Nejlepší špičkový výzkum propojí svět strojů a přírody

Nová generace implantátů nebo unikátní materiály pro průmysl a dopravu. K těmto a mnoha dalším výsledkům směřují vědci z pětice českých institucí, kteří společně uspěli v grantové výzvě Špičkový výzkum. Projekt „Strojní inženýrství biologických a bioinspirovaných systémů“, v jehož čele stojí VUT v Brně, získal ze 75 podaných žádostí nejvíce bodů a byl doporučen k financování s půlmiliardovým rozpočtem po dobu pěti let. Práce na výzkumu oficiálně odstartovaly začátkem září.

„Věřím, že jedním z klíčů k úspěchu našeho projektu je jeho multidisciplinarita. V samotném strojírenství už není příliš prostoru pro přelomové objevy; ty se odehrály v 19. a 20. století a byly pro lidstvo zásadní. Neznamená to, že strojírenství už není důležité, ale že musíme jít na okraj oboru, tam, kde se stýká s jinými disciplínami. Zde můžeme dospět k novým, zásadním objevům,“ říká Martin Hartl z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, který stojí v čele projektu MEBioSys.

Vedle odborníků z VUT proto budou na projektu pracovat třeba i chemici, materiáloví vědci či odborníci na 3D tisk. Na výzkumu se bude podílet přes 150 vědců a vědkyň z pěti českých výzkumných institucí. Týmy z VUT se plánují věnovat například výzkumu superlubricity, tedy jevu, při kterém nastává nulové tření. „Obecně známá je supravodivost, tedy nulový odpor, což je jev, který lidstvo zná a zkoumá už půl století, byť na objev ideálního supravodiče stále čekáme. Novější a méně prozkoumaná je superlubricita. Procesy tření jsou všude kolem nás a někdy jsou dokonce žádoucí – bez tření bychom se nemohli například pohybovat nebo jezdit dopravními prostředky. Jinde jsou ale negativní, například ve strojích. Odhaduje se, že přibližně 23 % celosvětové spotřeby energie se zmaří energetickými ztrátami spojenými s kontakty těles a se třením, to je obrovské číslo. Kdyby bylo tření nulové, klesnou ztráty a tím i spotřeba energie. Proto nás tento jev tak zajímá,“ vysvětluje Hartl s tím, že inspiraci chtějí vědci brát v přírodě. „Například v lidských kloubech je tření velmi malé,“ dodává.

Oboustranná inspirace

Právě propojení světa přírody a strojů je základní myšlenkou výzkumného projektu. Bádání má probíhat hned ve dvou směrech: inspiraci z přírody přenést do strojů a naopak mechatronická řešení přenést do přírody, například v podobě nové generace implantátů. „Jedním z cílů výzkumu je vývoj materiálu, který bude mít gradientní strukturu a bude napodobovat strukturu kosti. Měl by mít schopnost oseointegrace, tedy vhojení se do těla, a také depotní schopnost, to znamená, že by obsahoval léčiva, která po implantaci urychlí proces hojení. Jde tedy o praktický přínos pro společnost, ačkoliv je férové dodat, že cesta od prototypu do lidského těla je poměrně dlouhá,“ říká Hartl.

Druhý výzkumný směr přináší inspiraci přírodou do světa strojů a směřuje k vývoji nových materiálů a součástí vyrobených pomocí aditivních technologií. „Má jít o odlehčené struktury, které se dají použít v letectví a kosmonautice, mohu mít paměťový efekt nebo kontrolovanou absorpci energie. Hierarchické materiály s implementovanými piezokeramickými členy, které tvoří aktivní část, která je schopna detekce, výroby energie nebo i aktivní změny mechanické odezvy. Otevírá se před námi možnost tvorby nepřeberného množství materiálů, které mohou být navrženy přesně na míru dané aplikaci,“ vysvětluje odborník na materiály Pavel Hutař z Ústavu fyziky materiálů Akademie věd ČR.

Inspirace v přírodě se přitom lidstvu už mnohokrát vyplatila. Například zkoumání gekona, který zvládá běhat po stropě hlavou dolů, vedlo k hlubšímu pochopení jevu zvaného adheze. Nebo lotos: i když vyrůstá v bahnitém jezírku, jeho listy jsou dokonale čisté, což vedlo ke zkoumání jeho samočisticích schopností. Vědci pak využili nanotechnologii k tomu, aby tento efekt napodobili a vytvořili tak povrchy, které mají podobné vlastnosti.

Špička mezi špičkou

Projekt MEBioSys je zatím formálně ve stádiu, kdy je doporučen k financování. Čeká tedy na oficiální potvrzení o přidělení požadovaného rozpočtu. Díky tomu, že grantová žádost z VUT získala nejvyšší počet bodů ze všech žadatelů, věří výzkumníci, že se jedná pouze o formalitu. A protože práce na výzkumu je čeká hodně, pustili se do ní už začátkem září.

Výzva Špičkový výzkum z Operačního programu Jan Amos Komenský má být na dlouhou dobu poslední, která nabízela evropské prostředky na podporu výzkumu a vývoje. Celkově se do výzvy zapojilo 75 projektů, prvním kolem hodnocení prošlo 66 z nich, ve druhém kole doporučila hodnoticí komise, v níž nechyběli ani zahraniční odborníci, k financování 15 projektů. Celkem se rozděluje alokace ve výši 8 miliard korun.

Téměř pětina půlmiliardového rozpočtu, s nímž pětiletý projekt MEBioSys počítá, poputuje na investice do nového vybavení. „V případě našeho ústavu to znamená zhruba pětimilionovou investici do nákupu nového přístroje, takzvaného tribometru, který je určen pro měření tření v mikro a nanoměřítku a umožní nám rozšíření stávajícího výzkumu,“ přibližuje Hartl.

Klíčové investice v součtu za skoro čtyřicet pět milionů plánují Vysoká škola chemicko-technologická v Praze a Ústav fyziky materiálů Akademie věd. „Jedná se o dvě unikátní zařízení pro 3D tisk kovů a keramik, která umožňují jak souběžný tisk několika kovových materiálů najednou, tak soutisk kovu a keramiky. Tato zařízení jsou klíčová například pro tvorbu hierarchických materiálů umožňujících transformaci mechanické energie na elektrickou nebo výrobu nové generace implantátů,“ dodává Hutař.

MEBioSys:

Název projektu: Strojní inženýrství biologických a bioinspirovaných systémů (angl. Mechanical Engineering of Biological and Bio-inspired Systems, zkráceně MEBioSys)

Doba řešení projektu: 09/2023 – 06/2028

Zapojené instituce:

• Vysoké učení technické v Brně
• Ústav fyziky materiálů Akademie věd ČR
• Západočeská univerzita v Plzni – Nové technologie – výzkumné centrum
• Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
• České vysoké učení technické v Praze

Rozpočet: 499,8 milionů Kč

Zdroj: Fakulta strojního inženýrství VUT