Naar de content

'Nieuw horlogehart werkt ook als pacemaker'

Interview met Ingenieur van het jaar Nima Tolou

Nima Tolou

Een mechanisch horloge kan met minder onderdelen gemaakt worden, laat de Delftse onderzoeker Nima Tolou zien. Bovendien is de uitvinding met aanpassingen in de toekomst mogelijk te gebruiken voor pacemakers en spooronderhoud. Tolou werd er ingenieur van het jaar 2018 mee.

Als kleine jongen sloopte Nima Tolou al horloges om ze vervolgens weer in elkaar te zetten. De fascinatie voor uurwerken liet hem niet meer los. “Ik heb het altijd fascinerend gevonden hoe het mechaniek zo precies kan werken. Het is een prachtig, compleet systeem”, zegt hij.

Maar dat hij het polsklokje ooit opnieuw zou uitvinden, had hij toen niet gedacht. Tolou maakte een volledig nieuw ontwerp van de oscillator, een belangrijk onderdeel van mechanische horloges. Zo’n 350 jaar geleden bedacht Christiaan Huygens een oscillator. Hij maakte zijn ontwerp zo dat het zelfs goed werkte in schepen, die voortdurend bewegen. Dat was een geweldige verbetering in die tijd, volgens Tolou. “De oscillator is het hart van het horloge”, zegt Tolou. Bovendien is het, met wat aanpassingen, nog voor meer toepassingen geschikt. Zoals een pacemaker of bij spoorwegonderhoud.

De nieuwe oscillator, die uit een deel bestaat.

 Nima Tolou

Minder energieverlies

Een oscillator wordt aangedreven wanneer je een horloge opwindt en zet deze energie om in de precieze tijd. “Je kent vast de slinger wel van grote hangklokken die heen en weer gaan. Dat gebeurt met grote precisie en door op die manier te bewegen houden ze de tijd bij. Dezelfde functie heeft een oscillator ook in een horloge”, aldus de onderzoeker.

De oscillator van Huygens bestaat uit maar liefst 31 onderdelen. Tolou maakte een nieuwe variant die wonderwel bestaat uit een onderdeel. “In de versie van Huygens, die in de meeste horloges nog steeds wordt gebruikt, is er veel contact tussen de 31 onderdelen. Het zorgt voor een beetje wrijving en energieverlies. Daarnaast zorgt het ervoor dat horloges vaak wat dikker zijn.”

Dat kan kleiner en met minder energieverlies, dacht Tolou. Hij ontwierp de oscillator radicaal anders. Hij laat het trots zien: het is een flinterdun stukje, nog geen halve millimeter dik. Het is flexibel, gemaakt van siliconen. De truc zit in de vorm. Het heeft precies de juiste vorm, zodat het zo nauwkeurig beweegt dat de tijd goed wordt weergegeven. Het onderdeeltje van de uitvinder trilt daarvoor 15 keer per seconde.

Energie oogsten

“Het doet daarmee precies hetzelfde als die 31 onderdelen die nu nog worden gebruikt”, aldus de uitvinder. In zijn oplossing is er geen frictie meer, omdat het uit een stuk bestaat. “Als ingenieur wil ik altijd dingen eenvoudiger maken en met minder onderdelen. Het duurde 350 jaar om dit voor elkaar te krijgen bij het horloge. Dat komt omdat we de nieuwste technologie gebruiken. Zoals de kennis van flexibele mechanismen en semi conductors, waarmee ook computerchips worden gemaakt, waarin ik beide gespecialiseerd ben.” Tolou werkte intensief samen met zijn team in Delft en horlogemaker Zenith.

Inmiddels zijn er al horloges te koop met de nieuwe oscillator. Het zijn nog collector’s items, waarvan de prijs op aanvraag is. Maar de markt is hoe dan ook heel interessant, vindt Tolou. Hij vertelt dat er jaarlijks miljarden klokjes worden gemaakt en waarom zou niet een aanzienlijk deel zijn vinding kunnen bevatten? Hij hoopt dat zijn creatie de manier waarop horloges worden gefabriceerd op zijn kop zet. Zijn uitvinding leverde hem al de titel Ingenieur van het jaar 2018 op.

Tolou werkt niet alleen aan horloges, want je kan nog meer met zijn uitvinding doen. Het apparaatje kan namelijk met wat aanpassingen ook batterijen vervangen. De oscillator gebruik je dan namelijk als energy harvester (energie oogster), zoals hij het noemt. Dan wekt het zelf energie op uit beweging. Zodra iets schudt of trilt, dan zet het apparaatje deze beweging om in energie en wekt zo maximaal een paar milliwatt op. Dat is genoeg om bijvoorbeeld een sensor aan te drijven, die de temperatuur meet. Het werkt omgekeerd dan bij het horloge. In het polsklokje gaat er energie in de osillator en beweging eruit (herkenbaar aan het tikgeluid). “Bij de energy harvester is de beweging de input en energie juist de output”, zegt Tolou.

Pacemaker

Voor een mobiele telefoon of smartwatch is dat natuurlijk nog veel te weinig, maar er zijn legio apparaten waarvoor een paar milliwatt voldoende is. Neem een hoorapparaat voor kinderen. “Zij bewegen altijd veel en dat kun je slim gebruiken. Tegelijkertijd verbruikt een hoorapparaat niet veel energie. Ons apparaatje kan de beweging omzetten in elektrische energie, zodat je de batterij niet meer hoeft te vervangen.” Samen met het Juliana kinderziekenhuis in Den Haag ontwikkelt de wetenschapper dit momenteel.

Ook bij een pacemaker zou zijn uitvinding werken, benadrukt Tolou. Dan zet het apparaatje het kloppen van het hart om in energie. “Nu nog moet je tijdens iemands leven zo’n drie keer de batterijen vervangen. Dat is dan niet meer nodig. Dat scheelt een operatie en natuurlijk ook in de kosten.”

De uitvinding, die Tolou met collega’s ontwikkelde, wordt al getest op het spoor.

 Nima Tolou

Het knappe van het apparaatje is dat het onregelmatige bewegingen om kan zetten in energie. Zoals de hartkloppingen of de bewegingen van een kind. Die variëren natuurlijk voortdurend. Andere apparaten lukt dit nog niet, volgens Tolou. “Zij hebben een vaste frequentie nodig, maar dat is niet zo bij mijn uitvinding. Zelfs als de frequentie flink varieert is dat geen probleem”, zegt Tolou.

Slimme koelkast

Op dit moment wordt de uitvinding van Tolou al getest op het spoor. “Als een trein langskomt, dan voel je de grond trillen. Dat gebruikt het apparaatje en zet het om in elektriciteit. Op die manier kan het sensoren aandrijven, die meten hoe sterk de rails zijn en of er geen problemen zijn met de treinen. Nu werken die nog op batterijen, maar dat is vrij duur omdat ze vervangen moeten worden.”

In de toekomst zou je zijn apparaatje weleens op veel meer plekken tegen kunnen komen. Door wat de internet of things wordt genoemd, worden steeds meer apparaten in en om het huis slim. Zoals een koelkast die je vertelt dat de melk op is of een oven die al een pizza opwarmt als jij nog onderweg naar huis bent. Of het apparaatje van Tolou daarvoor daadwerkelijk gebruik gaat worden is nog onbekend. Via de lopende onderzoeken wil hij eerst overtuigend aantonen hoe goed het werkt. Maar hij is zelf hoopvol. “Alles draait uiteindelijk om beweging en daar maken we handig gebruik van. We openen om deze manier een deur met veel nieuwe mogelijkheden.”

ReactiesReageer