Pokiaľ ide o efektívnosť, účinnosť, obehovosť (cirkularitu) a samoorganizáciu, príroda je v tomto všetkom pre nás vzorom. To, čo príroda vytvorila za 3,5 miliardy rokov evolúcie, je pre nás stále technicky nepredstaviteľné. Biologické systémy sa dokážu samy vybudovať, rozmnožovať, organizovať, mimoriadne rýchlo reagovať na vonkajšie vplyvy a sú mimoriadne energeticky efektívne. Aj tie najjednoduchšie organizmy majú molekulárne motory s účinnosťou takmer 100 %. Včely a mole dokážu lokalizovať pachy na veľkú vzdialenosť pomocou mimoriadnej čuchovej citlivosti prostredníctvom pachových a časových gradientov. V prírode nájdeme vlasové bunky aj v najmenších tvoroch, kde možno zmerať zmenu synaptického signálu už pri výchylke jedného Angströmu. Neuveriteľne zložité štruktúry s nespočetným množstvom zložitých procesov syntézy sa úplne samoorganizujú v každej živej bytosti na základe genetických „nákresov“ DNA a veľkého množstva regulačných procesov.

Víziou Biointeligent Manufacturing je spojiť tieto biologické systémy s umelými technickými a informačnými systémami. Na jednej strane to znamená implementáciu schopností v technických systémoch, ktoré doteraz nebolo možné technicky zmapovať. A na druhej strane to prináša efektívnejšiu a zároveň ekologicky udržateľnú výrobu tovaru z hľadiska využitia zdrojov. Dôležité je, že zavedenie biológie ako novej dimenzie transformácie priemyselných procesov popri inžinierstve a IKT ponúka skvelú príležitosť na riešenie výziev, ktorým ľudstvo čelí. Prírodné princípy a komponenty rozšíria priestor riešenia a povedú k novým transformačným kapacitám v zmysle cirkulárnosti a udržateľnosti.

Európa má jedinečnú príležitosť pretaviť túto víziu do nových výrobných ekosystémov, ktoré podporujú cieľ dosiahnuť udržateľnú výrobu. Európske výskumné inštitúcie a spoločnosti dosiahli v oblasti biologických vied a v súvisiacich oblastiach významný pokrok. Európa je zároveň tradične silná vo výrobnom výskume, vývoji a aplikáciách. Tri milióny zamestnancov v 80 000 spoločnostiach tvoria európsky strojársky priemysel a dosahujú tržby 730 miliárd eur z celkových 2 710 miliárd eur na celom svete.

Víziou udržateľnej biointeligentnej výroby je, že umožňuje a zároveň vyžaduje rozvoj nových výrobných ekosystémov. Tie sa dosiahnu transformáciou etablovaných priemyselných odvetví v celej Európe, poskytujúc úrodné prostredie a usmernenia pre spoločnosti, malé a stredné podniky (MSP) a začínajúce podniky, čím sa podporí celoeurópsky multidisciplinárny dialóg a prenos znalostí.

Biologická transformácia

Biologická transformácia sa vzťahuje na posun smerom k novému technickému základu pre udržateľný ekonomický systém, ktorý je jedným z kľúčových predpokladov zdravej spoločnosti a konkurencieschopného priemyslu. Ak je bioekonomika interpretovaná ako stav budúceho udržateľného ekonomického systému (ktorý vyžaduje zohľadnenie všetkých odvetví národného hospodárstva), potom biologická transformácia opisuje proces vytvárania jeho technickej základne.

Termín biologická transformácia opisuje proces, ktorý sa prejavuje v množstve činností. Je samozrejmé, že mnohé z týchto aktivít nie sú „novinky“, ale svoj plný potenciál a spoločenskú zmenu dosiahnu až systematickým a integrovaným uplatňovaním existujúcich konceptov, technológií a postupov. Na to, aby sme tému dostali na európsku úroveň, jednoducho nestačí premenovať prebiehajúce aktivity. Inžiniering a automatizácia sú už dlho súčasťou biotechnológie. Okrem toho sa už začali využívať digitálne nástroje a digitálne dvojičky. Novinka biologickej transformácie je v zbližovaní technických, informačných a biologických systémov interakcie, kým predtým spolupracovali len bilaterálne (obr. 1). To vedie k vytvoreniu nových priestorov na riešenie v spojení troch disciplín.

Biologizáciu priemyslu opísal Gerald Byrne a kol., ktorí túto oblasť definovali ako „využívanie a integráciu biologických a biologicky inšpirovaných princípov, materiálov, funkcií, štruktúr a zdrojov pre inteligentné a udržateľné výrobné technológie a systémy s cieľom dosiahnuť ich plný potenciál“ [1]. Miehe a kol. definovali pojem biologická transformácia tvorby priemyselnej hodnoty podľa Patermanna ako „systematické uplatňovanie poznatkov o prírode a/alebo prírodných procesoch s cieľom optimalizovať výrobný systém s ohľadom na jeho spoločenské a obchodné výzvy hľadaním konvergencie bio- a technosféry“ [2].

V dôsledku toho sú potrebné nové koncepcie a technológie, ktoré môžu aktívne prispieť k biologickej transformácii v oblasti pokročilej výroby. Biointeligentné výrobné systémy na druhej strane neopisujú proces, ale sú to fyzické entity, ktoré sa ešte len musia vyvinúť. Ich nástrojmi sú bioinšpirácia (predovšetkým bionika/biomimetika), biointegrácia (predovšetkým biotechnológia a procesné inžinierstvo) a biointeligencia (podpora bioinšpirácie a biointegračných prístupov pomocou molekulárnych a digitálnych technológií).

Bioinšpirácia

Ľudstvo vždy využívalo prírodné zdroje a inšpirovalo sa prírodou. Obehové hospodárstvo využíva prírodu ako vzor. Bioinšpirácia pre technické produkty sa nazýva bionika a bola široko zavedená napríklad lietajúcim strojom Leonarda da Vinciho a Lotusovým efektom Wilhelma Barthlotteho sklenej alebo žraločej kože pre lietadlá. Výskum inšpirovaný živou prírodou je návratom ku klasickým počiatkom vedy: je to oblasť založená na pozorovaní pozoruhodných funkcií, ktoré charakterizujú živé organizmy, a na snahe abstrahovať a napodobňovať tieto funkcie v technických systémoch.

Pozorovanie prírody viedlo k skorému vývoju takých produktov, ako sú nové materiály, zariadenia a štruktúry inšpirované riešeniami v biologických systémoch. Biologická evolúcia a zdokonaľovanie prebiehali milióny rokov [3]. Hlavným cieľom bioinšpiračného prístupu je zlepšiť modelovanie a simuláciu biologického systému, aby sa dosiahlo lepšie pochopenie kritických štrukturálnych vlastností prírody na použitie pri navrhovaní dizajnu a funkcií inšpirovaných živými organizmami [4].

Novším prístupom je snaha obnoviť zložitosť prírodného sveta v digitálnom svete. Začalo sa to základnou myšlienkou Priemyslu 4.0 distribuovať inteligenciu a zlepšovať komunikáciu medzi subjektmi. Ďalej ho posunuli neurónové siete schopné rekonštruovať adaptačné mechanizmy mozgu. V súčasnosti sa vedci pokúšajú rozšíriť túto technológiu nad rámec bioinšpirácie a biointegrácie a snažia sa urobiť systémy inteligentnými a odhaliť tajomstvo výnimočnej stability biologických mechanizmov. Dnes je jedným z najzaujímavejších konceptov získavanie udržateľnosti a cirkulárnosti z prírody. Evolúcia priemyslu smerom k udržateľnej ekonomike využíva prírodný svet ako model, ktorý nám pomohol intuitívne nasmerovať naše úsilie na vyvíjajúce sa produkty a procesy podobné biologickému prostrediu. To je poháňané nádejou, že tento technologický vývoj prenesie rovnakú schopnosť prírodného sveta recyklovať a regenerovať sa do nových a vyvinutejších foriem do technického sveta.

Výrobný priemysel sa neustále vyvíja. Čoskoro sa ukázalo, že príroda ponúka veľmi dôležité pole inšpirácií na začatie procesu radikálnej zmeny smerom k udržateľnej ekonomike založenej na znížení množstva odpadu a intenzívnejšom opravovaní, opätovnom používaní, renovácii a nakoniec recyklácii na nepretržité a čoraz zodpovednejšie opätovné použitie. Príroda je založená na princípe cyklického opätovného využitia, čo jej umožňuje vyvíjať sa v najrozličnejších formách a spôsoboch s jediným cieľom, aby sa zachovala. Na základe tejto paradigmy musí byť priemysel budúcnosti vytvorený z kľúčového konceptu, že to, čo sa vyrába, musí z veľkej časti slúžiť na vytváranie nových produktov v cykle, ktorý sa musí čo najčastejšie opakovať. Technológie potrebné na dosiahnutie tohto cieľa budú čoraz vyspelejšie a komplexnejšie a budú si vyžadovať, tak ako v prírode, koexistenciu a spoluprácu čoraz väčšieho počtu disciplín, aby bolo možné rozlúštiť a vyriešiť technické a vedecké otázky a výzvy, ktoré sa počas tejto cesty vynoria.

Biointegrácia

Jedným z prístupov, ktoré ľudstvo používa na interakciu s prírodou, je biointegrácia. Príkladom toho je fúzia umelých a biologických materiálov, ako je umelá väzba živého tkaniva na povrch biomateriálu alebo zubného implantátu nezávisle od akéhokoľvek mechanického spojovacieho mechanizmu. Biointegrácia je medzistupňom medzi bioinšpiráciou a biointeligenciou.

Biointeligencia

Koncept biointeligencie ďaleko presahuje bioinšpiráciu a biointegráciu. Biointeligentné systémy, produkty alebo postupy vyžadujú nielen simuláciu alebo integráciu biologických komponentov a princípov, ale aj úzku interakciu technických, informačných a biologických systémov (obr. 1). Biointeligencia nezahŕňa len inovatívne materiály a biologické systémy, zameriava sa predovšetkým na technológie a princípy, ktoré umožňujú priamu komunikáciu a rozhranie medzi technickými a biologickými systémami. Táto novovznikajúca paradigma vo vývoji digitalizácie a 4. priemyselnej revolúcie (Priemysel 4.0) predpokladá úzku interdisciplinárnu interakciu medzi zručnosťami, ktoré donedávna nemali takmer žiadne styčné body.

Hlavnými aktérmi tejto novej priemyselnej transformácie sú biologické vedy (medicína, biológia atď.), inžinierstvo (automatizácia, nanotechnológia atď.) a digitálne technológie (rozsiahle údaje, umelá inteligencia atď.). Každá z týchto oblastí prinesie svoje kompetencie, no investícia by mala byť pod jednou zastrešujúcou interdisciplinárnou spoločnou strechou. Aby bolo možné fyzicky vyrábať (biointeligentné) produkty biointeligentným spôsobom, sú potrebné koncepty a komponenty pre biointeligentnú výrobu.

Literatúra

[1] Byrne, G. – Dimitrov, D. – Monostori, L. – Teti, R. – Houten, van F. – Wertheim, R.: Biologicalisation: Biological transformation in manufacturing. In: CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2018, 21, 1 – 32. Dostupné tu. 

[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. Dostupné tu.

[3] Sanchez, C. – Arribart, H. – Giraud, G. M. M.: Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials, 2005, 4 (4), 277 – 288. DOI: 10.1038/nmat1339. PMID 15875305.

[4] Whitesides, G. M.: Bioinspiration: something for everyone. Interface Focus, 2015, 5 (4), 150031. 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-