Spieken bij de biologie

Macroscopische mechanica laat zich lastig miniaturiseren, maar de trend naar minimaal-invasieve chirurgie vraagt om fijne instrumentatie. TU Delft-hoogleraar Paul Breedveld zoekt daarvoor naar alternatieve aanpakken, vooral door af te kijken bij de biologie.

Pieter Edelman
24 mei 2017

Biologie is niet het eerste dat opvalt in de werkkamer van TU Delft-hoogleraar Bio-Inspired Technology Paul Breedveld; de aandacht wordt opgeëist door rekenmachines uit vervlogen decennia, exemplaren die niet elektronisch rekenen maar gebruikmaken van vernuftige mechaniek. In de hoek ligt nog een opengeschroefde automatische transmissie uit een auto. De anatomische modellen staan een beetje verscholen in een kast tussen de boeken.

Paul Breedveld te midden van zijn mechanische rekenmachines.

De dingen hebben meer met elkaar te maken dan op het eerste gezicht lijkt. Zoals de naam doet vermoeden, houdt Breedvelds groep zich bezig met het vertalen van ontwerpprincipes uit de natuur naar technologie, met name chirurgietoepassingen. Maar niet zomaar omdat het kan: ‘Zo’n chirurgisch instrument moet vaak heel erg dun zijn en verschrikkelijk veel kunnen, en dan wil je eigenlijk ook nog dat het zo simpel en goedkoop is dat je het kunt weggooien na een operatie’, begint Breedveld te vertellen. ‘Bestaande technologie loopt daar een beetje tegen haar grenzen aan. Ik probeer het register aan mogelijkheden die je kunt gebruiken groter te maken door ook naar de natuur te kijken. Je hebt daar allerlei dingen die kunnen bewegen en grijpen en heel erg klein zijn.’

Maar let wel, dat is iets heel anders dan de natuur proberen na te doen, waarschuwt hij gelijk: ‘Als je naar de natuur kijkt, bestaat het gevaar dat je je daar ook toe beperkt. Bij biomimicry zie je soms dat er een onderzoek wordt opgezet naar het maken van een kunstmatige spier, waarbij een vorm en textuur exact wordt gekopieerd. De natuur volgt hele andere aanpakken dan de mens. Ik denk dat de echte innovatie zit in de combinatie tussen biologisch en menselijk vernuft, zoals slimme spierstructuren nabouwen met standaard kabeltjes, veertjes en schroefjes.’

Maar andere inspiratiebronnen voor ‘niet-alledaagse’ aanpakken zijn dus ook welkom. En de mechanische rekenmachines – toegegeven, het is een hobby, net als oude camera’s – voldoen daar zeker aan. ‘Wat in het verleden door de mensen is bedacht, daar zitten verdomd vernuftige dingen bij. Daar staat een rekenmachine uit 1884’, wijst Breedveld naar een van de apparaten. ‘Als je ziet hoe dat in elkaar zit … nou, dat is redelijk out of the box, dat verzint niet iedereen zomaar.’

System Architecting Conference

Maximumaantal onderdelen

De out-of-the-box-aanpak is in principe voor allerlei toepassingen inzetbaar, maar de groep heeft ervoor gekozen zich vooral te richten op chirurgische instrumenten. De reden ervoor is bijna banaal: ‘Als je ergens een derde van je leven aan besteedt, kun je dat maar beter doen aan iets waar de wereld beter van wordt. Ik kan ook voetbalrobots gaan maken om maar wat te noemen, dat is ook leuk. Maar ik vind dit nuttiger.’

Daarnaast is er juist binnen deze sector grote behoefte aan verfrissende ideeën rond instrumenten door de opkomst van minimaal-invasieve chirurgie, ofwel het opereren via kleine incisies of lichaamsopeningen in plaats van het opensnijden van de patiënt. Dat is over het algemeen beter voor de patiënt, maar het beperkt de chirurg wel in de bewegingen die hij kan maken. Het is vaak lastig om de stijve instrumenten in de juiste bocht te krijgen.

Een van de aanpakken om dat op te lossen, is het gebruik van een computergestuurd systeem – een operatierobot. Op dit moment heeft één fabrikant hier praktisch het monopolie: het Amerikaanse Intuitive Surgical met zijn Da Vinci-systeem. Redelijk succesvol, maar ook erg kostbaar. ‘Zo’n Da Vinci kost twee miljoen euro’, weet Breedveld. ‘Maar eigenlijk wil je iets maken van een paar duizend euro want anders bereik je alleen maar een paar heel rijke academische centra. De streekziekenhuizen kunnen het al amper meer betalen, laat staan de wat armere landen’, legt hij uit.

Zo’n tien jaar geleden begon Breedveld daarom te werken aan een instrument dat wel simpel in elkaar te zetten is en toch alle kanten op kan bewegen. De manier waarop de tentakels van een octopus zijn opgebouwd, reikte de oplossing aan.

Inktvissen kunnen hun armen in zo ongeveer elke mogelijke bocht bewegen dankzij een structuur van lagen kring- en dwarsspieren die rondom de arm lopen. Weliswaar is dat zo’n beetje het tegenovergestelde van simpel, maar het idee bleek terug te brengen tot iets dat wel eenvoudig is: een krans kabeltjes ingeklemd tussen twee standaard veren en die vastzitten aan de tip. Door aan de kabeltjes te trekken, is de tip in elke richting te bewegen. ‘Da Vinci gebruikt allemaal heel kleine katrolletjes: dat is prachtig om te zien maar is feitelijk miniaturiseren van bestaande techniek. Dat is heel erg kostbaar. De inktvis bracht de uitkomst met een rare structuur met weliswaar een maximumaantal onderdelen maar wel hele simpele onderdelen’, licht Breedveld toe.

De vinding wordt gecommercialiseerd door de in Amsterdam gevestigde spin-off Deam (Delft-Amsterdam) waarvan Breedveld medeoprichter is. Die zet het in voor minimaal-invasieve instrumenten zoals grijpertjes en voor katheters die door een bloedvat moeten navigeren. Met de inktvis-geïnspireerde structuur zijn de instrumenten in diameter terug te brengen tot minder dan een millimeter.

Breedveld is nog wel betrokken bij de spin-off, maar hij laat de echte productontwikkeling liever aan hen over. ‘In de medische wereld is dat gewoon een heel lange weg. Dan sta je op een gegeven moment voor de keus: ga ik door met ontwikkelen van nieuwe fundamentele technologie, of ga ik me de komende decennia alleen maar richten op het naar de ok brengen daarvan. Ik zie mezelf dan toch meer als een uitvinder en minder als iemand die een uitvinding verfijnt en verfijnt terwijl de essentie hetzelfde blijft; daar zijn andere mensen beter in.’

Misfit

De vraagstukken van de groep komen direct uit de medische praktijk. Breedveld onderhoudt nauwe contacten met chirurgen uit het AMC, het LUMC, het Erasmus MC en het UMCU – de ‘omliggende’ umc’s – en met het Delftse Reinier de Graaf-ziekenhuis. Daarnaast wordt met de universiteit van Wageningen samengewerkt voor de biologische kennis. ‘Je hebt daar wel een grappige soort van misfit in de taal die het erg interessant maakt om samen te werken met biologen. Bij hen merk je dat ze veel op celniveau en in termen van energie denken. Wij zijn meer geïnteresseerd in de macroscopische structuur van dierlijke anatomie en we bouwen geen cellen, dus voor ons is dat niet zo interessant’, aldus Breedveld.

Een van de grote vraagstukken waar hij nu aan werkt, is het maken van een instrument dat een specifiek pad kan afleggen zoals een slang, bijvoorbeeld om tussen organen door te manoeuvreren. ‘Wij hebben die inktvistentakel gebruikt voor alleen een polsgewricht, maar je kunt prima meerdere van dat soort gewrichten achter elkaar zetten zodat je een soort ketting van elementen krijgt die je allemaal individueel kunt sturen.’ Het grote probleem is echter: hoe stuur je het aan? Als de tip zich vooruitbeweegt, moet de vorm van de afgelegde weg zich door de ketting heen propageren. Een computergestuurde aansturing ligt voor de hand, maar Breedveld is daar geen groot fan van. ‘De meeste mensen zeggen: stop er een motortje in, dat is lekker simpel. Maar in de praktijk valt dat erg tegen. Een motortje heeft een beperkte maat, beperkt vermogen, er moeten tandwielkasten bij, sensoren en computers.’

De legboor van een sluipwesp biedt inspiratie voor een stuurbare naald die zichzelf het weefsel in kan werken. Het prototype is gemaakt door een student; in het vervolgtraject is de dikte al teruggebracht tot onder een millimeter.

Op het bureau van Breedveld pronkt een mechanisme dat op den duur een alternatieve aanpak moet bieden: tien schuifjes op de zijkant kunnen elk in een specifieke positie worden gezet, en wanneer aan een wieltje wordt gedraaid, verplaatst een vernuftig mechaniek die configuratie een positie naar achteren. Een promovendus betrapte hem erop dat hij er elke dag even mee speelt, geeft hij toe.

Al met al ziet die opstelling er ook niet simpel uit. ‘Het apparaat heeft iets van tweehonderdvijftig onderdelen. Dat is al simpeler dan elektrische aansturing met een computer’, relativeert Breedveld. Maar belangrijker nog: het is de eerste stap op weg naar wat misschien een heel nieuw concept kan worden. Breedveld heeft in elk geval goede hoop: ‘We hebben nu een nieuw model ontworpen dat hetzelfde kan met maar drieëntwintig onderdelen. Je begint met dit soort dingen altijd bij de technologie die je kent en bouwt daar stap voor stap op verder. Op een gegeven moment heb je iets waarvan je denkt: ‘Dit is zo simpel, hadden we dat nou niet direct kunnen bedenken?’ Maar het wijkt dan zo veel af van bestaande techniek dat je blijkbaar toch een soort van omweg moet maken om er te komen.’

Boomkikkers

Op dit moment lopen er ook twee projecten samen met Wageningen, waarbij er steeds een promovendus daar de biologische principes achterhaalt en eentje in Delft er de principes voor een technische toepassing uit extraheert. Zo blijken sluipwespen een mechanisch erg interessante legboor te hebben. ‘Daarmee prikken ze door hout heen in een rups om eitjes te leggen. Die legboren zijn hele lange dunne naalden die ze heel diep in hout kunnen steken en ook nog kunnen sturen. Dit kunnen we toepassen om stuurbare naalden te maken.’

Het andere project vindt zijn inspiratie in de pootjes van boomkikkers. ‘Die kunnen plakken aan natte bladeren, maar dan zonder zuignapjes. Dat zouden we willen gebruiken om glibberig weefsel vast te pakken zonder dat je er met een tang in hoeft te knijpen.’

Overigens is het ook weer niet zo dat hij vies is van elektronica, legt de hoogleraar uit terwijl hij een ringvormig object uit de kast pakt: een zogeheten self-propelling robot die door de dikke darm kan bewegen voor colonoscopieën. Een plakkerige laag tape die langs de buitenkant beweegt, dient als een soort rupsband. Voor de aandrijving worden vier elektromotoren ingezet. ‘In de jaren zeventig ontstond met de opkomst van de computer een beetje de sfeer dat mechanisch ouderwets was. Nu zie je weer een tegenovergestelde tendens, gedreven door de opkomst van 3d-printtechnieken. Het is denk ik gewoon een beetje een golfbeweging.’