Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. První se zaměřil na výzkum mikrobotů, na kterém se významně podílejí za podpory GA ČR i čeští vědci.
Ponorka o velikosti bakterie, která řízeně proplouvá lidským tělem a je schopna tam uskutečnit lékařské zákroky, zůstává zatím jenom snem. Ale výzkumníci jsou stále blíž k jeho uskutečnění. I díky české vědě.
Bylo to v roce 1966, když ve Spojených státech natočili dvěma Oscary oceněný film Fantastická cesta. Nejen historikové sci-fi, ale i seriózní výzkumníci v oboru robotiky jej dodnes považují za vizionářský počin.
Film se odehrává v době studené války, kdy se západní i východní experti snaží zmenšit předměty, ale také miniaturizovat lidi (jasně, to je úlet, ale je to jen film…). Velkých úspěchů v této oblasti dosáhl československý vědec Jan Beneš. Se svými poznatky utíká na Západ, východní špioni se jej pokusí zabít (to je bohužel realistické i dnes) a doktor Beneš zůstává ležet v kómatu.
Do mozku se mu dostala nebezpečná krevní sraženina, která se nedá běžnými medicínskými postupy odstranit. A tak mu na pomoc vyráží ponorka, vhodně zmenšená včetně pětičlenné lidské posádky uvnitř, takže zabírá velikost mikrobu a dá se do těla vpravit injekční stříkačkou. Z jakéhosi důvodu však v tomto stavu vydrží jen hodinu, pak se zase zvětší. Jak miniaturizaci zajistit trvale, ví jenom doktor Beneš, ale ten to říct nemůže, když je v kómatu a teprve se ho pokoušejí zachránit. Ponorka proplouvá lidským tělem, překonává jeho nástrahy, posádka bojuje i se špionem mezi sebou. Nakonec správní chlapci odstraní sraženinu pomocí laseru a uniknou z vědcova těla slzným kanálkem přes oko dřív, než se stačí zase zvětšit, zato ponorku i se zrádcem spolkne a zničí bílá krvinka.
Podivnosti mikrosvěta
„Co tehdy bylo naprostou fikcí, se dnes stává jasnou vizí pro medicínskou terapii, při níž se mikroroboti budou využívat pro dodání léku do organismu, pro zobrazování vnitřku těla i pro malé chirurgické operace,“ soudí v komentáři pro odborný časopis Science Robotics profesor Holger Stark z Technické univerzity v Berlíně. Jeho komentář hodnotí výzkumnou práci publikovanou v témže uznávaném odborném periodiku a věnovanou možnostem řízení pohybu titěrných objektů – tedy vlastně i potenciálních budoucích mikrorobotů.
Jedním z autorů zmíněné studie je také český vědec. Na rozdíl od filmového doktora Beneše však naštěstí neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty z makrosvěta, nýbrž matematicky popsat, co se v mikrosvětě děje.
Tímto vědcem je teoretický fyzik Viktor Holubec, spolupracující s výzkumníky z Lipské univerzity, kde působil po získání doktorátu tři a půl roku jako držitel prestižního německého Humboldtova stipendia. Nyní šestatřicetiletý doktor Holubec pracuje na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze a jeho práci z velké míry financuje Grantová agentura ČR.
„Zkoumáním pohybu malých částic jsem se zabýval už v rámci bakalářské, pak magisterské práce a také doktorské práce,“ říká. Pochopitelně nešlo o „opravdové“ miniaturní ponorky se strojovnou a posádkou uvnitř. Viktor Holubec se podílí na výzkumu mikroskopických částeček o průměru asi třicetiny tloušťky lidského vlasu plovoucích ve vodě. Mohou být předobrazem budoucích mikroskopických ponorek, ale také třeba současných bakterií – o možnostech jejich pohybu by vědci také rádi věděli víc.
Takto malé objekty, měřené v mikrometrech, tedy tisícinách milimetru, totiž patří do takzvaného brownovského světa. Pojmenování vychází ze jména skotského přírodovědce Roberta Browna, který před dvěma stoletími popsal, jak se hýbou pylová zrnka nebo částice prachu ve vodě. Říká se tomu Brownův pohyb a je odlišný od pohybu větších objektů v makrosvětě (a dnes víme, že se liší i od pohybu subatomárních částic ve světě kvantové fyziky).
Malá částice, třeba bakterie ve vodě, je součástí brownovského světa. V něm do ní a do sebe navzájem stále narážejí molekuly vody, které se pohybují chaoticky. Pokud bakterie aktivně neplave, je v důsledku těchto nárazů náhodně vláčena prostorem. „Totéž platí pro částice, které zkoumáme. Když ji zvenčí,popoženeme‘, pohybuje se požadovaným směrem, ale hned jak působení vnější síly skončí, částice směr ztratí a přejde na náhodný pohyb ovlivňovaný nárazy molekul vody,“ popisuje doktor Holubec.
Doháněná fantazie. Americký film Fantastická cesta (Fantastic Voyage) režiséra Richarda Fleischera z roku 1966 vzbudil zájem myšlenkou titěrné ponorky, která proplouvá lidským tělem – na tomto snímku mozkem. Vědci věří, že něčeho takového opravdu dosáhnou.
Bůh Janus se špatně řídí
Řídit mikroskopické částice tak, aby cíleně proplouvaly kapalinou, se snaží vědci po celém světě. Skupinu, s níž spolupracuje Viktor Holubec, vede profesor Frank Cichos z Lipské univerzity. Výzkumníci zde používají pracovní plošinu o velikosti zhruba čtyř psacích stolů, na níž je umístěn optický mikroskop, laser a zrcadla usměrňující jeho paprsky. Pokusná plocha má velikost pouhého sklíčka do mikroskopu. Pod ním je trocha vody, v níž plavou zmíněné mikročástice. Energii pro pohyb jim dodávají laserové impulzy. Počítač vyhodnocuje snímky pořizované v mikroskopu jednou za 180 milisekund a zjišťuje, kam se částice pohybují. Podle toho řídí následující záblesk laseru.
Částice jsou zpravidla z polystyrenu a pokryté zlatem. To je důležité, protože právě zlato se laserovým impulzem rozehřeje, a tím způsobí pohyb vody od zahřátého místa, čímž se částice posouvá. Tým profesora Cichose v minulosti používal a některé jiné výzkumné skupiny dosud používají polystyrenové částice, které jsou na jedné své polovině pokryty nepatrnou vrstvičkou zlata. Podle římského boha Januse, jenž býval zobrazován se dvěma tvářemi, se jim říká Janusovy částice. Mají ovšem nevýhodu – impulzy energie vedou k pohybu částice v požadovaném směru, jen pokud náhodný pohyb částici tímto směrem natočí.
„Naše skupina začala asi před třemi lety jako první používat částice pokryté malinkými, ale navzájem nepropojenými částečkami zlata,“ vysvětluje Viktor Holubec. „Laser tak může kdykoli zamířit na tu nejvýhodnější zlatou plošku a řídit pohyb částice mnohem efektivněji.“
Jenomže ani tak se zpočátku laserem poháněné částice nepohybovaly podle očekávání. Po impulzu energie mířily trochu jiným směrem, než měly. Výzkumníci se tedy snažili pochopit, jak je to možné, což byla do velké míry práce teoretického fyzika Holubce.
„Nakonec jsme na to přišli. Počítač totiž vyhodnotil mikroskopický snímek, který ukazoval umístění částice, a podle toho určil, kam poslat laserový impulz, aby částici dále posunul. To trvalo 180 milisekund. Takto kratičký časový úsek kolegové považovali za zanedbatelný, ale ukázalo se, že není,“ objasňuje doktor Holubec. „Když jsme všechno znovu propočítali, zjistili jsme, že i tak nepatrné zpoždění hraje v brownovském světě roli. Okolní prostředí stačí za tu chvilku s částicí pohnout a ona pak po impulzu energie zamíří pozměněným směrem.“
Viktor Holubec zdůrazňuje, že právě poznatek o roli zpoždění mezi počítačovým zpracováním informace o poloze částice a spuštěním laseru je významným výsledkem jejich výzkumu publikovaného v časopise Science Robotics. „Zjistili jsme, že k tomu, aby se částice dostala nejrychleji z bodu A do bodu B, není nejlepší ta nejvyšší rychlost, nýbrž rychlost nižší, ale přizpůsobená velikosti zpoždění při zpracování dat. Tento poznatek je významný i pro další objekty, které se v brownovském světě pohybují,“ objasňuje Viktor Holubec.
To však není zdaleka jediný přínos jejich výzkumu. „Částice, s nimiž pracujeme, nedokážou samy přijímat a zpracovávat informace ze svého okolí. Jejich pohyb řídíme zvenčí, ale využíváme k tomu metod umělé inteligence,“ konstatuje vedoucí týmu Frank Cichos. V tomto případě je to takzvané zpětnovazební učení (reinforcement learning). Při něm jde o to, že počítač, který řídí laser, a tedy pohyb částic, se díky algoritmu strojového učení sám učí, jak úkol nejlépe zvládat. Je to celosvětově poprvé, kdy výzkumníci použili tuto metodu umělé inteligence právě pro ovládání mikroskopických částeček v brownovském světě.
Pochopit chování bakterií
Výsledkem by mělo být, že člověk pouze zadá úkol dopravit částice do určitého místa, a propojený systém počítače, mikroskopu a laseru už zařídí, aby se tam skutečně dostaly za nejkratší dobu. Jde tedy o další krok k budoucím mikrorobotům plovoucím lidským tělem?
„Ano i ne,“ říká Viktor Holubec. „Vývoj tím směrem určitě jde, jenom je otázka, jak dlouho to ještě bude trvat. Třeba náš pohon částic pomocí laseru určitě nepůjde v lidském těle použít, nedokážu si představit, jak bychom do něj laserem svítili. Naše poznatky o pohybu mikroskopických částic však mohou být použitelné pro roboty s jiným pohonem. Ale také pro poznání mikrosvěta.“
To je podstata takzvaného základního výzkumu, jehož cílem není okamžitě přijít s vynálezem bezprostředně využitelným v praxi, nýbrž odhalovat zákonitosti fungování našeho světa. O získaných poznatcích doktor Holubec říká, že za nejvýznamnější považuje to, že pomáhá pochopit, co jsou klíčové ingredience prostředí, s nimiž se v lidském těle musejí vypořádat třeba bakterie – obdobně velké jako částice, které vědci zkoumali.
„Naše experimenty nám pomáhají lépe pochopit, proč bakterie dělají to, co dělají. Ony také musejí nějak optimalizovat svůj pohyb v mikrosvětě. Vždycky chvilku plavou, pak se zastaví a náhodně otáčejí, pak zase chvilku plavou. Anebo spermie: ty mají obdobnou velikost a ve stejném brownovském prostředí dokážou, poháněny svým bičíkem, velmi přesně mířit ke svému cíli – vajíčku,“ líčí doktor Holubec.
Takovéto výzkumy však nefinancují soukromé firmy, protože není předem jasné, k čemu při nich vědci dospějí a jak získané poznatky nakonec využijí. V Česku tedy základní výzkum financuje zejména Grantová agentura ČR. „Měli jsme štěstí, zatím jsme dostali všechny granty, o které jsme žádali, s jedinou výjimkou, ale i ten grant jsme pak získali o rok později,“ vzpomíná Viktor Holubec. „Pro financování výzkumu na univerzitě jsou granty klíčové, bez nich bychom nemohli dělat to, co děláme.“
Jeho nynější grant má hodnotu pět milionů korun na tři roky. Z něj dostává svůj plat, platí technické pomůcky i cestování do Německa či zvaní německých vědců do Prahy. „Tyto přímé kontakty se kvůli covidu hodně zkomplikovaly, snad se to brzy zlepší. Bez osobního setkávání je ve výzkumu všechno mnohem složitější,“ povzdechne si.
Dokážeme to
Přestože je při hodnocení dosavadních výsledků opatrný, myšlenka na mikroponorky cíleně putující lidským tělem doktora Holubce neopouští. Vidina, že se takto dopraví lék přesně na místo v těle, kde je zapotřebí, anebo že mikrorobot provede v těle požadovaný chirurgický zákrok, je podle něj zcela realistická, i když ještě nevíme, jak ji naplnit.
„Doprava molekul léku připevněných na vhodnou částici je určitě proveditelná. Chirurgická operace je složitější. Je obtížné si představit, že mikrorobot bude vybaven nějakými nástroji. Spíše předpokládám, že takový zákrok bude provedený chemicky, nějakou sloučeninou, která ve tkáni záměrně zničí to, co by jinak muselo být odstraněno skalpelem,“ zamýšlí se. Hodně nejasnou otázkou zůstává, zda mikroroboti budou někdy uplatnitelní třeba při řízení chemických reakcí v průmyslových výrobních procesech.
Na rozdíl od filmové mikroponorky zmíněné v úvodu tohoto článku, která měla lodní šroub, uvnitř strojovnu a vůbec všechno potřebné k ovládání vlastního pohybu, jsou částice používané v současných pokusech řízeny zvenčí. Do částice o velikosti třicetiny průměru vlasu lidé nedokážou ještě vložit stroj, který by ji poháněl.
„To platí dnes. Ale víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. Takže to jednou musíme zvládnout i my při konstrukci mikrorobotů,“ tvrdí doktor Holubec. „Možná bude zpočátku nejvhodnější cestou přeprogramovat genetický kód mikroorganismů, aby se daly řídit. Ale nakonec jistě sestrojíme i mikroroboty schopné pohybovat se a plnit úkoly i bez vnějšího zásahu. Když to dokážou spermie, dokáže to i robot.“
Jedním z autorů studie je český vědec, na rozdíl od filmového doktora Beneše neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty, ale popsat, co se děje v mikrosvětě „Víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. A co dokáže spermie, musí časem dokázat i mikrorobot.“
Bez posádky. Ve filmové mikroskopické ponorce byla i tajuplně zmenšená lidská posádka – na snímku zrovna provádí výsadek v plicích. Reálně vyvíjené mikroskopické ponorky budou zřejmě také řízené lidmi a počítači, ale zvenčí.
Minirobot se provrtá do nádoru
Česká republika je přímo rájem vědců, kteří vytvářejí titěrné roboty. Některé mají podobu zrnka pylu poháněného jako torpédo, jiné by měly být schopné provrtat se do nádoru jako droboučký vrut a zničit jej.
Pylové zrnko je malinké, lehké, plave na vodě, je snadno dostupné a levné. Dá se tedy použít jako šikovný základ pro vytvoření velké „flotily“ plovoucích mikrorobotů. Vědci na jednu stranu očištěného pylového zrnka přilípnou nepatrnou vrstvičku platiny a zrnka vhodí do vody. Do ní přidají peroxid vodíku. Ten se vlivem platiny rychle rozkládá na vodu a kyslík, vznikají bublinky a zrnko ženou dopředu jako torpédo.
Výzkumníci používají pyl pampelišky, borovice, lotosu, slunečnice či máku. Má přirozenou schopnost do sebe vsakovat rtuť, takže čistí životní prostředí.
Tak vypadá jeden z experimentů vědců, které vede sedmačtyřicetiletý profesor Martin Pumera. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze a osmnáct let působil na univerzitách v zahraničí – v USA, Singapuru či Japonsku. V roce 2017 se vrátil do Česka, nyní je profesorem na pražské Vysoké škole chemicko-technologické a na Středoevropském technologickém institutu (CEITEC) Vysokého učení technického v Brně.
Jeho týmy, do nichž se mu podařilo získat řadu vědců ze zahraničí, se zabývají využitím nanomateriálů (látek o velikosti nanometrů, tedy miliontin milimetru) a také miniaturními roboty.
Raketový motor pro mikrotrubičku
Mikroroboty z pylového zrnka, jejichž výboj profesor Pumera s kolegy popsal loni v odborném časopise Advanced Functional Materials, jsou už starším pojetím. „Jejich pohyb nemůžete řídit, prostě je nasypete do vody, ony tam rejdí všemi směry, navážou na sebe rtuť a vy je pak naberete a z vody odstraníte,“ popisuje Martin Pumera možnosti jejich využití. Samozřejmě je nutné zvolit nasazení v takovém prostředí, v němž by poněkud žíravý peroxid vodíku nevadil.
Oproti tomu mikroponorka, kterou tým profesora Pumery představil letos na jaře v odborném periodiku Small, už reprezentuje vyšší ligu. Také je zamýšlená třeba na odstraňování toxického odpadu z vody. Má tvar trubičky, která je dlouhá asi deset mikrometrů (setinu milimetru) a obsahuje tři vrstvy.
Ve vnitřní vrstvě je sulfid kademnatý, jenž na světle rozkládá okolní vodu. Výsledek je podobný raketovému motoru – z jednoho konce trubičky proudí protony vzniklé rozkladem vody a trubička se tedy pohybuje v opačném směru rychlostí asi 15 mikrometrů za sekundu. Ve střední vrstvě trubičky jsou pak nanočástice železa. Výzkumníci proto mohou slabým magnetickým polem řízeně otáčet trubičku podobně jako střelku kompasu, takže mikroponorka se natáčí požadovaným směrem a „raketový motor“ ji tam pohání. A vnější vrstva obsahuje oxid titaničitý, který na světle umožňuje reakce rozkládající znečišťující chemikálie.
Tato mikroponorka je tedy už zvenčí řiditelná: světlo spouští „raketový motor“, jehož palivem je okolní voda, a magnetické pole určuje směr pohybu. Když nesvítí světlo, mikroponorka se zastaví.
V květnu proto zahájil profesor Pumera nový, čtyřletý projekt, v němž usiluje o vytvoření titěrných robotů schopných pohybovat se v lidském těle. „Samozřejmě je v této fázi nebudeme používat na lidech,“ zdůrazňuje. „Od lékařů dostaneme opravdové lidské rakovinné nádory vyoperované pacientům a na nich budeme v laboratoři ověřovat možnosti našich mikrorobotů. Bude to větší krok k reálnému prostředí, než jaký se komu zatím podařil,“ dodává.
V tomto případě vědci chtějí využít mikroroboty ve tvaru vrutů. Vzorek tkáně s vloženým mikrorobotem se vsune do tunelu v přístroji, jenž je jakousi zmenšenou verzí magnetické rezonance používané v nemocnicích. Elektromagnetické cívky, které tunel obklopují, vytvoří proměnné magnetické pole.
„V něm jsme schopni velmi citlivě řídit otáčení mikrorobotu tak, aby se provrtal nádorovou tkání na požadované místo. Předpokládáme, že k němu přilípneme lék, a ten se tak dopraví přímo na místo, kde by měl účinkovat,“ popisuje profesor Pumera.
Projekt je teprve v začátcích. Kromě Vysoké školy chemicko-technologické se na něm podílejí také 1. lékařská fakulta Univerzity Karlovy, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity, pražská Fakultní nemocnice v Motole a také Lékařská fakulta Harvardovy univerzity v USA.
Investice se nakonec vrátí
„Když lidé slyší o našem výzkumu, mívají přehnané představy. Určitě víme, že naše poznatky se do nemocnic nedostanou za pět let. Věřím, že dokážeme změnit léčbu různých nemocí, ale i když se všechno bude dařit, lékaři je využijí nejdřív za deset patnáct let,“ upozorňuje profesor Pumera. Vysvětluje, že takto dlouhodobé projekty si málokterá soukromá firma může dovolit. Proto se na nich podílejí vědecké týmy ze světa a získávají na ně peníze od veřejných institucí.
„My teď máme granty, tedy finanční prostředky na výzkum mikrorobotů a nanomateriálů, z fondů Evropské unie, od Grantové agentury ČR a ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Jsou to dlouhodobé investice, které se ale lidstvu nakonec mnohonásobně vrátí,“ říká Martin Pumera s jistotou.
Autor: Josef Tuček
Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. Ze snímku je patrná velikost zrn, která jsou sto- až tisíckrát menší než zrna původní frakce s velikostí do 1 mm.
Snímek z elektronového mikroskopu, kde lze vidět zapojení mikromletého betonového recyklátu do struktury vyrobené cementové pasty. Betonový recyklát v tomto případě plní funkci mikroplniva a vyplňuje porézní strukturu.
Snímky z elektronové mikroskopie, kde lze vidět vliv progresivní technologie mikromletí. Na obrázku A) lze vidět původní beton před recyklací a na obrázku B) lze vidět mikromletý betonový recyklát.
Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Z parametrů elipsy byl následně stanovený tvarový součinitel pro upravený betonový recyklát.
Odebrání sedimentu ze dna Popradského plesa
Práce týmu doc. Kuneše na Prášilském jezeře na Šumavě
doc. RNDr. Petr Kuneš, Ph.D., vystudoval biologii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Doktorát se zaměřením na paleoekologii vegetace v pozdním glaciálu a časném holocénu obhájil v roce 2008 na katedře botaniky. Od 2009 do 2011 se jako postdoktorand na Department for Geoscience, Aarhus University zabýval minulými interglaciály. Na katedře botaniky PřF UK se nyní zabývá výzkumem a výukou v oblasti kvartérní paleoekologie a historie krajiny.