Česká republika v rámci projektu Česká cesta do vesmíru připravuje misi astronauta Aleše Svobody na Mezinárodní kosmickou stanici (ISS). Její součástí bude také 13 experimentů českých výzkumných institucí, univerzit a technologických firem, které využijí unikátní podmínky mikrogravitace pro výzkum v oblasti medicíny, materiálových věd, biotechnologií a pokročilých technologií. V tomto seriálu vám je postupně představíme.
Jedním z experimentů, které poletí do vesmíru s druhým českým kosmonautem Alešem Svobodou, je i projekt CONREX (Czech orbital nanorobots experiment) probíhající ve spolupráci Vysoké školy Báňské — Technické univerzity Ostrava (VŠB-TUO) a průmyslového partnera TRL Space (Technology Readiness Level — úroveň připravenosti technologie). Cílem je testování autonomního systému magnetických nanorobotů při práci s biofilmy v mikrogravitaci.
VŠB-TUO se věnuje vesmírnému výzkumu dlouhodobě, zaměřuje se v něm zejména na propojování technologií, biomedicíny, radiačního měření, optimalizačních algoritmů, zpracování obrazu (image processing), umělé inteligence (AI) a nanorobotiky. Není proto divu, že se světově zcela ojedinělý projekt CONREX zrodil právě zde a spojil nejvýznamnější osobnosti oboru. Za Fakultu elektrotechniky a informatiky (FEI) VŠB-TUO se na něm podílí mezinárodní výzkumná skupina Advanced Nanorobots & Multiscale Robotic Lab pod vedením Martina Pumery a tým z Katedry kybernetiky a biomedicínského inženýrství, jejž i jako hlavní řešitel vede děkan fakulty Radek Martinek. Podle jeho slov CONREX navazuje na předchozí výzkumy a vůbec poprvé je rozšiřuje do prostředí mikrogravitace.
„Jen díky tomuto výjimečnému interdisciplinárnímu spojení můžeme řešit projekt komplexně od návrhu elektroniky a řídicích systémů přes zpracování dat až po vývoj autonomních algoritmů. Na projektu spolupracují experti z více kateder a využíváme také specializované laboratoře, které umožňují testování a vývoj jednotlivých částí systému,“ říká Radek Martinek na úvod.
Klíčovým subjektem je však také brněnská společnost TRL Space, která komerčně vyrábí a dodává satelity a průzkumné sondy pro mise do vesmíru. Celý projekt by se tak dal „opticky“ rozdělit na tři samostatné pracovní části, které se spojují v jednom zařízení: v autonomně řízené laboratoři, modulu o velikosti 10 × 10 × 20 cm, v níž se bude nacházet mikroskop, cívky pro generování magnetického pole, nosič a posuvník destičky se vzorky, interní elektronika, motor, senzory a chladič s ventilátorem.
Tento modul pak bude spolu s dalšími experimenty umístěn na ISS v takzvaném inkubátoru, jenž poskytuje spojení se Zemí, napájení a stabilní teplotu.
Nanoroboti řízení kvantovým počítačem VLQ
Zcela unikátní experiment bude paralelně probíhat jak na ISS, tak i na totožném druhém zařízení v laboratoři zde na Zemi, aby bylo možné porovnávat výsledky z obou prostředí. Cílem je ověřit, jak efektivně dokážou v místě s téměř nulovou gravitací nanoroboti řízení za pomoci magnetického pole odstraňovat biofilmy vzniklé koloniemi bakterií.
Pro pochopení toho, proč je takový výzkum nutné přesunout do vesmíru, je třeba si uvědomit, že je to právě gravitace, která ovlivňuje proudění kapalin, růst biofilmů, a způsobuje tedy i usazování částic v nich.
„Experiment na ISS se zaměřuje na výzkum chování nanorobotů v mikrogravitaci a jejich interakci s perzistentními biofilmy, které způsobují infekce nebo zanášení filtračních systémů. Prostředí beztíže nám umožňuje sledovat jevy, které jsou na Zemi překryty působením gravitace. Výsledky přispějí nejen k rozvoji technologií pro budoucí kosmické mise, ale také k novým řešením v oblasti čištění vody a boji s antibiotickou rezistencí,“ vysvětluje smysl experimentu Martin Pumera a dodává, že nanoroboti umějí chemicky i mechanicky ničit bakteriální kolonie, které odolávají antibiotikům nebo je velmi obtížné je odstranit, například z pórů filtračních systémů. „Jsou velcí zhruba jako virus, můžeme je přesně řídit pomocí magnetického pole a zasahovat s nimi proti bakteriím i biofilmům v těžko dostupných místech,“ doplňuje.
Celý pokus bude probíhat v předepsané délce 2—10 dnů uvnitř modulu na speciálně navržené, zhruba 0,5 cm dlouhé matrici s 15 kanálky o objemech vždy jeden mikrolitr. V každém z nich bude připraven roztok s bakteriemi E-Coli v různých stadiích růstu a zároveň s miliony nanorobotů.
„V několika kanálcích budou bakterie v raném stadiu růstu, v dalších ve středním a nebudou chybět ani starší, a tedy robustnější biofilmy tvořené většími shluky bakterií. To je důležité proto, abychom zjistili, s jakými vrstvami si nanoroboti ještě dokážou poradit,“ vysvětluje jeden z řešitelů projektu Milan Skula z elektrotechnického týmu z VŠB-TUO s tím, že celý experiment bude možné pozorovat instalovaným mikroskopem.
V okamžiku, kdy český kosmonaut zasune na ISS výzkumný modul do inkubátoru, se nanoroboti zaktivují a bude je možné řídit pomocí změn magnetického pole. Projekt CONREX je světově jedinečný i proto, že k řízení vědci využijí kvantový počítač VLQ, spuštěný v IT4Innovations při VŠB-TUO.
„Využijeme ho k optimalizaci řídicích signálů, čili k úpravě pohybů nanorobotů: ke změně trajektorie, frekvence, směru otáčení, rychlosti a podobně. Jakmile dostaneme z ISS první audiovizuální materiál a data z našeho experimentu, bude nachystán optimalizační algoritmus, který nám na základě získaných dat zlepší účinnost čištění biofilmu,“ říká dále.
Vzhledem k tomu, že v experimentu se pracuje s biologickým materiálem, který se v čase mění, bylo podle Milana Skuly důležité mít takzvaně plán B pro případ, že by došlo k odložení startu letu. Pokud by bylo zpoždění příliš dlouhé, vzorky uložené na palubě by se znehodnotily a experiment by vůbec nemohl proběhnout.
„Proto budeme k letu odesílat dva moduly, přičemž ten jeden bude čekat mimo raketu v chladnějších podmínkách, které zpomalují biologickou aktivitu. V momentě, kdy by vlivem odložení startu a průtahů expiroval první vzorek čekající na odlet, můžeme jej vyměnit za záložní.“
Laboratoř šitá na míru požadavkům ESA
Další velkou výzvou, již museli vědci i jejich průmyslový partner v rámci projektu řešit, jsou například požadavky ESA na maximální velikost a hmotnost modulu spolu s požadavky na užité materiály. Tým Martina Pumery sice ve své laboratoři funkční experimentální zařízení má, avšak jeho konstrukce a zejména rozměry nejsou pro tuto cestu do vesmíru vhodné.
„Jedním z úkolů, který jsme s TRL Space řešili, bylo tedy celé laboratorní zařízení skutečně velkých rozměrů zmenšit na pár desítek centimetrů a nahradit užité materiály těmi, které jsou vesmírnými agenturami povoleny. V prvotních úvahách měl navíc astronaut manuálně zaostřovat mikroskopem a vzorky měnit. Nakonec jsme se ale rozhodli zařízení zautomatizovat, aby experiment mohl probíhat bez lidského zásahu, protože čas astronauta je velmi cenný a bylo by to i administrativně daleko náročnější,“ pokračuje Milan Skula, který se se svými kolegy Dominikem Grzegorzem a Davidem Valou věnují nejen softwarové a hardwarové integraci, ale také vývoji a optimalizaci mechanického návrhu a řízení cívek, která je v podstatě klíčovým prvkem celé malé vesmírné laboratoře.
V původním návrhu, který ještě nepočítal s autonomním fungováním, byla totiž nejprve využita cylindrická cívka. „Jenomže když jsme se v průběhu příprav rozhodli, že uděláme modul autonomní, zjistili jsme, že při užití této cívky bychom neměli prostor na instalaci mechanismu pro automatický posun matrice. Proto jsme se nakonec rozhodli využít Helmholtzovu cívku, kterou jsme ale museli optimalizovat tak, aby při své menší velikosti dokázala generovat potřebné magnetické pole 5 mT a zároveň udržela předepsanou hmotnost a nevytvářela příliš tepla, které by zničilo biologické vzorky v mikrokanálcích,“ říká dále s tím, že právě proto bylo také důležité myslet na správně konfigurovaný systém chlazení a odvětrávání, který ale nesměl být příliš velký ani těžký.
Navíc tři páry cívek potřebovaly i stejný počet závitů. „Což asi není v našich silách udělat stoprocentně přesně, protože je namotáváme ručně a svou roli hraje i zahuštění. Proto mírné nedokonalosti magnetického pole u každého páru musíme korigovat softwarově.“
Vzhledem k tomu, že vědecké zadání a vývoj v laboratoři se může lišit od možné aplikovatelnosti pro let do vesmíru, je účast zkušeného průmyslového partnera TLR Space nesmírně důležitá. S ohledem na své know-how má společnost na starosti nejen projektový management a administrativu spojenou s požadavky a standardy ESA/NASA, ale také návrh architektury celého zařízení včetně tvaru matrice, na níž bude vlastní experiment probíhat, dále včetně elektroniky a k tomu ve spolupráci s VŠB-TUO také vývoj řídicí softwarové platformy.
Projekt CONREX nyní přechází z fáze prvotních návrhů do fáze detailního inženýrského návrhu, který určí finální podobu modulu, a podle Martina Lontrase, konstruktéra z TRL Space, je na něm jednou z nejtěžších částí právě jednání s ESA, zejména v otázce užitých materiálů. „Ty totiž musejí být absolutně nehořlavé, což je problém u řady plastů, takže s jejich využitím bojujeme prakticky vždy, když konstruujeme zařízení, které má letět do vesmíru. Dále se v požadavcích hodně řeší povrchy, nesmí se na nich zachytávat prach ani jiné částice. V podstatě musejí být téměř bezúdržbové. A velkou pozornost agentury věnují křehkosti materiálů, což v našem případě přineslo komplikace do volby mikroskopu. Hodně jsme řešili, jakou čočku může mít, když nesmí být ze skla, a zároveň musí být z nehořlavého materiálu,“ popisuje náročnost standardů, které musí projekt splnit.
Zajímavým bodem z pohledu architektury a konstrukce byl i samotný návrh matrice s mikrokanálky, který měla na starosti rovněž společnost TRL Space. Matrice pro vědecké aplikace na trhu sice existují, ale opět — jejich rozměr a počet vlastních kanálků byl pro potřeby projektu CONREX nevyhovující.
„Zadání z VŠB-TUO znělo, abychom na matrici kanálků umístili co nejvíce, takže jsme je museli v ploše určitým způsobem přeskládat a zahustit, abychom dokázali tento požadavek splnit. Výsledek je konstrukčním kompromisem mezi jejich množstvím a požadovanými funkčními vlastnostmi,“ doplňuje Martin Lontras.
Na ISS míří také druhý projekt VŠB-TUO
VŠB-TUO však nepracuje v rámci programu Česká cesta do vesmíru pouze na projektu CONREX. Ve spolupráci s Fakultou sportovních studií Masarykovy univerzity (MU nebo též MUNI), který je hlavním řešitelem, a průmyslovými partnery EGMedical a G. L. Electronic vyvíjí ISS T-Shirt neboli chytré tričko pro monitorování stresu astronauta, které bude Aleš Svoboda nosit po dobu své mise.
„Chytré tričko s integrovanými senzory dokáže v reálném čase snímat fyziologické parametry, sbírat a ukládat data, která se přenesou pro analýzu na Zemi. Technologie má široký aplikační potenciál, může nám pomoci lépe sledovat reakce člověka na stres a zátěž,“ vysvětluje za tento projekt Radek Martinek. Tričko kromě jiného zvládne i vypočítat takzvanou stresovou entropickou zátěž (SEL), což je na Masarykově univerzitě vyvinutá termodynamická metrika.
Cesta tohoto projektu na ISS je důležitá zejména proto, že změny termoregulace, kardiovaskulárních odpovědí či metabolických dějů v těle vlivem působení mikrogravitace nelze na Zemi plně simulovat. Astronaut bude nosit tričko v rutinních scénářích i v těch s vyšší zátěží. Zařízení bude sbírat a ukládat data, která se následně přenesou na Zemi, kde je budou dále vědci analyzovat. Ověří se tak přesnost senzorů v mikrogravitaci, ergonomie, komfort a provozní spolehlivost při reálných činnostech na stanici.