Hoe biologen én ingenieurs leren van dieren

Case

Hoe biologen én ingenieurs leren van dieren

Ingenieurs van de Technische Universiteit Delft en biologen van Wageningen University & Research halen inspiratie uit de natuur om instrumenten voor medische toepassingen te maken. Hun intensieve samenwerking levert mooie resultaten op. “Dit lukt alleen als je ingenieurs en biologen bij elkaar zet.”

De sluipwesp kan iets bijzonders. Het insect is in staat om door vermolmd hout of een vrucht te prikken en zo eitjes te leggen in larven die in deze plekken leven. Daarvoor gebruikt de wesp een lange legbuis. Maar deze buis is dusdanig lang, dat het diertje deze niet zelf in het materiaal kan duwen. Het geheim is dat deze ‘naald’, die uit drie losse delen bestaat, zichzelf vooruit kan trekken.  

Niet alleen vanuit biologisch perspectief is dit een interessant mechanisme. Ingenieurs van de Bio Inspired Technology Group (BITE-Group) van de TU Delft gebruikten de zogenoemde legboor van de sluipwesp als inspiratiebron om dunne naalden voor medische toepassingen te bouwen. Ze bestudeerden de werking en bouwden verschillende prototypes. “We hebben nu naalden van 0,45 millimeter dik, dat is slechts drie keer zo dik als een mensenhaar. De naald is flexibel en stuurbaar en trekt zich automatisch door het weefsel voort”, zegt hoogleraar Medical Instruments & Bio Inspired Technology Paul Breedveld. Dit soort naalden moet artsen in staat stellen om op moeilijk bereikbaar plekken in het lichaam te kunnen behandelen, bijvoorbeeld in de hersenen of diep in het ruggenmerg.

Het onderzoek is onderdeel van het Perspectiefprogramma iMIT – Instruments for minimally invasive techniques dat financiering ontving van NWO-domein Toegepaste en Technische Wetenschappen.

Intensieve samenwerking

Om de natuur goed te begrijpen werkt de groep van Breedveld intensief samen de leerstoelgroep Experimentele Zoölogie van hoogleraar Johan van Leeuwen (Wageningen University & Research). Onderzoek met voor de helft technologen en de helft biologen in zo’n hechte samenwerking is uniek, zegt Breedveld. “Binnen het vakgebied bio-inspired technology is vaak één van de twee kanten dominant. Er is bijvoorbeeld een biologie-professor met een voorliefde voor technologie. Uiteindelijk is de toepassing dan vaak niet zo serieus. Bij zuivere technologiegroepen is de link met de biologie vaak wel heel erg ver gezocht.”  

De twee onderzoekers kwamen jaren geleden met elkaar in contact. Breedveld gebruikte de inzichten van Van Leeuwens onderzoek naar de werking van inktvistentakels bij de ontwikkeling van een innovatief stuurmechanisme, onder andere binnen zijn Vici-project. Het onderzoek was zeer succesvol en het inmiddels wereldwijd gepatenteerde mechanisme is gebruikt in een groot aantal prototypes van stuurbare slangachtige medische instrumenten. De twee onderzoekers hebben toen besloten samen onderzoekaanvragen te gaan schrijven.

Van Leeuwen vertelt dat zijn groep voorheen vooral fundamenteel onderzoek deed, maar meer is opgeschoven richting toepassing. “We onderzoeken bijvoorbeeld het vliegmechanisme van malariamuggen en ontwikkelen daarmee betere muggenvallen. De fundamentele oplossing en de toepassing zijn twee kanten die elkaar versterken.”

De legboor van de sluipwespDe legboor van de sluipwesp

Boomkikker

Naast het wespenonderzoek is er sinds anderhalf jaar een eveneens door NWO-domein Toegepaste en Technische Wetenschappen gefinancierde studie bezig naar de manier waarop de boomkikker zich in een natte omgeving stevig vasthoudt aan verschillende materialen en zich even zo makkelijk weer losmaakt. De inzichten willen ze gebruiken voor het ontwikkelen van plakkend chirurgisch instrumentarium. Weefsel in het menselijk lichaam wordt momenteel vastgepakt met instrumenten die zijn voorzien van bekjes met een zaagtandstructuur. Dat kan schade aan het weefsel veroorzaken. De plaktechniek kan dit voorkomen.

Natuur geen beperking

Het onderzoek is nadrukkelijk bio-inspired. De onderzoekers halen inspiratie uit de natuur, maar proberen niet exact na te maken wat ze zien. Dat is het grote verschil met biomimicry, legt Breedveld uit. Hij noemt de legboor van de sluipwesp: “De verschillende delen zitten met een ingewikkelde ribbelconstructie aan elkaar vast. Het is niet mogelijk om die op zo’n kleine schaal na te bouwen.” In plaats daarvan legden de onderzoekers simpele ringetjes om de naald heen om de delen bij elkaar te houden – een oplossing die in de natuur niet is te vinden.

De natuur is een fantastische inspiratiebron, maar menselijke vondsten zijn dat evenzeer, benadrukt hij. “We hebben de basisprincipes van de natuur gebruikt, maar de precieze uitvoeringsvorm hebben we op onze eigen technische manier gemaakt, dat is cruciaal. Als je inspiratie uit de natuur haalt en slimme menselijke technologie toevoegt, kom je op oplossingen waar anders niemand op was gekomen. Dat lukt alleen als je de ingenieur en de bioloog bij elkaar zet. Anders blijft ieder te veel hangen op zijn eigen terrein.”

Samenwerken gaat vanzelf

Is er een probleem dat men in Delft wil oplossen? “Wij kennen vaak wel een beestje dat een bepaald kunstje flikt, dat kunnen we als inspiratiebron gebruiken”, zegt Van Leeuwen. In zijn leerstoelgroep werken inmiddels enkele ingenieurs uit Delft en Eindhoven die samen met de biologen in Wageningen complexe proefopstellingen bouwen, nodig om metingen te doen bij de dieren. Samen met de BITE-group kijken ze naar de vertaalslag die nodig is om van het mechaniek van het dier tot een maakbare toepassing te komen. De kruisbestuiving levert aan weerskanten inzichten op. Van Leeuwen: “Ingenieurs komen met ideeën over hoe zaken binnen de biologie werken, wij komen met suggesties over hoe technologie kan functioneren. Omdat wij ook op een mechanische manier leren kijken, komen onze metingen op een hoger plan.”

De fundamentele oplossing en de toepassing zijn twee kanten die elkaar versterken

Dat de op het eerste oog zo verschillende groepen goed kunnen samenwerken ligt volgens Breedveld aan de onderlinge verbondenheid. Technici bestuderen apparaten,  biologen bestuderen dieren, de drijfveer is hetzelfde. “We willen allemaal weten waarom dingen zo in elkaar zitten.” Daarbij komt dat er in beide groepen veel belangstelling is voor elkaars vakgebieden, zegt Van Leeuwen. “Ik ben zelf steeds meer ingenieur geworden, de mensen uit Delft steeds meer bioloog. Ik vind het plezierig om over de schutting heen te kijken. Breedveld: “Als er een klik is, gaat de samenwerking vanzelf.”

> Lees hier meer over het financieringsinstrument Perspectief

Een prototype van de ontwikkelde naaldEen prototype van de ontwikkelde naald

Meer informatie

> Website Bio Inspired Technology Group

> Leerstoelgroep Experimentele Zoölogie

> Sluipwesp helpt chirurgie verder (TU Delft)