaam

Een belangrijk gereedschap zijn elastische mechanismen met een extreem lage stijfheid. Door traditionele mechanische systemen, bijvoorbeeld op basis van lagers, te vervangen door deze buigzame alternatieven, ontstaat er een materiaaloppervlak waar actieve lagen op aangebracht kunnen worden. Elektro-actieve polymeerlagen kunnen bijvoorbeeld dienst doen als sensoren, en piëzo-elektrische lagen als actuatoren om bewegingen te genereren. Op deze manier worden beweging, actuatie en sensing in één continue structuur gecombineerd. Deze structuur verspilt minder energie en is bovendien ook goed te verkleinen. Herder: “Dit is een andere manier om naar werktuigbouwkundige machines te kijken. Momenteel zien we dat machines steeds groter worden om een grotere nauwkeurigheid te bereiken en om die reden steeds meer ruimte, materiaal en energie gebruiken.”

Energy harvesting

Een bijzondere eigenschap van de mechanismen met extreem lage stijfheid die in Herder’s groep worden onderzocht, is dat ze gebruikt kunnen worden om energie te ‘oogsten’ uit trage bewegingen. “Denk bijvoorbeeld aan een zeecontainer,” legt hij uit. “Om te weten waar die zich bevindt, wil je eigenlijk een GPS tracker inbouwen die af en toe een signaal afgeeft. Maar je wil niet telkens de batterijen moeten vervangen. Een simpel mechanisch systeem dat energie haalt uit de bewegingen die de container maakt terwijl het de oceaan oversteekt, heeft geen batterij nodig.” De toepassingen zijn legio, en Herder werkt nauw samen met industriële partners. Het spin-off bedrijf dat voortkwam uit Herder’s onderzoek naar flexibele mechanische onderdelen, Flexous BV, heeft inmiddels dochterbedrijf Kinergizer BV gestart dat zich specifiek richt op energy harvesting toepassingen. 

Autonome microrobots

Herder: “Over 5 jaar hoop ik dat we erin geslaagd zijn om deze lage-stijfheid mechanismen volledig te integreren in micro-elektromechanische systemen (MEMS), gefabriceerd door middel van de gangbare chipfabricagetechnieken. “Als we deze veelgebruikte technieken kunnen inzetten om ook geïntegreerde MEMS/mechatronische systemen te bouwen, gaat er een wereld van mogelijkheden open.” In dezelfde tijd verwacht hij voortgang op het gebied van biogeïnspireerde robotjes voor zich, die autonoom in ongestructureerde omgevingen, zoals over bepaalde organen in het lichaam, kunnen manoeuvreren om deze langdurig en volcontinu te inspecteren. “De natuur maakt geen gebruik van propellers om beweging door een vloeistof te genereren. In plaats daarvan zien we dat trilhaartjes of staartjes die taak uitvoeren. De combinatie van mechatronica en nanotechnologie biedt mogelijkheden om dergelijke systemen te bouwen op de kleinst mogelijke lengteschaal. Op groter formaat hebben we al de eerste resultaten verkregen. In de komende jaren hoop ik dat prototypes zich autonoom kunnen verplaatsen, een beetje zoals een robotstofzuiger dat doet.”

Nano-Engineering Research Initiative

Herder is enthousiast over het potentieel van de combinatie van mechatronica en nanotechnologie binnen zijn afdeling. “Ik denk dat we nog veel meer kunnen. Talloze interessante fenomenen liggen voor het oprapen nu we nanotechnologische expertise in het vakgebied van de mechatronica injecteren. Hiermee kunnen we materialen, instrumenten en apparaten maken die werken dankzij nanotechnologie (nano-enabled), en, omgekeerd, machines ontwikkelen die op grote schaal producten op basis van nanotechnologie maken (enabling nano).” Hij verwacht dan ook veel van het Nano-Engineering Research Initiative (NERI) initiatief. “Het mooie aan NERI is de combinatie van expertisegebieden in één afdeling. “Ik heb maar weinig verstand van nanotechnologie maar wel van automatisering. Voor anderen is dat precies andersom. De lijnen zijn kort. We bedenken de meest exotische plannen en komen er telkens achter dat die plannen best haalbaar zijn als we het samen doen.” In aanvulling op de vele projectmatige samenwerkingsverbanden met het bedrijfsleven ziet Herder in NERI een nieuwe manier om de samenwerking vloeiender voort te zetten en om continuïteit te garanderen op de langere termijn. “Het idee is om groepsgewijs bepaalde onderzoeksrichtingen te steunen. Bedrijven uit verschillende branches met interesse in hetzelfde onderzoeksthema slaan de handen ineen. Doordat de deelnemers verschillende toepassingen voor ogen hebben, is er alle ruimte voor samenwerking in plaats van concurrentie.” Momenteel zijn Herder en collega’s volop bezig met de eerste NERI-contracten. “Dit is een kantelpunt. Met NERI kunnen we laten zien wat we in huis hebben en wat we waard zijn.”