Met een miniduikboot door de bloedbaan

Fysici bouwden een speciale operatieduikboot.

Hij is kleiner dan een mier.

Fysici van de Universiteit Twente hebben een duikbootje ontwikkeld dat klein genoeg is om te kunnen bewegen door menselijke bloedvaten. Het voertuigje is een teflonbuisje van circa drie millimeter lang met minuscule vinnetjes. Het buisje wordt aan één kant met een lijmpropje afgesloten en houdt binnenin een luchtbelletje gevangen. Door het duikbootje via een luidspreker in het aquarium te bestoken met een geluidsgolf met een frequentie van 1 kilohertz gaat het luchtbelletje ritmisch krimpen en uitzetten. Vloeistof wordt ingezogen (als het luchtbelletje krimpt) en levert een voortstuwingskracht als zij naar buiten wordt gespoten. Zo ontstaat een straalmotor.

„We gaan twee stappen naar voren en een stap achteruit”, zegt Rory Dijkink, medeauteur van een wetenschappelijk artikel over het duikbootje dat vorige maand is verschenen in het Journal of Micromechanical Engineering . „De voortstuwingskracht ontstaat doordat je vloeistof van alle kanten naar binnen zuigt en uitstoot in de vorm van een straal. Hetzelfde fenomeen verklaart waarom je een kaars wel kunt doven door te blazen, maar nauwelijks door te zuigen.”

Bijzonder aan de duikboot is het kleine formaat. Fysici onderscheiden twee zaken die bij voortbeweging in een vloeistof overwonnen moeten worden: de massa van de vloeistof die opzij moet en de viscositeit van de vloeistof. Zwemmen door stroop gaat moeilijker dan door water. Viscositeit speelt op kleine schaal een steeds belangrijkere rol en daarmee moet bij het ontwerp van minuscule duikbootjes rekening worden gehouden.

De Nederlanders spreken in hun publicatie niet van een duikbootje, maar van een acoustic scallop, een akoestische St-Jacobsschelp. „Die schelpen gebruiken ook een soort straalaandrijving’’, zegt medeauteur Claus-Dieter Ohl, wetenschappelijk medewerker natuurkunde aan de Universiteit Twente. „We hadden het eerst een akoestische pijlinktvis genoemd. Dat dier zwemt ook zo, maar dat mocht niet van de referenten die het stuk beoordeelden. Als een fysicus het Engelse woord squid ziet denkt hij aan de afkorting voor superconducting quantum interference device.”

De auteurs schrijven dat hun duikbootje uitzicht biedt op medische toepassingen. Tot de verbeelding spreekt het idee van een voertuigje dat bloedstolsels in de aderen opspoort en opruimt. Om dat te realiseren zijn nog tal van praktische verbeteringen nodig. Het duikbootje haalt een snelheid van 1,4 millimeter per seconde, circa 5 meter per uur en dus onvoldoende om in de bloedbaan te navigeren. Volgens Ohl is het mogelijk om de duikboot een factor drie sneller en kleiner te maken door hem uit te voeren met een aerodynamische voorkant en een tuitvormige achterzijde waaruit de aandrijfstraal komt. Met zijn lengte van drie millimeter is het duikbootje nu al iets kleiner dan een mier.

Een tweede probleem is de bestuurbaarheid van een duikboot in de aderen. De Twentse fysici testten hun onderzeeër met een diameter van 0,75 millimeter in een nauw buisje. „We zijn nog niet zover dat we hem in een open aquarium rechtdoor kunnen laten zwemmen”, zegt Dijkink. Maar ook dit probleem is op te lossen, vertelt Ohl: „We hebben al twee duikbootjes met de neuzen aan elkaar vast gemaakt. Zo kan hij voor- en achteruit. Voor beweging in drie dimensies moeten we er zes aan elkaar vastmaken en met verschillende geluidsfrequenties besturen.”

Ten slotte is het de vraag of een duikbootoperatie een verbetering zou zijn ten opzichte van bestaande operatieve technieken ter verwijdering van bloedstolsels. „Ik heb daarop geen zicht”, zegt Ohl. „Dit is het idee van een fysicus, niet van een medicus.”

Een operatieduikboot is niet de enige toepassing van de Twentse vinding. In het lichaam zou het straalmechanisme gebruikt kunnen worden voor een pompje dat bij de juiste geluidstrilling een medicijn afgeeft. Op een chip zou het vloeistof kunnen voortstuwen in de minuscule kanaaltjes van een lab on a chip.