‘Mijn missie is patiënten helpen’

Daar aangekomen, verandert de slang in een soort octopus; hij splitst uiteen in verschillende armen, met aan de uiteinden diverse gereedschappen, zoals een camera, een grijpertje en een schaartje.
Breedveld verwacht dat dit scenario over enkele decennia werkelijkheid is. De flexibele instrumenten voor minimaal-invasieve chirurgie waar hij aan werkt, beloven een versimpeling van veel ingewikkelde ingrepen. Voor bijvoorbeeld schedelbasischirurgie hoeven chirurgen straks geen groot venster meer uit de schedel te zagen, de hersenkwabben opzij te trekken en dan met een compleet operatieteam en een grote hoeveelheid aan starre instrumenten de tumor te lijf gaan. Een klein gaatje voldoet en één chirurg kan het instrument naar de juiste plek sturen en de operatie uitvoeren. Hierdoor is er veel minder kans op schade aan gezond weefsel.
In 2012 kreeg de hoogleraar een vici-subsidie van anderhalf miljoen euro van onderzoeksfinancier STW om extra vaart te zetten achter de ontwikkeling van zijn bio-geïnspireerde instrumenten.

U laat zich inspireren door de natuur. Zo heeft u goed gekeken naar inktvistentakels. Wat is daar zo bijzonder aan?

“Inktvistentakels zijn opgebouwd uit ingenieuze samenstellingen van spieren die met elkaar samenwerken in verschillende lagen, ringen, bundels en pakketjes. De eerste instrumenten die ik maakte (in 2004, red.), waren gebaseerd op een enkele ring van stalen kabeltjes omringd door springveren. Die stalen kabeltjes zitten zo dicht op elkaar gepakt dat ze elkaar op hun plek houden.”

Van deze instrumenten wilt u een soort octopus maken?

“Ja, dat heet een dendritisch mechanisme. Het bestaat uit een flexibele stam die uitloopt in diverse manoeuvreerbare armen.”

Breedveld toont een van zijn prototypes. De vorm die hij aanbrengt in het handvat wordt versterkt gekopieerd in de tip. De hoogleraar laat de tip alle kanten op kronkelen en draaien, deze bewegingen doen denken aan een echt dier.

“We maken de dunste en meest beweeglijke stuurbare instrumenten ter wereld. Zoals je ziet, kan ik hem laten dansen.”

Toch beweegt het instrument volgens de hoogleraar nog niet soepel genoeg. De tip en de handgreep bestaan elk namelijk uit vijf segmenten. “Ik wil van die segmenten af. Daar zitten allemaal bolscharniertjes tussen die het systeem ingewikkeld maken. Een inktvistentakel heeft continuïteit. Die wil ik evenaren. We hebben nu dankzij een slimme truc een prototype gemaakt dat uit één segment bestaat en toch ingewikkelde kronkelingen kan maken. Hoe het werkt? Ik geef geen hints. We hebben een patentaanvraag lopen.”

Behalve souplesse is vormgeheugen belangrijk. Zoals het er nu voorstaat kan het instrument nog niet als een slang om organen heen bewegen. Hoe willen jullie dat oplossen?

“We willen graag dat de chirurg alleen de kop beweegt met een joystick en dat de rest daar automatisch achteraan gestuurd wordt. De bochten blijven dus op hun plek liggen, zoals je ook ziet bij een slang die om stenen en takken heen beweegt. Daarvoor hebben we een mechanisme nodig dat op de een of ander manier de bochten kopieert.”

Alles wat u doet is puur mechanisch. Komt hier wel wat elektronica bij kijken?

“Sensoren, actuatoren en een computergeheugen die de bochten naar achteren verplaatsen… dat zou kunnen. Maar motortjes hebben beperkingen. Je kunt ze niet extreem klein maken en het vermogen is ook beperkt. Een van mijn promovendi, Arjo Loeve, heeft geëxperimenteerd met speciale buisjes die verslappen bij verwarming en die verstijven als je ze afkoelt. Door met temperatuur te variëren, kun je buisjes elkaars vorm laten kopiëren. Maar we weten nog niet of deze techniek haalbaar is. Er is nog een andere optie, zonder temperatuurwisselingen en elektronica. We zijn dit nu aan het uittesten; als het goed blijkt te werken, gaan we daar een patentaanvraag op indienen. Het zou het ei van Columbus kunnen zijn. Maar ik mag er nu nog niets over vertellen.”

Weer een patent, weer iets waar u niets over mag vertellen. Verspreekt u zich nooit?

“Ik leid mijn promovendi heel erg in deze sfeer op. Wat je niet mag zeggen, dat zeg je niet. Soms moet ik wat meer vertellen dan ik zou willen om subsidie te krijgen. In het vici-voorstel staan bijvoorbeeld plaatjes die ik eigenlijk liever nog niet had willen laten zien. Het is leuk om mooie dingen te maken en daar over te publiceren. Maar het is ook mijn missie om patiënten te helpen. En als je wilt dat instrumenten in de operatiekamer belanden, dan zijn patenten essentieel. Uitvindingen moeten beschermd zijn en perfect werken, alleen dan willen grote medische bedrijven met je werken.”

Uw instrumenten lijken allemaal zo eenvoudig. Wat kabeltjes en veertjes, meer is het vaak niet.

“Kijk, je kunt twee wegen volgen. Je kunt je richten op hightech apparatuur, althans ‘zogenaamd’ hightech. Je gebruikt dan conventionele technologie die je miniaturiseert. Het werkt, en iedereen is onder de indruk. Mijn hart gaat daar ook harder van kloppen. Maar zo’n apparaat heeft dan wel anderhalve ton gekost. Ik maak veel liever slimme maar ogenschijnlijk doodsimpele tools die een paar cent kosten, een millimeter dik zijn en waarvan ik er vele met elkaar kan vervlechten. Ik zie een parallel met de computertechnologie.

Eerst had je ingewikkelde mechanische rekenmethodes en via een aantal uitvindingen zijn chips ontstaan. Die chips zijn nu simpele kleine onderdeeltjes van een groter geheel. We volgen dus een ingewikkelde weg naar iets dat uiteindelijk doodsimpel is en dat gebruikt kan worden om systemen van een hogere complexiteit te bouwen.”

Doodsimpel en toch cutting edge?

“Juist. We stappen steeds verder af van conventionele technieken. We willen instrumenten maken die twintig tot dertig bewegingsvrijheidsgraden hebben en slechts drie millimeter dik zijn. Dat is nog nooit gedaan. De instrumentmakers moeten op micrometerschaal vormen frezen en bevestigingen maken. Kan dat wel op die schaal? We weten het niet. De instrumenten moeten op de grens van het maakbare zijn, anders vind ik het niet interessant.”

Spelen de instrumentenmakers een cruciale rol in jullie team?

“In het vici-team zitten behalve drie promovendi twee instrumentenmakers. Zij behoren tot de besten van Nederland. Alles wat we dromen, maken zij meteen. En dat is nogal wat. Ik heb altijd meerdere ontwerptrajecten parallel lopen. De instrumentmakers vormen het startpunt. Als zij aangeven dat ze bepaalde onderdeeltjes kunnen maken, dan pas gaan wij de bouwtekeningen maken voor het grotere geheel. We werken dus in een andere volgorde dan de meeste onderzoeksteams.”

Hoe is bij u de passie voor de mechanica ontstaan?

“Mijn hele leven al wil ik dingen bouwen en wil ik weten hoe alles werkt. Ik ben gefascineerd door mechanica. Ook door de mechanica in de biologie, van vogelpootjes, inktvistentakels tot ons eigen lichaam. Mijn eerste boekje over anatomie en techniek kocht ik toen ik zes jaar was. Ik heb ook altijd veel getekend. Creëren zit bij mij in het bloed. Ik kom uit een familie van instrumentenmakers.”

U overwoog om na de middelbare school naar de kunstacademie te gaan.

“Ja. Als tiener tekende ik portretten voor geld. Eerst van mijn ouders en van vriendinnetjes. Dat was leuk. Maar ik kreeg steeds meer opdrachten waarbij ik overleden mensen moest portretteren; mensen die ik nooit gekend had. Dat begon me tegen te staan. Het vooruitzicht om na mijn opleiding te moeten tekenen onder tijdsdruk, bijvoorbeeld in de reclame-industrie, zag ik ook niet zitten. Ik heb toen gekozen voor een studie waarbij je dingen bouwt (werktuigbouwkunde aan de TU, red.).”

In uw vrije tijd restaureert u oude mechanische rekenmachines. Haalt u daar ook inspiratie uit voor uw medische instrumenten?

“Ja. Daar zitten slimme oplossingen in die lang geleden zijn bedacht en toen weer vergeten. Net zo min als je kunt praten met de ontwerper van die antieke rekenmachines (die zijn meestal overleden) kun je met de ontwerper van het leven praten. Ik ben creationist, al geloof ik ook in evolutie. Daarin zie ik geen tegenspraak.”

U bent er aardig in geslaagd om uw interesses te combineren. 

“Ik heb alle gebieden die me interesseren naar me toe getrokken en voel me als een spin midden in het web. Ik ben creatief op het vlak van de biologie, geneeskunde en de techniek. En ik heb contact met allemaal interessante mensen. Het enthousiasmeren van anderen is iets wat ik almaar leuker ben gaan vinden aan mijn werk. Je stuurt mensen op pad als een zaadje, en ze gaan boven zichzelf uitstijgen als een prachtige bloem. Fantastisch. Daarin ben ik wel veranderd. Vroeger was ik meer gefocust op het apparaatje zelf.”