Výzkumný tým: VŠB-TUO

Tým pod vedením Martina Pumery pracuje na vývoji mikro a nanorobotů pro léčbu astronautů. Od roku 2020 vyvíjí spolu s firmou SAB Aerospace systém na testování pohybu nanorobotů. Zaměřuje se rovněž na nositelné senzory pro sledování vitálních funkcí astronautů a 3D tisknutelné robotické systémy pro výrobu nástrojů ve vesmíru. Jeho tým se ve spolupráci s JPL/Caltech podílel na vývoji Lab on Chip analyzátoru pro misi na Mars, s potenciálním využitím na Jupiterův měsíc Europa, s cílem detekovat membrány buněk, resp. fatty acids. Analyzátor měl být součástí sondy Cryobot a byl designován na použití na polárních čepičkách Marsu a na Europě. Byl testován v grónských ledovcích a dostal se do Top 10 projektů v selekci NASA (Cryobot, více zde https://en.wikipedia.org/wiki/Cryobot; https://www.jpl.nasa.gov/images/pia25314-cryobot-for-ocean-worlds-exploration-illustration ).

Monitorování astronautů během pobytu ve vesmíru představuje výzvu v mnoha oblastech, jelikož je třeba astronauta snímat s co nejmenší zátěží a omezením v pohybu a zároveň zachovat co nejvyšší kvalitu snímání společně s vhodným zpracováním dat a jejich co nejpřesnější a zároveň nejuniverzálnější interpretací. Podle již proběhlých studií jsou některé fyziologické parametry astronautů pobytem v mikrogravitaci a vystavením se stresovým situacím pozměněny, dochází mimo jiné ke změnám v srdeční aktivitě, složení kostní tkáně nebo atrofii svalů. Proto je nezbytné pravidelně či dokonce neustále monitorovat řadu fyziologických parametrů. Běžně používané metody pro monitorování ve zdravotnické péči často nejsou na vesmírné stanici či během letu aplikovatelné, proto musí být vhodně upraveny. Vyvíjejí se specializované monitorovací technologie, jako nositelné senzory upevněné k tělu astronauta pásky na suchý zip nebo senzory integrované do postrojů či oblečení. Velkou část vývoje zaujímají nové metody pro monitorování srdeční funkce založené na balistokardiografii či seismokardiografii, kdy je díky mikrogravitaci možno snímat trojrozměrné signály. Další rychle se rozvíjející a důležitou součástí monitorovacích systémů je aplikace metod založených na umělé inteligenci, které umožňuje komplexní sběr dat a vyhodnocení sledovaných parametrů pro rychlou a přesnou reakci na kritické stavy.

V oblasti výzkumu vesmíru a s tím spojených fyzikálních procesů pomocí metod strojového učení má tým zkušenosti ve zpracování a klasifikaci astrofyzikálních dat pocházejících z robotických teleskopů. Na FEI byl řešen i projekt agentury GAČR, který se zabýval algoritmy strojového učení aplikovanými na big data z astrofyzikálních procesů. Výzkumníci publikovali několik článků o použití metod symbolické regrese na tvorbu automatických klasifikátorů spekter Be hvězd (rychle rotující hvězdy). Zaměřili se také na metody strojového učení používané v oblasti vesmírného výzkumu, na astrofyzikální data a jejich vizualizaci. Jako konzultanti se podíleli i na publikaci světoznámého fyzika Otto E. Rösslera o novém náhledu na kosmologii. Výzkumníci mají aktivní kontakty i na astrofyzikální pracoviště v různých zemích a pokračují v již započatém výzkumu.

Jedním z klíčových témat, která mají zásadní význam pro výzkum vesmíru, je aktivní potlačování vibrací. Mechanická kmitání představují významnou součást všech strojírenských a mechatronických systémů určených pro vesmírné aplikace a ovlivňují jejich výsledné chování. Zvýšené vibrace mohou mít fatální důsledky, ať už z hlediska negativního vlivu na zdraví astronautů, rychlejšího opotřebení vesmírné techniky či nižší životnosti jednotlivých dílů zařízení. U mnoha zařízení jsou vibrace nežádoucí pro jejich správnou funkci - např. vesmírné dalekohledy, citlivé systémy pro skenování povrchů planet či vesmírných těles. V této oblasti již existují rozsáhlé zkušenosti ve využití akčních členů, zejména piezoaktuátorů, k potlačování nežádoucích vibrací.

Dalším významným tématem pro vesmírné aplikace je energy harvesting. Ve vesmírném prostředí, kde jsou omezené zdroje energie, může být klíčové získávání malých množství energie z různých zdrojů - ať už je to energie tepelná, světelná, kinetická či mechanická. Energie může být akumulována v superkapacitátorech nebo akumulátorech a sloužit k napájení nízkopříkonových vesmírných zařízení, jako jsou senzory nebo bezdrátové moduly.

Zpracování velkých dat je klíčovou oblastí pro bezpečný výzkum vesmíru, ať již vzdáleným průzkumem nebo pomocí letů s posádkou i bez ní. Velká data umožňují průběžně sledovat kosmické jevy, jako jsou sluneční erupce či blízké průlety asteroidů, objevovat nové astronomické objekty, jako jsou supernovy, černé díry, exoplanety, optimalizovat trajektorie vesmírných sond, zvolit vhodné cíle pro výzkum a řídit mise efektivněji. V neposlední řadě umožňují sbírat, uchovávat a analyzovat obrovské množství informací z různých částí vesmíru, což nám poskytuje komplexnější a hlubší pohled na vesmírné děje. Analýza velkých dat z vesmíru vyžaduje pokročilé technologie pro sběr, přenos a zpracování dat. Výzkum v oblasti velkých dat přispívá k rozvoji nových technologií, které mohou nalézt uplatnění i mimo vesmírný výzkum.

Optovláknové senzory mohou představovat revoluční průlom v oblasti vesmírných technologií, protože nabízejí celou řadu unikátních benefitů přizpůsobených náročným podmínkám mimo naši planetu. Jejich výjimečná imunita vůči elektromagnetickému rušení založená na absenci metalických částí, elektrická pasivita, miniaturní rozměry, nízká hmotnost v řádech jednotek gramů a schopnost kombinovat teplotní a deformační snímání na jediném optickém vlákně jim dává značnou výhodu v porovnání s konvenčními senzory. V kosmických lodích a družicích mohou optovláknové snímače efektivně monitorovat kritické parametry, od teploty po deformace, což vede k vyšší bezpečnosti a spolehlivosti zařízení. Představují tak nejen stěžejní krok v technologickém vývoji, ale otevírají dveře novým možnostem výzkumu, vývoje a inovací ve vesmírném průmyslu. Jejich význam a potenciál pro budoucí vesmírné mise je nesporný a nepochybně si zaslouží další pozornost od vědecké komunity.

Vývoj systémů pro použití při průzkumu vesmíru naráží na klíčové omezení dané tím, že tyto systémy lze obtížně testovat v prostředí, ve kterém budou následně provozovány. Proto je nezbytné využít přístupy založené na modelech a simulacích. Komplexní systémy propojující mechaniku, elektrické komponenty, měřicí a řídicí systémy či softwarové vybavení vyžadují komplexní nástroje pro tvorbu modelů a simulací. Cílem je, aby byly dostatečně pokryty jak fyzikální vlastnosti systému a prostředí, tak další aspekty mechanické, funkční, elektrické či jiné specifické vlastnosti. Vytvořením takto komplexního modelu vznikne tzv. digitální dvojče systému, které je možné využít pro testování a virtuální uvádění do provozu, kdy se lze maximálně přiblížit podmínkám reálného použití. Zároveň je možné digitální dvojče následně aktualizovat pomocí dat z reálného provozu systému a následně provádět testování, experimenty či operace údržby opět nejdříve ve virtuálním prostoru a teprve posléze reálně.

Tým se pod vedením Petra Šimoníka věnuje vývoji inovativních technologií pro oblast automatizovaného řízení vozidel a e-mobilitu. V současné době například ve spolupráci se společností Valeo vyvíjí už třetí generaci tzv. „Drive by Wire Car Interface“, které slouží pro komplexní ovládnutí sériových automobilů pro jejich nasazení jako experimentálních vozidel při vývoji ADAS a vyšších úrovní automatizovaného řízení automobilů umožňující autonomní jízdu. Skupina pracuje také na vývoji nadčasového senzorického systému pro sledování a rozpoznání objektů v provozním prostředí automobilů a užitkových vozidel, včetně provozu ve složitém terénu mimo pozemní komunikace. Se společností Valeo připravuje vývoj automatizovaně naváděného vozidla pro přepravu materiálu a se společností Tatra Trucks vyvíjí vodíkové autonomní nákladní vozidlo. Skupina úspěšně vyvíjí unikátní systémy pro mobilitu a komercializuje svá řešení pro aplikační sféru. Tyto odborné zkušenosti tým využije zejména při vývoji řídicích systémů pro vesmírnou mobilní robotiku a výzkumu řídicích a komunikačních strategií s režimy Fail Operational.

Mise astronauta ve vesmíru není jen cesta plná úžasu a objevů, ale je také spojena s plněním předpisů a legislativních požadavků. Doprovodné experimenty a zařízení hrají klíčovou roli v pokroku vědeckého poznání ve vesmíru i na Zemi, jejich úspěch ale závisí také na zajištění souladu se složitou sítí pravidel, jež se stávají hnací silou nové definice inovací a vedou k přípravě experimentů a zařízení posouvajících hranice vědění. Dosažení úspěchu v této oblasti vyžaduje metodický přístup, kde je prvořadé důkladné porozumění předpisům, pečlivé plánování a průběžné monitorování. Každá činnost i zařízení, které astronauta doprovázejí, musí být ověřeny a musí být prokázána jejich bezpečnost v tak nestandardních podmínkách, jako je vesmír. Dodržování předpisů a regulací také slouží jako kompas, který spojuje naše snažení s etickou odpovědností a respektuje vesmírné okolí. Navíc je to štít, který chrání před nepředvídatelností vesmíru, posiluje úspěch, minimalizujeme rizika pro astronauty i vesmírné prostředí, ale především určuje směr kreativity poskytováním strukturovaného rámce pro inovace a především podporuje vývoj špičkových experimentů a zařízení.

OCT (optická koherentní tomografie) se stala jednou z nejoblíbenějších a nejvýznamnějších technik v klinické praxi jako neinvazivní měření. OCT umožňuje trojrozměrnou vizualizaci vzorku a využívá viditelné a infračervené světlo, které proniká pod povrch vzorku. Ačkoli se používá především v biomedicínských oborech (oční, kožní, endoskopické), lze ji podobně použít k nedestruktivnímu testování, v oblasti konzervace umění, kontroly kvality a forenzních věd, stejně jako k nedestruktivní a bezkontaktní detekci defektů uvnitř náběžných hran nátěrů lopatek větrných turbín. Stejnou technologii lze použít i pro kontrolu vesmírných konstrukcí jako přenosná a chytrá zařízení, která umožňují monitorování stavu konstrukce a případných trhlin ve vesmírných konstrukcích.

Systém pro měření hladiny paliva v letadlech a vesmírných plavidlech a detekce úniku vodíku v plavidlech

Optické systémy jsou odolné vůči elektromagnetickému rušení a jsou vhodnou volbou pro výbušná prostředí v kombinaci s dobrými možnostmi z hlediska spolehlivosti a udržovatelnosti. Systémy pro měření hladiny paliva, které se používají například v letadlech, tak mohou být sofistikované a bezpečné s využitím optických systémů, jako jsou optické vláknové snímací systémy s více body pro přesné měření hladiny paliva. Podobně je vodík považován za ideální čisté a účinné palivo. V současné době se kapalný vodík široce používá v leteckém průmyslu. Jakmile palladiová (Pd) vrstva absorbuje vodík, můžeme mít optická řešení založená na optických vláknech funkcionalizovaných vrstvami nanomateriálu Pd podél vlákna k detekci a monitorování v reálném čase úniků vodíku v nádobách, které jsou v takových nádobách zabudovány kompozitními materiály.

Realizace vesmírných projektů s sebou nese značné finanční náklady, které jsou ovšem dle historických zkušeností doprovázeny neoddiskutovatelnými budoucími finančními přínosy. Přestože kalkulace zmíněných nákladů není jednoduchá, z hlediska finančního plánování nepředstavuje závažnější problém. Výzvou ovšem zůstává odhad budoucích finančních přínosů, a to zejména z důvodu velké míry nejistoty. Délka realizace a značná variabilita tohoto typů projektu pak vede k nutnosti ocenění potenciálních budoucích manažerských zásahů, tedy k odhadu hodnoty flexibility. Otevírá se zde proto cesta pro využití pokročilejších nástrojů finančního modelování, jako je metodika reálných opcí nebo stochastických a fuzzy proměnných. Zmíněné vstupy pak lze transformovat do laicky interpretovatelných kritérií hodnocení, jako je například doba návratnosti nebo čistá současná hodnota projektu. Klíčovým krokem je pak dále rozšíření hodnocení vesmírných projektů o environmetální a sociální dopady s cílem dlouhodobě udržitelného rozvoje.

V oblasti vesmírného výzkumu a turistiky se otevírají možnosti pro revoluční ekonomické strategie. Schopnost získávat finanční prostředky může hrát klíčovou roli při hledání a využívání nových zdrojů financování vesmírných projektů. Analyzováním přímých a nepřímých efektů vesmírných projektů lze odhalit skrytý potenciál pro získání veřejné i soukromé podpory, což umožní přístup k budoucím příjmům, které mohou pokrýt počáteční investice a zároveň položit základy dlouhodobě udržitelného kosmického průmyslu. Zkoumáním možností, jak provozovat vesmírnou turistiku ziskově a podmínek, za kterých se takové podnikání vyplatí, jsou klíčové pro rozvoj ekonomického modelu vesmírné turistiky.

Díky pokročilým technologiím a klesajícím nákladům se kosmické cesty stávají stále dostupnějšími soukromému sektoru. Mnozí analytici vidí v komerčním rozvoji kosmického průmyslu potenciál pro budoucí využití surovinových zdrojů na Měsíci, Marsu a asteroidech. Ačkoli to může znít jako vize budoucnosti, téměř fantazie, některé kroky k tomuto cíli již byly učiněny.

Získání, zpracování, skladování a doprava surovin v mimozemských podmínkách představuje výzvu pro současný výzkum v oblasti procesního inženýrství. Odlišné gravitační a atmosférické podmínky mimo Zemi mohou ovlivnit funkčnost a spolehlivost dopravních a procesních zařízení. Znalosti mechaniky partikulárních hmot na Zemi jsou doplňovány zjednodušováním modelů a empirickými daty, avšak tento přístup nelze automaticky aplikovat v nových prostředích. Nastává prostor pro vytváření nových lokálně platných zákonitostí. Tato výzva je klíčová jak pro současnou základní vědu v partikulárních hmotách, tak pro aplikace v oblasti inženýrství mechanických procesů, zejména procesů pracujících se surovinami.

Náš tým disponuje dlouhodobými zkušenostmi v oblasti návrhu a optimalizace systémů pracujících se sypkými hmotami. Tyto zkušenosti jsou výsledkem aplikovaného výzkumu a spolupráce s průmyslovými partnery, stejně jako se základním výzkumem, který se zaměřuje na chování a charakterizaci těchto materiálů. Při své práci tým využívá numerického modelování pomocí DEM simulací, které umožňují virtuální testování a inovaci konstrukčních celků za různých podmínek. Pracovní skupina je součástí Working Party on Mechanics of Particulate Solids Evropské federace chemického inženýrství (EFCE), což jednak zajišťuje vyváženou mezinárodní spolupráci, tak přenos informací a poznatků mezi zeměmi EU a a neposlední řadě i kritický přístup partnerů k předkládaným poznatkům.