Roboti, jak je neznáte

Jak byste popsal projekt Locomoting soft microrobots, co si pod tím můžeme představit?

Ten projekt se snaží změnit to, jak vnímáme slovo „robot“. V současné době vidíme velice komplikovaný přístroj, který se skládá z celé řady jednotlivých komponent, které jsou tvrdé, sešroubované, ohýbající se v kloubech a nesoucí určitou funkci. Kdybychom takový přístroj vzali, třeba robotickou paži skládající auta, 10 000x zmenšili, narazili bychom na několik problémů. Nejen na to, že takto komplikovaný stroj nejsme schopni dostupnými metodami sestavit v daných velikostních škálách, ale i na fakt, že tato zmenšená verze se najednou ocitne a má následně operovat ve světě, který je dominovaný úplně jinými silami (typicky povrchové síly a Van der Waalsovy interakce), což by ve výsledku znamenalo jeho úplné selhání. Proto jsem přišel s projektem Locomoting soft robots, který se snaží místo tuhých materiálů používat měkké, které pracují na základě deformace. Nezískávají energii pro svůj provoz z lokálně umístněných baterií, jelikož tak malé nevyrábíme, ale z okolí pomocí světla. Těmito přístupy se tedy snažím se svým týmem obcházet limitace současného přístupu ke stavbě robotů. Snažíme se jim vtisknout autonomii, vlastní inteligenci, aby byly schopny se samy orientovat v prostoru, směrem, kterým budeme chtít.

Kde naleznou mikroroboti uplatnění, používají se již někde?

Zatím děláme první nesmělé krůčky k tomu, abychom vůbec byli schopni představit základní prvky, ze kterých roboty stavět. Ale pokud budeme úspěšní a bude se nadále dařit a překonávat překážky, tak si můžeme představit tyto roboty obecně všude tam, kde jsou ty stávající velké, neohrabané, tvrdé, drahé. Můžeme se bavit o zdravotnických aplikacích, například mikrochirurgické zákroky, interakce se živou tkání a následný report, v jakém stavu se nachází buňka lidského těla nebo ničení buněk rakovinných. To je ale daleká budoucnost. V tuto chvíli nás daleko více zajímají roboty jakožto stavební a strukturní prvky pro stavbu mikrostrukturovaných materiálů. Nyní jsme zvyklí na to, že makroskopický robot je extrémně složité a drahé zařízení. Roboty, které produkujeme my, jsou naopak neuvěřitelně levné. V laboratoři jsme schopni vyrobit 100 tisíc mikrorobotů za hodinu a nestojí nás prakticky nic. Jedna z vizí je použít tyto roboty jakožto stavební prvky pro komplikovanější strukturované materiály, které budou organizované v řádu mikronů, kde každý tento robot bude elementem, který přináší do materiálu nějakou funkci či vlastnost.

Jak jste se k mikrorobotům vlastně dostal?

Jsem vzděláním chemik. Kdysi jsem pracoval na molekulárních systémech, dlouhou dobu na nanočásticových systémech pro medicínské aplikace, diagnostiku a terapii. V rámci minulé kariéry jsem se dostal na univerzitu v Utrechtu, kde jsem byl ve skupině zabývající se sestavováním koloidních systémů do větších uspořádaných celků. Poprvé v životě jsem se dostal v litografii a naprosto mě ohromila schopnost tvarovat materiály shora způsobem, kterým si já sám navolím a namaluji. Díky tomu jsem začal přemýšlet nad kombinací chemických přístupů s litografickými tak, abychom navrhovali naše mikroobjekty od velikostního řádu jednotlivých molekul (subnanometry)pomocí chemie až po stovky mikronů pomocí litografie. Takové materiály a mikroobjekty mají celou řadu využití a právě mikroroboti jsou jedno z nich tím, že do těchto objektů vložíme schopnost konat mechanickou práci a tím se aktivně pohybovat.

Spolupracujete ještě s někým na tomto projektu?

Přestože se jedná o náš vedlejší projekt, na který jsme zatím neměli žádné financování, povedlo se nám navázat spolupráci v Amesterdamu na AMOLF, kde se zabývají modelováním mechanických sil, které se uplatňují při deformacích našich hydrogelů. Dále máme spolupráci na univerzitách v Ultrechtu a Delftu, kde nám pomáhají s teoretickým popisem pohybu našich robotů. Na Fakultě strojní ČVUT spolupracujeme s Laboratoří biomechaniky člověka, kde charakterizují mechanické vlastnosti připravených mikrorobotů.  V rámci VŠCHT spolupracujeme s Ústavem počítačové a řídicí techniky, kde vyvíjejí algoritmy pro autonomní řízení našich robotů.

Jsou do projektu zapojení i další zaměstnanci či studenti VŠCHT?

Ano, na tomto a příbuzných projektech v tuto chvíli pracují dva doktorandi, jeden magisterský a jeden bakalářský student v rámci svých závěrečných prací.

Jak jste se dozvěděl o Fondu Dagmar Procházkové?

Koelgové mi nasdíleli odkaz, ať se na tento Fond podívám, že vypadá zajímavě. A měli pravdu! Je to fantastická příležitost pro vznikající či čerstvě vzniklé týmy jak získat financování na ambiciózní témata. Ze struktury přihlášky grantového návrhu mi přišlo, že se klade velký důraz na vize do budoucna a dlouhodobější směřování, na etablování nějaké nové problematiky na VŠCHT, na spojení vědy a pedagogiky a to mi přijde jako skvělý krok.

Co pro vás tato podpora v reálu znamená?

Umožňuje mi začít pracovat na mikrorobotech naplno. Doteď to byl vedlejší projekt, na který nebyl vlastní zdroj financování, v současnosti můžeme pořídit vybavení a plně zapojit vybrané lidi.

Stačí tento fond na financování projektu nebo je v tom zainteresovaný ještě někdo jiný?

Zatím nám stačí na to, abychom prověřili, zda zvolená cesta někam vede, pokud budou první výsledky pozitivní, budeme dále projekt rozvíjet a odpovídajícím způsobem žádat o další financování.

Jak dlouho bude projekt trvat?

Já doufám že dalších 20 let! Jak jsem říkal, jsme naprosto na začátku a u takhle principiálně nových věcí člověk nikdy neví, jestli ten nápad a cesta někam vede a je možné, že narazíme na nepřekonatelné překážky.. Já jsem optimista a věřím, že tento experimentální přístup má smysl a že za zmíněných 20 let už budou existovat příklady prvních, reálných aplikací.  Například hydrogelové roboty, které se budou pohybovat po površích a manipulovat dalšími objekty a skládat například živé buňky do umělých tkáních bude doufám za 20 let téma, o kterém se budeme bavit běžně na ulici a ne jen v rámci vědeckých projektů.

Má nějaké pokračování, může se třeba ještě o něco rozšířit?

Určitě, nabízí se dvě větve. Na jednu stranu budeme chtít jít pořád dál, co se týká hrany možného a tu budeme chtít stále posouvat, dělat z nemožného možné a z nefungujícího fungující. Na tu druhou doufám, že s tímto posunem půjde v ruku v ruce i zmíněná aplikovatelnost a následná existence na trhu. Že budeme schopni s celým procesem dojít až do konce, k produktům, které by mohly být následně komerční. Ale to je samozřejmě v tuto chvíli ambiciózní vize.

Zabýváte se i jinými výzkumnými tématy?

Pracujeme dále na biomateriálech, které by mohly být použitelné jako základní funkční jednotky umělých tkání. Tak jako jsou naše tkáně sestaveny z jednotlivých buněk, tak by tyto umělé tkáně byly sestaveny z jednotlivých mikročástic těchto materiálů, vyvinutých tak, že se budou pomocí samoskladby samy sestavovat do složitějších celků. Pokud do takovýchto mikročástic nasadíme předtím živé buňky správného typu, mohou v nich růst, komunikovat spolu a přijmout svoji přirozenou funkci v tkáni díky tomu, že budeme věrně napodobovat jejich přirozené okolí.

Dále pracujeme na velmi malých mikročásticích, schopných fungovat jako umělé buňky v krevním řečišti, konkrétně ne nesoucí kyslík, ale cirkulovat krevním řečištěm a naším cílem je tyto částice využít jako online senzory složení krve pro diagnostické účely.

Poté se zabýváme značením léčiv pomocí mikroskopických značek, které by fungovaly obdobně jako běžné čárové kódy v obchodě. Ovšem jsou pouze zhruba 100 µm velké a biodegradovatelné, takže mohou být umístěny přímo na formulaci léčiva, například na tabletu. Vyvíjíme způsob, jak pomocí mikroskopu, co by stál maximálně 10 dolarů, číst kód z těchto částic aby i koncový uživatel měl možnost pomocí tohoto kódu i doma i ověřit, zda-li je lék pravý nebo zfalšovaný.

Spolupracujete na těchto projektech s dalšími ústavy VŠCHT?

Na těchto projektech spolupracujeme v rámci VŠCHT s Chobotixem Františka Štěpánka a věřím, že další spolupráce postupně přijdou, jelikož máme průsečíky s tím, co se dělá v jiných laboratořích na VŠCHT, ať už přímo na Ústavu chemického inženýrství nebo jinde.

Jaké jsou vaše výzkumné plány do budoucna?

Ohromě mě baví projekty, které teď dělám a rád bych je rozvíjel právě způsoby, jak jsem zmiňoval před chvílí. Ať už na samotné hraně dělání možného z nemožného, tak i na úrovni snahy dotahovat projekty do aplikovatelné podoby. Takovou velkou vizí by bylo postupně jednotlivé větve našich projektů spojovat dohromady. Na jednu stranu vyvíjíme biomateriály s vizí funkčních jednotek živých organizmů, na druhou stranu roboty. Fascinuje mě představa odstranění hranice mezi těmito větvemi. Představme si využití živých buněk enkapsulovaných v hydrogelech pro napájení pohyb, orientaci robotů a naopak, představme si naše hydrogelové mikroroboty, jak se spojují do struktur, které se budou například periodicky stahovat a tím stimulovat například pohyb srdce, nebo peristaltické pohyby.