Kunsthommel

Symposium 'Onder de loep genomen - miniaturisatie en microsysteemtechnologie'. Veldhoven, 19 en 20 september. Inl: 070-3919890.

Symposium 'Nieuwe Technologieën, Micromechanica en Optische schakelingen'. Delft, 29 September. Inl: 015-786122

Workshop 'Micro Total Analysis Systems'. Enschede 21 en 22 november. Inl: 053-332035

De kunstmatige hommel, een soort lilliputvliegmachine uitgerust met sensoren, een communicatie-instrumentarium en zoiets als propellertjes, zou in tuinbouwkassen goed voor bestuiving kunnen zorgen. “Een kunsthommel is nuttig”, zegt Wouter Olthuis, medewerker van de vakgroep Bio-informatica van de Universiteit Twente. “Tenminste, als je naar de winstgevende kant kijkt.”

Die winstgevende kant zit 'm in een grotere tomaten-, paprika-en bessenoogst. Want alleen met bestuiving groeit de bloesem van bijvoorbeeld tomatenplanten uit tot rode vruchten. Olthuis bespree

kt de levensvatbaarheid van kunsthommels in het rapport 'Microsysteem technologie, exploring opportunities' van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek (STT). De voor dit rapport bijeengeroepen task force agriculture besloot dat stuifmeeltransport met minivliegtuigen de moeite waard was om eens over te brainstormen. De eisen: het insekt moest bloemen kunnen detecteren, meeldraden zoeken, stuifmeel oppikken en het vrachtje vervolgens op de stamper van een volgende bloem op de route deponeren. Olthuis kreeg het beestje op zijn bord en de opdracht zich over het probleem te buigen.

Met een telefoontje naar Koppert BV lijkt de kunsthommel de strijd met zijn natuurlijke tegenhanger al bij voorbaat te hebben verloren. Koppert-medewerker Maurice Wubben deelt mee dat kasbestuiving met echte hommels in 1987 werd bedacht en vliegensvlug, een jaar later al, op grote schaal is gecommercialiseerd.

Koppert uit Berkel en Rodenrijs is een van de twee Nederlandse bedrijven die hommelkolonies kweken voor de tuinbouw. Bestaat een kolonie eenmaal uit 50 werksters, dan is ze sterk genoeg om in een kas te worden geplaatst. “Daar groeit de kolonie natuurlijk verder”, zegt Wubben, die tijdens zijn studietijd heeft bijverdiend met nog een andere methode, 'trilbestuiving'. “Ik moest met een trilstok tegen tomatenbloesem tikken. Eenvoudig werk, maar knap vervelend.”

Hommels hebben het inmiddels gewonnen van deze ambachtelijke methode. Onderzoeker Olthuis zegt zich dan ook geen illusies te maken. “De kunsthommel is slechts een uitdagend gedachtenexperiment. Het is wel het meest science-fictionachtige van alle voorbeelden uit het STT-rapport. Mensen moeten echt niet denken dat we dit de volgende week op plank hebben. Maar ik kan wel aantonen dat de subsystemen bestaan en functioneren.” Volgens Olthuis zou men een kunsthommel echter wel degelijk concurrerende eigenschappen kunnen geven. “Kunsthommels hebben meer intelligentie. Ze zouden bijvoorbeeld zo kunnen worden geprogrammeerd dat ze de bloesems overslaan die tuinders als minder gunstig beoordelen.”

Isao Shimoyama, 'mechano-informaticus' op de Universiteit van Tokio, doet onderzoek naar vliegende minimachines en insektoïde microrobots. Bij hem kloppen we aan om meer te weten te komen over het subsysteem vliegen. Op het moment poogt Shimoyama een robotmug van ongeveer 1 millimeter van de grond te krijgen.

Shimoyama meent dat vliegen voor kleine robots helemaal geen probleem hoeft te zijn. “Hoe kleiner een robot, hoe gunstiger vliegen is in plaats van rijden of lopen.” Volgens hem heeft een voorwerp dat twee maal kleiner wordt, vier maal minder energie nodig om rijdend of lopend vooruit te komen. Het energieverbruik neemt kwadratisch af met de lengte. “Daarentegen neemt de energie die voor vliegen nodig is af met de macht 2,5”, weet Shimoyama. Op insekt-grootte wordt vliegen energetisch gunstig.

Het gaat Shimoyama vooral om de bestudering van insektoïde bewegingsprincipes. In zijn publikaties geeft hij aan hoe zinvol het is om insekten te bestuderen. “Zij hebben door natuurlijke selectie bewezen zeer succesvolle vlieg-mechanismen te bezitten. Insekten hebben fascinerende structuren. Het zijn goede modellen voor micromachines, zeker wat betreft microvlucht.”

Bij een insekt als de vlinder volgt de vleugelslag na een zenuwprikkel op de vliegspieren. Vlinders buiten daarbij zowel de stroperigheid als de traagheid van lucht uit. Shimoyama: “Bacteriën gebruiken alleen viscositeit, vliegtuigen benutten de traagheid van lucht. Vlinders zitten daar tussenin.” Andere insekten zoals muggen en bijen vliegen echter met veel snellere vleugelslag. Ze flapperen als het ware door de stroperige lucht. Dat doen ze met een hogere frequentie dan hun zenuwstelsel bij kan houden. Zij vliegen dan ook door hun hele structuur in de resonantiefrequentie te houden. Lichte insecten laten daarom een hogere toon horen dan zwaardere. Honingbij en wesp zitten rond de 200 Hertz, muggen bewegen hun vleugels met ruim 600 slagen per seconde.

De 'vliegende' robots van Shimoyama zitten meer op het niveau van de mug. Hij heeft deze microvliegtuigen in zijn lab uitgerust met veerkrachtige polyimide vleugeltjes. Ze zijn zo geconstrueerd dat de vleugels bij een neerwaardse slag een andere configuratie hebben dan bij een opwaardse slag. Echte insekten draaien of torderen hun vleugels, maar dat is hem voorlopig iets te hoog gegrepen.

De Japanner gebruikt de interactie van een wisselend magnetisch veld met magnetische vleugeltjes als aandrijvingskracht. Daarvoor heeft hij op de vleugeltjes van de micromug een coating aangebracht van platinakobalt. Het wisselende magnetische veld wekt de flapperbeweging op. Als de mug zou vliegen zou hij dat in een soort magnetron moeten doen. Shimayama: “Het mechaniekje zit nog steeds op het substraat vast. Het flappert. We zijn bezig een manier te vinden waarop het vrij kan vliegen.”

De micromug zoemt pas als de frequentie van het magnetisch veld samenvalt met de eigenfrequentie van de vleugeltjes. Dat zit niet ver van de werkelijkheid, concludeert Shimoyama. Door verschillende laagdiktes voor de PtCo-coating te kiezen bereikte Shimoyama flapperfrequenties van 400 tot 600 Hertz.

Shimoyama: “We zijn vooral geïnteresseerd in de schaaleffecten. Hoe wij de wereld waarnemen hoeft niet te gelden voor de microwereld. Vliegen kan op kleine schaal een goede manier van bewegen zijn in vergelijking met lopen. Ik wil andere researchers hiervan op de hoogte brengen.”