De slimme sensoren van Kottapalli
Op gevoel
Dit verhaal begint met een vis.
Een vis die al zo lang in diepe onderwatergrotten leeft waardoor zijn zicht zozeer achteruit is geëvolueerd, dat hij nu volledig blind is. Maar al zwemt de Astyanax fasciatus vrij snel, hij botst nooit tegen stenen of andere objecten in het water aan. Hij heeft een perfect orientatiegevoel. Beter nog, zo lijkt het, dan vissen die wel kunnen zien.
Hoe doet hij dat? En wat kunnen we ervan leren? Dat vroeg Ajay Kottapalli zich af toen hij met zijn promotieonderzoek bezig was, een navigatiesysteem voor vaartuigen maken.
Het blijkt dat het diertje kleine biologische sensoren op zijn lijf heeft zitten. Dat gebruikt hij om de waterdruk rond zijn lichaam te registreren en daarmee een 3D-kaart van zijn omgeving te maken. Beter dan camera’s, die vaak niet zo goed zien onder water. Beter dan sonar, want daar kunnen andere dieren soms niet tegen.
‘We hebben stromingssensoren gemaakt die extreem gevoelig zijn voor druk’, legt Kottapalli uit, ‘en die hebben we op een robot geplaatst. En dat werkte. We konden ze ook echt in zee uitproberen.’
Impact
Dat was al een tijd geleden, toen hij nog werkte in Singapore en aan de MIT als postdoc. Maar het zette de toon voor wat hij nu doet aan het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG).
Want ook al houdt hij van techniek op uiterst kleine schaal, hij wilde iets doen wat ook echt betekenis heeft in de wereld. ‘Ik wilde iets doen dat impact heeft op mensen’, zegt hij. ‘Ik wilde geen oplossing ontwikkelen dat op zoek moet naar een probleem.’
Ik wilde geen oplossing ontwikkelen dat op zoek moet naar een probleem
Hij wist veel over kleine, flexibele sensoren die informatie verzamelen over bewegingen. Zou het niet tof zijn als hij dat kon gebruiken voor de zorg? Of in de sport? Wat als hij draagbare elektronica kon ontwikkelen die informatie over de hartslag, loop of ademhaling van een sporter verzamelde, of die de verstoorde beweging van iemand met MS of Parkinson kon registreren?
Uitgerekt
De RUG bood hem de mogelijkheid om precies dat te doen. Hij kwam naar Groningen om een laboratorium op te zetten en andere wetenschappers uit te zoeken om mee samen te werken. ‘Mensen zijn heel toegankelijk voor samenwerking in Nederland,’ zegt hij. ‘Ik kan een e-mail naar een belangrijke hoogleraar sturen en meestal reageren ze met: “Ja! Laten we wat afspreken om te praten.”’
Het bleek dat mensen heel geïnteresseerd waren in wat hij had te bieden. En hoe hij samenwerkte met, onder andere, het UMCG en een revalidatiecentrum voor parkinsonpatiënten in de Groningse wijk Helpman.
Het kostte hem wel jaren onderzoek om te zijn waar hij nu is. Voordat zijn sensoren toepasbaar waren, moesten ze piëzo-resistief worden, wat betekent dat ze een klein beetje stroom moeten afgeven als ze uitgerekt worden, bijvoorbeeld als je je voet neerzet bij het wandelen of als je je knie buigt.
Siliconen
Maar piëzo-resistieve sensoren worden meestal van siliconen gemaakt, wat lang niet flexibel genoeg is als je het in kleding of schoenen wilt gebruiken zoals Kottapalli wilde. ‘Het moesten polymeren zijn’, bedacht hij. ‘Want polymeren hebben de rekbaarheid die we nodig hebben en ze zijn mogelijk biocompatibel.’
Alleen: hoe ging hij die piëzo-resistieve polymeren maken?
Zijn promotiestudent Debarun Sengupta kwam met een idee. Waarom gebruiken we geen polyacrylonitril, ofwel PAN-vezels? Door deze in een polymeeroplossing te doen, elektrisch te laden en dan te verhitten, lukte het ze om piëzo-resistieve vezels te maken die in kleding zouden kunnen worden gebruikt.
Die vezels waren alleen nog te fragiel. Ze zouden breken. ‘Uiteindelijk hebben we ze ingebed in polymeren, zodat ze makkelijk toepasbaar en rekbaar zijn.’
Parkinson
Dat was de oplossing. En nu is Kottapalli op zoek naar verschillende manieren waarop hij zijn sensoren kan gebruiken. Een overzicht van alle toepassingen waar hij nu mee bezig is, verscheen onlangs al in een artikel in het aan Nature gelieerde tijdschrift Flexible Electronics.
Het mooie is dat we ze heel goedkoop konden maken: voor nog geen drie euro
‘Een van de dingen die we hebben gedaan is een sensor ontwikkelen die we in de zool van een parkinsonpatiënt kunnen doen’, vertelt Kottapalli. ‘Als we de druk meten, kunnen we een goed idee krijgen hoe iemand loopt en of hij op het punt staat om te vallen.’
Die belangrijke informatie wordt doorgegeven aan een ontvanger om het been van de patiënt en dan draadloos naar een computer. Het systeem waarschuwt de patient vervolgens over het dreigende gevaar, zodat diegene zijn of haar loop of stand kan aanpassen. ‘Maar het geeft ons ook informatie over de voortgang van de ziekte, de invloed van medicatie en hoe lang het duurt voordat de medicatie niet goed meer werkt.’
3D-schoen
Hij en een team dat geleid wordt door zijn postdoc Amar Kamat hebben de sensoren twee jaar in het revalidatiecentrum in Helpman getest. Patiënten zijn er heel enthousiast over, zegt hij. ‘En het mooie is dat we ze heel goedkoop konden maken: voor nog geen drie euro.’ Op dit moment probeert hij zelfs een complete schoen in 3D te printen, waar de sensoren al in zitten.
Het parkinsonproject was het meest praktische onderdeel van zijn werk. Maar het was zeker niet het enige. Zijn promotiekandidaat Sengupta werkt nu aan een handschoen die misschien, in de toekomst de huid kan vervangen wat betreft de informatie die het doorgeeft.
‘Door daar sensoren op te doen, kunnen we informatie krijgen over hoe hard een object is, over de structuur en de vorm. Je kunt zo’n handschoen dan gebruiken op een prothese, zodat een patiënt informatie krijgt over iets dat het oppakt of om te voelen wat het is.’
Grote stappen
Hij realiseert zich dat een handschoen nooit zo goed werk als een mensenhand. ‘Maar we proberen nu uit te vinden hoeveel vormen je kunt herkennen en hoeveel druk je moet zetten om een harde beker te pakken en hoeveel voor een papieren beker. Dat zijn grote stappen.’
We weten het nog niet, dus dit is allemaal vrij futuristisch
Maar goed, nu krijgt de computer die informatie nog en niet de patiënt, maar dat kan veranderen. Kottapalli vraagt daar nu namelijk subsidie voor aan, samen met andere onderzoekers uit Nederland. ‘Daar zitten mensen bij die zich bezighouden met neuromorphic computing of met exoskeleten’, zegt hij.
‘Ik werk met sensoren, maar zij richten zich op vragen als: hoe staan geamputeerde ledematen in verbinding met spieren? Kunnen we slimme implantaten gebruiken? We weten het nog niet, dus dit is allemaal vrij futuristisch.’
Sporters
Tot slot: hij werkt ook aan sensoren die kunnen worden gebruikt in de kleding van sporters. Dat zou de smartwatch die hun hartslag meet tijdens het rennen, overbodig maken.
Maar daarvoor moet hij nog wel één ding uitvogelen: of de sensoren wasbaar zijn. ‘We denken van wel’, glimlacht hij. ‘Want ze zijn ingebed in polymeren en die zijn waterdicht.’
Maar dat moet hij nog wel even testen. Komt er dan ook een wasmachine in zijn lab? ‘Hij glimlacht. ‘Nou, we hebben er wel een nodig. Of we nemen de kleren gewoon mee naar huis.’