Priemyselné aplikácie a obchodné modely
Biointeligentná výroba ako nový koncept transformácie produktu
Biointeligentná výroba môže byť chápaná ako nový koncept výroby – alebo ako nový spôsob transformácie vstupných materiálov a/alebo produktov, ktoré môžu byť bio a nebio na nové produkty alebo materiály – bio aj nebio. Je zrejmé, že táto transformácia je možná len vtedy, ak sa dva svety spoja, aby implementovali tento nový koncept: bioorganický svet, silne zameraný na koncept kontinuálnej výroby (bunky, materiály atď.), a diskrétny svet, silne orientovaný na výrobu tovaru. To, čo očakávame, že z tejto integrácie vzíde, je prístup k výrobnému systému zameranému na diskrétnu výrobu, pretože interakcia bio a nebio sveta má za cieľ vyvinúť nové alebo inovatívne produkty, pre ktoré je materiál (bunky, resp. organický materiál vo všeobecnosti) jedným z prostriedkov, prostredníctvom ktorých prebieha transformácia.
Preto bude potrebné zamerať sa na výskum a vývoj nových stratégií diskrétnej výroby, ktoré nám umožnia vymyslieť nové metódy interakcie medzi dvoma svetmi, aby sme dosiahli nové produkty a procesy, ale aj nové stroje schopné interakcie s týmito dvoma svetmi. Takáto vízia by viedla k posunu paradigmy smerom k novým výrobným cieľom a následne k expanzii na nové trhy. Vďaka významným investíciám do výskumu a vývoja by sa Európa mohla stať jedným z hlavných hráčov v tejto novej forme diskrétnej výroby. Tieto nové technológie a spôsoby chápania integrácie medzi rôznymi výrobnými metódami by mohli umožniť vytváranie produktov, o ktorých sa nám predtým ani nesnívalo a ktoré by mohli rozšíriť kognitívne možnosti ľudstva.
Biointeligentná výroba môže mať obrovský vplyv na našu spoločnosť. Zariadenia, ktorých existencia bola ešte pred niekoľkými rokmi nemysliteľná, sa stávajú realitou. Tieto zariadenia môžu vytvoriť novú životnú úroveň zlepšením ľudského zdravia alebo zvýšením ľudských schopností. Stanú sa nenahraditeľnými, keď sa im ľudstvo prispôsobí. Okrem toho ponúka nové spôsoby výroby: zlepšenie účinnosti, efektívnosti a udržateľnosti. Biointeligentná výroba sa preto s najväčšou pravdepodobnosťou stane neoddeliteľným spoločníkom ľudstva.
Potenciálne môže každá osoba potrebovať niekoľko biointeligentných zariadení a každá firma bude mať nejaký biointeligentný výrobný proces. Preto je potenciál rastu extrémne vysoký. Musíme však investovať už teraz, aby sme v budúcnosti mohli ťažiť z výhod vysokého objemu výroby a urobiť z Európy lídra v technológiách a produktoch biointeligentnej výroby.
Spomeňte si na inú prelomovú technológiu – elektronické čipy. Európa draho zaplatila za poznanie, aké dôležité je byť v čele zmien a novej éry. Stále sa snažíme získať späť 20 % (!) podielu na trhu, ktorý by sme mohli ľahko dosiahnuť, keby Európa investovala dôslednejšie počas začiatočnej fázy a fázy rastu technológie čipov. Z toho vyplýva, že je veľmi dôležité rozpoznať nielen obrovský potenciál biointeligentnej výroby, ale aj skutočnosť, že počet zariadení biointeligentnej výroby bude rýchlo rásť. Tie časti sveta, ktoré investovali včas, získali obrovskú konkurenčnú výhodu, ktorú je takmer nemožné kompenzovať neskorými investíciami. Preto je čas konať teraz a naše spoločné kroky by mali byť dosť akčné na to, aby Európa zaujala pozíciu vedúceho teritória pri budovaní biointeligentnej výroby.
Priemyselné aplikácie biointeligentnej výroby
Niektoré príklady priemyselných aplikácií, pokiaľ ide o procesy/systémy a produkty, boli analyzované s cieľom identifikovať ich interakcie v rámci činností biointeligentnej výroby. V nasledujúcej časti seriálu sa bližšie pozrieme na tieto paradigmy biointeligentnej výroby (obr. 6):
- pozorovanie biologických systémov s cieľom ich replikácie do umelého systému,
- použitie biologických systémov v kombinácii s umelými systémami,
- použitie biologických systémov na vytvorenie umelých systémov,
- použitie umelých systémov na vytvorenie/zabezpečenie činnosti biologických systémov,
- použitie umelých systémov ako náhrada biologických.
1. Pozorovanie biologických systémov s cieľom ich replikácie do umelého systému
Táto paradigma využíva jeden z najstarších prístupov k prírode: pozorovať, ako sa príroda prispôsobila prostrediu, aby prežila. Umelé membrány sú jasným príkladom aplikácie hydrofóbnosti motýlích krídel. Ďalším príkladom sú miniroboty, ktoré využívajú štíhle nohy, ako vodný hmyz, na využitie povrchového napätia vody.
Ďalšie príklady výrobných procesov a produktov sú:
- Výrobné procesy: molekulárne stroje, sebaorganizácia, biotlač, 4D tlač štruktúr, ktoré sa časom menia ako biologický organizmus, hlboké učenie, neuromorfné výpočty, tvorba modelov inteligencie na rôznych úrovniach továrne (nový stroj/štruktúra/nová úroveň spolupráce viacerých strojov), základný koncept Industry 4.0 na distribúciu spravodajských informácií a zároveň na zlepšenie komunikácie medzi subjektmi.
- Produkty: hydrofóbny a hydrofilný povrch, bionika, mäkké roboty, nanoštruktúrne povlaky využívajúce biovzory, ľahké produkty, samoliečiace zariadenia, tkanivá a materiály vo všeobecnosti inšpirované živými organizmami.
Typický proces pozorovania biologického systému a jeho replikovanie na umelom materiáli je na obr. 7. Ide o prípad mikrouchopovania.
2. Použitie biologických systémov v kombinácii s umelými systémami
Táto paradigma sa zameriava na riešenie špecifických problémov, kde koexistujú prírodne a umelé systémy. To môže na jednej strane znamenať, že sa hľadá kooperatívna interakcia, alebo na druhej strane, že interakcii je potrebné zabrániť. Príkladom tejto paradigmy je umelo kontrolované používanie enzýmov na čistenie odpadových vôd. Ďalším príkladom je zavedenie umelých bariér, aby sa zabránilo kontaminácii alebo biodegradácii.
Ďalšie príklady výrobných procesov a produktov sú:
- Výrobné procesy: predchádzanie kontaminácii na výrobných miestach, enzymatická recyklácia v bioreaktore, zabránenie kontaminácii produktov, počítačové biorozhrania.
- Produkty: orgán ako miniatúrne zariadenia, tzv. orgán na čipoch, hybridné ovládanie, multifunkčné senzorové biočipy, biointeligentné monitorovanie kvality potravín, kombinácia prírodnej bunky so syntetickým materiálom, zelený stavebný materiál, biointeligentné fasády.
Typický proces použitia biologického materiálu v kombinácii s umelým je na obr. 8. Ide o prípad biodepozície na trhlinách betónu. Myšlienkou tohto procesu je opraviť trhliny v betóne pomocou pôsobenia ureolytických baktérií, ako je Bacillus sphaericus, ktoré dokážu vo svojom mikroprostredí vyzrážať CaCO3 premenou močoviny na amoniak a uhličitan. Bakteriálna degradácia močoviny lokálne zvyšuje pH a podporuje mikrobiálne ukladanie uhličitanu ako uhličitanu vápenatého v prostredí bohatom na vápnik. Tieto vyzrážané kryštály tak môžu vyplniť trhliny.
3. Použitie biologických systémov na vytvorenie umelých systémov
Táto paradigma využíva vlastnosti biologických organizmov alebo procesy vhodné na vytváranie umelých produktov, ako sú enzýmy v digestoroch na výrobu bioplynu alebo na premenu odpadového plastu na biopalivo. Ďalšie príklady výrobných procesov a produktov sú:
- Výrobné procesy: výroba potravín (napr. kysnutie), procesy recyklácie na biologickej báze, baktérie na triedenie anorganického odpadu, fermentácia biomasy, syntetická biológia, umelá fotosyntéza, výroba liekov s baktériami.
- Produkty: lieky na biologickej báze, ukladanie údajov na báze DNA, biopalivo, bioplyn.
Na obr. 9 je znázornená logická postupnosť príkladu zo spracovateľského priemyslu – bioreaktor na odpadový materiál používaný na výrobu biopaliva.
4. Použitie umelých systémov na vytvorenie/zabezpečenie činnosti biologických systémov
Táto paradigma sa zameriava na inverzný prístup – pozorovaním prírody a biologického sveta, najmä biologických mechanizmov sa dá určiť, kde možno využiť umelé systémy. Takýto prínos umelých systémov do biologického sveta veľmi dobre demonštrujú liečivá. Užívanie liekov však často zasahuje širšiu oblasť, ako len tú, pre ktorú sú určené. Zatiaľ čo technológia sa snaží vytvoriť oveľa cielenejšie aplikácie, ako je injekcia lokalizovaných mikrokapsúl s naprogramovanou absorpciou na lokálnu účinnosť alebo minimálne invazívna chirurgia rakoviny, ako je kauterizácia nádorových tkanív horúcimi ihlami.
Ďalšie príklady výrobných procesov a produktov sú uvedené nižšie:
- Výrobné procesy: 3D tlač piluliek/tabletiek s aktívnymi substrátmi, biotlač liekov, krížová kontaminácia/voľná výroba/nakladanie, biotlač viacerých materiálov, sterilná a čistá výroba, produkcia tkaniva, diferenciácia rastu buniek v bioreaktoroch.
- Produkty: inteligentné biomateriály, biotlačiarne, nová bionika, nová kozmetika.
Typické procesy použitia umelých systémov a materiálov na vytvorenie/zabezpečenie činnosti biologických systémov sú na obr. 10 a 11.
5. Použitie umelých systémov ako náhrada biologických
Táto paradigma sa zameriava na náhradu poškodených biologických častí umelými systémami. V tomto kontexte sú hlavným príkladom protézy, ale s ohľadom na technologický rozvoj budú kmeňové bunky určujúcim prvkom tejto paradigmy.
Ďalšie príklady výrobných procesov a produktov sú uvedené nižšie:
- Výrobné procesy: biotlač pre replikované ľudské telo (protilátky), biotlač tkaniva na testovanie nových prvkov v kozmetickom priemysle, výroba jedla.
- Produkty: inteligentné biomateriály, prispôsobené 3D tlačené implantáty, využitie vaskularizácie (zvýšenie prekrvenia tkanív) v 3D tlačených biomodeloch tkanív a orgánov, inžinierstvo tkanív, regeneratívna medicína, transplantácia orgánov.
Typický proces použitia umelých systémov ako náhrady biologických je uvedený na obr. 12. Ide o prípad syntézy tkaniva.
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].
Pokračovanie v ďalšom čísle.
-tog-
