LEGO in de wetenschap

Als kind kon ik mij uren vermaken met de bekende felgekleurde bouwsteentjes, maar na de basisschool begon mijn LEGO-verzameling steeds meer stof te happen. Tot voor kort.

12 juni 2019

Na een week van slapeloze nachten was het dan eindelijk zover: mijn verjaardag. Ik werd zes jaar oud en wilde maar een ding: het Legopirateneiland¹. Het LEGO-pirateneiland is een Legoset vol met kleine Legopiraten, Legohaaien en Legogoudschatten in Pirates of the Caribbean-stijl. De grootte van het pak dat op tafel stond verraadde veel goeds en na het uitpakken was ik de rest van de dag niet meer aanspreekbaar. Vanaf toen verzamelde ik met iedere verjaardag meer Lego en toen ik wat ouder werd maakte ik de overstap naar technisch Lego. Als Legoliefhebber komt eens echter de dag dat je afscheid neemt van je collectie omdat je prioriteiten zo rond groep acht verschuiven naar andere zaken (met enige uitzonderingen daargelaten). Vanaf toen interesseerde ik me meer voor het spelen van games en begon de verwaarlozing van mijn oude liefde. Tot ik laatst ontdekte hoe handig Lego is voor je onderzoek…

Als kind kon ik mij uren vermaken met de bekende felgekleurde bouwsteentjes
Pixabay CC0

Elektromagnetische articulografie

Voor mijn onderzoek meet ik bij mensen de bewegingen van hun spraakorganen terwijl ze spreken. Ik doe dit door middel van een elektromagnetische articulograaf. Voor deze metingen plak ik kleine sensoren met daarin minuscule spoeltjes op de tong, de lippen, de kaak en het hoofd. Vervolgens wek ik met grotere spoelen, verpakt in een rechthoekige metalen doos, naast het hoofd van de spreker een zwak magnetisch veld op met wisselende frequenties. Dit veld zorgt ervoor dat er kleine stroompjes ontstaan in de spoeltjes van de sensoren door middel van ‘elektromagnetische inductie’.

Met dezelfde techniek laad je een elektrische tandenborstel of je nieuwe smartphone draadloos op. Door de wisselende frequenties van deze stroompjes in de sensoren te meten bepaal je de positie van de sensor ten opzichte van de grotere spoelen in de doos. Als je dus een sensor op de tong plakt, dan weet je op ieder moment exact hoever deze van de doos verwijderd is en daarmee hoe deze beweegt.

Het controleren van je apparatuur

‘Neem niet zomaar alles klakkeloos aan!’, zo werd ik tijdens mijn eerste colleges op de universiteit streng toegesproken. Een kritische houding noemden ze het: bij alles je vraagtekens zetten. Onlangs ontvingen wij een prototype van een nieuwe articulograaf die wellicht onze zes jaar oude articulograaf moet gaan vervangen. De nieuwe versie leek in alles beter dan de oude, maar uiteraard konden we hier niet zomaar vanuit gaan. Eerst moesten we dit eens goed testen.

De belangrijkste taak van een articulograaf is om te meten waar een sensor zich over de tijd heen bevindt. Een goede manier om deze metingen te controleren is om twee sensoren vast te plakken aan één object op één constante afstand. Of je het object nu heen en weer, op en neer, snel of langzaam beweegt: de afstand tussen deze twee sensoren blijft constant.

Stel, de afstand tussen de twee sensoren is precies 30 millimeter. We verwachten dan dat een articulograaf ook continu deze afstand rapporteert. In de praktijk is er echter altijd sprake van een kleine meetfout. Met name bij snelle bewegingen zit een articulograaf er vaker naast en rapporteert dan bijvoorbeeld een afstand van 29 of 31 millimeter, in plaats van de daadwerkelijke 30 millimeter. Om het verschil in nauwkeurigheid tussen de nieuwe en de oude articulograaf te testen plakten we dus twee sensoren op een bepaalde afstand van elkaar vast en vergeleken vervolgens de afstanden die de beide apparaten rapporteerden.

Om de twee articulografen eerlijk te vergelijken moesten echter ook de bewegingen die we gingen maken exact gelijk zijn. Als we het object (met daarop de twee sensoren) met de hand zouden bewegen, dan konden we deze beweging nooit op exact dezelfde manier maken. Dat was dus geen optie. We moesten daarom een constructie verzinnen om sensoren op bewegende objecten te plakken (liefst met verschillende snelheden en richtingen) die continu dezelfde beweging maken. Een constructie van metaal was niet mogelijk, omdat metaal ons magnetisch veld beïnvloedt.

Testopstelling met de articulograaf. — Testopstelling met de articulograaf en Lego.
Jidde Jacobi voor NEMO Kennislink

Lego als oplossing

De oplossing? Lego natuurlijk! Lego is volledig van plastic, dus ons magnetisch veld ondervindt hier geen hinder van. Bijkomend voordeel is dat de blokjes overal ter wereld verkrijgbaar zijn, wat betekent dat andere wetenschappers die onze bevindingen niet vertrouwen (vanwege hún kritische houding) onze tests op exact dezelfde manier kunnen herhalen.

Zo zat ik dan afgelopen week, samen met de ons lab bezoekende Amerikaanse professor Mark Tiede te spelen met technisch Lego uit mijn jeugd. Met pijn in mijn hart werd mijn stoffige truck, auto en spaceshuttle steentje voor steentje afgebroken om vervolgens onderdeel uit te maken van onze testopstelling. Onze sensoren bleken exact te passen in een cilindervormig onderdeel, waardoor wij de sensoren van beide systemen op exact dezelfde positie vast konden zetten. Na enig sleutelen lukte het ons om bewegende objecten te maken met verschillende snelheden en richtingen. Precies wat we nodig hadden. Op die manier vermaakten we ons een week lang en konden zo de nauwkeurigheid van beide systemen uitvoerig testen².

Toen ik begon met mijn baan als onderzoeker had ik niet gedacht dat ik ooit nog mijn oude Legodozen mee zou nemen naar mijn werk. Kennelijk is het toch echt zo: je bent nooit te oud voor Lego.

1. Blijkbaar is deze verzameling blokjes nog steeds populair. Ik zie dat het eiland nu voor zo’n slordige 850 (!) dollar wordt aangeboden op Amazon.

2. Over de resultaten van de tests kan ik geen uitspraken doen, aangezien het gaat om een prototype.

Reageer