Zeven keer LEGO in het lab

Gieljan de Vries

2021-08-19 12:00:00

LEGO in het lab

Speelgoed? Voor deze wetenschappers is LEGO veel meer dan dat. Zeven onderzoekers die het beroemde plastic verwerkten in hun experimenten.

Keihard en onverwoestbaar: LEGO is een fantastisch bouwmateriaal, hebben wetenschappers ontdekt. Niet alleen kun je met het speelgoed een sorteermachine bouwen die – hoe kan het ook anders – LEGO-steentjes rangschikt, maar je kunt er ook een zenuwgasdetector mee maken of zelfs een prothesearm. KIJK somt nog zeven andere onderzoeksprojecten op die baat hadden bij de plastic bakstenen.

Lees ook:

1) Pumpy McPumpface: geautomatiseerde microscoop

Twintigduizend dollar neertellen voor een nieuwe microscoop om delende cellen te bestuderen? Dat vonden onderzoekers van University College London, het Francis Crick-instituut en Université Aix Marseille echt te gortig. Maar ja, met de hand honderden celculturen heen en weer slepen om ze eerst levend te bestuderen en daarna in een andere oplossing te fixeren voor detailonderzoek was óók zo’n rotklus.

LEGO to the rescue. Pedro Almada, Pedro Pereira en hun collega’s combineerden goedkope zuigers en slangetjes met LEGO, wat zelfgeschreven software en een Arduino voor de aansturing. Resultaat: NanoJ-Fluidics (Pumpy McPumpface voor de vrienden), een opensource-pakket voor geautomatiseerde fluorescentiemicroscopie. De opstelling levert kraakheldere beelden van levende cellen en verscheen in het vakblad Nature Communications (en op BioRxiv).

“Met een beetje handigheid kun je extreem geavanceerde opstellingen bouwen van LEGO”, zegt mede-onderzoeker Ricardo Henriques op de UCL-website: “Nu kan iedereen onze opstelling nabouwen voor zijn eigen onderzoek.”

Pumpy McPumpface van LEGO
Pumpy McPumpface verwerkt cultuurtjes met levende cellen volautomatisch tot haarscherpe microscoopopnames. © Neurocyto lab, CNRS-Aix Marseille University

2) CERN-onderdeel

Die nieuwe sensor uitproberen voor CERN’s deeltjesexperiment NA61/SHINE? Het kón, omdat het experiment door een mankement even stillag, maar dan moesten de onderzoekers wel binnen een paar dagen een robotarm bouwen die de sensor in en uit de deeltjesbundel van CERN’s Super Proton Synchrotron (SPS) kon bewegen.

Dat was niet zomaar opgelost, want die robotarm moest lichtgewicht zijn, en mocht geen materialen zoals staal bevatten die radioactief kunnen worden door de straling van de SPS. Zoiets op maat maken zou meer tijd kosten dan er beschikbaar was voor deze geïmproviseerde meting. Je raadt het al: onderzoeker Michael Deveaux kraakte het vraagstuk toen hij ‘s avonds wat LEGO-de met zijn dochter. Een weekendje knutselen later was het nieuwe CERN-onderdeel klaar voor bedrijf.

3) Bottenbouwmachine

Nog zo’n onderzoeker die tureluurs werd van het saaie labwerk is Daniel Strange. Tijdens zijn Masterproject in Cambridge moest hij urenlang metalen sjablonen in oplossingen met mineralen en eiwitten dippen om een botachtig materiaal te krijgen.

Met een LEGO Mindstorms-set wist Strange – tegenwoordig techniekconsultant – die klus te automatiseren. Dat leverde een kraaninstallatie op die sjablonen van beker naar beker tilt. Het lab heeft nu twee van zulke opstellingen voor een paar honderd euro die dag en nacht draaien; een vergelijkbare robot van een professioneel bedrijf kost tien keer zoveel. “We gebruiken deze kits voor allerlei projecten – het is een beetje wiebelig maar wel enorm flexibel”, vertelde Strange aan Wired.

LEGO in het lab
LEGO Mindstorms bouwt kunstmatig bot met deze dip-opstelling in Cambridge. © Oyen Lab.

4) Verstelbaar metamateriaal

Oké, tof die huisvlijtrobots, maar kan LEGO nog meer dan alleen studenten redden van saai labwerk? Jazeker, zo bewijst promovendus Matheus Inguaggiato Nora Rosa, van de Universiteit van Colorado in Boulder. Hij gebruikte het speelgoed als onderdeel van zijn werk aan metamaterialen. Dat zijn op maat gebouwde structuren die extra sterk zijn, of tegenintuïtief gedrag vertonen zoals uitzetten als je erop duwt.

Voor Rosa’s onderzoek moest hij een materiaal ontwerpen dat trillingen intern opsluit – handig om energie op te wekken, als geluidsdemping of simpelweg om trillingen in gebouwen te minimaliseren. Dat vroeg om een proefopstelling waarin hij snel aanpassingen kon maken aan flexibel bewegende onderdelen: na wat knutselen met elastisch materiaal kwam hij uit op LEGO als verschuifbare gewichtjes om zijn opstelling te ‘stemmen’. Zo wist de onderzoeker een golfbeweging op te sluiten aan de linkerkant van zijn LEGO-metamateriaal. Hij publiceerde dat resultaat in maart 2021 in Applied Physics Letters.

metamateriaal
Deze flexibele opstelling met tegenwichtjes van LEGO is zo ontworpen, dat trillingsenergie opgesloten blijft aan de linkerkant. Zo’n metamateriaal kan handig zijn als trillingsdemper of om bewegingsenergie te oogsten. Hoe het materiaal presteert bij verschillende trillingen, staat gevangen in deze zogenoemde butterfly graph. © UC Boulder

5) LEGO-les

College krijgen over hoe je omgaat met LEGO: als het aan chemicus Joshua Edel ligt (Imperial College, Londen) kan dat binnenkort bij scheikunde. In plaats van zijn studenten standaard-spectrometers te geven om materiaaleigenschappen te bestuderen, levert Edel daarom bergjes LEGO en wat optische onderdelen zoals een lamp, lens en detector. Daarmee moeten de studenten een werkende spectrometer in elkaar zetten met de juiste hoogte en hoeken en op een paar millimeter nauwkeurig.

“De studenten krijgen nog steeds een handleiding, maar die is een stuk minder uitgebreid: ze moeten het deels zelf uitvogelen. Of ze het practicum daarna halen, hangt ook af van goede scheikundeskills zoals nauwkeurig afwegen”, vertelt Edel.

LEGO scheikundeles
Chemie-prof Joshua Edel geeft zijn studenten LEGO om zelf de spectrometer in elkaar te zetten die ze nodig hebben voor hun onderzoek. © Imperial College

6) Nog één steentje erbij

LEGO is volgens Gabrielle Adams en collega’s van de University of Virginia (VS) ook in te zetten voor psychologisch onderzoek. Dit team was benieuwd wat mensen eerder als tactiek kiezen om een probleem op te lossen: uitbreiden of versimpelen.

Proefpersonen in deze studie kregen een serie instabiele bouwsels voorgeschoteld met de opdracht om het ontwerp te verbeteren. Dat kon bijvoorbeeld door één uitstekend steentje onder een wankel dak weg te halen – of door er drie bij te zetten. Wat bleek? In zestig procent van de gevallen kozen proefpersonen voor uitbreiden, ook als dat meer steentjes kostte. De resultaten verschenen dit jaar in Nature.

“Blijkbaar kost het onze hersens iets meer moeite om te denken in termen van weghalen”, schrijven de wetenschappers op de website van hun universiteit, om daarna door te pakken: “Misschien missen ze daardoor kansen om hun leven beter te maken, hun organisaties effectiever en de planeet leefbaarder.” Heftige conclusie op basis van een paar LEGO-steentjes.

LEGO-experiment
Opdracht uit een psychologische studie naar probleemoplossing. Doen mensen dat eerder door iets toe te voegen of door weg te halen? © University of Virginia

7) LEGO bij het absolute nulpunt

Wij zijn overtuigd: LEGO is hét nieuwe bouwmateriaal voor de creatieve onderzoeker met een klein budget. Josh Chawner en Dmitry Zmeev van Lancaster University in het Verenigd Koninkrijk zagen er meer in. Zij gebruikten LEGO niet enkel als robothulpje, maar als onderwerp van hun hele onderzoek.

Chawner en Zmeev zijn geïnteresseerd in materiaaleigenschappen bij extreme kou. Om apparatuur te laten werken vlakbij het absolute nulpunt heb je onder andere goede isolatie nodig, zoals materialen die maar langzaam warmte geleiden. Peperdure industriële plastics bijvoorbeeld – of LEGO, als je goedkoop wilt starten. De onderzoekers klikten in hun onderzoek vier LEGO-steentjes op elkaar en hing het blokje in een bad met vloeibaar helium.

Bij temperaturen van nog geen graad boven het absolute nulpunt bleken de steentjes een prima warmte-isolator, beter zelfs dan duurdere plastics op de markt. Ook toen het bovenste steentje iets werd verwarmd, bleef de temperatuur van de onderste stabiel, schrijven de wetenschappers in Nature Scientific Reports. Dat kwam door de precieze soort plastic van LEGO, én door LEGO’s kliksysteem; alleen waar de nopjes in het bovenliggende steentje steken, kan warmte vloeien.

kliksysteem
Opstelling van ijskoud LEGO en laboratoriummascotte. © Universiteit van Lancaster

LEGO, je kunt er echt álles mee maken.

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

Nieuwste editie

Met onder andere: Vliegende limo's - Zaadverzinsels - Geluid voor elektrische auto's