Het Inzicht

Mijn eerste vraag is misschien een beetje een grove vraag, maar ik kan me inbeelden dat best veel mensen die de filmpjes op jouw site zouden bekijken zich hetzelfde kunnen afvragen. Jouw onderzoek focust zich grotendeels op mechanische metamaterialen, die je kunt zien in fantastische filmpjes. Dat ziet er bijna ‘trippy’ uit om naar te kijken, zou ik zeggen; al die dingetjes die in mekaar klikken en schuiven. Maar waar dient het eigenlijk voor? Wat willen we hier uiteindelijk mee bereiken?

(Een voorbeeld van mechanische metamaterialen zie je in dit filmpje:)

(lacht) Dat is geen grove vraag, hoor. Kijk, we zijn best conceptueel in ons werk. We doen fundamenteel onderzoek en veel van de dingen die we doen, gebeuren door middel van simulaties op een computer. Maar aan de andere kant doen we ook ons best (en daar zijn we de laatste tijd heel erg mee bezig) om echt die toepassing te zoeken. We hopen dat de dingen die wij uitvinden of de dingen die we onderzoeken ook daadwerkelijk doorstromen naar toepassingen. Al is de manier waarop we werken toch vaak conceptueel. Om precies te zijn werken we aan concepten voor nieuwe materialen; mechanische metamaterialen. Dat zijn materialen die hun eigenschappen niet per se krijgen door de chemie als in de atomen of moleculen waarvan ze gemaakt zijn; ze krijgen de eigenschappen door hun vorm. Wat hier interessant aan is, is dat de onderliggende mechanica zorgt voor het gedrag. Deze mechanica is eigenlijk schaal-onafhankelijk: dingen die wij met de hand vast kunnen houden en die op deze grote schaal werken, functioneren op een veel kleinere schaal nog steeds. Wij kiezen er in onze groep voor om niet volop aan de experimentele kant te werken, als in hoe je deze materialen moet maken, want dat is een kunst op zich. Wij werken al een stapje vooruit door ons conceptueel onderzoek; eigenlijk bij wijze van spreken vooruit op het feit of je het echt kunt maken. Al bouwen wij wel vaak dingen met de hand. Het is een beetje ‘Arts and Crafts’ in onze groep, zeg ik vaak. We werken met lasersnijders, dubbelzijdig tape en karton en zijn eigenlijk gewoon flink aan het knutselen. Dat betekent niet dat het onderzoek wat we doen minder relevant is, maar betekent wel dat de dingen die we maken vaak groot zijn. Je kan ze met de hand vervormen waardoor ze wellicht niet meteen doen denken aan een materiaal, maar eerder bijna aan een architectuur. Zo krijgen we best veel architecten die geïnteresseerd zijn in structuren. Die zeggen: “We moeten het groter maken.” (lacht) Daarin zie je de kracht van een concept; het werk brengt inspiratie voor mensen. Als we reflecteren op wat we publiceren en zien hoeveel mensen er geïnteresseerd in zijn, ontdekken we dat ons werk ook heel verbindend kan zijn.

Op veel kleinere schaal zou je kunnen denken aan materialen die we kunnen gebruiken in ons lichaam. Zo komen bij celgroei allerlei speciale mechanische eigenschappen naar voren. Maar je kunt ook groter denken, zoals bijvoorbeeld zelfs toepassingen in de ruimte waarin je bv. zonnecellen gaat uitvouwen. Al zijn die principes op beide schalen eigenlijk hetzelfde. Dat maakt het mooi, maar dat maakt het ook dat wij ervoor kiezen om dingen op een zo’n makkelijk mogelijke schaal te maken. Iets wat je met het blote oog kunt zien en wat je kunt aanraken. Dit is dan ook de reden dat de dingen waar we mee werken vaak driedimensionaal zijn. Dat kunnen aanraken, dat kunnen kijken, geeft veel inzichten in hoe het eigenlijk werkt.

Hoe begint zo’n onderzoekslijn binnen jouw groep? Beginnen jullie met een concept wat jullie fundamenteel willen uitdiepen en dat ergens gaandeweg anderen inspireert voor een experimentele of praktische toepassing? Of komt er eerst iemand naar jullie toe met een opdracht: “Dit is het probleem wat wij willen bouwen of maken. Wij hebben materialen nodig die dit en dat kunnen doen. Kunnen jullie daar een concept voor bouwen en dat fundamenteel uitdiepen?”

Dit onderzoeksveld is best nieuw, dus tot op heden kijken we vooral zelf naar wat we kunnen doen. We zoeken nieuwe onderwerpen en hun aanpassingen op. Vaak ben je met onderzoek bezig en ontdek je tijdens het onderzoeken van iets wat je interessant vond, iets wat nog veel interessanter is. We zijn flexibel in het onderzoek dat we doen. Tot nu toe zijn we daar heel vrij in, en zijn vooral de concepten voor ons heel belangrijk. Hoe kunnen we die mechanica gebruiken? Kunnen we een soort van mechanische intelligentie inbouwen in die materialen? Wat nou als je actieve elementen zoals sensoren in deze materialen gaat toepassen? Kunnen de materialen zich dan aanpassen aan de omgeving? Zo zijn we nu bijvoorbeeld kleine robotjes aan het bouwen die we robotische materialen noemen, maar eigenlijk zijn het gewoon materialen waar we allemaal microchips en sensoren in hebben gestoken. Waar ligt de oorsprong van zo’n onderzoek, vraag je? Ons onderzoek wordt voor een groot deel gedreven door onze nieuwsgierigheid, al werken we ook steeds meer aan mogelijke praktische toepassingen van ons onderzoek.

Heb je een voorbeeld van die nieuwsgierigheid? Voor bijvoorbeeld de metamaterialen die jullie nu aan het modeleren zijn? Wat was daar de eerste vonk voor?

De oorspronkelijke mechanische metamaterialen (uit het filmpje) zijn ontstaan uit een ander project, en ik zou bijna zeggen dat dit het voorbeeld was waar het hele veld uit is voort gekomen. Voor zover ik begrijp waren de onderzoekers met rubber een filter aan het maken en kwam iemand er op een gegeven moment achter dat er wat geks gebeurde als je het samendrukte. Puur toeval dus. Een project waar ik zelf aan heb gewerkt zijn die vouwbare metamaterialen, en dat is eigenlijk ontstaan doordat Chuck Hoberman bij onze groep langskwam toen ik nog een PhD deed op Harvard. Hij is bekend van de gelijknamige Hoberman spheres, ballen die heel groot of klein kunnen worden, en had zo’n structuur die je kon vouwen en uitzetten meegenomen. Wij dachten toen dat het interessant zou zijn om hier een materiaal van te gaan maken. Daar is het onderzoek uit voortgekomen. Het draait om een creatieve inslag en een minimum aan grenzen waarmee je je beperkt. Ondertussen dijt het veld langzaam uit. Ik vind het zelf belangrijk om nu ook te gaan kijken hoe je met deze materialen naar een toepassing toe gaat. Hierbij ga je met bedrijven praten en kom je erachter met wat voor problemen zij worstelen en wat daar potentieel een oplossing voor zou kunnen zijn. Je denkt dan veel meer vanuit randvoorwaarden, en dat vergt toch ook wel weer heel veel creativiteit.

Jullie doen veel onderzoek rond zachte, kunstmatige spieren en werken aan een kunstmatig hart. Ik was benieuwd: waar gebruiken jullie deze spieren voor in het hart? Wat maken jullie, en wat levert het op voor dit artificiële hart?

We werken op dit moment met meerdere onderzoeksgroepen samen in een EU project genaamd ‘Hybrid Heart’, o.a. met het AMC, met hartchirurg Jolanda Kluin, met de TU/e en met andere mensen van buiten Nederland. Wat we daar proberen te doen, is het hele hart vervangen. Een soort van complexe ballon die je kunt opblazen en die vervolgens het bloed rond kan pompen. In plaats van dat je een mechanische pomp in de bloedbaan plaats en aanzwengelt als een hele harde robotische oplossing, bouwen wij met die zachte kunstmatige spieren een pneumatisch hart. Bij zo’n mechanische pomp komen allerlei problemen kijken. Zo zou trombose een probleem kunnen vormen, en staat het grootste gedeelte van het systeem stil. Daarom trachten wij iets te bouwen wat meer geïnspireerd is op het hart zelf, waarbij het hele systeem samentrekt en waarbij je de bloedstroom beter hoopt te benaderen. Daar zit echt potentie in. Anders geformuleerd zijn we eigenlijk gewoon een hart aan het maken met weefsel of met materialen die ongeveer even zacht zijn als ons eigen hart.

Jullie zijn met ontzettend veel interessant onderzoek bezig in jullie groep, over verschillende onderwerpen uitgesmeerd. Hoe zou je de rode draad doorheen jullie onderzoek omschrijven?

We werken voornamelijk aan die metamaterialen, het kunsthart en aangedreven zachte spieren. Maar een grote vraag die we ons daarnaast stellen is: Hoe kunnen we nou zoveel mogelijk intelligentie in de belichaming van zo’n robot of van zulke materialen stoppen? Hoe kunnen we mechanica gebruiken, maar ook andere processen gebruiken om niet meer extern te moeten zeggen wat het systeem moet doen? We vragen ons af hoe we het systeem autonoom kunnen maken.

Eén van de projecten waar we aan hebben gewerkt is een robot met vijf kunstmatig spieren die werken op luchtdruk. Die wilden we kunnen laten lopen, en daar zijn we op verschillende manieren naar gaan kijken. In plaats van op externe knoppen te drukken, wilden we de robots een bepaalde volgorde ‘aanleren’ op het moment dat we een pompje aanzetten. Wat we uiteindelijk hebben gemaakt is een systeem met allemaal zachte klepjes met niet-lineair gedrag. Als we een pomp continu aanzetten, kregen we plotseling een volgorde in dat systeem. Die robot ging lopen, en door kleine inputs konden we die volgorde aanpassen. Met wat we in ons veld ‘vloeistofnetwerken’ noemen, programmeren we de robot voor met bepaald gedrag. Eigenlijk zijn we met een soort van elektronica bezig, maar dan met vloeistof en met zachte elementen.

(Voorbeeld van een zachte robot:)

Een ander grote lijn die we volgen, is het maken van materialen die op zichzelf staan en kunnen leren. Dan moet je gaan nadenken over geheugen, sensoren en feedback in het systeem. Hoe kunnen we bijvoorbeeld materialen maken die naar het licht toe gaan bewegen? En wat zijn dan de algoritmes of de onderliggende principes die ervoor zorgen dat dat systeem dat gaat doen? Dat lossen we robotisch op. Zo hebben we in een project allemaal robotjes aan elkaar gekoppeld, waarna we ze hebben opgeblazen en weer hebben laten leeglopen. Hierdoor gaan ze elkaar wegduwen en passen ze op een gegeven moment hun eigen gedrag aan. Zo krijg je een systeem dat richting het licht begint te lopen zonder dat er enige vorm van communicatie nodig is.

Als we reflecteren op wat we publiceren en zien hoeveel mensen er geïnteresseerd in zijn, ontdekken we dat ons werk ook heel verbindend kan zijn.

De Wetenschap

Hoe zou je de wetenschap achter jullie onderzoek omschrijven? Hoe ziet een werkdag er bij jullie uit?

Dat hangt er van af wie je het vraagt; ik denk niet dat ik heel representatief ben voor onze gemiddelde werkdag tegenwoordig. Laten we iemand vanuit mijn groep nemen, want ik zit alleen maar achter Zoom tegenwoordig (lacht). Kijk, het werk is in onze groep altijd half-half. De helft van het werk is heel computationeel en de andere helft is experimenteel. We bouwen dingen in het lab en laten hiermee zien dat onze simulaties kloppen of wellicht moeten worden aangepast. Ik vind experimenten belangrijk. Ik heb een computationele achtergrond, maar op een gegeven moment heb je ideeën die je in de werkelijkheid wil toepassen. Anders kom je er helemaal niet achter of het ergens op slaat of dat je iets over het hoofd ziet. Ik vind het dus heel belangrijk dat iedereen in de groep in beide gebieden meedraait. Een gemiddelde werkdag bestaat dus uit een combinatie van in het lab staan, modellen maken en het verifiëren van de modellen. Vervolgens proberen we onze modellen zo algemeen mogelijk te maken of zo breed mogelijk toepasbaar te maken om met nieuwe ontwerpprincipes te kunnen komen.

Hoe hoog staan jullie op de Technology Readiness Level (TRL)? Als in, hoe snel komen jullie ontwerpen bij fabrieken of in de maatschappij terecht?

In principe behoort veel van wat we in onze groep doen tot level 1 van de TRL’s; we  werken aan nieuwe principes en ideeën. Al staat ons werk rond het kunstmatige hart veel dichter bij de toepassing, en zijn we ook bezig met het transleren van de technieken naar de kliniek. Daar is het doel om dat hart binnen zeven jaar in de eerste patiënten te krijgen. We moeten niet enkel die technologie ontwikkelen maar ook zorgen dat het wordt onderzocht vanuit ethisch perspectief. Vanuit het Hybrid Heart project zijn we hier dan ook nieuwe samenwerkingen aan het opzetten. Deze combinatie tussen techniek en ethiek brengt weer een nieuwe dimensie met zich mee, en zou wat mij betreft een veel sterker integraal onderdeel moeten uitmaken van fundamenteel onderzoek.

Wat zou je zelf zien als jouw grootste bijdrage aan je vakgebied? Waar ben je het meest trots op?

Ik ben nog niet zo heel lang wetenschapper, hoor (lacht). Maar waar ik trots op terugblik, is een project waarin we gebruik hebben gemaakt van niet-lineariteit in het opblazen van ballonnen. In dit werk bliezen we ballonen tegelijkertijd op en trachtten we te begrijpen hoe we hierin de volgorde zouden kunnen aanpassen om daar gek gedrag uit voort te doen komen. Het was redelijk fundamenteel werk, maar heeft wel bijgedragen in de Soft Robotics. Wat je vaak ziet in ons veld, is dat mensen heel erg focussen op het ontwerp en hoe ze dit kunnen laten werken. Terwijl ons project zich heel erg focuste op het slim gebruik maken van natuurkundige principes of in dit geval de niet-lineaire mechanica in een systeem. Langzamerhand wordt dit werk ook meer en meer geciteerd. Tijdens dit werk was ik zelf nog een PhD student, en heb ik dan ook zelf veel tijd in dit werk gestoken. Daardoor voelt het wel echt alsof dat project van mezelf komt. We zijn nu met dit soort nieuwe principes bezig en veel van ons werk bouwt hier op voort. Kortom, ik ben wel echt trots op dat werk.

(Het voorbeeld van niet-linearitei bij balonnen:)

Heb je nog doelstellingen? Heb je nog bepaalde doelen die je wil bereiken in je carrière, en wat zijn daar de mogelijke drempels in?

Ik haal heel veel energie uit ons fundamenteel onderzoek, en ik zie ook echt toekomst in het kunstmatig hart-project. Ik hoop dat we daarin een bijdrage kunnen leveren. We zijn momenteel met een hele grote aanvraag bezig voor financiering van het Hybrid Heart project, wat ons werk ook wel weer spannend maakt. In het geval dat wij het krijgen, haal je de financiering namelijk weg bij andere mogelijke partijen. We zijn heel blij met de mogelijke financiering, maar aan de andere kant is het community geld en dragen we er in dat geval de verantwoordelijkheid voor. Je moet dus van tevoren al met een erg goed doordacht plan komen.

Deze combinatie tussen techniek en ethiek brengt weer een nieuwe dimensie met zich mee, en zou wat mij betreft een veel sterker integraal onderdeel moeten uitmaken van fundamenteel onderzoek.

De Persoonlijkheid

Wat drijft jou om wetenschap te doen? Of anders gezegd, hoe ben je op dit punt in je leven terechtgekomen?

Dat vind ik een moeilijke vraag. Over het algemeen denk ik dat het op toeval aankomt als je bij een bepaald project komt. Neem als voorbeeld mijn tijd in Amerika; Ik heb daar eerst stage gelopen tijdens mijn Master en kwam toen toevallig met iemand in contact die werkte met mechanische metamaterialen. Dat vond ik geweldig leuk en daarom bevind ik me nu in dit veld. Maar voor mij is het allemaal toeval. Als ik er drie maanden eerder was geweest, had ik waarschijnlijk niet op die plek gezeten. Momenteel kan ik mijn werk wel meer vormgeven dan eerder. Ik zit nu in het veld en kan geld aanvragen. Deze manier van onderzoek doen is natuurlijk wel heel karakteristiek voor wie ik ben; heel creatief werk. Verder vind ik het ook heel belangrijk om te proberen alles zo duidelijk mogelijk en op zo’n mooi mogelijke manier weer te geven, zodat het werk ook echt voor zich spreekt.Dat zal waarschijnlijk altijd wel in mij hebben gezeten. Maar goed, om te wisselen van veld en iets anders te gaan doen na een PhD is ook wel weer heel lastig. Daarom denk ik dat het een combinatie tussen toeval en gemaakte keuzes en interesses is geweest.

Hoe goed of hoe slecht vind jij dat we als mensheid bezig zijn? Sta je er optimistisch in? Of eerder cynisch?

Wat een politieke vraag (lacht). Ik ben over het algemeen optimistisch ingesteld en denk dat ‘alles wel weer goed komt’. Maar we moeten wel echt iets doen op dit moment. Vanuit mijn eigen perspectief denk ik bijvoorbeeld dat we heel voorzichtig moeten zijn richting Artificial Intelligence (AI). Ik denk dat we daar in de wetgeving heel goed over zullen moeten gaan nadenken en moeten reguleren hoe we daarmee om willen gaan. AI kan echt iets gigantisch gaan worden, en ik denk dat we dat onderschatten. Vanuit dat opzicht vind ik dat we kritisch moeten zijn in de ontwikkeling van technologie. In het geval van bijvoorbeeld robots ben ik niet zo bang dat een robot heel veel schade gaat aanrichten, maar op het moment dat je bijvoorbeeld een robotisch kunsthart maakt, komen daar best veel belangrijke dingen bij kijken. Kunnen we die technologie bijvoorbeeld zelf beter maken dan een natuurlijk hart, en wat wordt dan met deze bevinden gedaan?  Er zit een zeker risico aan vast en de vraag is hoe groot die risico’s zijn. Al ben ik over het algemeen redelijk optimistisch.

Wat heeft de wereld op dit moment het hardste nodig volgens jou?

Ik weet niet of dat per se technologie is. Ik denk dat we het meer op menselijk en sociaal vlak moeten gaan zoeken. Ik ben heel benieuwd hoe de komende jaren er voor ons uit gaan zien. Ik denk dat de post-corona wereld in het begin heel ongemakkelijk kan worden, vanuit sociaal perspectief gezien, en dat het heel belangrijk is om uiteindelijk weer bij elkaar te kunnen komen en bij familie en vrienden te kunnen zijn. Volgens mij gaan we ons echt afvragen wat voor heftige periode dit geweest is als we er straks op terugkijken.

Stel, je staat voor een zaal vol studenten. Welke levenswijsheid zou je hun dan willen meegeven?

Ik zou hun meegeven om plezier te hebben in wat je doet. Ik denk dat dat het leven een stuk makkelijker maakt. Dit is het moment waarin je leeft, dus je kan er maar beter voor zorgen dat je er plezier in hebt. Dat je met fijne mensen bent en dat het niet alleen maar om werk gaat. Als je ervoor kunt zorgen dat je werk niet alleen maar werk is (en ik kan wel zeggen dat dat voor mij het geval is), dan is dat heel mooi.

Dan zijn we alweer bij de DWIN-vraag: Is er een leuk weetje of feitje dat je met ons kan delen en waar je ons mogelijk mee kan verrassen?

Bij een Ig Nobelprijs is aangetoond dat katten kunnen beschreven worden als vloeistoffen.  De manier waarop een kat in een kom ligt, bijvoorbeeld in de wasbak, kun je blijkbaar beschrijven met de wetten die gelden voor vloeistoffen. De Ig Nobelprijs is een hele leuke en grappige jaarlijkse prijsuitreiking van een nep-Nobelprijs aan wetenschappers die onderzoek hebben gedaan wat je eerst aan het lachen brengt, maar je daarna ook laat nadenken.

Als je er meer over wil weten:

https://theconversation.com/answering-the-question-that-won-me-the-ig-nobel-prize-are-cats-liquid-86589

Geniaal! Hartelijk dank voor dit verrijkende interview, Bas!