Cílem založení Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (jednoho z prvních tohoto typu v České republice) bylo více propojit akademickou půdu s průmyslovou praxí, zlepšit podmínky pro výzkum a vývoj i pro studium a pro další rozvoj univerzity, rozšířit aplikovaný výzkum a tím v konečném důsledku zvýšit prestiž univerzity ve vědě i praxi.
V říjnu 2012 otevřela Technická univerzita v Liberci vysokoškolský Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (známý pod zkratkou CXI TUL). Pracoviště vybavené na evropské úrovni bylo vybudováno s cca 650milionovou dotací v rámci programu OP VaVpI jako regionální výzkumné a vývojové centrum a otevřelo nové možnosti pro základní i aplikační výzkum na TUL. „Založení výzkumného centra mimo jiné vyplynulo z dlouhodobé spolupráce liberecké univerzity s průmyslovou praxí v oblasti tradičních technických oborů na jedné straně a na druhé z rozvoje v oblasti nanotechnologií,“ vzpomíná tehdejší ředitel doc. Petr Tůma.
Náročné začátky realizace projektu, dva výzkumné směry
Začátky realizace byly podle doc. Tůmy náročné. V první čtyřleté fázi byla dotace rozdělena na tři části: na stavbu budovy, kde se podařilo plánovanou částku výrazně snížit, díky čemuž mohlo ministerstvo navýšit prostředky také pro část druhou, tedy na nákup přístrojového vybavení. Třetí část peněz pak byla určena na rozjezd výzkumné činnosti, včetně nákladů na vědecké pracovníky. „Byli jsme prvním schváleným projektem z 0P VaVpI. Centrum vzniklo jako samostatný vysokoškolský ústav liberecké univerzity. Byl jsem pověřen vedením ústavu a zároveň vedením tohoto projektu. Po čtyřleté fázi budování CXI následovalo do roku 2018 období udržitelnosti. Již v té době si musel projekt začít na sebe vydělávat, což představuje částku zhruba 250 milionů z různých zdrojů ročně. Zatímco některá podobná centra tak náročný úkol nezvládla, libereckému centru se původní záměr daří průběžně plnit, a to v úzké kooperaci nejen s průmyslem, ale i ve spolupráci s odborníky napříč všemi fakultami technické univerzity a jinými vědeckými institucemi. Spolupráce fakult, které se na zrodu podílely, byla na počátku velmi důležitá. Tím, že částečně uvolnily své zaměstnance, aby přešli pod Centrum, jsme mohli navázat na fakultní silné vazby s místním průmyslem a díky těmto kontaktům směřovat výzkumné aktivity od počátku skutečně do realizace praktických aplikací — ať už ve strojírenství, nebo v materiálovém výzkumu. A ta spolupráce trvá dodnes. Za dobu existence byly na CXI TUL získány a realizovány stovky projektů, podepsali jsme spoustu smluv a navázali oboustranně prospěšné kontakty s podniky, pro které jsme úspěšně řešili rozvojové i operativní zakázky. Když má podnik problém ve výrobě nebo v oblasti inovací a nemá své vývojové oddělení, případně úkol nestíhá vyřešit, obrátí se na nás. Na CXI nevykazujeme výsledky pro Nobelovu cenu, ale v řadě případů jsme pomohli českému průmyslu být konkurenceschopnější. S tím záměrem jsme vznikli a v něm pokračujeme,“ hodnotí CXI TUL doc. Tůma.
Covid CXI nepoškodil, ceny energií obavy vzbuzují
Podle současného ředitele prof. Miroslava Černíka je CXI TUL, největší centrum vědy a výzkumu v Libereckém kraji, po skončení období udržitelnosti plně samostatné a dlouhodobě se mu daří mít ve srovnání s projektovou žádostí dvoj- až trojnásobný obrat. Díky tomu bylo možné navýšit i počet zaměstnanců. Na svém kontě má přes tisíc vědeckých publikací, více než 60 patentů a desítky průmyslových vzorů a dalších aplikovaných výsledků. „Není vždy stejně. Jsou roky, kdy jsme úspěšnější ve výzkumných projektech, a období, kdy se nám více daří v kontraktech s průmyslovými partnery. Finančně se nás příliš nedotkla ani covidová epidemie. Naše výzkumné aktivity v době pandemie byly sice omezené, protože laboratoře musely být zavřené, ale naši vědečtí pracovníci měli dostatek naměřených dat, která zpracovávali do odborných článků nebo zpráv, a připravovali další projekty. Dlouhodobá práce z domova ale pro výzkumný ústav našeho typu dobrá není. Naše práce je založena na spolupráci s lidmi, s odborníky z různých oborů a často i z různých zemí. Uzavřením laboratoří se zpřetrhají vazby mezi kolegy a to má za následek i pokles pracovního zápalu a vědeckých aktivit. To se bohužel u některých kolegů projevuje ještě dnes tím, že méně pružněji reagují na projektové výzvy a za CXI se pak podává méně projektových žádostí, než bych očekával. V předcovidové době nasmlouvané projekty a zakázky běžely dále, měli jsme peníze na výzkum i na výplaty. Pak ale staré projekty skončily nebo pomalu končí a nových, které potřebujeme pro další existenci, je méně. K tomu nám samozřejmě dělá vrásky neutěšená energetická situace. Naše laboratoře jsou závislé na plynu i elektřině, a tak je možné, že budeme v zimě nuceni opět pracovat v nějakém omezeném režimu. To by problémy z předešlého období prohloubilo. Napjatá energetická situace i válka na Ukrajině, a v důsledku toho nedobrý stav českého průmyslu, který některé své aktivity včetně spolupráce s vědeckými institucemi tlumí, a také příliš rychlý přestup na zelené technologie, které průmysl není schopen akceptovat, to vše může mít negativní vliv na oblast vědy a výzkumu,“ říká prof. Černík s tím, že i CXI TUL se bude muset v příštím roce vyrovnat s určitým finančním propadem. Mimo jiné také proto, že v loňském roce bylo vypsáno velmi málo výzev na nové projekty. Vypisování výzev se obnovilo až v letošním prvním pololetí a následný finanční propad se podle prof. Černíka projeví zhruba v polovině příštího roku.
Původně dva výzkumné směry
Pracoviště CXI TUL bylo podle prvního ředitele doc. Petra Tůmy vytvořeno na základě dvou směrů výzkumu, jejichž společným jmenovatelem je konkurenceschopné strojírenství a výzkum materiálů, především nanomateriálů. Těmto dvěma výzkumným programům, ve kterých liberecká univerzita dlouhodobě působí a získala v nich výrazné renomé i v zahraničí, odpovídala zpočátku i struktura Centra. Například v oblasti materiálového výzkumu se CXI zaměřilo na výzkum a aplikace nanomateriálů v medicíně, textilním průmyslu, ale i ochraně životního prostředí, kde liberečtí vědci dosáhli vynikajících výsledků například ve výzkumu a využití nanočástic železa pro sanace kontaminovaných podzemních vod.
Výzkumný směr Konkurenceschopné strojírenství
Výzkumný směr Konkurenceschopné strojírenství se zaměřuje na výzkum a vývoj nových materiálů, částí strojů, systémů a konstrukcí s velkým aplikačním potenciálem pro výrobní, zpracovatelský i automobilový průmysl. Úspěchem v oblasti strojírenství bylo například v roce 2015 dokončení vývoje servisního robotu Robotul Vertical Climber 02 s možností pohybu po hladké vertikální ploše, včetně záporně nakloněných stěn (například skleněný plášť budov, hladké stěny z nerezové oceli apod.). Vědecký tým pod vedeními doc. Františka Novotného tak reagoval na poptávku po zařízeních a nových technologiích, které umožní efektivním způsobem řešit problémy čištění, inspekční činnosti, montážní a další servisní aplikace. V roce 2017 bodovali liberečtí vědci na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně, když získali zlatou medaili v kategorii Inovační zpracovatelská technologie za unikátní linku pro výrobu lineárního kompozitního materiálu s obsahem nanovláken. Výjimečnost této několika patenty chráněné technologie spočívá ve využití střídavého napětí při zvlákňování polymerů. Nová technologie je chráněna několika českými patenty. Liberečtí vědci mají na kontě také robotické systémy určené pro medicínské a rehabilitační aplikace. Například tým prof. Aleše Richtera, který se věnuje vývoji neinvazivních lékařských přístrojů pro fyzioterapii a rehabilitaci, vyvinul ve spolupráci s Krajskou nemocnicí Liberec speciální systém podobný rotopedu umožňující realizovat rehabilitační zatížení nefunkčních končetin. „Vyvinuli jsme také systémy, které dokážou snímat kamerou srdeční frekvenci i základní vjemy a svalové potenciály. To využíváme ve spolupráci s lékaři při vývoji kolenní ortézy, která by měla být řízena přímo svalovými signály,“ říká prof. Aleš Richter. V současné době je prioritou uplatnění nových technologií a technologických postupů k zajištění vyššího stupně inovace průmyslové výroby s ohledem na Průmysl 4.0. „Příkladem může být spolupráce s německým Fraunhoferovým institutem, kde se zaměřujeme na využití nových přírodních a obnovitelných materiálů namísto plastů. Jedná se o průmyslový 3D tisk plastových dílů, dílů, které jsou od počátku plánovány jako plně recyklovatelné,“ dodává prof. Černík.
Materiálový výzkum
V materiálovém výzkumu se liberečtí vědci zaměřují především na aplikace nových materiálů v praxi v oblasti ochrany životního prostředí, zdravotnictví a průmyslu. Jedná se třeba o vývoj a aplikace biodegradabilních materiálů nebo o využití specifických vlastností nanovlákenných materiálů v kožním lékařství. Na CXI se také dlouhodobě řeší problematika čištění vod s ohledem na to, že zdroje vody jsou omezené. „Pro šetrné hospodaření s vodou je nutné přinášet nové technologie pro úpravu pitné vody, čištění odpadních vod a recyklaci. Zkoušíme například modifikace stávajících membránových materiálů či vývoj zcela nových membránových matric spočívajících v aplikaci různých nanočástic. Nadějně se jeví nanočástice oxidu zinečnatého, které nejsou považovány za toxické a mají velmi slibné a poměrně silné antimikrobiální účinky,“ upřesňuje vedoucí oddělení Mgr. Ing. Lukáš Dvořák, Ph.D. A jak zdůrazňuje prof. Černík, je nyní nutné materiálový výzkum — i s ohledem na probíhající konflikt na Ukrajině — ještě intenzivněji zaměřit na efektivní využívání místních surovin k recyklaci i na nahrazování materiálů na bázi ropy materiály přírodními. „Taková témata budeme podporovat a přispívat k jejich intenzivnímu rozvoji. Už delší dobu pracujeme na vývoji hybridních struktur na bázi přírodních levných biodegradabilních materiálů. To se aktuálně týká především plastových obalů, které neúnosně zatěžují životní prostředí. V této oblasti spolupracujeme se zahraničními kolegy, kteří mají o naše výsledky enormní zájem — konkrétně s univerzitou v Bangalúru v Indii,“ konstatuje prof. Černík.
Dva výzkumné směry nestačí, přibyly IT technologie
Výzkum v oblasti strojírenství se podle prof. Černíka výrazně zaměřuje na moderní technologie definované v iniciativě Průmysl 4.0. To představuje propojení klasických průmyslových výrob s moderními IT prvky, jako je senzorika, sběr velkoobjemových dat, příprav nízkoúrovňových i vysokoúrovňových průmyslových aplikací. To už se do původních dvou výzkumných směrů (materiálový výzkum a konkurenceschopné strojírenství) nevešlo. Proto na CXI přibyl v reakci na potřeby trhu třetí, velmi progresivní výzkumný směr, a sice IT Systémová integrace. Ten se zaměřuje na výzkum a vývoj moderních softwarových řešení, systémových řešení pro zpracování dat a integraci mezi systémy a zajištění komunikačních rozhraní. Nedílnou součástí směru je oblast robotiky včetně využití kolaborativních nebo senzitivních robotů, důležité je zavádění moderních prvků vizualizace a projekce měřených dat včetně využití smíšené (rozšířené) reality. Například v Laboratoři oddělení fyzikálních měření, která se zaměřuje na oblast experimentální mechaniky tekutin, probíhají pomocí laserů a digitálních kamer měření fyzikálních veličin pro účely optimalizace a automatizace průmyslových systémů, probíhá zde i experimentální výzkum fyzikálních dějů v různých technologických procesech. Propojením experimentů, počítačového modelování proudění a modální analýzy zde například vznikl návrh nového řešení vodní turbíny s rozšířeným provozním rozsahem. „Třetí výzkumný směr jsme zavedli z toho důvodu, že má vliv na všechny naše aktivity a přinese i zefektivnění výzkumu v obou původních výzkumných směrech. Jedním z důvodu také je, že chceme digitalizovat veškerou naši agendu. Vytvoříme rozhraní, jež umožní centrálně shromažďovat a ukládat data a metadata z přístrojů bez ohledu na software a nezávisle na člověku. Když budou metadata, která jsou s měřeními spojena, stále k dispozici nezávisle na jejich autorovi, zvýší to výrazně pružnost spolupráce a veškerého bádání. Je to nová oblast, kde se cítíme být silní a schopni přinášet nové poznatky,“ říká vedoucí Oddělení modelování procesů Ing. Jan Kočí, s tím, že CXI má v oblasti IT technologií již zajímavé zakázky z automobilového průmyslu. Na CXI například vyřešili systém sdílení aut (carsharing) uvnitř přední české automobilky nebo systém monitorovacích zařízení, které přesně ukazují výrobní postupy včetně montáže konkrétních dílů. Z této oblasti je také problematika digitálních dvojčat výrobních procesů, kde průmyslové podniky mohou ušetřit značné prostředky jednak optimalizací procesů, jednak hledáním technologických problémů či výpadků. Vědci z CXI již také prezentovali funkční prototyp vozítka s autonomními prvky pro velké haly či skladiště. Jedná se o kolaborativní vozítko, které se orientuje v prostoru výrobních hal, reaguje na pracovníky a optimalizuje svůj pohyb. Nyní vyvíjejí novou verzi, která bude jezdit i v náročném venkovním terénu, například na stavbách, dolech nebo na nezpevněných plochách.
K udržení činnosti jsou nutné projekty a smluvní výzkum
V průměru se na CXI TUL podle prof. Černíka řeší průběžně 70—80 výzkumných projektů ročně. „Konkrétně vloni nám běželo 77 projektů, především aplikovaného výzkumu ve spolupráci s průmyslovými podniky. Projektový příjem se pohybuje mezi 160—190 miliony korun,“ konstatuje prof. Černík s tím, že druhý největší ekonomický příjem Centra je ze smluvního výzkumu s průmyslem. Objem tohoto příjmu za posledních pět let činí mezi 50 až 70 miliony ročně, a i když vloni příjmy ze smluvního výzkumu klesly přibližně o 10 %, řadí se CXI TUL stále mezi nejúspěšnější výzkumná centra v oblasti smluvního výzkumu. „Z hlediska chodu výzkumného centra to jsou rozhodující ekonomické ukazatele, které se snažíme dlouhodobě udržovat. Ale musíme také pružně reagovat na trh a akceptovat změny témat. To je dynamický proces, který nás provází celých deset let,“ konstatuje prof. Černík.
Mezinárodní spolupráce
Vedení CXI TUL od samého začátku podporuje mezinárodní spolupráci. Vědecky zde pracuje zhruba třicet doktorandů a mladých vědeckých pracovníků ze zahraničí. Vědečtí pracovníci v rámci řešení projektů vyjíždějí do zahraničí a získávají tam poznatky, které se pak projeví ve společném výzkumu i ve společných publikacích. „Silná tradice ve výzkumu, kterou má Česká republika v řadě oblastí, už nestačí. Čeští vědci potřebují získávat nové pohledy a přístupy a srovnávat se se světem. Pracuje u nás třeba indický dr. Vinod Vellora Thekkae Padil se zkušenostmi z Národní univerzity v Singapuru v oblasti využití nových materiálů v tzv. zelených syntézách s více než 10 odbornými publikacemi v impaktovaných časopisech nebo doc. Stanislaw Waclawek z Polska, který má ve svých 35 letech již téměř 90 impaktovaných publikací, patenty a zkušenosti s řešením projektů v oblasti environmentální chemie. V současné době je výraznou posilou v oddělení nanochemie dr. Christopher Hobbs, který k nám přijel vědecky pracovat až z Austrálie. Řešíme mezinárodní projekty na bázi českého financování, to jsou projekty Interexcelent. Ale máme i mezinárodní projekty v rámci programu Horizon Europe či Horizon 2020. Jsme řešiteli mezinárodního projektu v rámci programu LIFE, který se zaměřuje na čištění vod od pesticidů. Izomerů pesticidu lindanu je na celém světě nesprávně uloženo více než 4 miliony t, jen u nás okolo 4 tisíc t a my ověřujeme způsob čištění vod za pomoci podporovaných přirozených procesů v unikátním systému Wetland+, který má i svou ochrannou známku. Od ledna příštího roku začínáme realizovat ve spolupráci s kolegy ze Španělska, Itálie a Velké Británie projekt Twining v oblasti radioaktivního znečištění a využití surovin po těžbě uranu. Takových lokalit je u nás taky několik a možnost získání surovin z těchto vytěžených hald je výzva nejen pro zlepšení životního prostředí, ale i pro získání těchto surovin. Mezinárodní spolupráce je pro vědeckou práci nezbytná a nově navazované kontakty pak bezesporu přinášejí často i nečekané výsledky na poli vědy i v průmyslové praxi. Jsem přesvědčen, že kvalitní věda a výzkum musí unést mezinárodní konfrontaci. Počet zahraničních kolegů u nás roste a patří k těm nejlepším, nejvíce motivovaným a nejaktivnějším kolegům,“ říká prof. Černík. Přínosem je podle něj i to, že na ústavu se vytvořilo tolerantní mezinárodní prostředí, a to nejen jazykové, ale i kulturní a náboženské.
I při nejisté budoucnosti se rýsují zajímavé aktivity
V uplynulých deseti letech zaznamenalo CXI TUL řadu úspěchů, ale ve výhledu na příští roky připouští prof. Černík určité obavy vzhledem k současnému stavu českého průmyslu, který mimo jiné devastují i vysoké ceny energie. „V důsledku toho došlo k poklesu spolupráce s průmyslovými podniky zhruba o 10 % a bohužel se to týká tradiční průmyslové výroby: strojírenství a konstrukce strojů. Možná budeme muset svoji činnost částečně utlumit, možná i snížit počet zaměstnanců. A ti stávající se budou muset rozhlédnout po nových tématech, nových průmyslových či zahraničních partnerech. Věřím ale, že si na sebe vyděláme a udržíme naši vysokou úroveň,“ říká prof. Černík s tím, že CXI podalo přihlášku do několika zajímavých projektů. CXI prošlo prvním kolem projektu Teaming a podalo plnou projektovou žádost do druhého kola. „Projekt předpokládá intenzivní spolupráci se třemi Fraunhoferovy ústavy z Německa. Takový projekt by postavil naše centrum na novou, podstatně vyšší úroveň, protože jeho cílem je vytvořit evropské centrum excelence, kde bychom mohli zúročit naše zkušenosti z výzkumu, a ještě více se ve světě zviditelnit,“ nastiňuje Miroslav Černík.
Ne všechna výzkumná centra splnila očekávání
V uplynulých letech bylo založeno zhruba 50 výzkumných center, do kterých se vložily nemalé prostředky ze státního rozpočtu i z rozvojových fondů Evropské unie. Část z nich už neexistuje, ale podle prof. Černíka to přesto byl dobrý počin, který si zaslouží další pozornost. „Myslím, že centra, která prokázala životaschopnost a stále fungují, jako to naše, přinesla ve vědě a výzkumu hodně pozitivního. A pokud se investovalo do jejich vzniku a rozjezdu, tak by měl existovat nějaký program na jejich podporu. Ne na podporu výzkumných aktivit či na platy lidí — to je závislé zcela na jejich schopnostech. Podpořit by se ale měla obnova jejich vybavení, které za těch 10 let fyzicky i morálně zastaralo. To je obecně základní problém i úspěšných center. Jsme schopni pokrýt svůj provoz i postupně dokupovat některá zařízení. Pořídili jsme např. 3D tiskárny za svoje nebo si sehnali zdroj na NMR spektrometr, ale tempo obnovy není zdaleka dostačující. Bylo by samozřejmě dobré, kdyby do výzkumných center, stejně jako v jiných vyspělých zemích, investovaly i průmyslové podniky. To je u nás ale zatím běh na dlouhou trať. Ale už se stalo, že přišel průmyslový partner s myšlenkou pořídit si vybavení, které u nás umístí, a budeme ho společně využívat, ale je to jen první ojedinělá vlaštovka,“ říká prof. Černík. Zároveň upozorňuje na to, že obecným problémem univerzit je v komercionalizaci patentů. Vědci dotáhnou svůj výzkum až do patentového řízení a pak je často problém, co s tím dál, a spousta těch patentů a průmyslových vzorů zbytečně končí v šuplíku. „Technická univerzita v Liberci založila nový podnik, The University Company TUL (TUC TUL), který se bude touto problematikou zabývat a zasadí se o efektivní přenos vědeckých poznatků a inovativních technologií do praxe. Bude s vědci spolupracovat na vyhledávání komerčních partnerů, dojednávání licencí nebo zakládání spin- -off společností. To je dobře; kdyby se jen desetina patentů a průmyslových vzorů dostala na trh, výrazně by to zlepšilo ekonomickou situaci univerzity i našeho výzkumného centra,“ uzavírá prof. Černík. /Jaroslava Kočárková/
