Wrijvingsloos mechanisme loopt op rolletjes

Het is nog steeds geen perpetuum mobile, maar het komt wel aardig in de buurt. Op zoek naar een goed werkende kunsthand, ontwikkelde prof.ir. J.C. Cool van Werktuigbouw een mechaniek waarvan de wrijving praktisch nul en het rendement dus bijna honderd procent is.

Een manager van een groot bedrijf, het was een econoom of iets dergelijks, was eens ontevreden met de resultaten van een onderzoek naar een nieuw produkt. Hij vond dat er teveel energie verloren ging en wilde weten hoe dat kwam. ,,Dat komt door de tweede hoofdwet uit de thermodynamica”, legde een wetenschapper uit. Waarop de manager vroeg: ,,Waarom passen jullie dan geen andere formule toe?”

Dat kan dus niet. Wat je ook doet, je verliest altijd energie door warmteontwikkeling. Door wrijving bijvoorbeeld; dat is de reden waarom er nog nooit een perpetuum mobile gemaakt is. Maar het ‘Rolling Link Mechanism’, bij Wertuigbouw ontwikkeld door prof.ir. J.C. Cool en promovendus ir. J.P. Kuntz, komt daar wel heel dicht bij in de buurt.

Het mechanisme is gebaseerd op een eenvoudig principe. ,,Als je iets wilt laten bewegen met zo min mogelijk wrijving, moet je het niet laten glijden, maar laten rollen”, legt Cool uit. Het komt er op neer dat je een cilindertje tussen de langs elkaar wrijvende oppervlakken stopt, zoals je een schip over de wal sleept door het op boomstammen te laten rollen.

Het idee is door Cool ontwikkeld als antwoord op een concreet probleem. Zijn vakgroep meet- en regeltechniek, die vaker onderzoek doet aan prothesen (kunstledematen), was bezig met ontwikkeling van een kunsthand, die heel licht hanteerbaar moest worden.
Piratenkapiteins

,,Toen wij begonnen waren er voor kinderen geen kunsthanden”, vertelt Cool. ,,Er werd tegen ze gezegd: eerst wachten tot je groot bent.’ Maar daardoor werd de gezonde arm overbelast, wat scheve ruggroei kan veroorzaken. Voor volwassenen bestond er wel wat, maar dat was absoluut onvoldoende om fatsoenlijk mee te werken.” Cool haalt een soort klem tevoorschijn, die eigenlijk nauwelijks verschilt van de haak die je in de film bij piratenkapiteins aantreft. ,,Typisch een arbeidshaak”, vervolgt hij. ,,Iets soortgelijks wordt nu nog wel gebruikt. We hebben bijvoorbeeld een patiënt, een champignonkweker, die met zo’n soort haak de kisten uit de rekken trekt. Wij hebben hem nu een nieuwe, verfijnde hand gegeven; die gebruikt hij op zondag, naar de kerk.”

De iets verbeterde kunsthanden hebben een mechanisme dat vergelijkbaar is met de haak, maar waaromheen wel een mooi kunststof omhulsel gespannen zit. ,,Daar komt nou de ellende vandaan”, wijst Cool de schuldige aan. ,,Het lijkt wel een mooie vorm, maar die hand moet natuurlijk open en dicht. Vooral het stuk tussen duim en wijsvinger moet verschrikkelijk rekken en dat wil dat materiaal niet zo makkelijk. Als je zo’nhand wil bedienen heb je daar veel last van, want je moet een hoop kracht zetten om dit stugge stuk toch open te trekken. De bediening van die kunsthanden kost dus te veel inspanning, zeker voor kinderen maar ook voor volwassenen.”
Kort truitje

Die benodigde kracht wordt geleverd door het kromtrekken van de rug. Via een tuigje wordt aan een kabeltje getrokken, die de duim beweegt. Cool: ,,Patiënten hebben een hekel aan dat tuigje, vooral meisjes die, nou ja, ook wel eens een zomers truitje aan willen, zonder dat je die bandages ziet zitten. Daarom hebben wij sturing vanuit de elleboog ontwikkeld, alleen kun je daar niet zoveel kracht mee leveren. Dat was dus een extra reden om die hand aan te passen, zodat lagere bedieningskrachten volstaan.”

De oplossing werd gevonden in een voorgespannen veer in het grijpmechaniek van de hand. Die levert de energie om het stugge omhulsel van de hand uit te rekken, zodat de patiënt zelf geen kracht meer hoeft te leveren om de hand te openen, aldus Cool. ,,Alleen blijkt dan dat je je nek breekt over de wrijving in het mechaniek van die extra veer. Hier een asje, daar een hefboompje, daar weer een asje; je hebt verschrikkelijk veel last van de wrijving in de draaipunten. Je zet het erop om de bedieningskracht te verminderen, maar dat kost zoveel wrijving dat de winst uiterst beperkt is.”
Rendement

Cool had dus een draaipunt nodig, maar met minder wrijving. Eigenlijk is er dan maar één oplossing: de asjes moeten vervangen worden door een rollende overbrenging. Stel, je wil twee stangen scharnierend laten bewegen. In plaats van een conventioneel scharnier bestaat de verbinding uit drie cilindertjes: aan het uiteinde van elke stang zit een cilinder vast bevestigd, terwijl de derde tussen die andere twee doorrolt.

Die rol ertussen kan er natuurlijk tussenuit springen, maar dat is op te lossen door de diameters van de cilinders heel precies te berekenen, of, eenvoudiger, door de cilinders gedwongen bij elkaar te houden. Dat kan door een soort bandje tussen die rollen door te vlechten, waar de middelste cilinder als het ware in blijft hangen.

Cool: ,,De wrijving is nauwelijks te meten, het rendement ligt in de buurt van de 98 procent. Met een conventionele overbrenging mag je bij dergelijke kleine mechanismen blij zijn als je vijftig procent haalt. Bovendien is het Rolling Link Mechanism veel simpeler te produceren, het heeft minder speling en is slijtvaster.”

Cool ziet een grote toekomst weggelegd voor het nieuwe mechanisme, hoewel het in de kunsthand alleen is toegepast voor een heen- en weergaande beweging in een plat vlak. ,,Aan meer ingewikkelde bewegingen zijn we nog niet toegekomen”, verklaart hij. ,,Er blijft genoeg te onderzoeken over.”

Niet iedereen wil daarop wachten. Cool leest een brief voor van een belangstellend bedrijf, dat ‘al jaren op zoek is naar een bijna wrijvingsloos mechanisme’. En ook de patiënten met de protheses kunnen niet wachten. Er loopt inmiddels eenpraktijkproef, naar tevredenheid van Cool. ,,Het gaat goed. Er zijn nog geen handen ter reparatie aangeboden.”