- Onderzoekers van Rice University transformeren dode spinnen in mechanische wondertjes
- Eerste zandbatterij ter wereld onthuld in Finland
- Online ‘knuffelen’ nu mogelijk met e-skin
- Nieuw apparaat voegt geuren toe aan virtual reality
- Dankzij deze technologie kunnen tetraplegische patiënten met hun gedachten een robotarm besturen
- Amerikaanse startup QBio ontwikkelt digital twin die je gezondheid monitort
- Directe luchtafvang: nieuwe bondgenoot in de strijd tegen klimaatverandering?
- Deze slimme bakstenen kunnen energie opslaan
- Zwitserse onderzoekers ontwikkelen technologie die lucht kan omzetten in waterstofbrandstof
- NEI-onderzoekers creëren 3D-geprint oogweefsel
- Kunstmatige neuronen op siliciumchips bootsen echte neuronen na
In een wereld waar de stroom van technologische innovatie niet lijkt te stoppen, is het belangrijk om af en toe even stil te staan bij de uitvindingen die ons leven ingrijpend zullen veranderen. Door het onophoudelijke tempo van de vooruitgang staan we continu op de rand van de volgende grote doorbraak — en wat vandaag nog sciencefiction is, wordt morgen realiteit. We worden dagelijks geconfronteerd met een overvloed aan informatie over geavanceerde ontwikkelingen en coole nieuwe apparaten. Het is dan ook best een uitdaging om te bepalen welke ontwikkelingen echt het potentieel hebben om onze wereld te transformeren. Daarom hebben we een selectie gemaakt van de meest spraakmakende nieuwe technologieën van dit moment. En dit zijn geen eenvoudige ontwikkelingen, maar doorbraken die de potentie hebben om hele sectoren, samenlevingen en zelfs ons menselijk bestaan fundamenteel te veranderen.
“Voorheen lag de focus van onderzoek op systemen waarbij onderzoekers zich lieten inspireren door de natuur en het nabootsen van fysieke kenmerken van levende organismen. Necrobotica, daarentegen, maakt gebruik van biotische materialen, dat zijn niet-levende materialen afkomstig van ooit levende organismen”.
Faye Yap, werktuigbouwkundig ingenieur bij Rice
1. Onderzoekers van Rice University transformeren dode spinnen in mechanische wondertjes
Bij Rice University in Texas is onlangs de innovatieve en ietwat lugubere engineeringvorm ‘necrobotica’ ontstaan. Dit baanbrekende concept houdt in dat dode spinnen een soort van ‘gereanimeerd’ worden en omgevormd tot mechanische grijpers waarmee je delicate objecten op innovatieve manieren kunt manipuleren. “Voorheen lag de focus van onderzoek op systemen waarbij onderzoekers zich lieten inspireren door de natuur en het nabootsen van fysieke kenmerken van levende organismen”, vertelt Faye Yap, werktuigbouwkundig ingenieur bij Rice en hoofdauteur van het onderzoek. “Necrobotica, daarentegen, maakt gebruik van biotische materialen, dat zijn niet-levende materialen afkomstig van ooit levende organismen, zoals de necrobotische grijper die we hebben gemaakt van een dode spin”.
Spinnen maken gebruik van hydraulica om hun ledematen te bewegen, in tegenstelling tot mensen en andere zoogdieren die spieren gebruiken. Wanneer een kamer in de buurt van de kop van de spin samentrekt, wordt er een golf van bloed naar zijn ledematen gestuurd, waardoor deze uitstrekken. Zodra de druk in de kamer afneemt trekken de poten weer samen. De onderzoekers realiseerden zich dat ze dit mechanisme konden gebruiken door een spuit in de hydraulische kamer van een dode spin te plaatsen, deze vast te lijmen en de poten vervolgens met een pufje lucht te openen. Deze ‘gereanimeerde’ spinnen kunnen objecten optillen die 130 procent zwaarder zijn dan hun eigen lichaamsgewicht, wat een enorme hoeveelheid potentiële toepassingen mogelijk maakt. “Er zijn veel ‘pick-and-place’-taken waar we deze tech voor kunnen inzetten. Repetitieve taken bijvoorbeeld, zoals sorteren of het verplaatsen van objecten op deze kleine schaal, en misschien zelfs het assembleren van micro-elektronica”, vertelt Daniel Preston, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Rice University. “Een andere toepassing zou kunnen zijn om kleinere insecten in de natuur te vangen, omdat de spin natuurlijke camouflage heeft”.
2. Eerste zandbatterij ter wereld onthuld in Finland
Op het rustige Finse platteland, niet ver van Helsinki, werkt men in de Vatajankoski energiecentrale aan nieuwe manieren om energie op te slaan. Hier is onlangs de eerste commerciële zandbatterij ter wereld in bedrijf genomen. Het is een indrukwekkend staaltje techniek bestaande uit twee stadsverwarmingsbuizen, een ventilator en 100 ton zand, allemaal netjes opgeslagen in een 7 meter hoge stalen container. Maar hoe werkt het precies? Allereerst wordt duurzame energie, die door zonnepanelen en windturbines opgewekt is, gebruikt om het zand in de container tot 600 graden Celsius te verhitten. Hierdoor wordt het zand als het ware omgezet in een batterij die tot 8 MWh aan thermische energie kan opslaan. Met behulp van warmtewisselpijpen wordt vervolgens 200 kW van die energie naar het elektriciteitsnet teruggevoerd op momenten dat de vraag naar energie toeneemt. Dit lijkt misschien niet veel, maar op deze manier kun je wel 100 huishoudens van verwarming en warm water voorzien.
Volgens Ville Kivioja, hoofd wetenschapper bij Polar Night Energy, het bedrijf achter deze innovatie, heeft het systeem zeer weinig onderhoud nodig, aangezien de buizen en het zand niet verslijten zoals bij andere materialen het geval is. Ook kan het enige bewegende onderdeel — de ventilator — eenvoudig vervangen worden. Zand zorgt er bovendien voor dat warmte goed wordt vastgehouden, waardoor het energie langdurig kan opslaan. “Zand heeft een zeer lange levensduur: het kan steeds weer opnieuw opwarmen en afkoelen”, vertelt Kivioja. “Na verloop van tijd wordt het bovendien compacter, waardoor het minder ruimte nodig heeft. Op dat moment kunnen we meer zand toevoegen”. Er zijn ook andere voordelen. In tegenstelling tot conventionele lithium-ion batterijen, degraderen zandbatterijen niet na verloop van tijd. Bovendien zijn ze niet brandbaar en zijn ze milieuvriendelijker.
Hoewel zandbatterijen weliswaar niet zoveel energie kunnen opslaan als traditionele batterijen, zijn ze volgens het bedrijf tot wel tien keer zuiniger dan de lithium-ion-equivalenten. Een ander potentieel nadeel is het lage rendement, aangezien de technologie nu nog met maar 30 procent efficiëntie warmte om kan zetten in elektriciteit. Om grootschalig gebruik mogelijk te maken moet dit minstens 75 procent zijn. Ondanks deze beperkingen is het een veelbelovende technologie die overal waar een warmtenet aanwezig is gebruikt kan worden, van de drukke straten van New York tot de historische lanen van Kopenhagen. “Ze hebben sowieso veel meer potentieel dan alleen het verwarmen van huizen”, zegt Liisa Naskali, de projectmanager van het bedrijf. “Als de technologie opgeschaald wordt, kun je deze batterijen in allerlei industriële processen waar hoge temperaturen aan te pas komen, zoals bakkerijen, wasserijen en staalfabrieken, gebruiken”.
“Met de snelle ontwikkeling van virtual en augmented reality (VR en AR) zijn onze visuele en auditieve zintuigen niet voldoende om een meeslepende ervaring te creëren. Het vermogen om via aanraking te communiceren zou een revolutie kunnen betekenen voor onze interactie in de metaverse”.
Dr. Yu Xinge, universitair hoofddocent aan de afdeling Biomedische Technologie van CityU
3. Online ‘knuffelen’ nu mogelijk met e-skin
We zijn er inmiddels helemaal aan gewend om via schermen en slimme speakers met elkaar te communiceren, maar iemand op afstand aanraken konden we tot op heden nog niet op een eenvoudige manier nabootsen of ervaren. Dat gaat nu veranderen. Zo heeft een team van ingenieurs aan de City University of Hong Kong (CityU) onlangs een opmerkelijke ontwikkeling bekendgemaakt: draadloze e-skin waarmee je via het internet een ‘knuffel’ kunt sturen en ontvangen. “Met de snelle ontwikkeling van virtual en augmented reality (VR en AR) zijn onze visuele en auditieve zintuigen niet voldoende om een meeslepende ervaring te creëren. Het vermogen om via aanraking te communiceren zou onze interactie in de metaverse volledig transformeren”, zegt Dr. Yu Xinge, universitair hoofddocent aan de afdeling Biomedische Technologie (BME) van CityU.
De e-skin, die lijkt op een soort hightech pleister van 7×10 cm, bevat 16 aanraakgevoelige actuatoren die in een 4×4 raster gerangschikt zijn. De elektromagnetische inductie in het systeempje maakt zowel aanraakdetectie als haptische feedback mogelijk. Het werkt zo: wanneer je de e-skin aanraakt, registreert deze de druk en stuurt vervolgens een elektrisch signaal naar een andere e-skinpatch — waar deze ook mag zijn. Die patch gaat dan trillen, zodat degene die hem draagt de druk van jouw aanraking voelt. “Onze e-skin kan met Bluetooth-apparaten communiceren en gegevens via het internet naar smartphones en computers versturen. Hierdoor wordt ultralange-afstandsaanraking mogelijk. Er wordt eigenlijk een soort van ‘touch Internet of Things’-systeem gecreëerd, waarbij zowel één-op-één als één-op-meerdere aanrakingen mogelijk zijn. Vrienden en familie die zich op verschillende plaatsen in de wereld bevinden kunnen de e-skin gebruiken om elkaar als het ware te voelen, zegt Dr. Yu. “Dankzij deze vorm van aanraking voelt menselijke communicatie letterlijk en figuurlijk minder afstandelijk aan”.
4. Nieuw apparaat voegt geuren toe aan virtual reality
En er zijn nog meer ontwikkelingen op het gebied van multisensoriële virtuele ervaringen. Zo heeft het team van Dr. Yu namelijk ook een draagbaar geurterugkoppelingssysteem ontwikkeld met minuscule generatoren die geur toevoegen aan virtual reality, waardoor je online ervaringen nog meeslepender kunt maken. “Recente mens-machine interfaces benadrukken het belang van menselijke zintuiglijke feedback — zoals zicht, geluid en haptiek — dat al breed in entertainment, medische behandeling en VR/AR wordt toegepast. Maar geur speelt ook een hele belangrijke rol in de menselijke waarneming”, zegt Dr. Yu. “Maar de huidige geurgenererende technologieën bestaan nog vooral uit grote instrumenten waarmee we geuren in een afgesloten ruimte genereren, of de tech is in grote onhandige VR-headsets ingebouwd”.
Het nieuwe systeem wordt in twee verschillende ontwerpen geleverd. Het ene systeem ziet eruit als een soort pleister die je op je bovenlip draagt waardoor de geur direct in je neus komt. Het andere systeem is een soort flexibel gezichtsmasker wat een nog immersievere geurervaring mogelijk maakt. Beide ontwerpen bevatten meerdere geurgeneratoren, die verschillende geuren vrijlaten wanneer de paraffinewas in de geurgenerator aan warmte wordt blootgesteld. Tot nu toe zijn de onderzoekers erin geslaagd om meer dan 30 verschillende geuren te produceren door verschillende soorten paraffinewas te combineren. Denk aan aangename geuren als rozemarijn of ananas of wat sterkere geuren als durian — de meest stinkende vrucht ter wereld. Vrijwilligers hebben deze geuren in bijna alle gevallen succesvol herkend.
Volgens de onderzoekers kan deze innovatieve technologie op allerlei mogelijke manieren gebruikt worden. Bijvoorbeeld tijdens het bekijken van 4D-films, bij online onderwijs en zelfs tijdens medische behandelingen. “De nieuwe geurtechnologieën bieden gebruikers allerlei manieren om geuren in een virtuele omgeving te ervaren”, vertelt Dr. Yu. In het systeem is een groot aantal geurgeneratoren compact en efficiënt geïntegreerd, waardoor je geuren snel, krachtig en effectief kunt verspreiden.
5. Dankzij deze technologie kunnen tetraplegische patiënten met hun gedachten een robotarm besturen
‘Mindreading’-technologie — wat voorheen alleen in sciencefiction bestond — heeft de afgelopen jaren enorme ontwikkelingen doorgemaakt, waardoor allerlei mogelijkheden ontstaan voor mensen met tetraplegie. Een buitengewone doorbraak op dit gebied is afkomstig van het Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL). Daar heeft een team van onderzoekers onder leiding van Aude Billard en José del R. Millán een revolutionair computerprogramma ontwikkeld. Dit computerprogramma maakt gebruik van de elektrische signalen in de hersenen van tetraplegische patiënten om een robotarm te bewegen. Natuurlijk is het idee om een herseninterface te gebruiken om machines te besturen op zichzelf niet bijzonder nieuw. In het verleden is dit al meerdere malen geprobeerd, zij het met wisselend succes. Maar wat aan deze ontwikkeling wel nieuw is, is dat er geen specifieke directe input van de patiënt nodig is. Om dit mogelijk te maken, hebben de onderzoekers een EEG-cap op het hoofd van de patiënt geplaatst, die de elektrische activiteit in de hersenen scant en de gegevens naar een computer stuurt. Deze gegevens worden vervolgens door een machine-learning algoritme geanalyseerd en gebruikt om de bewegingen van de robotarm aan te passen, waardoor de interactie tussen de menselijke geest en machines aanzienlijk eenvoudiger wordt.
Tijdens een van de tests hebben de onderzoekers de robotarm zo geprogrammeerd dat deze naar een glas beweegt, terwijl de patiënt met de EEG-cap van opzij meekijkt. Als de patiënt denkt dat de arm te dicht bij het glas komt of er te ver bij uit de buurt is, pikt het algoritme de signalen op die door de hersenen van de patiënt worden verzonden. Vervolgens wordt de armbeweging daarop net zo vaak aangepast totdat de arm zich op de juiste manier naar het glas beweegt. Deze technologie kan op vele nuttige manieren toegepast worden, maar de bedoeling van het EPFL-team is om het algoritme in rolstoelen te integreren. Op deze manier kunnen mensen in een rolstoel hun bewegingen en snelheid veel nauwkeuriger controleren, puur met de kracht van hun gedachten. “Het is fascinerend dat we dit algoritme nu in plaats van spraakopdrachten kunnen gebruiken, vooral omdat er dingen zijn die je niet gemakkelijk kunt verwoorden”, legt Billard uit. “Niet iedereen kan precies uitleggen waarom ze de acceleratie van een rolstoel bijvoorbeeld niet prettig vinden. Wat is het dan precies dat je niet bevalt en hoe vertaalt zich dat naar een controleparameter? Dat is wat deze nieuwe technologie een echte gamechanger maakt. Het gaat niet alleen om het herstellen van beweging, maar om een diepgaand, intuïtief begrip van de complexiteit van het menselijk denken. Het zorgt ervoor dat mensen met beperkte mobiliteit meer zelfstandigheid ervaren dan ooit tevoren.
“Het schaarste — en meest waardevolle — in de gezondheidszorg is de tijd van de dokter, omdat de bevolking sneller groeit dan het aantal beschikbare artsen. Dokters raken overbelast. Wat we nodig hebben is de mogelijkheid om zonder gespecialiseerd personeel risico’s in een bevolking te kunnen beoordelen”.
Jeff Kaditz, CEO van QBio
6. Amerikaanse startup QBio ontwikkelt digital twin die je gezondheid monitort
Star Trek heeft decennialang als inspiratiebron gediend voor technologische vooruitgang. Denk bijvoorbeeld aan de opklapbare communicators — een soort voorloper van onze smartphones — en de tabletachtige computers die we nu als iPads kennen. De nieuwste ontwikkeling is een gezondheidsscanner die geïnspireerd is door de medische tricorder uit Star Trek. Sneller dan een aflevering van de iconische tv-show, scant het apparaat het hele lichaam van de patiënt en meet het honderden biomarkers. Denk aan hormoonniveaus, levervetophopingen, ontstekingsmarkers en zelfs tekenen van kanker. Met deze gegevens wordt een digital twin gecreëerd; een 3D-model van het lichaam van de patiënt. Dit model wordt na elke scan bijgewerkt, waardoor de patiënt zijn gezondheid voortdurend kan monitoren en potentiële problemen op tijd kan identificeren.
Met deze innovatie hoopt QBio de belangrijkste tekortkomingen in ons zorgsysteem aan te kunnen pakken. Het doel is om risico’s in een bevolking te kunnen beoordelen zonder dat hiervoor geschoold personeel nodig is. “Het schaarste — en meest waardevolle — in de gezondheidszorg is de tijd van de dokter, omdat de bevolking sneller groeit dan het aantal beschikbare artsen. Dokters raken overbelast. Wat we nodig hebben is de mogelijkheid om zonder gespecialiseerd personeel risico’s in een bevolking te kunnen beoordelen”, zegt Jeff Kaditz, CEO van de in de VS gevestigde startup QBio en maker van het apparaat.
“Als we genoeg informatie kunnen verzamelen, kunnen we zeggen: ‘Hier zijn de 200 patiënten die je zo snel mogelijk moet zien. De rest kan wachten tot volgend jaar. Dat is het mooie hiervan. Op dit moment is het in de gezondheidszorg ‘wie het eerst komt, die het eerst maalt’, en dat is echt problematisch”. Met de grote hoeveelheden patiëntgegevens die artsen tot hun beschikking hebben kunnen ze niet alleen de manier waarop ze ziektes diagnosticeren volledig transformeren, maar ook beter geïnformeerde beslissingen nemen over welke patiënten prioriteit moeten krijgen. Deze ontwikkeling luidt een nieuw tijdperk in van preventieve geneeskunde die is afgestemd op de individuele behoeften van elke patiënt.
7. Directe luchtafvang: nieuwe bondgenoot in de strijd tegen klimaatverandering?
Hoewel we ons uiterste best doen om technologische oplossingen te vinden voor klimaatverandering, blijven bomen onze sterkste bondgenoten in deze strijd. Door middel van fotosynthese verwijderen ze koolstofdioxide uit de atmosfeer. Maar nu is er een nieuwe technologie, direct air capture (DAC) of letterlijk: ‘directe luchtafvang’, waarmee we CO2 effectiever kunnen opnemen. Bovendien neemt deze technologie veel minder ruimte in. De DAC-technologie zuigt koolstofdioxide direct uit de lucht, waarna het in diepe ondergrondse grotten wordt opgeslagen. Je kunt het ook mengen met waterstof, waarna het gebruikt kan worden om synthetische brandstoffen te produceren. Het eerste en grootste directe koolstofafvang- en opslagstation ter wereld wordt beheerd door het Zwitserse bedrijf Climeworks. In 2021 werd de Orca-installatie in Hellisheidi, IJsland operationeel. Volgens het bedrijf kan deze installatie jaarlijks tot wel 4.000 ton CO2 uit de atmosfeer verwijderen. Jan Wurzbacher, medeoprichter en co-CEO van Climeworks, zegt dat Orca een belangrijke ontwikkeling is in de directe luchtafvangsector, omdat het een flexibel, schaalbaar en reproduceerbaar model is waarmee Climeworks in de toekomst flink kan uitbreiden, aldus Jan Wurzbacher, medeoprichter en co-CEO of Climeworks. “Het bereiken van wereldwijde netto-nuluitstoot is nog ver weg, maar we geloven dat Climeworks met Orca een belangrijke stap heeft gezet in de richting van dat doel”.
Aan de buitenkant lijkt de Orca-installatie op een gewoon magazijn. Het bestaat uit één centraal gebouw dat omringd is door acht enorme boxen die op scheepscontainers lijken. Deze containers zijn uitgerust met meerdere ventilatoren die continu lucht aanzuigen. De lucht passeert vervolgens door een poreus filter dat CO2-moleculen opvangt. Zodra de filters hun capaciteit bereiken, worden de containers tot 100 graden Celsius verhit, waardoor de CO2 vrijkomt en via een pijp naar de volgende fase — ‘liquefactie’ — wordt getransporteerd. In dit stadium wordt de CO2 omgezet in een vloeistof, waarna het opnieuw via het pijpsysteem wordt getransporteerd, dit keer helemaal naar de diepe ondergrondse basaltrotsformaties, waar het uiteindelijk in steen verandert. Alle benodigde elektriciteit en warmte die hiervoor nodig is, wordt door de nabijgelegen geothermische energiecentrale geleverd, waardoor het proces nagenoeg koolstofvrij is. Niet iedereen is echter overtuigd van de voordelen van directe luchtafvang. Zo wijzen experts op de hoge kosten die ermee gepaard gaan, vooral vergeleken bij alternatieve methoden als herbebossing of het direct bij de bron afvangen van emissies. Hoewel Wurzbacher erkent dat DAC complexer en duurder is dan de alternatieven, heeft het één belangrijk voordeel: het is niet beperkt tot specifieke locaties waar emissies plaatsvinden. “Bij directe luchtafvang hoef je niet naar de CO2 toe te gaan, omdat lucht overal is”, zegt hij.
“Het meest aantrekkelijke aspect van deze technologie is dat je de elektroden zo groot kunt maken als je wilt, gewoon door bakstenen op elkaar te stapelen”.
Hongmin Wang, een student aan de Washington University
8. Deze slimme bakstenen kunnen energie opslaan
Al eeuwenlang is de rode baksteen een vertrouwd basisbouwmateriaal dat in steden en woningen over de hele wereld gebruikt wordt. Deze klassieke, stevige, goedkope en overal aanwezige baksteen, gemaakt van klei en gebakken in een oven, ondergaat nu echter een belangrijke vernieuwing die zijn functie in de hedendaagse samenleving volledig zou kunnen veranderen. Wetenschappers van de Washington University in St. Louis hebben namelijk een techniek ontwikkeld waarmee een simpele rode baksteen als een energieopslagapparaat kan functioneren, een soort bakstenen batterij. “Onze methode werkt met gewone of gerecyclede bakstenen en we kunnen ook onze eigen bakstenen maken”, vertelt Julio D’Arcy, universitair hoofddocent scheikunde aan de Washington University in St. Louis.
Om dit te realiseren, hebben de onderzoekers de bakstenen bedekt met een speciale geleidende polymeer die PEDOT genoemd wordt. De nanovezels van de polymeer dringen in de loop van de tijd door de poreuze structuur van de baksteen. Hierdoor wordt de polymeercoating een soort “ionenspons”, waardoor de baksteen elektriciteit kan opslaan en geleiden, net als een supercondensator. Deze baanbrekende techniek maakt niet alleen hergebruik van bestaande bakstenen gebouwen mogelijk, maar introduceert ook een nieuw concept in energieopslag, wat mogelijk een nieuwe dimensie kan toevoegen aan architectonisch ontwerp. “Het meest aantrekkelijke aspect van deze technologie is dat je de elektroden zo groot kunt maken als je wilt, gewoon door bakstenen op elkaar te stapelen”, zegt Hongmin Wang, een promovendus aan de Washington University die het onderzoek leidde. “Met conventionele batterijen is dat moeilijker omdat die onder druk staan. Als je die op elkaar stapelt kan dat een explosie veroorzaken”. Hoewel dit een veelbelovende ontwikkeling is, zal het nog wel even duren voordat deze technologie klaar is voor de echte wereld. De huidige energieopslagcapaciteit van deze gemodificeerde bakstenen is slechts 1 procent van wat een lithium-ion batterij kan opslaan. Het onderzoeksteam hoopt de capaciteit echter te kunnen verhogen door de bakstenen met mangaan of een ander overgangsmetaal te doordrenken.
9. Zwitserse onderzoekers ontwikkelen technologie die lucht kan omzetten in waterstofbrandstof
Een team van ingenieurs van de Zwitserse Federale Technische Hogeschool van Lausanne (EPFL) heeft onlangs — geïnspireerd door de natuur — een apparaat ontwikkeld dat waterdamp uit de lucht kan halen en omzetten in waterstofbrandstof. Het apparaat maakt gebruik van innovatieve, poreuze en transparante elektroden, waarmee het waterdamp effectief kan absorberen, vergelijkbaar met hoe plantenbladeren vocht uit de atmosfeer opnemen. Vervolgens condenseert het apparaat deze damp tot water, dat door elektrolyse wordt omgezet in waterstofbrandstof. De transparante elektroden maximaliseren bovendien de hoeveelheid zonlicht die de onderliggende halfgeleiderlaag bereikt, wat helpt bij het elektrolyseproces. “Om een duurzame samenleving te realiseren, moeten we manieren vinden om hernieuwbare energie in de vorm van chemicaliën op te slaan zodat we deze als brandstoffen en grondstoffen in de industrie kunnen gebruiken”, vertelt Kevin Sivula, hoofd van het Laboratorium voor Moleculaire Techniek van Opto-elektronische Nanomaterialen aan de EPFL. “Zonne-energie is de meest overvloedige vorm van hernieuwbare energie, en ons streven is dan ook om economisch concurrerende manieren te ontwikkelen om zonnebrandstoffen te produceren”.
De onderzoekers hebben de elektroden gemaakt door glasvezels aan hoge temperaturen bloot te stellen en deze tot plaatjes om te smelten. Deze worden vervolgens met een dunne laag gefluorideerd tinoxide bedekt, een materiaal dat niet alleen zeer geleidend is, maar ook stevig en gemakkelijk te produceren. De laatste laag bestaat uit een dunne laag halfgeleidend materiaal dat licht kan absorberen. Net als verschillende andere innovaties in dit artikel, is ook deze technologie helaas nog niet geschikt voor praktische toepassingen. Het kan met gebruik van zonlicht echter redelijk efficiënt waterstof produceren, en het EPFL-team hoopt dit proces in de toekomst te kunnen verbeteren door met de grootte van de vezel en de poriën te experimenteren. Ze hebben ook plannen om verschillende materialen uit te proberen om te zien of ze de resultaten kunnen verbeteren.
10. NEI-onderzoekers creëren 3D-geprint oogweefsel
In een baanbrekende ontwikkeling in de regeneratieve geneeskunde hebben wetenschappers van het National Eye Institute (NEI) in de Verenigde Staten onlangs een methode ontwikkeld om met de stamcellen van patiënten 3D-geprint oogweefsel te creëren. Met deze innovatieve methode, waarbij drie verschillende typen onrijpe choroïdale cellen in 3D op een biologisch afbreekbaar platform worden geprint, kunnen wetenschappers ongelimiteerd weefsel produceren dat gelijk is aan de biologische samenstelling van de patiënt. Dit is ook een hoopvolle ontwikkeling voor mensen die lijden aan degeneratieve oogaandoeningen als AMD (maculadegeneratie) omdat artsen hierdoor een beter inzicht kunnen krijgen in het mechanisme achter deze veelvoorkomende aandoeningen. “Onze samenwerking heeft geleid tot zeer relevante weefselmodellen van het netvlies voor degeneratieve oogaandoeningen”, vertelt Marc Ferrer, directeur van het 3D Tissue Bioprinting Laboratory bij het National Centre for Advancing Translational Sciences van de NIH. “Deze weefselmodellen hebben veel potentieel in translationele toepassingen, waaronder de ontwikkeling van therapeutische behandelingen”.
Bij AMD sterven cellen (kegeltjes) in het centrale deel van het netvlies af. Dit deel heet de macula en wordt ook wel de gele vlek genoemd. Hierdoor kunnen patiënten vaak niet meer lezen of gezichten herkennen. De ontwikkeling van AMD wordt beïnvloed door een samenspel van factoren, waaronder veroudering, genetische aanleg, hypertensie en voedingsgewoonten. Deze factoren leiden tot de ophoping van kleine vet- en eiwitdeeltjes, die de delicate balans van voedingsstoffen en afvalstoffen in het oog verstoren. Na verloop van tijd leidt deze verstoring uiteindelijk tot verlies van het gezichtsvermogen. Ondanks dat artsen weten wat AMD veroorzaakt, zijn ze tot voor kort altijd verbijsterd geweest door de voortgang ervan. “We weten dat AMD in de buitenste bloed-retinabarrière begint”, vertelt Kapil Bharti, die leiding geeft aan de NEI Sectie voor Oculaire en Stamcel Translational Research. “Desondanks hebben we nog steeds geen goed begrip van het begin en de progressie van AMD naar gevorderde droge en natte stadia, omdat we geen fysiologisch relevante menselijke modellen hebben”. De onderzoekers hopen dat ze de mysteries van AMD met behulp van 3D-geprint oogweefsel kunnen ontrafelen. In de toekomst heeft het team bovendien plannen om hun onderzoek naar andere celsoorten uit te breiden, zoals immuuncellen, om weefsel te kunnen creëren dat nog meer op het echte weefsel lijkt.
“Neuronen zijn altijd een soort black box geweest, maar nu zijn we erin geslaagd om ze te openen en naar binnen te kijken”.
Professor Alain Nogaret van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Bath
11. Kunstmatige neuronen op siliciumchips bootsen echte neuronen na
De medische gemeenschap is al vele jaren bezig met onderzoek naar en de ontwikkeling van kunstmatige neuronen om beschadigde of zieke biologische neuronen te vervangen. De bedoeling hiervan was om elementen te ontwikkelen die met het zenuwstelsel van het lichaam kunnen communiceren en verschillende aandoeningen behandelen, waaronder traumatische verwondingen en neurodegeneratieve ziekten. Door de complexiteit van neuronbiologie en de onvoorspelbare aard van neurale reacties is dit echter een enorme uitdaging. Maar wetenschappers zijn er onlangs in geslaagd om kunstmatige neuronen op siliciumchips te construeren. Deze kunnen niet alleen het gedrag van echte neuronen nabootsen, maar doen dit met maar een fractie van de benodigde energie die voor traditionele microprocessoren nodig zijn: één miljardste, om precies te zijn.
Deze baanbrekende ontwikkeling is het resultaat van een internationaal onderzoeksconsortium onder leiding van de Universiteit van Bath, met belangrijke bijdragen van de Universiteiten van Bristol, Zürich en Auckland. Door biologische ionkanalen nauwkeurig te modelleren en vergelijkingen te ontwikkelen om neurale reacties op elektrische impulsen te beschrijven, lukte het de onderzoekers om eerdere obstakels te overwinnen. De kunstmatige neuronen die ze hebben kunnen nauwkeurig op diverse stimulaties reageren, net zoals levende neuronen dat doen. Hiermee kunnen zieke biocircuits en lichaamsfuncties die door neurale schade of degeneratie zijn aangetast mogelijk hersteld worden. “Neuronen zijn altijd een soort black box geweest, maar nu zijn we erin geslaagd om ze te openen en naar binnen te kijken”, vertelt professor Alain Nogaret van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Bath. “Onze onderzoekswerkzaamheden zorgen voor een paradigmaverschuiving, omdat we een betrouwbare methode hebben ontwikkeld waarmee we de elektrische eigenschappen van echte neuronen nu tot in het kleinste detail kunnen nabootsen”.
Een laatste overweging
De 11 technologische ontwikkelingen in dit artikel zijn natuurlijk slechts het topje van de innovatie-ijsberg. We bevinden ons in een tijd waar ontdekkingen, ideeën en innovaties met de snelheid van het licht plaatsvinden, zich over de wereld verspreiden en innovatie en samenwerking tussen continenten kunnen stimuleren. De nieuwe generatie wereldwijde denkers en makers legt waarschijnlijk alweer de volgende basis voor ontdekkingen die we ons nu nog niet kunnen voorstellen. We staan aan het begin van een tijdperk vol nieuwe mogelijkheden, en elke wetenschappelijke ontdekking brengt ons een stap dichter bij het realiseren van onze gemeenschappelijke doelen en zal ons dagelijks leven ingrijpend veranderen.
