Miniaturní dříči míří na orbitu: Roboti o velikosti viru se poprvé vydají na palubu Mezinárodní vesmírné stanice

Až se na palubu Mezinárodní vesmírné stanice ISS vypraví pilot Aleš Svoboda, zamíří s ním na orbitu také čtrnáct vybraných experimentů. A bude mezi nimi i projekt Conrex, který vůbec poprvé v historii otestuje práci nanorobotů ve stavu beztíže. O budoucnosti zmíněného projektu jsme si povídali s jeho autory, Martinem Pumerou a Radkem Martinkem z Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava.

Jak je možné, že nanoroboty do vesmíru dosud nikdo neposlal?

Radek Martinek: Zatím prostě nebyla příležitost. Týmů, které se nanorobotice věnují, je na světě omezený počet a jeden z nejlepších aktuálně působí u nás na Vysoké škole báňské na Fakultě elektrotechniky a informatiky. Aby se miniaturní roboti dostali do vesmíru, musí se propojit několik oborů – chemie, materiálové vědy, ale taky elektrotechnika, vývoj cívek a řídicích algoritmů. A jelikož je naše laboratoř nanorobotiky na fakultě techniky, tak se takové propojení nabízí. Máme prostě několik expertiz, a to na jednom místě. Takže když přišla výzva na českou cestu do vesmíru, měli jsme už v záloze něco hmatatelného.

Martin Pumera: Já dělám nanoroboty od roku 2009 a jejich vypouštění do vesmíru se přímo nabízí. Kdysi jsme testovali nanorobota pověšeného na mikrorobota – jako letadlo na mateřské letadlové lodi. A já mám už deset let vizi, že je ještě naložíme do klasického dronu a ten pak někam vypustíme. Což není od cesty do vesmíru zas tak daleko.

Radek Martinek: Já bych doplnil, že tady pan Pumera u nás plní funkci šíleného profesora (oba se smějí). Vážně, on za mnou jednou přišel a říká: „Co kdybychom pomocí robotů opylovali kytky?“ A opravdu jsme vedli seriózní diskusi, že budeme mít hejno opylujících létajících nanorobotů.

Martin Pumera: Já jsem to probíral s jedním kolegou z Německa, což je vlastně můj soupeř, „kompetitor“. Ale on dokonce ani nechce nic opylovat – on jenom chce, aby roboti lítali. A já bych to hrozně chtěl zrealizovat! Ale nejsou lidi, prostě nemáme dost vědců (směje se)!

Takže vizí je vždycky víc než kapacit?

Martin Pumera: No jasně! Myšlenky na testování nanorobotů jsme měli už před covidem. Tehdy jsme si hráli s tím, že bychom to zkoušeli během parabolického letu, kdy se v letadle dostanete na pár desítek sekund do beztíže. Jenže to zdaleka nestačí, abyste ten pokus provedli. Nápad už byl ale na světě a víte, že když přijde šance, tak už máte něco v ruce. Jak říkal Radek, musíte mít podpůrný systém – moderně se říká ekosystém.

Současná věda je o propojování oborů. Já jsem původně chemik. V téhle oblasti už je ale všechno „zlato“ vykopané a něco zajímavého se vyloupne jen jednou za čas, takže je potřeba to neustále propojovat s něčím novým, třeba s elektrotechnikou. Na těch spojnicích oborů zatím nikdo nekopal. Lidi z jiných specializací mají odlišný pohled, a to je zdravé. Já jsem přišel tady za panem profesorem Martinkem a říkám, že potřebuju rozhýbat nanoroboty. A on na to: „Tak to udělejme magnetickým polem!“ A já na něj koukám a říkám: „Jasně, my máme jednoduchý magnetický systém, ale zlepšit ho fakt neumím, ani ho nechcete vidět, je to samá pájka… (směje se).“ 

Radek Martinek: My máme spoustu projektů pro různé firmy, kde řídíme magnetické pole. Takže když mi pan profesor přinesl zkumavku s nanoroboty a zeptal se, jestli bych je dokázal rozpohybovat, řekl jsem: „No jasně!“ Pak jsme se šli podívat na přístroj jedné známé firmy, který stojí nějaké miliony korun, a já na to koukám a říkám si: „Jak to, že je to tak drahé? Vždyť my totéž vyrobíme za tašku hrušek!“ A takhle ten projekt vznikl.

Martin Pumera: Jo, donesli jsme tašku hrušek (směje se).

Dokázal byste laikovi vysvětlit, jak vlastně nanoroboti fungují?

Martin Pumera: Jsou to v podstatě malé stroje, které potřebujeme rozpohybovat, a těch způsobů, jak to udělat, existuje několik: světlo, teplo, chemikálie, ultrazvuk… 

My jsme se zaměřili na magnetické pole. Našemu druhu nanorobotů se říká mikrocela a jsou umístění v nějaké tekutině, ale můžou být třeba i v plynu. Okolo se nachází soustava cívek a my v nich velmi rychle měníme magnetické pole, tudíž dokážeme s roboty pohybovat ve třech osách. Můžu vám z nich tady vykouzlit srdíčko, spirálu nebo je dovézt na místo, kde je potřebuju. Můžu s nimi i otáčet jako s vrtákem a klidně něco zničit, ale taky je můžu využít k dopravě nějaké látky na místo.

Samozřejmě tak úplně jednoduché to není, protože i Země tvoří magnetické pole, takže to musíme kompenzovat pomocí algoritmů – ale zase jde o krásnou úlohu pro inženýry.

Na palubě ISS se před několika lety odehrál experiment, který zahrnoval několik stovek stěrů z různých povrchů stanice. Vědcům se pak podařilo objevit řadu nebezpečných bakterií, včetně E. coli, které se ukázaly jako mimořádně odolné. Čemu za takovou rezistenci vděčí?

Martin Pumera: Vy taky nechcete umřít, ne? Ani bakterie nechtějí. Tudíž se chrání tak, že si vytvoří biofilm – v podstatě stejný, jaký máte na zubech. Pokud si zuby čistit nebudete, bude ten film sílit a bude na nich pořád. Nebo když budete mít na kůži stafylokoka, tak ho zabijou asi jen vysoké dávky antibiotik. Problém je, že se rezistence vůči antibiotikům zvyšuje, protože se při podání rozšíří do celého těla.

Pokud ale vyrobíme roboty, kteří lék doručí jen na jedno konkrétní místo, tak to můžu zopakovat bez problémů třeba stokrát za sebou. Nebo si můžu vypomoct třeba stříbrem, které tu bakterii zabije. Takových robotů potřebujeme celé hejno, protože jeden nic neudělá. Ale miliarda, ta už něco zvládne.

Jak vlastně vytvoříte požadovanou strukturu nanorobotů? Jak zajistíte, aby vykonávali konkrétní funkci?

Radek Martinek: Nejprve se potřebujeme podívat, co vlastně dělají. Používáme k tomu digitální kameru s optikou, abychom zaměřili oblast jejich pohybu, a pak je můžeme řídit. Zadáme algoritmu požadavek, aby s nimi pohyboval třeba víc dozadu, doprava, nahoru, dolů… My jsme kvůli vesmírné misi museli hodně optimalizovat mikroskop, aby si i v malé velikosti zachoval jas, kontrast a zvětšení. Nanoroboti jsou skutečně maličcí, můžete si je představit jako neviditelnou kovovou šponu.

Martin Pumera: Představte si nanoroboty jako kostky lega: Máte kostku, která už je odzkoušená, víte, jak funguje. Takže k sobě spojujete další a další a vytváříte strukturu, jakou potřebujete. Musíte si sednout třeba s lékaři a pobavit se, co vlastně potřebují, co má být výsledný efekt. A pak zkoušíte navrhnout tvar a strukturu, které by toho efektu umožnily dosáhnout.

Očekáváte ve vesmíru nějaké komplikace? Můžou se roboti chovat úplně jinak, než předpokládáte?

Radek Martinek: Máme experty z katedry matematiky, kteří vytvářejí modely a předpovídají, jak se budou roboti chovat. I když model je jedna věc, a realita nakonec jiná. Tu právě ověří experiment.

Martin Pumera: Něco vyloženě hrozného se stát nemůže, jde o uzavřený systém. Všechno je několikrát pojištěné, a i kdybychom s robotem ztratili kontakt, všechny data se v něm uloží. Samozřejmě – pokud to dopadne, jak jsme chtěli, můžeme se poplácat po rameni, že jsme chytří. Nejlepší ovšem je, když se povede zjistit něco nečekaného.

Nahlédněme nyní do budoucnosti, řekněme za dvacet let: Posunuli jsme se od fáze experimentu k fungující aplikaci. Co můžeme čekat?

Martin Pumera: Představte si, že máte na obličeji bakteriovou infekci. Vyfotíte se a pošlete snímek doktorovi – tedy jestli bude ještě za dvacet let v ordinaci nějaký člověk sedět. Máte doma takovouto krabičku. Kurýr vám doručí zkumavku s nanoroboty v podobě krému, vy si ho natřete na tvář a na hlavu si nasadíte nějaký postroj s cívkami. Celé to zapnete, a za deset minut je hotovo, infekce zlikvidovaná.

V podstatě se tyhle věci pomalu překlápějí do praxe. V současnosti můj kompetitor v Kalifornii startuje firmu s nápadem, který jsem měl taky – jen jsem postrádal lidi, abych ho dotáhl.

Jde o uplatnění nanorobotů v zubním lékařství: Ohromně se totiž hodí pro čištění zubních kanálků, protože s dnešními technologiemi zůstane jeden z pěti kanálků nedočištěný a vznikají infekce a opakované komplikace. Roboti by to krásně vyřešili.

Radek Martinek: Nebo vám na magnetické rezonanci najdou nějaký nádor. Vpraví vám do těla nanoroboty a umístí vás do přístroje podobného rezonanci, kde budou cívky, kterými bude možné roboty ovládat. Lékaři je nasměrují na konkrétní pozici a nádor zlikvidují zevnitř. To taky není nějaké sci-fi. Španělští kolegové udělali předloni experiment, kdy dokázali pomocí nanorobotů kompletně zničit tumor u myší. Roboti fungují v podstatě jako vrták, který naruší strukturu nádorových buněk.

Před šesti či sedmi lety odborné články tvrdily, že se nanoroboti nejspíš uplatní jako nosiči molekul léčiv – ale nečekalo se, že by se dokázali nějak aktivně hýbat. A teď vrtají do buněk. Jak rychle postupuje vývoj v dané oblasti?

Martin Pumera: Pokrok jde exponenciálně nahoru. Před dvaceti lety teprve někdo přišel s nápadem na pohyb nanorobotů. Před sedmnácti lety jsme publikovali náš první článek na toto téma, byli jsme třetí skupinou na světě, která se tomu začala věnovat. Dneska jich máte asi stovku, půlka z nich je v Číně. Zkoušeli jsme třeba experiment s nanoroboty v krvi, ale výsledek byl, že s touhle verzí motoru to nebude fungovat. A za rok přišel kolega z Indie, který problém elegantně obešel z úplně jiné strany. A říkám si: „Sakra, tohle mě vůbec nenapadlo!“ 

Takže pokud jsem i já před pěti lety tvrdil, že něco nejde, dnes už to nemusí být pravda. Proto si nás přece platíte! Jinak bychom byli zbyteční. Obor se ohromně rozjíždí, ale pořád tady existuje obrovský prostor k růstu – nanoroboti můžou být nakonec úplně všude.

Radek Martinek: Kdyby za mnou přišel pan profesor Pumera před deseti lety, jestli dokážeme požadovaný přístroj zmenšit do velikosti toho, co tady dnes máme na stole, tak bych mu jasně řekl: „Ne, nedokážeme.“ Technologie neexistovaly, neudělali bychom takhle malou optiku, výpočetní jednotka by spotřebovala daleko víc elektřiny a bylo by to celé dvakrát nebo třikrát větší.