Vogels als inspiratiebron | David Lentink combineert techniek en biologie

Vogels vliegen veel efficiënter dan drones. David Lentink, luchtvaartingenieur en bioloog, bestudeert vogels om nieuwe manieren van vliegen te ontdekken en ook om de biomechanica van de vogelvlucht beter te begrijpen. Hij verruilde onlangs Stanford University (VS) voor de RUG, omdat dit een van de weinige plekken is waar hij zijn liefde voor techniek en voor biologie kan combineren. Lentink is een mooi voorbeeld van de vele onderzoekers aan de RUG die inspiratie halen uit de natuur.

^{Tekst: René Fransen / Foto’s: Henk Veenstra}

Je kunt Lentink beschrijven als een generalist met focus. ‘Extreme specialisatie maakt het moeilijk om ideeën van buiten je eigen veld te gebruiken’, legt hij uit. Hij volgde een opleiding in luchtvaarttechniek aan de TU Delft, gevolgd door een promotie in zoölogie aan de Wageningen Universiteit en een postdoc in organismale en evolutionaire biologie aan Harvard University. ‘Ik combineer biologie en technologie in geïntegreerd onderzoek.’ Hij bestudeert vogels niet alleen om vliegende robots te verbeteren, hij wil ook weten hoe de dieren functioneren. ‘Hun ecologie en evolutie, de biomechanica, het visuele systeem en de spieren, alles is belangrijk om vlieggedrag te begrijpen.’

Krachten van flapperende vleugels

Als ingenieur heeft hij een unieke kijk op vogels. Bovendien kan hij zijn eigen apparatuur uitvinden om nooit eerder uitgevoerde experimenten te doen. Bij de gebruikelijke manier om de aerodynamica van vogelvlucht te onderzoeken zijn allerlei aannames nodig. Daarom ontwikkelde Lentink een vogelkooi met muren vol instrumenten, een ‘platform voor aerodynamische krachten’, waarin hij de kracht die flapperende vleugels opwekken direct kan meten.

Van zoemende kolibries naar stillere drones

‘Daar was geavanceerde techniek voor nodig. Ik bouwde een doos van superlichtgewicht panelen van koolstofvezels met speciale sensoren in de wanden die de druk en luchtstroom meten die een erin vliegende vogel veroorzaakt.’ Een van de ontdekkingen die uit de hightech doos kwam is dat kolibries opwaartse kracht genereren met zowel de neerwaartse als opwaartse vleugelslag – en dat dit hun zoemende geluid verklaart. De resultaten van Lentink waren afgelopen maart te zien in het acht-uur journaal van de NOS. Het onderzoek leverde niet alleen kennis op over kolibries, maar is ook te gebruiken om stillere drones en windmolens te ontwerpen.

Uniek eenrichtings-klittenband ontdekt

Op een vergelijkbare manier heeft zijn poging een vliegende robot te bouwen een biologische ontdekking opgeleverd. ‘Ik werkte aan een hybride model, met echte vogelveren.’ Veren vervormen tijdens de vlucht en kunnen zo compenseren voor turbulentie, iets dat stijve vliegtuigvleugels niet kunnen. Maar hoe voorkomen vogels dat hun veren uit elkaar worden geblazen? Lentink laat met twee vogelveren zien wat hij ontdekte. Hij laat ze voorzichtig over elkaar glijden en net voordat er een kier ontstaat, haken ze in elkaar. ‘Dit is het enige eenrichtings-klittenband dat we kennen’, zegt hij. ‘Er is geen vergelijkbaar materiaal gemaakt.’ Microscopische 3D röntgenbeelden laten zien dat het bestaat uit duizenden kleine haakjes die elkaar vastpakken en zo de veren verbinden.

RUG: de gedroomde omgeving

Zijn unieke kennis en vaardigheden in de techniek en zoölogie helpen hem om dit soort ontdekkingen te doen. Het is de combinatie die hem bij de Faculty of Science and Engineering van de RUG bracht. ‘Deze faculteit heeft biologen die verschillende aspecten van vogels bestuderen, een engineering afdeling, onderzoek naar controlesystemen en sterrenkundigen die mij kunnen helpen te begrijpen hoe vogels sterpatronen gebruiken voor navigatie. Het is een droom die uitkomt dat ik nu een lab heb in de Linnaeusborg.’

Samen inspiratie uit de natuur halen

Lentink leidt hier een nieuwe onderzoeksgroep in Biomimetica binnen het Energy & Sustainability Research Institute Groningen (ESRIG), samen met Eize Stamhuis (zie onder). ‘Zijn focus lig op meer toegepaste innovaties, ik zit meer aan de fundamentele kant, dus we vullen elkaar goed.’ Hiernaast heeft de faculteit een groot aantal andere onderzoeksprogramma’s die hun inspiratie uit de natuur halen (zie onder). ‘Het is net als in de luchtvaartindustrie: je hebt een heleboel verschillende specialisten nodig om samen een vliegtuig te kunnen bouwen.’

Energieverbruik tijdens vogeltrek doorgronden

Zodra zijn lab helemaal klaar is voor gebruik, en alle apparatuur uit Stanford is geïnstalleerd, zal Lentink verschillende vragen aanpakken in biologie en techniek. Samen met biologen die zich bezighouden met vogeltrek wil hij begrijpen hoe de vogels hun energieverbruik zo klein mogelijk maken. ‘Formatievliegen kan daaraan bijdragen, maar tot nu toe is alleen met vaste vleugels bewezen dat dit efficiënter is dan solovliegen. Eize Stamhuis werkt hieraan met modellen van flapperende vleugels. Zou het niet prachtig zijn om dit in vrij vliegende vogels te meten?’ Die kennis is dan weer te gebruiken bij de ontwikkeling van drones.

Zijn belangrijkste motivatie om onderzoek te doen, zegt Lentink tot slot, is dat hij antwoord wil op spannende vragen. ‘De beste vragen geven altijd een betekenisvol antwoord, iets dat onze kennis vergroot in de biologie, in de techniek, of in beide.’

Andere onderzoekers aan de RUG die inspiratie halen uit de natuur zijn bijvoorbeeld….

Eize J. Stamhuis

Eize Stamhuis richt zich op biomimetica binnen het terrein van energie en duurzaamheid. Het werk van zijn groep komt vaak voort uit technologische problemen of vragen van de industrie. Hij zoekt dan actief naar een biologisch modelsysteem dat past op de vraag, om in detail te bestuderen. Vervolgens moet dat leiden tot de vertaalslag naar een technologische oplossing. De groep van Stamhuis werkt – onder veel meer – aan de optimalisatie van windturbines bij lage windsnelheden door aerodynamische principes van gevleugelde zaden toe te passen. Vogelvlucht is een inspiratiebron voor drones die vliegen met vleugelslag. En verschillende zwemtechnieken die vissen gebruiken leveren nieuwe ideeën op voor het besturen van schepen en onderwaterrobots, terwijl vissen die voedsel uit het water filteren dat doen voor industriële filtratiesystemen.

Marleen Kamperman

De groep van Marleen Kamperman werkt op het snijvlak van chemie, biologie en natuurkunde. De focus ligt op de ontwikkeling van op de biologie geïnspireerde materialen die natte en ruwe oppervlakken aan elkaar kunnen plakken. Uitgaande van natuurlijke voorbeelden gebruikt haar team verschillende polymerisatietechnieken om nieuwe polymeren te ontwikkelen met elektrolyten, waarna ze de eigenschappen van de hechtende materialen onderzoeken.

Nathalie Katsonis

De gerichte beweging van levende planten, dieren en andere organismen ontstaat uit moleculen die uit zichzelf richtingloos bewegen. De groep van Nathalie Katsonis wil achterhalen hoe die gerichte beweging is toe te passen in kunstmatige systemen. Katsonis heeft laten zien dat kunstmatige moleculaire motoren een vormverandering kunnen veroorzaken in springveren van polymeer die de ronddraaiende beweging van plantenranken nabootsen of de explosieve kracht waarmee sommige zaadpeulen de zaden wegschieten. De resultaten zijn toe te passen in zachte robotica. Haar groep onderzoekt ook hoe complexe bewegingen te programmeren zijn bij synthetische versies van minimale levensvormen, bijvoorbeeld door moleculaire chemie te combineren met natuurkundige processen.

Ajay Kottapalli

Het onderzoek van Ajay Kottapalli richt zich op micro/nanosensoren die geïnspireerd zijn op natuurlijke voorbeelden, biomimetische materialen en micro/nano elektromechanische systemen (MEMS/NEMS), nanofabricatie, flexibele elektronica, 2D sensoren, biomedische sensoren enzovoorts. Zijn groep gebruikt biologische sensor-ontwerpen voor MEMS/NEMS sensoren door de biologische principes, vormen, materiaaleigenschappen en functionaliteit na te bootsen. Die systemen zijn geïntegreerd in zachte polymere materialen en 2D materialen, wat ultra-gevoelige sensoren oplevert. Verschillende toepassingen van dit soort sensoren in biomedische- en zorgsystemen zijn al bedacht, voor gebruik in de thuiszorg en in de kliniek.

Ming Cao

Ming Cao gebruikt groepsgedrag van dieren als inspiratie voor de ontwikkeling van controle-algoritmes om groepen autonome robots aan te sturen. Het is een uitdaging om de acties van autonome robots te coördineren wanneer elke robot maar beperkte informatie heeft over de rest van de groep; hun acties kunnen dan contraproductief zijn, zelfs wanneer ze de bedoeling hebben samen te werken. Zulke algoritmes kunnen van groot belang zijn om grote aantallen slimme autonome robots succesvol te laten samenwerken en voor mobiele sensoren die verbonden zijn door netwerken.

Elisabetta Chicca

In augustus 2020 startte Elisabetta Chicca de nieuwe ‘Bio-Inspired Circuits and Systems’ groep binnen het Zernike Institute for Advanced Materials en het Groningen Cognitive Systems and Materials Centre (CogniGron). Deze onderzoeksgroep wil biologisch geïnspireerde technieken voor leren, waarnemen en handelen ontwikkelen. Hiervoor onderzoekt Chicca de uitgangspunten van neurale rekenmethoden en past ze deze toe in volledig parallelle en energiezuinige neuromorfe systemen (kunstmatige systemen gebaseerd op de werking van ons brein). Die systemen moeten de beperkingen van de huidige digitale computerarchitectuur overwinnen. De toepassingen hiervan liggen in uit CMOS technologie en nieuwe materialen.