Hoe kun je op moeilijk bereikbare plekken metingen doen? Dit kan met knikkers met kleine sensoren die met elkaar communiceren, volgens ingenieur Peter Baltus.
Het is niet altijd even duidelijk hoe leidingen onder de grond lopen. Als je dat wilt onderzoeken en wilt weten of ze nog wel in goede staat zijn, wat bijvoorbeeld bij blusleidingen essentieel kan zijn, is dat een enorm karwei. Je moet in het wilde weg graven en misschien wel een stad overhoophalen. Dat kost veel tijd en geld.
Peter Baltus, hoogleraar micro-elektronica aan de Technische Universiteit Eindhoven, wilde weten hoe je dit probleem efficiënt kunt aanpakken. Daarvoor werkte hij samen met vijf andere universiteiten – de Vrije Universiteit Amsterdam, de Rijksuniversiteit Groningen, de Katholieke Universiteit Leuven, de technische universiteit van Aken en de universiteit van Trento – en één bedrijf, ingenieurs- en adviesbureau Antea Group.
Waarom NASA een sonde naar Jupitermaan Europa stuurt – en waar hij naar op zoek is
NASA is onderweg naar een van Jupiters ijsmanen om te onderzoeken of deze leven kan herbergen. Wat is er zo speciaal aan Europa?
Rollende metingen
De oplossing vonden ze in tennisballen. Op het eerste gezicht lijkt het simpel: je stopt een sensor in een tennisbal en die laat je door een leiding gaan, waar hij metingen kan doen. De metingen lees je uit zodra je de tennisbal weer in bezit hebt. Toch bleek dat niet zo eenvoudig te zijn als het klonk. ‘We wilden een bal met één heel goede sensor die van alles kan meten, maar al snel was de conclusie dat dit niet ging werken,’ zegt Baltus.
Een bal mag namelijk niet te groot zijn, omdat hij dan niet overal meer door of langs kan. Maar hoe kleiner de behuizing van een meetapparaat, hoe minder ruimte er is voor de elektronica. ‘We bedachten daarom dat in plaats van één bal met één supersensor het handiger zou zijn een aantal kleine sensoren te gebruiken die met elkaar communiceren.’
Baltus ontwikkelde met de andere wetenschappers balletjes ter grootte van een knikker met een microprocessor, geheugen, een batterij en een kleine sensor. Die sensor kan worden geprogrammeerd om bijvoorbeeld in een leiding de stroomsnelheid van een vloeistof te meten of de aanwezigheid van bepaalde stoffen, zoals zuren of koolstofmonoxide. Daarnaast verricht hij indirecte metingen. Door bijvoorbeeld te meten hoe zachtjes of hard de bal tegen een wand aan botst, kun je bepalen hoe dik die wand is. Aan de hand van hoe hard de balletjes schommelen, kun je te weten komen hoe groot de luchtbellen in een leiding zijn.
Zwerm
Dat de meetinstrumentjes met elkaar contact houden als in een zwerm, is essentieel. ‘De balletjes kunnen individueel heel weinig,’ zegt Baltus. ‘De sensor van een balletje kan in een specifieke toepassing maar tien metingen per seconde doen, bijvoorbeeld in chemische reactoren die vloeistoffen mengen. Soms willen we wel honderd metingen per seconde. Dat kun je bereiken met alle kleine balletjes bij elkaar. Die meten om de beurt, en die metingen combineer je uiteindelijk.’
In de meetknikkers is geen ruimte voor een motortje. Ze gaan dus met de stroming mee. Het kan daardoor voorkomen dat je een aantal knikkers niet kunt terugvinden. ‘Het is een kwestie van geluk als je ze allemaal weer ergens uit kunt vissen,’ zegt Baltus. ‘Daarom probeer je meer balletjes te gebruiken dan je voor een meting strikt nodig hebt.’
Het gaat per meting om tientallen balletjes die allemaal handmatig in elkaar zijn geschroefd door de onderzoekers met wie Baltus samenwerkt.
Virtuele omgeving
Om de balletjes zo goed mogelijk te laten meten, gebruiken de wetenschappers onder andere een simulatie, een virtueel model van de omgeving waarin de knikkers één keer zijn geweest. Die maken ze aan de hand van de eerste metingen die de balletjes hebben verricht. Allerlei dingen zijn hierin meegenomen, zoals de bochten, de stroomsnelheid en de wanddikte van de leiding.
‘De gegevens van de balletjes laat je steeds door deze virtuele omgeving gaan,’ zegt Baltus. ‘Een algoritme zoekt uit welke balletjes de beste metingen doen en laat die met elkaar kruisen. Daarna gebeurt dat nog honderden keren, totdat we weten hoe de balletjes optimaal kunnen presteren. Dan worden ze aangepast. Een mens kan dat optimum zelf niet vinden. Eigenlijk is dit een kunstmatige evolutie.’
Waterleidingen en darmen
Baltus en de andere wetenschappers zijn op dit moment vooral nog bezig met de techniek, met de hardware. Uiteindelijk willen ze de balletjes voor allerlei toepassingen gebruiken. ‘Onder andere voor waterleidingen, maar dan moeten ze aan een reeks eisen voldoen. Er mogen bijvoorbeeld geen giftige stoffen van afkomen. Verder is het nu niet altijd duidelijk of we alle balletjes terug kunnen krijgen. In een waterleiding vormt dat een probleem, helemaal als ze kapotgaan.’
Een ander vervolgproject van de groep wetenschappers zijn balletjes die in het lichaam metingen kunnen doen. ‘Daar moet je goed onderzoek naar hebben gedaan. Dan zullen ze de grootte van een tabletje moeten krijgen, om ze goed door te kunnen slikken. We moeten kijken of dat mogelijk is. Het zou wel mooi zijn voor darmkankeronderzoek: het is een stuk goedkoper en comfortabeler dan de manier waarop het onderzoek nu wordt gedaan. Daarnaast kun je het gewoon thuis doen, zodat je de metingen vaker kunt doen.’
Dit artikel verscheen op 8 februari 2020 in het Parool.