Za výrobou mikrosenzorických vláken, ktoré sa dajú použiť v doprave, stavebníctve aj v medicíne, stojí profesor Rastislav Varga.
Zamestnanci RVmagnetics (zľava) Mgr. S. Nalevanko, Ing. V. Marhefka, R. Varga, T. Hovhannisyan na výstave JEC 2022 v Paríži, kde sa dostali do finále startupovej súťaže. Zdroj: RVmagnetics
Profesor Rastislav Varga, vedúci Centra progresívnych materiálov na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach (UPJŠ), už 25 rokov skúma magnetizmus a hľadá nové možnosti jeho využitia v priemysle. Projektu senzorických vláken tenších ako ľudský vlas, ktoré sa dajú uplatniť v mnohých priemyselných odvetviach aj v medicíne, sa venuje zhruba 12 rokov. Priviedli ho k založeniu startupu RVmagnetics, ktorý tento rok začal na seba strhávať pozornosť aj vo svete.
Senzor, ktorý ste vyvinuli, je mikrovlákno s priemerom v rozmedzí od 1 po 50 mikrometrov zložené z kovového drôtika obaleného v skle. Ako ste sa k nemu dopracovali? Hľadali ste riešenie pre niečo konkrétne alebo sa to stalo náhodou?
Spôsob výroby takého vlákna ľudia vyvinuli začiatkom minulého storočia, ale nápad použiť ho ako senzor prišiel až v tomto tisícročí. Z fyzikálneho hľadiska som sa ním vážnejšie začal zaoberať v rámci postdoktorandského štúdia na Španielskej akadémii vied v Madride, keď som o svojom výskume napísal článok. Odovzdal som ho šéfovi a na druhý deň mi prišiel povedať, že je pekný a že ho môžeme poslať na publikovanie, ale že pred rokom publikoval článok o podobnom probléme, v ktorom aplikoval také isté merania ako ja, pričom dostal iné výsledky. Poprosil ma, či by som preveril, ako je to možné.
Zistil som, že môj šéf meral predsa len trošku v iných podmienkach. No keď som pre porovnanie opakoval jeho pokus a potom môj, pochopil som, prečo v jeho experimente beží doménová stena v spomínanom mikrovlákne ináč ako v mojom. Takže som spoznal ďalší parameter, ktorým viem ovplyvňovať chod doménovej steny, a hneď som o tom napísal ďalší článok.
Čo je doménová stena?
Nachádza sa medzi dvoma oblasťami drôtu, ktoré sú zmagnetizované v opačnom smere. Tento náš kovový drôtik obalený sklom sa totiž správa ako tyčový magnet, čiže má dva póly – severný a južný. Na doménovej stene je okrem iného zaujímavé aj to, že beží cez drôt, ale v skutočnosti je nehmotná, je to len neviditeľná konfigurácia magnetických momentov (viac o magnetickom momente sa dozviete TU, pozn. red.). Navyše sa dokáže pohybovať rýchlosťou 20 kilometrov za sekundu, čo je extrémne rýchlo.
Z magnetického pohľadu je to dôležité, lebo čím je rýchlejšia doménová stena, tým účinnejšie sú transformátory, v ktorých máte doménových stien milióny. Pri elektromotoroch zase chcete, aby sa vôbec nehýbala. Keďže transformátory a elektrické motory sú v súčasnosti jedným z riešení energetiky (šetrenie energie, elektromobilita), je výskum doménových stien veľmi dôležitý.
V Španielsku sme vtedy študovali doménovú stenu preto, lebo sme ju chceli využiť pri konštrukcii v mikrosenzoroch na meranie teploty alebo tlaku. Ja som si však postupne uvedomoval ďalšie a ďalšie fyzikálne súvislosti, od ktorých pohyb doménovej steny závisí. Ich vysvetľovanie by bolo zdĺhavé, ale vďaka nim som pochopil, že tieto „drôtiky v skle“ by sa dali využiť na výrobu senzorov schopných merať viacero druhov fyzikálnych vlastností naraz. A odvtedy sa nimi zaoberám.
Z výsledkov môjho deväťmesačného pobytu v Madride som publikoval deväť karentovaných článkov a doménovú stenu sa mi podarilo pochopiť natoľko, že teóriu, ktorú som o nej vtedy vypracoval, dodnes používajú do zadaní ŠVOČ-iek (Študentskej vedeckej odbornej činnosti) aj študenti v Brazílii. A hoci mám citácie aj vo vedeckom magazíne Nature, najviac si vážim citácie zo zadaní ŠVOČ. Teším sa totiž, že mi rastie generácia študentov, ktorí sa učili z mojich zistení.
Senzorické mikrovlákna tenšie ako vlas sú témou projektu RVmagnetics. Zdroj: RVmagnetics
Meranie viacerých druhov fyzikálnych vlastností dáva vašim senzorickým mikrovláknam širokú škálu využitia. Ide vždy o ten istý druh senzoru alebo sú viaceré?
Jedno senzorické mikrovlákno vie merať teplotu, tlak a magnetické pole aj všetko ostatné, čo sa dá previesť na tieto veličiny. Napríklad ak ho položím vedľa vodiča s elektrickým prúdom, môže merať spotrebu elektriny, pretože prúd vytvára magnetické pole. Ak ho vložím do špongie na riad, ktorá sa pri nasávaní vlhkosti trochu natiahne, čím aplikuje ťah na drôt, dokáže merať vlhkosť. Keď však chcem merať spotrebu elektriny, vyrobíme pre mikrosenzor drôt s iným chemickým zložením, než keď chcem merať vlhkosť. Ale spôsob, akým sa vyrába, je taký istý.
Ako by sa dal RVmagnetics využiť v doprave
Jednou z možností, kde sa dajú tieto mikrosenzory využiť, je vraj doprava. Môžete priblížiť ako konkrétne?
Ich prostredníctvom sa dá na automobile monitorovať množstvo parametrov, funkcia motora, vibrácie konštrukcie, váha. Samozrejme, za predpokladu, že sa tieto dáta prenášajú do počítača. Keď sme vložili naše senzory na povrchy tlmičov v nákladnom aute, vedeli sme zistiť váhu nákladu, ako je rozložená hmotnosť, či auto vibruje. Podľa frekvencie vibrácií sme mohli dokonca zistiť, či sú na ceste diery alebo či je poškodené auto.
To znamená, že ak by boli vaše mikrosenzory nainštalované na rôzne súčiastky auta, šofér by mohol byť včas informovaný napríklad o tom, že sa prehrieva motor alebo zlyháva karburátor?
Áno. Rád ich schopnosti prirovnávam k ľudskej koži, pretože v nej máme nervy, ktoré slúžia ako senzory tlaku, tepla a chladu, a vďaka nim vieme aj poslepiačky ohmatať svet. Nemám na mysli len jeho tvary a rozmery, ale vďaka tomu, že každý materiál odovzdáva teplotu inou rýchlosťou, vieme odlíšiť napríklad drevo od kovu.
Senzorické mikrovlákna RVmagnetics dokážu snímať viaceré fyzikálne veličiny. Zdroj: RVmagnetics
Rozmery našich mikrosenzorov sú porovnateľné s rozmermi ľudských nervov, dokonca sú citlivejšie na teplotu a tlak. Ak by ste napríklad do motora auta dali toľko mikrosenzorov, koľko máte nervov v ruke, bolo by to podobné, obrazne povedané, akoby ste v ňom mali ruku. Dalo by sa povedať, že ste dali predmetu nervy.
Alebo si predstavte takzvaný smart house (inteligentný dom, pozn. red.), v ktorom sú senzory v podlahe, na stenách, na nábytku. Máte dieťa?
Áno.
Koľko má rokov?
Dvadsať.
No tak si predstavte, že odídete na služobnú cestu a necháte ho doma samo. O chvíľu vďaka senzorom nalepeným po celom dome zisťujete, že podlaha vibruje, teplota v dome stúpa, sedačka zvlhla. Je jasné, že v dome je večierok, na ktorom sa tancuje, fajčí a niečo sa vylialo na sedačku, hádam len nie červené víno…
Predstavte si inú situáciu: ste doma a vaše dospievajúce dieťa je zavreté vo svojej izbe, kde leží na posteli s tabletom. Chcete sa s ním porozprávať, ale netušíte, akú bude mať práve náladu. Ako vieme, nadviazať rozhovor s človekom v tomto veku je ťažké. No ak by v jeho izbe boli senzory, zistili by ste to veľmi rýchlo. Vibruje v nej posteľ a podlaha? Znamená to, že dieťa je nervózne, lebo kope nohou a na rozhovor nie je správna chvíľa.
Kedy budú takéto smart housy dostupné?
Je tu jeden problém, pre ktorý zatiaľ mikrosenzory nevyužívame v takom širokom spektre, ako opisujem. Novorodenec má také isté množstvo nervov ako dospelý človek, ale mozgu trvá desať rokov, kým sa naučí rozvinúť jemnú motoriku. Zatiaľ nemáme počítač, ktorý by bol taký výkonný ako ľudský mozog a vedel by to kvantum informácií, aby ich mikrosenzory v jednom dome mohli spracovávať a vyhodnocovať v reálnom čase. Na tomto probléme však pracujú kolegovia informatici.
O testoch pre zdravotníctvo
Dokázali by tieto mikrosenzory nahradiť nervy v končatine ľuďom, ktorí o ňu prišli alebo sa narodili bez nej?
Priblížme si spojenie mozgu a ruky. Vyšmykne sa vám z ruky vajce a v priebehu necelej sekundy si uvedomujete, že ho chcete chytiť, ale že ho pri tom nesmiete príliš stlačiť, lebo by ste ho mohli rozpučiť, a ešte to aj všetko vykonáte. Toto ešte dnešné počítače nedokážu. Takže teoreticky to možné je, ale takisto platí to, čo pri smart house, že najprv musíme vyriešiť problém so spracúvaním množstva informácií v reálnom čase.
Zisťovali ste, či by sa vaše mikrosenzory dali použiť pri operáciách miechy. Prečo práve miechy? Aké výsledky vám to prinieslo?
Cieľom bolo zistiť, či by sa dali použiť pri zvlášť chúlostivých operáciách, akou je aj operácia miechy, kde môže monitorovanie teploty v okolitých tkanivách pomocou mikrosenzora včas signalizovať napríklad stúpanie teploty, teda vznikajúci zápal. Testovali sme ich na štyroch laboratórnych potkanoch, ktorým sme ich voperovali vedľa miechy. Obával som sa, že im bude brániť v pohybe, ale nie, ten „drôt“ je natoľko flexibilný, že potkany sa pohybovali rovnako zdatne ako bez neho. Keď sme ich po deviatich mesiacoch otvorili, zistili sme, že „drôtik“ im vrástol do miechy. Škoda len, že po tých deviatich mesiacoch ich humánne usmrtili, lebo nebolo v pláne živiť ich dlhšie. Ale to už je iný problém.
Senzorickými mikrovláknami by sa v zdravotníctve dal merať prietok krvi, dýchanie, tlak, teplota. Zdroj: RVmagnetics
Už po laboratórnych testoch v Petriho miskách, ktoré tomu predchádzali, sme videli, že v živnom roztoku s ľudskými tkanivovými bunkami mikrosenzor vrástol do tkaniva a tvoril jeho súčasť. Znamená to, že mikrosenzory sú biokompatibilné s bunkami ľudského tkaniva. U potkanov sa nám to potvrdilo, ale prekvapilo nás, ako bezproblémovo ho znášali.
Takisto by sa pravdepodobne mohli použiť v mozgu na monitorovanie teploty alebo tlaku v prípade riskantných nádorov. Mám na mysli nádory, ktoré je príliš riskantné odoperovať, ale momentálne nerastú. V takom prípade by k nim lekári mohli voperovať náš mikrosenzor a pacient by si každé ráno na hlavu priložil malú „škatuľku“, ktorá by odmerala, či nádor stále vegetuje, alebo začal rásť. V súčasnosti sa to robí tak, že každé tri mesiace pacienta objednajú na magnetickú rezonanciu, ale keď nádor začne rásť práve po nej, zistí sa to až po ďalších troch mesiacoch, a to už môže byť neskoro.
Ale aby sme vo výskume mohli prejsť k experimentom na človeku, potrebujeme najprv sedem rokov experimentov na myšiach. Znamená to, že potrebujeme investora ochotného čakať, kým projekt prejde všetkými fázami klinického výskumu, čo môže trvať aj desať rokov.
Vďaka čomu dokáže vedec vytrvať
Tento rok ste s RVmagnetics zaujali na niekoľkých startupových súťažiach. Na festivale ViennaUP 22, jednom z najväčších startupových festivalov v Európe, ste sa v júni stali víťazom v rámci súťaže EIT Manufacturing BoostUp! CLC East 2022 v kategórii Supercharge. V tom istom mesiaci sa váš startup stal aj finalistom súťaže Best of Sensor Awards 2022 v Kalifornii v San José v kategórii Inovatívny produkt roka. Pomáhajú takéto udalosti projekt zviditeľniť?
Tieto prezentácie sú pre nás výhodné preto, lebo na nich stretávame ľudí z firiem, ktoré hľadajú inovácie, alebo ľudí, ktorí nás vedia s takými firmami skontaktovať. Na súťaži vo Viedni sme sa takto stretli aj pani Erikou Hlavatou, Národným kontaktným bodom pre program Horizont Európa, čo je program, ktorý podporuje výskum a inovácie cez medzinárodné, najmä európske spolupráce. Keďže nás veľmi zaujímajú medzinárodné spolupráce, bolo to prínosné stretnutie, ktoré predstavilo aj ďalšie možnosti, ako sa dá rozvíjať a napredovať aj cez tento program.
Nemôžem totiž len tak prísť do nejakej firmy, napríklad do Airbusu, a povedať, dobrý deň, ja som profesor, z Košíc dokonca, a mám mikrosenzory, ktoré by mohli zabrániť jeho zrúteniu, ak by ho mal na krídlach. Nepustili by ma ďalej ako po vrátnicu.
Svoj projekt popularizujete už viac ako desať rokov. Podarilo sa vám za ten čas nájsť nejakých zákazníkov?
Väčšinou máme zákazníkov, ktorí si chcú otestovať, či by sa ich výrobok dal vďaka našim mikrosenzorom v budúcnosti zlepšiť. Znamená to, že im vyrobíme nový, lepší prototyp, ale jeho realizáciu napokon odložia na neskôr. Máme však aj také projekty, ktoré asi pôjdu do výroby, len to ešte nejaký čas potrvá.
Z čoho zatiaľ váš startup žije?
Na začiatku bol takzvaný anjelský investor, pilot Michal Ondruš. Potom predal časť podielu Fondu inovácií a technológií (FIT), ktorý náš startup podporil investíciou, ktorú zároveň ekonomicky zhodnotil a predal so ziskom ďalej. Peňazí na trhu je dosť, máme ponuky od finančných investorov, ale už hľadáme skôr zákazníkov, prípadne strategických investorov so znalosťami z konkrétnych odvetví.
Čo vám dáva silu vydržať v tejto pozícii tak dlho, hľadať ďalšie inovácie a veriť, že raz prídu zákazníci, ktorí neostanú len pri prototypoch, ale posunú váš nápad do výroby a na trh?
Dáva nám ho záujem, mimochodom, väčšinou zo zahraničia. Napriek tomu, že ešte nevyrábame sériovo, respektíve, že produkty sú v podobe prototypov, v danom okamihu máme toľko projektov, že niektoré budeme realizovať až v budúcom roku.
