František Mach, který vede výzkumnou skupinu na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, společně se svými kolegy Vojtěchem Skřivanem a Ondřejem Sodomkou vyvinuli magneticky řízené mikrofluidní čerpadlo, za které obdrželi 1. místo na Transfera Technology Day 2022. Jeho potenciál spatřují v medicíně i ve vesmírném průmyslu.
Zleva: František Mach, Vojtěch Skřivan a Ondřej Sodomka převzali ocenění za 1. místo na Transfera Technology Day 2022. Dále Helena Langšádlová, ministryně pro vědu, výzkum a inovace, a Eva Janouškovcová, předsedkyně spolku Transfera.cz.
Čerpadlo vyvinuté výzkumnou skupinou Františka Macha je určeno pro manipulaci s tekutinami ve velmi malém objemu a oproti konvenčně používaným modelům neobsahuje žádné pohyblivé části, jako je například rotor. Je konstrukčně jednodušší, lehčí a menší. Jeho základem je tenká vícevrstvá struktura z magnetického elastomeru – elastického a zároveň magnetického materiálu, který je řízený pomocí vnějšího magnetického pole.
Jak dlouhá je cesta od nápadu k realizaci takového projektu?
František Mach: Projektu jsme se začali věnovat již těsně po dokončení mého doktorátu na Západočeské univerzitě v Plzni (ZČU), kdy jsem založil malou výzkumnou skupinu. Spolupracovat jsme spolu s Vojtěchem Skřivanem začali více v magisterském studiu – psal u mne diplomovou práci zaměřenou na matematické modelování magnetických elastomerů. S Vojtou jsme se setkali na předmětu Modelování a simulace v elektrotechnice, na kterém ho zaujal právě vznikající projekt zaměřený na vývoj nové koncepce magnetického soft-robotického chapadla.
Vojtěch Skřivan: V rámci mojí diplomové práce pak vznikly první vzorky tzv. magnetoreologického elastomeru (MRE), materiálu, který dnes používáme v mikrofluidním čerpadle. Jde o funkční a flexibilní materiál, který je schopen reagovat na změnu externího magnetické pole.
Ondřej Sodomka: Já jsem spíše teoreticky zaměřený. Nejvíce mne baví zkoumat, jaké možnosti nám materiál poskytuje, jak se chová a proč. A to mne přivedlo ke spolupráci s Vojtou na projektech, kde se snažíme MRE uplatňovat.
Kde se vzal nápad na mikrofluidní čerpadlo?
Vojtěch Skřivan: Jeden z našich prvních projektů s MRE byl zaměřený na vývoj soft-robotických chapadel inspirovaných tvarem ptačího zobáku. Vytvořili jsme různé prototypy, kterými jsme zkoušeli chytat nejrůznější předměty. Využití MRE a ovládání pomocí magnetického pole znamenalo velmi dynamický a zároveň robustní systém v porovnání s konvenčně používanými systémy na pneumatické bázi.
František Mach: Zajímavé na vzniku projektu mikročerpadla přitom je, že nápad se zrodil u Vojty a Ondry, když ještě jako studenti vycestovali na konferenci do italského Livorna, kde prezentovali právě naše prototypy chapadel. Tam vyslechli přednášku o modelu srdečního svalu a projektu, který se jej snaží napodobit pomocí pneumatického soft aktuátoru a vytvořit tak prototyp umělého srdce. Tam se zrodila první myšlenka na využití MRE ovládaného vnějším magnetickým polem pro čerpání kapaliny. A protože si uvědomujeme, že srdce je velmi komplikovaný orgán, zaměřili jsme se na střevo – a celý projekt u nás tak nese kódové označení intestino (italsky střevo, pozn. redakce).
Vojtěch Skřivan: Inspirace střevem byla zásadní. Rozhodli jsme se vytvořit mechanismus, který bude díky magnetickému poli a MRE vytvářet peristaltický pohyb a tím bude tekutinu posouvat vpřed. Bylo relativně náročné přizpůsobit materiál a výrobní proces tak, abychom získali trubičku, kterou bude tekutina vedena – celý proces trval téměř rok. Pravdou je, že jsme za tu dobu získali obrovské know-how o materiálu, se kterým pracujeme.
Ondřej Sodomka: Já se v této fázi věnoval zejména matematickému modelování a popisu toho, jak naše prototypy fungují. Vše s cílem popsat chování MRE tak, abychom dokázali zkoumat konstrukci vyvíjených zařízení.
První prototyp mikrofluidního čerpadla
Hvězda v oblasti silikonových materiálů – výrobce z Litic
Jak se tedy podařilo dosáhnout požadovaných vlastností Vámi vyvíjeného materiálu?
František Mach: Základem našeho MRE je silikon, který nakupujeme u pana Jaroslava Maška, který sídlí nedaleko ZČU v Liticích. Pana Maška považujeme nejen za umělce, protože ze silikonů léta vyrábí masky pro film a divadlo, sochy, formy a mnoho dalšího, ale také za velkého odborníka na tento materiál. Často s ním konzultujeme naše požadavky a případná úskalí ve výrobě MRE, přicházíme s dotazy, které často nikdy řešit nemusel, a přesto je schopen a ochoten nám pomáhat.
Jak do vývoje Vašeho čerpadla zasáhla pandemie covid-19?
František Mach: V té době vznikla zajímavá „odbočka“. Díky našemu vývoji vhodného materiálu pro čerpadlo jsme získali opravdu obsáhlé znalosti o vlastnostech využívaného materiálu na bázi silikonu, a to i díky již zmíněnému panu Maškovi. V době pandemie se nám ozvali kolegové z ČVUT, kteří vyvíjeli obličejové ochranné masky na 3D tiskárnách. Do těch potřebovali těsnění a membránu, které jsme my byli schopni vyvinout. A naše zkušenosti s MRE, které jsme využívali v laboratoři, nalezly uplatnění v oblasti, kterou jsme ani nepředpokládali. Kolegové z ČVUT potřebovali materiál, který bude mít definovanou tvrdost, bude zdravotně nezávadný a zároveň bude velmi rychle tvrdnout. Doporučili jsme konkrétní materiál, se kterým byli opravdu spokojeni. A následně došlo k tomu, že nám ho kompletně na trhu vykoupili (smích).
Ondřej Sodomka: Výroba těsnění a membrány byla pro nás výzvou, protože je to zcela odlišný výrobek, než jsou naše běžné laboratorní vzorky a prototypy. Jakákoliv vada by mohla způsobit nefunkčnost celé ochranné pomůcky. Naštěstí se to podařilo a po třech dnech velmi intenzivního vývoje jsme připravili první funkční prototypy, které prošly kontrolním úřadem a maska získala certifikaci FFP3.
František Mach v obličejové masce, kterou jeho výzkumná skupina vyvinula spolu s kolegy z ČVUT
Financování vývoje a výzkumu je vždy důležitým tématem. Jak jste na tom Vy?
František Mach: Důležitou roli ve vývoji magnetického čerpadla sehrál kolega Martin Jambura z Transferové kanceláře ZČU, který nám pomohl získat grant od Technologické agentury ČR (TA ČR Gama 2) podporující malé projekty s velkým potenciálem přechodu do praxe. V rámci interní soutěže se nám podařilo tuto podporu získat a téměř rok a půl jsme vyvíjeli naše mikrofluidní čerpadlo, za které jsme v nedávné době obdrželi ocenění na Transfera Technology Day 2022.
Jen pro představu – jaká doba uplynula od nápadu, přes chapadla a různé prototypy, až k oceněnému výrobku?
Vojtěch Skřivan: Asi čtyři roky. Nejedná se ale o lineární práci, o projekt, na kterém bychom pracovali každý den. Jde spíše o skokové pokroky.
František Mach: Ono se to moc nedá uspíšit. Od prvotní myšlenky až po prezentaci, ve které svůj projekt shrnete do tří minut na soutěži, je potřeba mnoho času – potřebujete informace i z jiných oborů, procházíte mnoha zkušenostmi, zkoušíte prototypy…
Komercializace? To je oč tu běží!
Uvažujete o patentování Vašeho projektu?
František Mach: Ano, jen nám to opět trvalo relativně dlouho – od fáze, kdy jsme vyvinuli finální prototyp, uplyne na jaře rok. A od té doby připravujeme podklady pro patentovou ochranu. V současné době je patentová přihláška již podána a čekáme na výsledek patentového řízení. Pokud vše dopadne dobře, pokusíme se český patent rozšířit také na patent evropský.
A už jste zahájili jednání s komerčním partnerem?
František Mach: Projekt jsme realizovali s vidinou uplatnitelnosti v lékařství – personalizovaná medicína a testování léčiv. Pro představu, na Harvardově univerzitě vyrábějí mikrofluidní čipy, které dokážou simulovat funkci lidských orgánů a na nich se dá velmi jednoduše a rychle testovat vliv léku na lidský organismus. Oslovili jsme i&i Prague – Bio Innovation Center na Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR. Jde o organizaci, která transferuje výsledky vědy a výzkumu do biotechnologického průmyslu a diskutovali s nimi možnosti partnerství pro testování.
A právě při konzultaci s i&i Prague paradoxně poprvé zaznělo, že by náš projekt mohl nalézt uplatnění také v automobilovém, leteckém či vesmírném průmyslu. A tak jsme na jaře letošního roku začali oslovovat partnery v této oblasti trhu.
A jaká byla odezva?
František Mach: Zpětná vazba a zájem firem byl pro nás velkým překvapením. I zpětná vazba, kterou jsme získali od hodnotící komise Transfera Technology Day 2022, nám dává naději, že naše řešení má potenciál a právě klíčovou oblastí bude zřejmě vesmírný průmysl.
Vlastně kohokoli jsme v tomto segmentu trhu oslovili, o náš prototyp projevil zájem. Ve výsledku to vykrystalizovalo ve dva komerční partnery: firmu OHB Czechspace z Brna, která vyvíjí kompletní technologie pro družice a firmu Stellar Exploration, která se zaměřuje na vývoj hardwaru pro malé družicové systémy.
František Mach je druhý nejlepší Vševěd 2022
Jste etablovaným výzkumníkem, máte svůj tým i úspěchy. Jak jste se dostal k soutěži Vševěd?
František Mach: Popularizace a komunikace výsledků vědy a výzkumu je pro mě naprostou samozřejmostí. Jsem pravidelným účastníkem konference Science communication (1, 2) pořádanou portálem Vědavýzkum.cz. To se přenáší i do výzkumné skupiny – pravidelně se účastníme téměř všech popularizačních akcí, které jsme v našem okolí schopni obsáhnout – např. Dny vědy a techniky, Noc vědců, pražské festivaly, plzeňský Marker Fair apod.
Zpět k Vševědovi – kde jste se tam vzal Vy?
František Mach: Oslovili mě zástupci univerzity s tím, že existuje takováto soutěž a že by bylo fajn natočit video. A mně to připadalo jako dobrý nápad a kývnul na něj. Nakonec to dopadlo tak, že jsme s Ondrou Sodomkou točili video asi hodinu před mým odjezdem na služební cestu. To jsme odeslali a – pro mě nepochopitelně – jsme byli vybráni do užšího hodnocení. Celé se to točilo okolo miniaturních robotů o velikosti hmyzu.
Co jste prezentoval?
František Mach: Měl jsem od prof. Faigla z ČVUT zapůjčenou legendu mezi roboty, kráčejícího robota, který vypadá jako pes. Diváky jsem nejprve nechal, ať si představí, jak by za sto let mohl robot vypadat a co by mohl umět A pak jsem se pokusil nastínit, jak vidíme budoucnost robotů u nás v laboratoři CIMRA.
CIMRA – vědecká skupina otevřená nápadům
Co je CIMRA? Kdy vznikla a proč?
František Mach: CIMRA je výzkumná skupina, která funguje pod mým vedením. Vznikla v roce 2017 a dnes má zhruba 20 aktivních členů. Jde především o studenty a doktorandy ZČU, ale pracují u nás v laboratoři také studenti ze středních škol a externisté z firem. Jde o relativně unikátní skupinu mladých výzkumníků, kteří chtějí dělat výzkum od základní syntézy materiálu, přes vývoj nových koncepcí strojů a robotů, až po zakázky výzkumu a vývoje pro průmysl.
Vojtěch Skřivan: Myslím, že ten záběr je opravdu veliký a tematicky odlišný, a přesto jsou účastníci schopni jej řešit dohromady, napříč svými znalostmi a dovednostmi.
Co teď aktuálně CIMRA řeší?
František Mach: Máme čtyři základní projekty – před dvanácti lety jsme začali pracovat na separátoru plastů, druhým nejstarším projektem je vývoj elektromagnetických ventilů, které vyvíjíme pro velmi náročné aplikace, jako jsou palivové ventily raketových motorů. A pak jsou to dva mladší projekty, které jsou si svým obsahem velmi blízko – soft roboty a miniaturní roboty o velikosti hmyzu. Vše, co děláme, se přitom točí kolem elektromagnetizmu.
https://www.youtube.com/watch?v=VpcQ87L54MI
Autor: Vědavýzkum.cz (MK)
František Mach: Na ZČU působí jako akademický pracovník bezmála deset let. Věnuje se výzkumu a vzdělávání v mnoha jejích podobách, od matematického modelování přes laboratorní experimenty až po konstrukci průmyslových prototypů. Reálný výzkum a aktuální vědecké výsledky se pak snaží propojit s teorií ve svých přednáškách pro studenty. Se svými kolegy a studenty ve výzkumné skupině CIMRA konstruuje stroje v mnoha různorodých podobách a velikostech, jako jsou například přírodou inspirované miniaturní roboty ve velikosti hmyzu, elektromagnetické ventily pro raketové motory nebo elektrostatický separátor pro třídění plastů v odpadovém hospodářství.
Vojtěch Skřivan: Vystudoval Západočeskou univerzitu v Plzni, kde se v rámci své diplomové práce začal věnovat návrhu a vývoji magneticky řízených soft robotických úchopových systémů. Na základě této práce pak vznikl v rámci výzkumné skupiny CIMRA nový směr zaměřující se na tuto problematiku. V rámci vývoje čerpadla je zodpovědný za návrh a výrobu jednotlivých prototypů.
Ondřej Sodomka: Na doktorském studiu na Západočeské univerzitě v Plzni se od roku 2019 zaměřuje především na matematické modelování, robotiku a magnetismus. Od své diplomové práce se během studia kromě pedagogické činnosti věnuje i výzkumu magnetických elastomerů, o kterých vlastní výzkumná skupina publikovala již řadu odborných článků. Je teoretikem, který našel zalíbení v odvětví základního výzkumu.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Vědavýzkum.cz
