nieuwe oGen - Jopinie – Jop de Vrieze

www.nwtonline.nl 32 Door Jop de Vrieze
nwt 5 33
Gezocht:
nieuwe
oGen
Waarnemingssystemen van menselijke
hand zijn vrijwel allemaal gebaseerd op
hetzelfde principe. Terwijl de natuur
veel meer te bieden heeft. Dat begint
de wetenschap ook in te zien.
de vlieg doet het met
facetogen, de kreeft met
kokertjes, de octopus door in
zijn lens te knijpen. Talloze
manieren kent de natuur om
de omgeving waar te nemen –
en de wetenschap weet dat
inmiddels ook.
Bio-inspiratie hebben we
het dan over, ofwel bio-mimicry.
Simpel gezegd, het afkijken
en nabootsen van trucjes
uit de natuur voor technologische
toepassingen. De natuur
nabootsen doen we al sinds
mensenheugenis – denk aan
de dierenhuiden waarmee
onze verre voorouders zich
omhulden – maar door de
betere technieken om zowel
dieren te bestuderen als ogen
na te maken, heeft het vakgebied
de laatste jaren een grote
vlucht genomen.
Ook de hang naar goedkope
en milieuvriendelijke productiewijzen
speelt een rol, vertelt
Gijs Franssen van de
businessunit Waarnemingssystemen
van TNO in Den
Haag. In opdracht van het
ministerie van Defensie inventariseerde
Franssen onlangs
wat de natuur te bieden heeft
op visueel vlak, en wat technici
daaraan hebben. “Als we
geavanceerde of stevige materialen
vervaardigen, hebben
wij daarbij hoge druk en temperatuur
nodig”, zegt Franssen.
“De natuur doet het
bij omgevingstemperatuur,
dankzij de juiste enzymen.
Daar kunnen we veel van
leren.”
Te leren valt er inderdaad
genoeg. Door de vele miljoenen
jaren natuurlijke selectie
en de enorme variëteit aan
leefomgevingen, heeft de
natuur een keur aan optische
systemen ontwikkeld, het een
nog ingenieuzer dan het
andere. Voor elk wat wils, zou
je kunnen zeggen. Franssen
noemt als voorbeeld de brokkelster
(zie pag. 36, ‘pigmentogen’):
“Dat beestje zit daar
maar op de zeebodem, en
bouwt zo even een geavanceerd
visueel systeem.”
Uit al die voorbeelden kunnen
we inspiratie putten voor
uiteenlopende toepassingen,
wil Franssen maar zeggen –
van telescoop en microscoop
tot beveiligingscamera en
medische scanner.
ShutterStock

1Buigbare lenzen
www.nwtonline.nl 34 nwt 5 35
ShutterStock
Geïnspireerd op: zoogdieren, reptielen, de mens
toepassing: micro-elektronica, medische beeldvorming
n Ooit wel eens stilgestaan bij
het feit dat cameralenzen in
onze mobiele telefoons, digitale
camera’s en beveiligingscamera’s
niet vervormbaar
zijn, en alleen kunnen scherpstellen
door de lens ten
opzichte van het brandpunt te
verplaatsen? En dat terwijl het
meest voor de hand liggende
voorbeeld, ons eigen oog, de
bolling verandert, om zo ieder
gewenst object scherp op het
netvlies te krijgen.
Zelf beschikken we net als
alle zoogdieren en reptielen
over lensogen. Zo’n lens maakt
gebruik van het principe dat
lichtstralen worden gebroken
bij een overgang naar een
medium met een andere optische
dichtheid of brekingsindex
– tenminste, wanneer ze er niet
precies recht op vallen. Hoe
groter dit dichtheidsverschil,
des te scherper de afbuiging van
het licht, en een grotere bolling
zorgt voor een grotere hoek van
inval en maakt die afbuiging
dus sterker. Spiertjes rond de
oogbol kunnen samentrekken
om de bolling van de lens en
daarmee de scherpstelling te
veranderen.
In apparatuur zou het veel
ruimte schelen als de lens niet
meer heen en weer hoeft te
bewegen. Dat bedachten de
ingenieurs van Philips een
paar jaar geleden ook, en dus
begonnen ze te werken aan
een flexibele lens. De lens in
kwestie bestaat uit een vloeistofdruppel
waar een buisje
omheen zit. Door een elektrische
spanning op het
buisje te zetten, trekt een
elektrostatische kracht
de vloeistofdruppel aan.
Die aantrekkingskracht
maakt de druppel platter,
waardoor een verder
weg gelegen object scherp
door de lens wordt waarge-
nomen. Het prototype van de
lens is al een tijdje klaar, op dit
moment is het een kwestie van
optimalistatie voor specifieke
toepassingen, vertelt Philipsonderzoeker
Stein Kuiper.
“De vloeibare lens zal in
eerste instantie gebruikt gaan
worden voor endoscopen”, legt
Kuiper uit. Dat zijn camera’s
gemonteerd op flexibele slangen
die worden gebruikt bij
ondere andere darmonderzoek.
“Vanwege de zeer beperkte
ruimte kunnen die geen bewegende
lens bevatten, waardoor
de huidige generatie maar op
één punt scherpstelt. Maar
binnen enkele jaren moeten de
vloeibare lenzen ook opduiken
in digitale camera’s en mobiele
telefoons.”
Namaken kunnen we dus
steeds beter. Maar ook de
natuur overtreffen behoort tot
de mogelijkheden, zegt Kuiper.
“Onze lens kan tien keer sneller
focusseren dan een mensenoog.
Bovendien kunnen we de
lens in heel korte tijd op drie
afstanden laten scherpstellen:
dichtbij, ver weg en daar tussenin.
De onscherpe gedeelten
filter je van alle drie weg, waardoor
het praktisch overal scherp
is. Dat kan een mens niet.”
2Laagjeslenzen
n De breking van het licht wordt bij een mensenoog
nog eens versterkt doordat de lens bestaat
uit 22.000 zeer dunne vezellaagjes, met een
geleidelijk oplopende optische dichtheid.
Nog veel sterkere lenzen treffen we aan bij
waterdieren. Water heeft namelijk een veel
hogere optische dichtheid dan lucht. Lenzen
van waterdieren zijn daarom harder en boller: er
zijn zelfs vissen die hun lenzen verplaatsen in
plaats van vervormen, om te focusseren.
Kampioen vezellaagjes is echter de octopus,
die zijn lens veel meer moet kunnen instellen
dan de mens om onder water scherp te kunnen
zien Die extreme gelaagdheid imiteerden
onderzoekers uit Ohio onder leiding van Eric
Baer in 2004 in een uit duizenden laagjes plastic
opgebouwde lens, die is scherp te stellen door
erin te knijpen (Nature Physics, 7 december
2004). Zonder gigantische bolling bereikten ze
dezelfde breking als van een octopusoog, dat vijf
keer sterker is dan een mensenlens. Een glazen
lens met dezelfde sterkte maar dan zonder laagjes
zou vier keer zwaarder zijn.
Tunnelvisie
3
Status: in ontwikkeling Geïnspireerd op: kreeft
toepassing: röntgenscanners, telescopen
Status: toegepast, in ontwikkeling
n De beweegbare
lensjes van Philips.
PhiliPS
n Menselijke
ooglens onder de
microscoop: duidelijk
is zichtbaar
dat de lens uit
vezellaagjes
bestaat.
SPl/ANP
Geïnspireerd op: octopus
toepassing: micro-elektronica,
medische beeldvorming
Status: in ontwikkeling
n Eric Baer is niet de eerste die
onder water op zoek gaat naar
nieuwe ogen. Een ander opmerkelijk
‘oog’, in de jaren negentig
ontwikkeld door onder
meer de Amerikaanse ruimtevaartoganisatie
NASA, is gebaseerd
op dat van de kreeft.
Kreeften hebben wel gesegmenteerde
facetogen, maar
geen lenzen. Zij maken gebruik
van reflectie om lichtstralen
die niet recht op het oog vallen
te weerkaatsen, en de rest als
door een spiegelkoker richting
het detectieoppervlak te leiden.
Vandaar dat de ogen van een
kreeft een eindje uitsteken.
Bijzonder aan dit systeem is
dat het waarneming mogelijk
maakt van golflengten die niet
met een lens zijn af te buigen.
Een kreeft kan dus veel meer
soorten straling waarnemen
dan de mens. Dat moet ook
wel, want een kreeft moet in
troebel en donker water toch
nog kunnen zien.
Rondom het kreeftenoog is
de afgelopen vijftien jaar een
complete tak van onderzoek
verrezen, dat dan ook de naam
‘lobster-eye optics’ draagt.
Onderzoekers gebruikten het
principe voor de ontwikkeling
van compacte röntgentelescopen
(Applied Optics, 1 augustus
1996) en meer recent ontwikkelde
het bedrijf Physical
Optics zelfs een draagbare
kreeftenkijker, bedoeld voor
de beveiligingsindustrie en om
door muren te kunnen zien.
n De Lexid, een draagbare
röntgenscanner.
Röntgenstraling heeft een golflengte
van maximaal 4,5 nanometer,
terwijl voor het menselijk
oog zichtbaar licht pas
begint bij 380 nanometer. De
eerste röntgentelescoop werd
al in de jaren tachtig ontwikkeld
door Roger Angel. Nog
altijd wordt die telescoop verder
ontwikkeld.
lexiD
ShutterStock

www.nwtonline.nl 36 nwt 5 37
5
4 6
Facetkijkers
n Insecten en geleedpotigen
nemen de wereld om hen heen
waar door facetogen, halve bollen
bestaand uit duizenden kleine
lensjes. Stuk voor stuk kunnen
die lensjes niet scherpstellen,
maar het brein maakt van al die
beeldjes, een soort pixels, een
samengesteld beeld.
Facetogen zijn bij uitstek
geschikt voor de waarneming van
beweging, zoals iedereen die wel
eens een vlieg heeft proberen dood
te slaan kan merken. Iedere sensor
kan immers op ieder moment
licht waarnemen, en het brein
vergelijkt de signalen van alle sensoren.
Een ander prettige karakteristiek
van het facetoog is de grote
beeldhoek: een vlieg kan tot 180
graden rondkijken, terwijl een
cameralens blijft hangen op een
beeldhoek van ongeveer 90 graden.
Promovendus Andreas Brückner
werkt aan de universiteit van
Jena in Duitsland aan een kunstmatig
facetoog, met meerdere
receptoren per facet. Brückner:
Geïnspireerd op: insecten, geleedpotigen, vliegen
toepassing: beveiligingscamera’s, hogesnelheidscamera’s,
bewegingssensoren
Status: in ontwikkeling
“Het facetoog kan worden toegepast
in bewakingscamera’s en
bijvoorbeeld als assistentbestuurder
in de auto. Daarbij zijn specifieke
bewegingen van belang.”
Het kunstmatige oog van Brückner
is gemaakt van anorganische
materialen: het bevat een kunststof
lens, een kleurenfilter en een
glaslaagje. Geen waarheidsgetrouwe
kopie van een vliegenoog
dus, want dat heeft een zeer gedetailleerde
nanostructuur, maar
het is het resultaat dat telt.
n De zeer kleine
facetkijker uit Duitsland.
thomAS ShAhAN
ANDreAS BrückNer, FrAuNhoFer iNStitut
Geïnspireerd op: brokkelster
toepassing: camera’s in wisselende
lichtintensiteit
Status: in ontwikkeling
Pigmentogen
n Joanna Aizenberg, tegenwoordig
hoogleraar in Harvard, stuitte eind
jaren negentig op een wel heel bijzonder
ontwerp uit de diepzee: de brokkelster,
het minder bekende broertje van
de zeester.
Dit ogenschijnlijk eenvoudige wezen
beschikt over een harnas van kalk, dat
kleine gaatjes bevat. Die gaatjes blijken
te fungeren als microlensjes. “Alsof dat
nog niet genoeg is, gebruikt de brokkelster
ook nog eens het poreuze kalkskelet
als een aan- en afvoersysteem om
wanneer hem dat uitkomt pigment te
transporteren. Als een soort polaroid
zonnebril dus.”, aldus Aizenberg.
Haar onderzoeksgroep heeft dit
systeem uitgebreid bestudeerd, vroeg
patent aan en ontwikkelde microlenzen
op basis van dit voorbeeld. Deze lenzen
moeten net als het skelet van de brokkelster
in reactie op de omgeving de
juiste hoeveelheid licht doorlaten. Toepassingen
zijn mogelijk in alle omgevingen
waarbij de lichtsterkte varieert.
n De ‘ogen’ van de
brokkelster (inzet)
onder de microscoop
ShutterStock
SPl/ANP
victoriANmicroScoPeSliDeS.com
Groeilenzen
Geïnspireerd op: kiezelwieren, diverse organismen
toepassing: diverse camera’s
Status: in ontwikkeling
n Zeedieren als de brokkelster
hebben voor het vervaardigen van
hun optische systeem niet alleen
weinig energie nodig, ze gebruiken
bovendien net als alle dieren biologisch
afbreekbare materialen.
Duurzaam dus.
Dat fascineert Andrew Parker,
onderzoeker in het Natural History
Museum in Londen en hoogleraar
aan de universiteit van
Oxford. “We kunnen gigantisch
veel energie besparen als we net zo
produceren als de natuur doet”,
zegt hij. Parker ontwikkelt celculturen,
die hij uiteindelijk zover wil
krijgen dat ze de optische systemen
voor hem gaan produceren.
Hij gebruikt daarvoor kiezelwieren
(algen met een celkern) en virussen.
Diatomen zijn 20 tot 200
micrometer groot, en blijken de
structuren die nodig zijn voor
lichtwaarneming te produceren.
“Waar we nu mee bezig zijn is het
bestuderen van de celprocessen in
het kiezelwier. Maar op termijn
willen we de cellen gaan ‘kapen’
en ze als slaven voor ons laten
werken. Een andere mogelijkheid
is de omstandigheden en ingredienten
zo precies in kaart brengen
dat we die in kunstmatige systemen
kunnen nabootsen.” Dat is
precies wat Parker wil: niet meer
top-down produceren zoals ingenieurs
normaal gesproken doen,
maar bottom-up. Dat betekent:
eerst alle losse onderdelen volledig
in detail bestuderen en namaken,
en met die losse onderdelen het
geheel maken. Dat vereist een
cultuuromslag onder ontwerpers,
maar Parker heeft goede hoop.
Parker en facetogenonderzoeker
Andreas Brückner zien een ontwikkeling
die cameramakers nog niet
hebben aangedurfd: een hemisferische
(gekromde) vorm van de lichtsensor,
zoals ook ons netvlies. “Dat
maakt een bredere blik mogelijk.
Op dit moment bevatten camera’s
nog een vlakke sensor, omdat
hemisferische sensoren zeer moeilijk
te maken zijn. Parker: “Maar er
wordt heel hard aan gewerkt.”