TU Delft zet HBM krachtopnemer in voor wetenschappelijk onderzoek naar wrijving

De vakgroep Biomechanical Engineering van de TU Delft heeft een krachtopnemer van HBM ingezet voor onderzoek naar de wrijving tussen staalkabels en diverse soorten rubber. Dat lijkt op het eerste gezicht misschien een marginaal onderzoeksthema, maar de uitkomsten kunnen leiden tot een nieuwe techniek voor de vormgeleiding van flexibele endoscopen (lange, flexibele slangen met een camera aan het uiteinde), die in de geneeskunde forse besparingen kan opleveren. Op korte termijn is de technologie wellicht al inzetbaar bij defensie en politie voor de opsporing van bijvoorbeeld explosieven en het kijken in afgesloten ruimtes.

Het onderzoek naar de wrijving tussen staalkabels en rubber was onderdeel van een promotie-onderzoek van Arjo Loeve, die inmiddels postdoctoraal onderzoeker is. Het onderzoek was gericht op de ontwikkeling van een nieuwe technologie voor de vormgeleiding van scopes, die bij medische onderzoeken in het menselijke lichaam gebruikt worden. Bij het inbrengen van flexibele endoscopen ontstaan er soms onbedoeld bochten in de endoscoopslang, die bijvoorbeeld de darm van de patiënt pijnlijk kunnen oprekken. Er kunnen zelfs vervelende complicaties ontstaan zoals een darmperforatie bij een coloscopie. Er zijn door enkele fabrikanten wel technieken voor vormgeleiding op de markt gebracht, maar deze werken nog niet optimaal en zijn bijzonder kostbaar. De meeste endoscopen maken nog geen gebruik van vormgeleiding en bieden slechts beperkte mogelijkheden voor fixatie van de vorm van de slang.

De klemmodule met op de voorgrond de blokken, die met staaldraad of rubber bekled worden.

Sneller en goedkoper

De nieuwe technologie, waar Loeve onderzoek naar heeft gedaan, bestaat uit een opblaasbare rubberen slang met daar omheen een krans van staaldraad aan de binnenkant van een roestvrijstalen veer. Door de rubberen buis met een vloeistof onder spanning te zetten, klemt ze de staaldraad tegen de binnenkant van de veer aan en wordt de endoscoopgeleiding stijf. Daardoor kan de arts zijn werk sneller uitvoeren, ondervindt de patiënt minder hinder van het onderzoek en is de kans op complicaties veel kleiner. Vaak moeten endoscopische onderzoeken vanwege pijn of complicaties afgebroken worden, waardoor niet alle afwijkingen in de patiënt ontdekt worden en er soms nog aanvullend - kostbaar en tijdrovend - onderzoek met CT-scanners noodzakelijk is om de juiste diagnose te stellen. Met de nieuwe techniek moeten inwendige onderzoeken vaker zonder problemen helemaal afgerond kunnen worden. In tegenstelling tot andere mogelijke technieken voor vormgeleiding en fixatie is er bij de in Delft onderzochte techniek geen dure regelunit nodig, waardoor endoscopie-installaties betaalbaar blijven. Dankzij de nieuwe technologie wordt bovendien de bediening flink vereenvoudigd, zodat endoscopische onderzoeken niet per se door dure specialisten uitgevoerd hoeven worden.

Deze nieuwe technologie biedt in potentie dus een perfect antwoord op de uitdagingen van de gezondheidszorg: efficiënte behandelmethoden, die het verblijf in het ziekenhuis verkorten en bovendien tot behoorlijke besparingen leiden. De nieuwe technologie kan een flinke stimulans betekenen voor de invoering van minimaal invasieve technologie, endoscopische operatietechnieken en incisieloos opereren.

Tribologie

Het onderzoek, dat door de vakgroep Mechanical Engineering werd uitgevoerd was bijzonder. In de wrijvingsleer - de tribologie - wordt veel fundamenteel onderzoek uitgevoerd naar de wrijving tussen verschillende materiaalsoorten. “Maar er is nog niet veel onderzoek gedaan naar de wrijving tussen staalkabels en rubber”, verduidelijkt Loeve. “Rubber is zacht en heeft de neiging zich op moleculair niveau aan andere materialen te hechten, waardoor er veel wrijving ontstaat. Het meeste soortgelijke onderzoek is echter gericht op vermindering van de wrijving voor toepassing in bijvoorbeeld transportbanden of ter voorkoming van slijtage. Voor de toepassing in scopes gaat het juist om het maximaliseren van wrijving om zoveel mogelijk stijfheid in de geleiding te krijgen. Ook zijn de meeste rubbersoorten in de medische industrie niet erg populair, omdat ze niet biocompatibel zijn; soms giftige en kankerverwekkende stoffen afgeven en slecht bestand zijn tegen sterilisatie. Bij de toepassing in de nieuwe technologie voor scopes komt het rubber niet in contact met het menselijk lichaam omdat het aan de binnenkant van het mechaniek zit.”

Een close-up van de klemmodule. Onder de haak het blok waarop de staalkabels gespannen zijn. Het blok wordt tussen twee vlakken rubber doorgetrokken.

15 combinaties

Voor het onderzoek werden drie soorten rubber en vijf verschillende soorten gevlochten staalkabel in vijftien verschillende combinaties onderzocht. Het doel was uit te zoeken welke soort rubber en welk type kabel de meeste wrijving opleverden. Het ging om standaard gevlochten staalkabels met een dikte van 0,18 tot 0,45 millimeter, die worden gebruikt in alledaagse toepassingen voor het ophangen van fotolijstjes of als remkabel voor fietsen.  

Voor de test werd in eigen beheer een opstelling ontwikkeld. Die bestond uit een klemmodule met  twee met rubber beklede blokken, waar tussen een met staaldraad omwikkeld blok getrokken werd. Zowel de klemkracht van de klemmodule als de trekkracht van het blok met de staaldraad werd gemeten. Voor de opstelling werd een passende krachtsensor gezocht, om de kracht te meten die op het blok met de staalkabel werd uitgeoefend. Zo werd uiteindelijk de wrijving in kaart gebracht. De krachtsensor moest aan bepaalde eisen met betrekking tot het meetbereik en de nauwkeurigheid voldoen. De specificaties werden neergelegd bij de zogenaamde ’meetshop’ van de faculteit 3mE, waar studenten en promovendi ondersteuning voor meettoepassingen kunnen aanvragen. Omdat de meetshop veel zaken doet met HBM en bijvoorbeeld ook een MGCplus data-acquisitiesysteem van HBM in gebruik heeft, was het niet verwonderlijk dat de keuze op een krachtopnemer van HBM viel. De krachtopnemer werd blootgesteld aan gewichten tot 180 kilo. De krachtsensor werd overigens niet alleen voor de tests met de klemmodule toegepast, maar ook voor kalibratie van de trekbank.

“Het onderzoek duurde inclusief de ontwikkeling van de testopstelling en de klemmodules anderhalf jaar en heeft een schat aan zeer nuttige data opgeleverd”, verduidelijkt Arjo Loeve. “Het basisprincipe van de technologie heeft na een publicatie van het onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift voor tribologie, WEAR, en in IEEE Transactions on Biomedical Engineering de interesse van andere organisaties gewekt. Het verstijvingsprincipe lijkt ook goed bruikbaar om stuurbare operatietangen te verstijven tijdens een ingreep. De wrijvingsdata die uit de metingen zijn gekomen, hebben hun nut bewezen in vele gebieden waar staalkabels in contact komen met rubber onderdelen. Ook het leger en de politie hebben belangstelling om de technologie voor het verstijven van slangen in het veld te testen. De toepassingsmogelijkheden liggen onder andere bij het opsporen van explosieven en boobytraps of bij het visueel inspecteren van afgesloten ruimtes.

Contacteer Gelieve contact op te nemen met HBM als u wilt ontdekken wat HBM voor u kan betekenen.