Miniaturní objekty tančí díky novému způsobu bezkontaktní manipulace

Cenu Wernera von Siemense v tematické kategorii Nejlepší absolventská práce týkající se témat Průmyslu 4.0 získal Ing. Tomáš Michálek, Ph.D., z Fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze za disertační práci s názvem Mikromanipulace pomocí dielektroforézy – modelování a řízení založené na optimalizaci v reálném čase.

Od 50. let minulého století je historicky již poměrně dlouhý proces miniaturizace silně spjat s pokrokem výpočetní techniky. V této době totiž začala výroba integrovaných obvodů a různých dalších miniaturizovaných elektromechanických zařízení. V současné době, kdy se vědy o neživém a živém všelijak prolínají, vzrůstá zájem o nástroje schopné automatizované manipulace s biologickými mikroobjekty, jako jsou buňky o velikosti mezi 1 μm a 100 μm. A právě tomuto tématu zasvětil svou disertační práci Tomáš Michálek.

V práci popsal systém bezkontaktní manipulace, který umožňuje současné řízení pozice a orientace mikroskopických objektů libovolných tvarů. Pro tento účel vytvořil matematický model a software, díky nimž lze s mikroobjektem manipulovat kontrolovaně, s ohledem na dielektroforetické (dielektroforéza je jev, který způsobuje, že se polarizovatelné, ale nenabité objekty v nehomogenním elektrickém poli pohybují) i hydrodynamické vlivy, které na něj působí. Lze tak vidět doslova magický tanec několika malých a pouhým okem sotva viditelných objektů, pohybujících se jen tak, bez jakékoliv viditelného posunování mechanickým manipulátorem či laserovou pinzetou.

Unikátní i celosvětově

„Práce je unikátní i z celosvětového hlediska. Do oblasti původně rozvíjené fyziky, chemiky a biology totiž práce přináší systémový pohled kybernetických oborů, jako jsou automatické řízení a robotika. To umožnilo předvést naprosto libovolnou manipulaci s vybranými objekty,“ oceňuje přínos práce Michálkův školitel doc. Ing. Zdeněk Hurák, Ph.D.

Výsledky práce Tomáše Michálka se mohou uplatnit například v oblasti bioanalytické instrumentace (tedy jako bezkontaktní pinzeta pro single-cell manipulaci), ale i ve výrobních procesech, jako je paralelní skládání složitějších produktů z velkého počtu jednoduchých součástek. Oproti existujícím postupům je výhodou popsané metody především to, že dovoluje vyhnout se mechanickému kontaktu s objektem a umožňuje paralelizaci/škálování při simultánní manipulaci. Celospolečenským přínosem práce pak může být například další pokrok ve studiu nemocí či vývoji nových léků.

„Práce je pozoruhodnou směsí teoretické a praktické činnosti. Takto renesančně všestranný, a přitom výkonný výzkumník je dnes naprosto výjimečný,“ chválí svého studenta Zdeněk Hurák. Nejvíce si však na něm cení jeho předvedené odvahy a vytrvalosti. „Odvahy vybrat si pro svůj doktorát téma, jehož řešitelnost nebyla v okamžiku zadání ani trochu zřejmá – v žádném případě nešlo o inkrementální výzkum. A vytrvalosti v nastoupené cestě. Během těch několika let svého doktorátu předvedl skutečně objevitelský a inovátorský výzkum v ryzí formě a na mezinárodní úrovni, který má navíc velký potenciál být užitečný,“ myslí si Zdeněk Hurák.

Náročné experimenty

Nejnáročnější částí práce byla podle slov laureáta ocenění ta experimentální. „Bylo nutné překonat řadu potíží spojených s výrobou mikroelektrod, jejich kontaktováním či spolehlivým řízením napěťových průběhů,“ říká Tomáš Michálek.

To, že si Michálek klade vysoké a náročné cíle, má dobrý důvod: jeho vědeckým vzorem je totiž slavný americký fyzik Richard Feynman. „Vedle jeho úspěchů na něm obdivuji i jeho skromnou povahu, nadhled a chuť poznávat,“ svěřuje se Tomáš Michálek.

Do soutěže se Tomáš Michálek přihlásil, aby zjistil, jak obstojí v silné konkurenci, se kterou je takto prestižní ocenění spojeno. „A jsem rád, že navíc mohu představit výsledky své práce širší veřejnosti,“ dodává.

Zápal pro studijní obor a techniku má silný vliv i na jeho volnočasové aktivity. Mezi jeho nejoblíbenější činnosti totiž patří programování a elektronika.