Otvorené výzvy pre biointeligentnú výrobu
V tejto súvislosti je potrebné spomenúť rôzne otvorené výzvy, ktoré charakterizujú celkový scenár výskumu a inovácií pre budúcnosť biointeligentnej výroby. Prvý prvok činnosti sa týka rozhrania medzi rôznymi doménami. V oblasti biointeligentnej výroby treba zlúčiť a integrovať mnoho rôznych rozhraní: organické/anorganické rozhranie, funkcia snímania/akčného zásahu, pasívna/aktívna rola vďaka zabudovanej inteligencii a digitálnym schopnostiam. Nové prístupy k zmene rozhrania a vzájomné prepojenie rôznych domén pravdepodobne vytvoria niekoľko výskumných výziev pri podpore konvergencie medzi rôznymi aplikačnými oblasťami.
Druhú výzvu predstavujú metódy a nástroje riešenia na zvládnutie značnej rôznorodosti a premenlivosti a výrazného dynamického správania v dôsledku zavádzania prírodných a organických prvkov do výrobného cyklu. Biologické entity, ako sú živé bunky alebo biomateriály, predstavujú významnú zmenu s ohľadom na variabilitu medzi jednotlivými časťami, dávkami a v rámci času, čo treba zvážiť vo fáze návrhu a výroby. V tomto scenári by mala byť inteligentná časť vhodne navrhnutá tak, aby umožnila systému získať schopnosť samoprispôsobenia a samoladenia, čo umožní posun paradigmy zo sériovej na adaptívnu výrobu. Kvalita by sa mala revidovať ako dynamická a laditeľná schopnosť prispôsobenia konkrétnemu použitiu. Pokrok by sa mal dosiahnuť aj v monitorovaní a riadení počas celej životnosti, v adaptívnej údržbe a opätovnom použití na konci životnosti, aby bolo možné reagovať na prirodzený vývoj biointeligentných systémov.
Napokon, posledným hnacím motorom výskumu a inovácií by malo byť rozširovanie: od malého k veľkému objemu, z laboratória do nelaboratórneho prostredia (biologické produkty), od počiatočného štádia až po zrelé hodnotenie v integrovanom rámci, ktorý je schopný zvládnuť rôzne úrovne pripravenosti v komplexnej vízii.
Základné podporné technológie
Prostredníctvom analýzy navrhovaných tém sa objavilo niekoľko možných kľúčových podporných technológií, ktoré sú zamerané na zvýraznené paradigmy subplatformy biointeligentná výroba: technológie schopné zlepšovať a inovovať procesy a zároveň zvyšovať komerčnú hodnotu produktov v každom priemyselnom odvetví, čím sa v blízkej budúcnosti vytvorí systémová konkurenčná výhoda pre vedecký a priemyselný výskum a pracovné miesta. Identifikované problémy a súvisiace technológie pomôžu priemyselnému svetu riadiť európsky hospodársky rozvoj pri prechode od umelého k biologickému so zameraním na hospodársku súťaž založenú na výskume a vývoji nových high-tech produktov, kvalifikácii ľudí a zlepšovaní životných podmienok.
Biointeligentná výroba čerpá z interdisciplinarity vied a technológií, kde integrácia špičkového know-how prináša veľkú pridanú hodnotu a dokonca vytvára nové domény v oblasti vedy a technológií. Dnes už existuje niekoľko dôležitých technologických oblastí, ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu pri realizácii biointeligentnej výroby. Ukázalo sa, ako podporné technológie rozvíjajú a formujú možnosti výroby. Stanovenie cieľov a spoločné úsilie smerom k biointeligentnej výrobe by zvýšilo rýchlosť vývoja a vytvárania špičkových výrobných riešení dôležitých pre naše zdravie a trvalo udržateľné priemyselné aktivity.
V ďalšom pokračovaní sa zameriame na opis konkrétnych technológií, ktoré by mali zreálniť nástup a využívanie biointeligentnej výroby.
Biosnímače
Nová trieda biosnímačov interagujúcich so živými orgánmi a mozgom (vrátane človeka) pravdepodobne zmení spôsob, akým sa mikro- a nanovýroba kombinuje s biomateriálovou vedou a biotlačou, aby sa vytvorila nová trieda riešení.
Bionika pre strojárstvo
V tejto kategórii podporných technológií môžeme spomenúť bioroboty (farmaceutická výroba, poľnohospodárske aplikácie), bionické myslenie a bionické prvky pre stroje, mäkké roboty, inteligentné zariadenia pre biovýrobu či biomimetiku ako interdisciplinárny odbor, v ktorom sa princípy zo strojárstva, chémie a biológie aplikujú na syntézu materiálov, umelých systémov alebo strojov s funkciami napodobňujúcimi biologické procesy.
Bioinžinierstvo
Biológia obsahuje obrovské množstvo inteligencie, ktorá sa neustále vyvíja. Dospeli sme k bodu, že túto inteligenciu, biologické mechanizmy, schopnosť reagovať a rôzne funkcie teraz možno rozobrať, kombinovať a prerobiť podľa našej vôle. Alebo ich v laboratóriu môžeme dokonca prinútiť k evolúcii. Tieto systémy sa môžu dopĺňať a množiť, môžu byť nečinné a reagovať na meniace sa prostredie a majú molekulárnu pamäť. Biovýroba nám môže poskytnúť palivá, chemikálie, lieky a materiály. Bunkové poľnohospodárstvo dokáže vyrobiť „vajcia bez kurčiat“ a „jedlo bez polí“. Bioinžinierstvo môže viesť k presnému nanášaniu na materiály (živá 3D/4D tlač), vývoju samoliečiacich sa materiálov alebo mäkkých živých robotov, ktoré môžu vstúpiť do zložitých prostredí a byť naprogramované tak, aby vykonávali úlohy na základe podnetov. Syntetická biológia dokáže vyrobiť v zásade čokoľvek, čo príroda vyvinula – a ešte viac.
Digitálne dvojčatá
Biointeligentná výroba sa spolieha na hlbšie zapojenie počítačových simulácií (in silico) kombinovaním umelých a prírodných procesov ako náhrady výskumných metód na živých organizmoch (in vivo) a do určitej miery laboratórnych metód (in chimico). Digitálna simulácia zložitých biologických procesov prostredníctvom superpočítačov by sa mala zamerať na zníženie zdrojov neefektívnych priemyselných procesov, ako je spotreba materiálov a energie, čo by potenciálne uľahčilo dosiahnutie cieľov dekarbonizácie. Pochopenie funkcie génov a biologických molekúl sa rýchlo rozširuje, čo umožňuje opisovať biologické pravidlá a molekuly v digitálnej forme a experimentovať so simulovanými biologickými systémami. Možno modelovať molekulárne interakcie, bunkové zloženie, celé bunky a spoločenstvá buniek a dokonca aj ekológiu. V budúcnosti kvantové výpočty umožnia využitie obrovských súborov údajov a simuláciu nových molekulárnych vzájomných závislostí a hierarchií založených na základných pravidlách fyziky, chémie a biológie. Biosvet v prostredí počítačových simulácií sa bude naďalej vyvíjať a formovať svoju vlastnú vedeckú doménu. Dôležité je, že výsledok počítačových simulácií biológie možno realizovať aj v reálnom živote. Syntetická biológia pripraví úplne nové cesty k inžinierskej biológii. To vytvára nové koncepty a spôsoby výroby s využitím biologických princípov a buniek v kombinácii s autonómnym riadením procesov.
Biointeligentná výroba umožňuje výrobu nových chemikálií, citlivých a inteligentných materiálov, prenosných liečiv, snímačov a akčných členov, ktoré využívajú vysokú špecifickosť biomolekúl a ich spojenie s biologickými hradlami a obvodmi.
Mikro- a nanovýroba
V tejto oblasti možno spomenúť materiály a stratégie pre mikrovýrobu, využitie biointegrácie pri výrobe novej generácie textílií na odevy, materiály a výrobu vrátane ľahkej výroby, flexibilnú či hybridnú mikrovýrobu inšpirovanú biologickými procesmi.
Aditívna výroba, biotlač a 4D tlač
Aditívna výroba bude hrať významnú úlohu pri výrobe zložitých tvarov pomocou biomateriálov, hydrogélovej tlače v softrobotike, biotlače tkanív a orgánov, mikrofluidných zariadení a laboratóriách na čipoch.
Akčné biočleny
Asi 15 rokov sa aplikovaný výskum pokúšal simulovať biologické akčné členy s uhlíkovými nanorúrkami, elektroaktívnymi polymérmi a inými materiálmi, ktoré bolo možné nejakým spôsobom ovládať. Teraz veda začala využívať svalové bunky priamo na zostavenie technických akčných biočlenov.
Laboratórium na čipe
Chemické a biochemické procesy môžu byť vytvorené a riadené na čoraz menšom priestore, ktorý sa blíži k rozmerom známym z prírodných systémov. V budúcnosti sa to nebude využívať len ako mikro- a nanolaboratóriá vo vede, ale aj na riadenie procesov a výroby.
Koncepty od kolísky po kolísku
Biointeligentné výrobné odvetvia by sa mali spoliehať na využívanie obnoviteľnej energie; vstupné suroviny by tiež nemali obsahovať fosílne zložky. Mal by sa zabezpečiť obehový tok materiálov, aby sa podarilo zvýšiť kapacitu výroby surovín na báze biologických materiálov, ktoré môžu postupne nahradiť suroviny na báze fosílnych palív. Aj vďaka tomu sa zabezpečia udržateľné dodávateľské reťazce pre celý cyklus výroby.
Literatúra
[1] Byrne, G. – Dimitrov, D. – Monostori, L. – Teti, R. – Houten, F. van – Wertheim, R.: Biologicalisation: Biological transformation in manufacturing. In: CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2018, 21, s. 1 – 32. [online]
[2] Miehe, R. – Bauernhansl, T. – Schwarz, O. – Traube, A. – Lorenzoni, A. – Waltersmann, L. – Full, J. – Horbelt, J. – Sauer, A.: The biological transformation of the manufacturing industry – envisioning biointelligent value adding. In: Procedia CIRP, 2018, Vol. 72, p. 739 – 743. ISSN 2212-8271. [online]
[3] Sanchez, C. – Arribart, H – Giraud, G. M. M. (2005). Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. In: Nature Materials, 2005, 4 (4), p. 277 – 288. DOI: 10.1038/nmat1339. PMID 15875305.
[4] Whitesides, G. M.: Bioinspiration: something for everyone. In: Interface Focus, 2015, 5 (4). DOI: 10.1098/rsfs.2015.0031.
Zdroj: Biointelligent Manufacturing, Definitions, International Status, Potentials for Europe and Recommendations. Prehľadová správa. ManuFUTURE sub-platform Biointelligent Manufacturing (BIM). [online].
-tog-
