Go with the flow! Speuren naar het onbekende met een zwerm slimme knikkers

Een zwerm knikkers die door je darmen stroomt om verdikkingen op te sporen. Het klinkt als science fiction. Toch is het dichterbij dan je denkt. Ingenieur Peter Baltus van de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelt samen met universiteiten en het bedrijfsleven sensoren die moeilijk bereikbare of zelfs voor de mens ontoegankelijke omgevingen kunnen inspecteren. Hij focust eerst op grote leidingenstelsels als drinkwatersystemen, oliepijpleidingen of transportbuizen voor kerosine. Maar zijn droom is dat de balletjes ooit de binnenkant van vulkanen of zelfs het menselijke spijsverteringskanaal kunnen verkennen.

Voor ons op de tafel liggen drie plastic balletjes; formaat golfbal, maar dan flink lichter in gewicht. De ribbels van de 3D-printer zijn duidelijk zichtbaar aan de buitenkant. Eén van de balletjes is open geschroefd. Binnenin zien we een paar kleine printplaatjes aan elkaar bevestigd. Een micro-SD-kaart en twee korte draden zijn ook te onderscheiden. We zitten in het kantoor van Peter Baltus, hoogleraar micro-electronica aan de faculteit Electrical Engineering van de TU Eindhoven.

Zodra Baltus begint te vertellen, verschijnen er pretlichtjes in zijn ogen. Zijn passie is duidelijk zichtbaar in zijn energieke houding en zijn enthousiaste woordkeuze. De slimme knikkers zijn dan ook zijn ‘baby's’. Al zal hij zelf nooit in zijn eentje de credits willen accepteren. De afgelopen vier jaar werkte Baltus in de rol van projectleider dag en nacht aan een project genaamd Phoenix, in samenwerking met projectpartners KU Leuven, Aachen University, Ingenieurs- en adviesbureau Antea Group, Rijksuniversiteit Groningen, Vrije Universiteit Amsterdam en de Universiteit van Trento. Baltus: ‘Een multidisciplinaire groep, met zowel universiteiten als ontwikkelingspartners, was onontbeerlijk om deze slimme knikkers te ontwikkelen in zo’n korte tijd.’

Gefinancierd met 3,6 miljoen euro vanuit Horizon 2020 ‘Future and Emerging Technologies (FET)’, dat als doel stelt om een science fiction-achtige technologie te ontwikkelen, bouwden ze een apparaat dat ontoegankelijke gebieden kan ontdekken. En dat is een echt kip/ei-probleem, want hoe kun je sensoren ontwikkelen voor een omgeving die je niet kent? ‘Om goede informatie te verzamelen, heb je goede sensoren nodig. Maar om goede sensoren te bouwen, moet je weten wat je wilt meten, en daarvoor heb je kennis nodig van de omgeving die je wilt ontdekken. Een onmogelijke opgave,’ zegt Baltus lachend.

De onderzoekers richtten zich vooral op maatschappelijke problemen, om de basisbehoeften van mensen aan te pakken. Zo zochten ze toepassingen op het gebied van veiligheid, gezondheid, energie en water/voedsel. Denk bijvoorbeeld aan het leidingnetwerk onder onze voeten; drinkwaterleidingen, riolering of transportbuizen voor brandstof. Maar ook het opsporen van ondergrondse opslagplaatsen voor CO2, chemische reactoren of zelfs bloedvaten of het spijsverteringskanaal van de mens. In de blauwe kaders in het verhaal staan enkele toepassingen beschreven waar Baltus en collega’s al druk mee bezig zijn.

Het voordeel van de meerderheid

Na vele pogingen is het eindproduct een verzameling slimme knikkers. Het zijn balletjes gevuld met sensoren die door met vloeistof gevulde leidingen stromen om zo bijvoorbeeld opstoppingen en lekkages te detecteren of het netwerkstelsel in kaart te brengen. Ze worden handmatig aan het begin van het leidingstelsel in de vloeistof losgelaten. De knikkers drijven vervolgens passief op de stroming in het netwerk mee naar hun eindbestemming, waar ze weer opgepikt worden om de gegevens uit te lezen. De sensoren in de knikkers verzamelen tijdens hun reis een hoop informatie en bewaren die intern.

De knikkers moeten kunnen meten tijdens het productieproces van een bedrijf, zonder dat stil te hoeven leggen. Baltus: ‘Dat is nu vaak wel nodig, bijvoorbeeld bij de inspectie van de pijpleiding die kerosine transporteert tussen de haven van Rotterdam en de luchthaven van Düsseldorf. Op dit moment voert een robot deze inspectie uit, maar om dat te doen, moet de pijp worden leeggepompt. Een kostbare klus, want tijd is geld. Veel productieprocessen, bijvoorbeeld die in de chemische industrie, kúnnen niet eens worden stilgelegd.’ Het projectteam speelt daarop in door de knikkers bestendig te maken tegen allerlei vloeistoffen en wisselende temperaturen of druk. Zelfs de meest corrosieve vloeistof moet betrouwbare meetgegevens opleveren.

De leidingen zijn vaak zo krap, dat er geen plaats is voor een supersensor die alles kan. De grootte van de bal is dus de beperkende factor. En dan vooral de grootte van de batterij. Alle sensoren hebben namelijk stroom nodig. Maar hoe intelligenter je de sensoren maakt, hoe meer stroom ze doorgaans gebruiken. En een grote batterij past nu eenmaal niet in het kleine balletje. Dan zijn bijvoorbeeld camera’s, verlichting, microfoons of aandrijving uitgesloten. Alleen eenvoudige sensoren die weinig stroom verbruiken, zoals een thermometer, drukmeter en snelheidsmeter, passen in het omhulsel.

Evoluerende sensoren door Kunstmatige Intelligentie

Juist daarom heeft Baltus met zijn projectpartners een zwerm knikkers ontwikkeld. ‘Ze kunnen individueel zeer weinig, maar verzamelen samen toch alle gewenste gegevens,’ legt Baltus uit. Maar hoe zorg je dan dat elke knikker optimaal aan zijn specifieke taak is aangepast? De plaatsen die Baltus wil onderzoeken, zijn zo onbereikbaar dat hij vooraf niet goed kan voorspellen hoe de binnenkant van zo’n leiding er uitziet. Baltus: ‘Als je de omgeving niet kent, weet je ook niet wat de eigenschappen moeten zijn van de sensoren, om die omgeving waar te nemen.’

De onderzoekers kwamen met een ingenieuze oplossing: via Kunstmatige Intelligentie laten ze de knikkers tijdens het ontwerpproces op de computer zelfstandig ‘evolueren’. Dat geeft nóg een voordeel: je kunt een generiek balletje ontwikkelen, dat vervolgens per toepassing kan evolueren naar de beste configuratie. ‘De keuze voor Kunstmatige Intelligentie is geboren uit wanhoop. Als we wisten hoe we de knikkers konden ontwerpen, dan hadden we het zelf wel gedaan,' licht Baltus toe.

Het precieze ontwerpproces van de balletjes werkt als volgt: generieke balletjes worden op basis van de schaarse informatie en wensen van de klant geprogrammeerd en stromen vervolgens één keer door het leidingensysteem van het bedrijf. De sensoren verzamelen onderweg allerlei gegevens en slaan die op in het interne geheugen. De onderzoekers verzamelen de gegevens uit de balletjes, en vormen een eerste model van hoe de onbekende omgeving eruit zou moeten zien.

Alle gegevens van de knikkers, inclusief het eerste model van de omgeving wordt vervolgens naar een virtuele omgeving gekopieerd. Een algoritme gaat daarmee aan de slag in een serie simulaties, waarin de meest succesvolle balletjes met elkaar kruisen. In ongeveer 500 simulatieronden zoekt het algoritme naar een optimale configuratie voor de specifieke toepassing en de wensen van de klant. Zodra de nieuwe configuratie niet meer zoveel verandert ten opzichte van de vorige paar configuraties, weten de onderzoekers dat ze dicht bij de oplossing zijn. De met Kunstmatige Intelligentie ontwikkelde software wordt vervolgens toegevoegd aan de balletjes, waarna ze opnieuw in hetzelfde leidingenstelsel worden losgelaten. Dat proces herhaalt zich drie tot vijf keer. Pas dan zijn de balletjes klaar en kunnen ze door het bedrijf worden gekocht om de inspecties uit te voeren. 

Baltus: ‘Ik trek de parallel met evolutie, omdat het proces zo onvoorspelbaar is. We hebben zelf geen oplossing, dus moet een algoritme het maar doen. Dat algoritme kruist vervolgens de meest succesvolle balletjes met elkaar om zo naar een optimum te werken. We weten vooraf dus ook niet wat er uit dat simulatieproces gaat komen. Wellicht bedenkt het algoritme dat elke knikker zijn eigen taak krijgt, zo ontstaan wellicht locatie-knikkers en lekkage-detector knikkers. We hebben dit nog niet uitgebreid kunnen onderzoeken, dus dat is echt afwachten. Dat onze eerste evolutie-proef laat zien dat het principe werkt is eigenlijk al onvoorstelbaar, en ze evolueren nog de goede kant op ook!’

Navigeren met beperkte stroom

Heb je dan een werkend systeem met slimme knikkers die zelf evolueren naar een bepaalde toepassing, dan blijft er nog één probleem over: bij alle gegevens die de sensoren verzamelen, wil de klant graag weten waar de knikker op dat moment was. Heb je een leidingbreuk opgespoord, dan moet je natuurlijk wel de locatie opslaan. De locatiesensor is dus extreem belangrijk, maar GPS werkt ondergronds niet. Gelukkig zijn er alternatieven.

Geluidsgolven zijn namelijk wél mogelijk onder de grond. Denk bijvoorbeeld aan een ultrasoon systeem, vergelijkbaar met de echo die vleermuizen gebruiken. Hoewel deze oplossing veelbelovend klinkt, zitten er toch nog wat haken en ogen aan. Baltus: 'Zo verbruikte dit systeem tijdens eerste berekeningen liefst 5.000 keer meer energie dan alle andere sensoren en systemen (inclusief bijvoorbeeld geheugen en de microprocessor) in het balletje bij elkaar.'

Daarnaast is de geluidssnelheid afhankelijk van de omgeving; in water moet je de snelheid anders kalibreren dan in modder of olie. Dat is lastig als je in een onbekende omgeving zit. Bovendien zendt het balletje met ultrasoon zijn gegevens maar één richting uit. De zender en ontvanger moeten dan ‘naar elkaar kijken’ om het signaal te kunnen versturen. Een zogenoemde omnidirectionele zender – die het signaal alle richtingen op stuurt - bestaat wel, maar die is dan weer zo zwaar dat het balletje naar de bodem zinkt. Bij een groot aantal toepassingen zal ultrasound na uitgebreide tests en doorontwikkeling misschien mogelijk zijn. Maar wil je de balletjes écht klein maken, dan heb je een ander systeem nodig.

De aantrekkingskracht van magnetisme

Voor de kleinere knikkers kwamen de onderzoekers daarom met een onverwacht alternatief: magnetisme. Baltus: ‘Via de vloeistof in het leidingennetwerk kun je op die manier signalen transporteren. Bijvoorbeeld ompolende magneetvelden met lage frequenties. Het balletje kan zo zijn eigen serienummer versturen.’ Bijkomend voordeel: het signaal gaat alle kanten op, wat het opvangen enorm versimpelt. ‘Ook een combinatie van magnetisme en ultrasound zou wellicht mogelijk zijn. Dan kalibreren de systemen elkaar, en kun je zo de geluidssnelheid terugrekenen. Op die manier verzamel je weer een nieuw gegeven, namelijk het medium waar de balletjes in zweven’, legt Baltus uit.

Het magnetisch systeem werkt echter alleen maar op korte afstanden. Gelukkig is dat geen probleem: door de grote zwerm knikkers is er altijd wel een ontvanger in de buurt. De locatie wordt dus bepaald aan de hand van hun positie ten opzichte van elkaar én vanaf het punt waar ze in het leidingenstelsel zijn ingebracht. Als alle balletjes zijn uitgelezen, hebben de onderzoekers op die manier een zeer gedetailleerde kaart van het buizenstelsel.

Knikker in nood

De locatiebepaling is zelfs nóg belangrijker als je denkt aan de voortbeweging van de knikkers. Om het stroomverbruik te verminderen, drijven de balletjes passief mee op de natuurlijke stroom van het leidingsysteem. Helaas heb je daardoor geen controle op het af te leggen pad. Een balletje kan bijvoorbeeld blijven steken en die kans is groter op plekken waar de leiding is dichtgeslibd. Juist die informatie kan heel belangrijk zijn voor de klant.

Baltus bouwde daarom een noodsysteem in: ‘Zit een knikker vast, dan stuurt hij met zijn laatste kracht een noodsignaal naar alle andere balletjes in de buurt. Daarbij stuurt hij ook direct alle informatie die de knikker heeft verzameld mee zodat er geen belangrijke informatie verloren gaat.’ De klant kan de knikker dan eventueel weer redden als de buis door medewerkers schoongemaakt wordt.

Nu, vier jaar later, is het Phoenix-project officieel afgelopen. Baltus: ‘We hebben aangetoond dat het concept en de evolutie van de knikkers werkt én we ontwikkelden de technologie om de knikkers in de toekomst sterk te kunnen verkleinen.’ Klaar is Baltus dan ook nog lang niet. Zo start hij nu samen met Antea Group een spin-off met de naam Smarble om de balletjes te vermarkten, waarvoor Antea Group de kar zal trekken. Voor dit doel ontvingen ze een Launchpad-subsidie van €100.000, ter aanvulling van het Horizon 2020 FET programma. ‘We willen robuuste en goedkope zwermen knikkers produceren en in gebruik nemen. Daarvoor zijn geen nieuwe uitvindingen meer nodig, maar wel nog veel hard werk om allerlei praktische problemen op te lossen,' legt Baltus uit.

Naast de spin-off gaat de TU/e nog verder met het onderzoek. Baltus: ‘We willen de knikkers nóg kleiner maken, bijvoorbeeld om ze te kunnen inzetten in de gezondheidszorg. Stel je voor dat ze straks door je bloedvat kunnen stromen. Dat biedt volop nieuwe mogelijkheden voor het opsporen van verstoppingen.' Onderzoeker Giovanni Iacca van de universiteit van Trento coordineert de vorming van een nieuw consortium voor het verkleinen van de balletjes, en is nu op zoek naar partners om weer een nieuwe Horizon 2020 FET-subsidie aan te vragen.’ Daarnaast hoopt Baltus in de toekomst ook simpele acties uit te kunnen voeren. ‘Nu sporen we lekken alleen op, maar straks willen we ze ook direct met een soort hars kunnen dichten.’ Ook daarvoor is Baltus van plan een nieuwe subsidieaanvraag in te dienen. ‘Als we die subsidies weten binnen te halen, kan ik ook weer gaan werven voor nieuwe PhD-kandidaten en postdocs.’

Onderzoek gaat door

Tegelijkertijd blijft het optimaliseren van de huidige balletjes nog steeds doorgaan. ‘We willen aantonen dat onze knikkers voor allerlei toepassingen geschikt zijn. Daarvoor hebben we de hulp van bedrijven nodig, die hun proces als testlocatie willen aanbieden. We onderzoeken binnenkort mengprocessen bij Jongia en drinkwaterleidingen bij Oasen, maar zoeken nog veel meer toepassingen om te testen.’

Ook master- en bachelorstudenten zijn altijd welkom bij Baltus voor de doorontwikkeling van de balletjes. ‘Het mooie van dit werk is de multidisciplinariteit. Alleen onderzoekers uit het Electrical Engineering-veld werven is onvoldoende. Ik heb ook bijvoorbeeld werktuigbouwkundigen en bouwkundigen nodig. Maar ook mensen die alles weten over software, user interfaces, kunstmatige intelligentie, evolutie en noem het maar op. Ik hoop binnenkort met Innovation Space om de tafel te gaan zitten, om een nieuw project op te starten met een groep bachelorstudenten van allerlei verschillende studies aan de TU Eindhoven.

Fotocredits: Bart van Overbeeke