Efektivnost využití simulací, 3D tisku, virtuální a rozšířené reality při stavbě vědeckých experimentů

V tomto článku porovnáváme různé nástroje konstruktérů a vývojářů při stavbě vědeckých experimentů. V současné době trh nabízí velké množství nástrojů, které tzv. urychlí prototypování. Tyto nástroje jsou většinou velmi drahé a vyžadují specialisty, kteří s nimi umí pracovat. Při rozhodování, kterým směrem jít, je poměrně složité dopředu specifikovat všechny potřeby týmu tak, aby bylo prototypování co nejefektivnější. Chceme ukázat naši konstruktérskou cestu metodou rychlého prototypování za přispění počítačových simulací, technologie 3D tisku a zobrazení virtuální reality. Porovnáme náročnost na lidské zdroje, poměr cen a výslednou kvalitu prototypů.

1 ÚVOD

Ve vědeckém výzkumném Centru HiLASE je vyvíjeno více než dvacet laserových systémů pro vědecké a průmyslové aplikace. Tyto lasery mají různé výstupní parametry: od pikosekundových pulzů s energiemi 5 mJ – 0,5 J a opakovacími frekvencemi 1–100 kHz (lasery Perla na bázi technologie tenkého disku) až po systémy s výstupní energií 100 J v nanosekundových pulzech s opakovací frekvencí 10 Hz (lasery Bivoj a Kazi na bázi multi-slab laserových technologií) [1]. Paralelně s výzkumným tempem drží krok i technická realizace.

ETS (Engineering & Tech Support) tým dělá technickou podporu celému vědeckému týmu v Centru HiLASE. Na základě požadavků vědeckých pracovníků konstruuje, vyrábí, či nechává vyrábět součástky experimentů, které následně kompletuje a spolu s vědci i provádí funkční zkoušky těchto částí. Konstrukční zadání a požadavky vědeckých pracovníků přicházejí často v podobě ručních nákresů, náčrtů v MS Powerpoint či schematických 3D modelů. Konstruktéři z ETS teamu disponují poměrně širokou škálou nástrojů. Hlavním a prvním nástrojem je SOLIDWORKS Premium 2020, ve kterém se zhotovuje jak prvotní vizualizace řešení, tak výrobní dokumentace. Do toho vstupují stažené komerční modely, které lze použít např. pro virtuální a rozšířenou realitu, ale ne pro výrobní podklady. Prakticky nikdy se výroba jednotlivých komponent neopakuje. Vzhledem k cenové náročnosti těchto komponent není ani prostor na chyby a je nutné, aby každý prvek byl funkční již při první implementaci do systému. Z pohledu výroby se dá říci, že se jedná o zhotovení funkčních prototypů.

2 SIMULUJI, SIMULUJEŠ, SIMULUJEME

Pro prvotní ověření realizovatelnosti obvykle používáme simulační nástroje, které umožňují rychle přiblížit chování složitých dílů a sestav za daných provozních podmínek. To je zvláště výhodné v případě složitých a hmotných (tedy obtížně prototypovatelných) konstrukcí. Základními nástroji jsou lineární statické analýzy obsažené v programu SOLIDWORKS a dále simulace proudění tekutin a sdílení tepla (CFD – Computational Fluid Dynamics) obsažené v doplňkovém modulu SOLIDWORKS Flow Simulation.

2.1 Aby to něco vydrželo

Nejčastější využití nachází statická analýza při návrhu manipulačních vlastností a manipulačních prostředků pro jednotlivá laserová zařízení. Tato zařízení jsou díky své jedinečnosti často osazena do unikátních boxů, které vytvářejí nosnou a ochrannou strukturu laseru, stejně jako rozhraní pro jeho technologické a datové připojení. Pro bezpečnou manipulaci s takovým boxem je nutno navrhnout jeho optimální tuhost, aby se nedeformoval vlastní hmotností navýšenou o součet hmotností komponent laseru. Dále je nezbytné zkonstruovat manipulační prvky umožňující zavěšení celého zařízení na jeřáb, transport pomocí paletových a vysokozdvižných vozíků a přesné usazení na požadované místo. Tyto manipulační prostředky musí být konstruovány s ohledem na jejich maximální tuhost, kompaktnost a zároveň s minimálním mechanickým vlivem na laserový box. Na obr. 1 je vidět výsledek simulace prohnutí laserového boxu umístěného na podpěrách působením vlastní hmotnosti a přídavné zátěže.

Obr. 1 Statická analýza deformace laserového boxu

2.2 … a aby to chladilo

CFD analýzy jsou úspěšně používány stejně jako statické analýzy například při návrhu laserových boxů. Boxy kromě ochranné a nosné funkce zajišťují i optimální teplotní prostředí laseru. Toho lze dosáhnout např. vodním chlazením základové desky laseru (simulace gradientu teploty chladicího média probíhajícího v chladicích kanálech je vidět na obr. 2), které při vhodné konfiguraci odvádí teplo z bodových zdrojů – prvků laseru a přispívá ke stabilizaci teploty vnitřního prostředí boxu. Studie tedy v tomto případě zahrnuje nejen analýzu dynamiky tekutin, ale i přenos tepla.

Obr. 2 Komplexní analýza přenosu tepla a proudění kapaliny v chladicích kanálech laserového boxu

3 RYCHLÉ PROTYPOVÁNÍ V PROSTŘEDÍ LABORATOŘE

Další metodou ověření funkceschopnosti konstrukčního návrhu je zhotovení prototypu. V posledních několika letech pozorujeme masivní rozšíření aditivních technologií ve všech průmyslových odvětvích. Centrum HiLASE se rovněž rozhodlo zařadit tyto technologie do portfolia svých výrobních procesů. Hlavní výhodou technologie 3D tisku je rychlá a levná výroba poměrně kvalitních lehkých dílů.

3.1 Jsme soběstační a nejen časově flexibilní

Použitím 3D tisku se nám podařilo výrazně urychlit vývojový proces. Centrum HiLASE nemá prostorové kapacity pro vlastní výrobní dílny. Výrobu zajišťujeme buď ve sdílených dílnách Fyzikálního ústavu Akademie věd, nebo u externích dodavatelů. Díly, které jsme dříve nechávali vyrábět běžným způsobem, byly obvykle dodány 4–6 týdnů po schválení návrhu. Takto dlouhé čekací doby jsou pro vývoj nových zařízení značně nevyhovující a veškeré modifikace zabírají spoustu času.

Spouštěli jsme naše technologické pracoviště s jednou FFF (Fused Filament Fabrication) tiskárnou a v současné době máme již čtyři. Poptávka po tištěných součástech stále roste a v budoucnu bude nutné dokoupit další vybavení. Počet tištěných dílů v roce 2019 přesáhl 700 kusů.

Zřízením prostorově i finančně velmi úsporného technologického pracoviště FFF technologie jsme získali částečnou soběstačnost, která se odrazila i na časové flexibilitě. Nyní jsme schopni některé díly vytvářet během několika hodin od schválení designu. Běžně se díl montuje již druhý den od dokončení 3D návrhu. S takto velkou rychlostí výroby prototypových dílů jsme schopni řešit požadavky na jakékoliv konstrukční změny bez větších zpoždění.

3.2 Všechno zkombinujeme…

Ve velkém měřítku kombinujeme zakoupené komponenty s vlastními výrobky. Není výjimkou, že se na jednom stole sejdou díly vyrobené v USA, Německu a Anglii. Většinou z  důvodu nedostatečné kompatibility nebo nedostatku konstrukčních vlastností běžně dostupných komponent jsme vedeni k vlastním řešením. Konstrukční tým tedy musí přijít s řešením jak propojit dva nebo více nekompatibilních systémů, např. díly konstruované v imperiálním a v metrickém systému. Toto je okamžik, kdy se technologie 3D tisku ukázala jako velmi rychlý a efektivní nástroj, jímž lze vyrobit díl umožňující toto propojení. Takový díl je vidět na obr. 3. Propojuje rozměry obou systémů. Tištěný díl může také sloužit pro sjednocení závitů.

Obr. 3 Závitová redukce spojující díly s rozměry v imperiálním a metrickém systému; příprava k tisku (vlevo), namontovaná v laboratoři (vpravo)

Při použití správného materiálu a nastavení tisku lze dosáhnout dostačující přesnosti a tuhosti. Máme tiskárny s více extrudéry, čímž můžeme vyrábět jeden díl kombinovaný z více materiálů. Spojením dvou materiálů dokážeme vytvořit speciální vlastnosti nebo různé barvy finálního dílu. Můžeme například snadno kombinovat materiály v jedné součásti.

3.3 Ještě se to sem musí vejít

Laserová laboratoř má své specifické prostředí, materiály a díly. Optické součásti laserových systémů jsou citlivé na vibrace. Optomechanické části, stojany a držáky proto musí být tuhé. Stabilitu výkonu těchto laserových subsystémů nelze snížit použitím plastových dílů [2]. Přesto lze technologii 3D tisku použít jako první krok v procesu návrhu ke kontrole životaschopnosti návrhu. Složitost a počet našeho laboratorního vybavení a prostorové omezení představují nezanedbatelné riziko kolize s jinými součástmi. Aby se tomuto riziku zabránilo, je před objednáním výroby drahé součásti vyroben levný plastový díl. Tato levná testovací součást je vyzkoušena na správném místě v systému, a tím ověřena prostorová správnost návrhu. Pokud dojde ke kolizi, je součást přepracována s nižšími náklady a spotřebou času. Jako ukázku lze použít držák pneumatického stolku na obr. 4, 5 a 6. Výsledný držák komplikovaného tvaru byl vyroben z hliníku a vážil 1,6 kg. Otestován byl plastovým prototypem. Ten prokázal správné prostorové uspořádání a umožnil zjednodušení připojovacích míst výsledného držáku.

Obr. 4 Držák pneumatického stolku testovaný v laboratoři

Obr. 5 Tisková příprava držáku: 330 gramů použitého materiálu, časová náročnost 44 hodin tisku

Obr. 6 Finální kovový držák namontovaný v laboratoři, celková doba dodávky cca 8 týdnů

4 VIZUALIZACE FORMOU VIRTUALIZACE

Hotové a schválené konstrukční modely slouží nejen k výrobním, ale i k prezentačním účelům. V Centru HiLASE využíváme kromě klasických vizualizačních metod, jakými jsou například renderované obrázky, i moderní technologie virtuální a rozšířené reality. Tyto metody jsou si poměrně blízké a často bývají nesprávně zaměňovány.

4.1 VR není AR?

Virtuální realita (VR – Virtual Reality) vytváří kolem uživatele izolovaný virtuální prostor, který nezahrnuje prvky skutečného okolí. Výjimkou jsou např. limity pohybu uživatele, které jsou do virtuálního prostoru promítány.

Obr. 7 Headset pro VR Oculus Rift S

Rozšířená realita (AR – Augmented Reality) využívá pohled uživatele na skutečné okolní prostředí a jeho doplnění o virtuální objekty.

Obr. 8 AR brýle Microsoft Hololens

Obě zařízení jsou obvykle koncipována jako stereoskopické brýle, u VR vytvářející virtuální prostor, u AR umožňující průhled a promítání virtuálních objektů do reálného prostoru [4]. Pro AR lze případně využít i zobrazovací zařízení s dostatečným výpočetním výkonem umožňující snímání okolí a své polohy– typicky chytrý telefon nebo tablet.

Z toho je jasně patrný rozdíl ve využití těchto technologií. VR umožňuje vytvoření komplexního virtuálního prostoru v zásadě nijak neomezeného vnějším prostředím a naopak AR aktivně s vnějším prostředím pracuje a využívá jej.

4.2 VR a AR jako nástroj (nejen pro PR)

V současné době je virtuální realita (Oculus Rift S) v Centru HiLASE používána v první řadě pro prezentaci vysokoenergetického laserového systému Bivoj, který je z pohledu 3D modelu charakteristický svými rozměry a členitou strukturou, jak lze vidět na obr. 9. Díky VR může být tento laser prakticky kdekoliv a kdykoliv detailně představen, čímž odpadá nutnost návštěvy laserové laboratoře a zároveň je uživateli virtuální reality umožněn absolutně svobodný a bezpečný pohyb v prostoru laseru. Jako výhodné se do budoucna jeví použití virtuální reality například pro prohlídky dalších laserových systémů a laboratoří nebo prezentaci záměrů laboratorních přestaveb a rekonstrukcí.

Obr. 9 Kilowattový laserový systém Bivoj v prostředí virtuální reality

Rozšířená realita (Microsoft Hololens) se využívá v případě modelů kompaktních laserových systémů Perla. Zde poskytuje efektivní zobrazení těchto laserů v reálném světě, jak je ukázáno na obr. 10. Z uživatelského hlediska to znamená umístění laseru jako virtuálního objektu libovolně do okolního prostředí, jeho prohlídku a základní seznámení pomocí interaktivních prvků modelu. Tento proces je zvláště užitečný v případě, že vizualizaci je nutno provést v kontextu daného prostředí, typicky z důvodů zástavby. To dává předpoklad pro další budoucí využití rozšířené reality v případě komerčních laserových systémů, kdy bude možno snadno ověřit jejich instalovatelnost u koncového zákazníka.

Obr. 10 Tenkodiskový laserový systém Perla 100 zasazený do reálného prostředí pomocí AR

Pro systémy virtuální i rozšířené reality je v současné době připravován vysoce detailní model druhé generace laserového systému Perla. Ten bude komplexně využíván pro výukové i marketingové účely.

 ZÁVĚR

Poměr finanční náročnosti mezi jednotlivými systémy jsme vztáhli k ceně za 3D CAD nástroje. Jako příklad outsourcingu vybrané technologie lze použít cenu konverze 3D modelu laseru Bivoj do VR aplikace, která činila přibližně 1/3 cenu zaškolení pro VR. Pokud je aplikace pro virtuální realitu doplněna například o 3D volumetrickou nahrávku průvodce s komentářem, může se její cena zhruba zdvojnásobit (tj. 2/3 ceny zaškolení pro VR).

Všechny uvedené nástroje vyžadují kromě doby nutné k vyhledání, vysoutěžení a nákupu hardwaru a softwaru také nezanedbatelný čas na zaškolení pracovníků pro jejich relativně vysokou specializaci. Z našich zkušeností vyplývá, že jeden pracovník – konstruktér nezvládne obsluhovat bez pomoci dalších specialistů všechna tato zařízení. V následující tabulce jsme se odhadli porovnání v přepočtu na ekvivalent plného pracovního úvazku (FTE – Full-time Equivalent).

Tab. 1 Finanční náročnost technologií [6–8, 11]

HW a SW pro technologii	Jednotkové náklady na pořízení technologie [–]	Jednotkové náklady na zaškolení [–]	Celkové jednotkové náklady [–]
3D CAD – SOLIDWORKS Premium – Výpočetní a grafické PC	1,00	1,00	1,00
Simulační SW SOLIDWORKS – Simulation Standard, – Flow Simulation	1,27	2,60	1,42
3D tisk – 3D tiskárna SigmaX R19 – SW Cura – SW Simplify 3D	0,44	2,08	0,50
Rozšířená realita – Microsoft Hololens – SW Blender – SW Unity 3D	0,22	7,95	0,52
Virtuální realita – Oculus Rift S – PC pro VR – SW Blender – SW Unity 3D	0,15	4,77	0,33

Tab. 2 Časová náročnost technologií [5, 7–11]

Technologie	Čas na zaškolení [h]	FTE [-]
3D CAD – SOLIDWORKS Premium	32	0,8
Simulační SW SOLIDWORKS – Simulation Standard, – Flow Simulation	48	0,5
3D tisk – 3D tiskárna SigmaX R19 – SW Cura – SW Simplify 3D	25	0,5
Rozšířená realita – Microsoft Hololens – SW Blender – SW Unity 3D	63	0,6
Virtuální realita – Oculus Rift S – PC pro VR – SW Blender – SW Unity 3D	61	0,6

Dalším zajímavým námětem je pomocný HW (typicky 3D tiskárny nebo sety pro virtuální realitu), který buď můžeme implementovat do jednoho pracoviště, nebo naopak jít cestou více oddělených pracovišť, které se potom více specializují a vytvářejí kapacitní prostor.

Obecně nelze říci, že by bylo možné nahradit klasické prototypování těmito pokročilými metodami. Lze ale často prototyp vytvořit na mnohem vyšší úrovni, a tím podstatně zkrátit časy prototypování. Vzhledem k tomu, že Hilase je vědeckým centrem, můžeme často zanechat takto vytvořený díl v dalším užívání, bez dalších nároků na redesign.

PODĚKOVÁNÍ

Práce na tomto článku byla finančně podpořena Evropským fondem pro regionální rozvoj a státním rozpočtem České republiky (Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání; projekt HiLASE CoE, čís. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_006/0000674; program NPU I, projekt čís. LO1602).

LITERATURA

(1) Divoky, M., Smrz, M., Chyla, M., Sikocinski, P., Severova, P., Novak, O., et al.: Overview of the HiLASE project: high average power pulsed DPSSL systems for research and industry. High Power Laser Sci. Eng. 2 (2014). https://doi.org/10.1017/hpl.2014.16
(2). Aliheidari, N., Tripuraneni, R., Hohimer, C., Christ, J., Ameli, A., Nadimpalli, S.: The impact of nozzle and bed temperatures on the fracture resistance of FDM printed materials. Proc. SPIE, Behav. Mech. Multifunct. Mater. Compos. 10165, 1016512 (2017). https://doi.org/10.1117/12.2260105
(3) Shubham, P., Sumit, J.: Optimization of process parameter to improve dynamic mechanical properties of 3D printed ABS Polymer using Taguchi method. In: ARSSS International Conference, Goa (2018)
(4) Bradski, G.R., Miller, S.A., Abovitz R.: Methods and Systems for Creating Virtual and Augmented Reality, US. Patent US10203762B2, 13. 6. 2015 https://patents.google.com/patent/US10203762B2/en
(5) 4 kroky, jak využít virtuální realitu ve výuce. (2020) https://www.vupi.cz/cs/akce/4-kroky-jak-vyuzit-virtualni-realitu-ve-vyuce-vzdelavaci-kurz-26-28-05-2020.html
(6) BCN3D SigmaX R19. (2020) https://www.abc3d.cz/produktova-stranka/bcn3d-sigmax-r19
(7) Getting Started with Augmented Reality Počítačový kurz. (2020) https://www.nobleprog.cz/cc/ar
(8) Introduction to Virtual Reality (VR) Počítačový kurz. (2020) https://www.nobleprog.cz/cc/vr
(9) Live Augmented Reality Workshop. (2020) https://circuitstream.com/workshop/upcoming-live-ar-workshop/
(10) Naučte se vytvářet aplikace ve virtuální realitě. (2020) https://www.vupi.cz/cs/akce/naucte-se-vytvaret-aplikace-ve-virtualni-realite-vzdelavaci-kurz-7-9-4-2020-1579085058.html
(11) SolidVision. (2020) https://www.solidvision.cz/

Autoři

Ing. Martina Řeháková, e-mail: martina.rehakova@hilase.cz, tel.: + 420 314 007 717, Ing. Pavel Crha, Ing. Jan Heřmánek, Ing. Karolina Macúchová, Ph.D., Milan Melichar, Václav Němec

HiLASE Centre, Fyzikální ústav AVČR, Za Radnicí 828, 252 41 Dolní Břežany

Zobrazit článek ve Studovně

Lasery na Mars!

S lasery se v dnešní době můžeme setkat v mnoha odvětvích. Jak všichni víme, laser se dá využít k řezání, sváření a je také důležitou součástí mnoha lékařských zákroků. Ne všichni si však dokáží představit, jak by nám mohl laser pomoci ve vesmíru. Proto bychom si toto využití nyní popsali a vysvětlili. (Pokračování textu…)

Zobrazit článek ve Studovně

Operace šedého zákalu aneb od vypichovačů po laser

Jak jistě víme, laser s postupem času našel využití v mnoha odvětvích. Velmi důležité je jeho využití v medicíně. Vedle využití v chirurgii (sterilní řezání), dermatologii (odstranění pigmentových név nebo tetování) a stomatologii (vrtání zubů) je velmi důležité a převratné využití v oftalmologii. Velkým přelomem ve využívání laseru v oftalmologii bylo úspěšné léčení šedého zákalu.

Šedý zákal (katarakta) se u člověka projevuje snížením možnosti akomodace čočky. Při této nemoci se sníží možnost pacienta vidět na blízko a plně pohybovat okem. Čočka oka tvrdne, až se přemění v tvrdou „fazolku“. Díky tomuto procesu se zužuje zorné pole a může dojít až k úplné ztrátě zraku.

Operace katarakty je považována za nejstarší zákrok v dějinách nejen oftalmologie, ale také samotného lékařství. V minulosti (historické záznamy sahají do doby 2000 let př. n. l.) byla tato nemoc pouze oddalována. V té době existovali tzv. vypichovači, kteří prováděli reklinaci čočky (pomocí jehly zatlačili čočku hlouběji do sklivce) a tím rozšířili zorné pole pacienta. Pokud zatlačení nebylo možné, byla čočka jehlou roztříštěna. Při zákroku nebyla pacientovi podávána anestetika, jelikož v bělimě oka je malé množství nervů. Tento zákrok však nebyl sterilní a pacientovy ve většině případů tento zákrok zapříčinil infekci nebo zánět, a často docházelo následně k úplnému oslepnutí.

Nová metoda léčby, tzv. extrakce šedého zákalu, byla světu představena až v roce 1747 Jacquesem Davielem. Operace byla založena na principu, ve kterém docházelo k rozříznutí oka a vyjmutí zakalené čočky. Pouzdro čočky bylo v oku ponecháno. Pokud v pozdější době došlo k opětovnému zakalení pouzdra čočky, musel se v pouzdře operativně vytvořit otvor, který umožňoval průchod světla.
K modifikaci operační metody došlo na konci 19. století. Při tomto zákroku docházelo k vyjmutí jak zakalené čočky, tak i jejího pouzdra. Při operaci byl používán nástroj zvaný Davielova lžička.

Další vývoj léčebné metody byl zaznamenán v 60. letech minulého století, kdy byla světu představena metoda kryoextrakce. Jejím principem bylo namražení čočky uvnitř oka a její postupné vyjmutí pomocí kývavých pohybů. Tato metoda však byla velmi nebezpečná, jelikož je u ní velké riziko narušení sklivcové bariéry a následných komplikacích při operaci. Po zákroku v oku zůstane z původní čočky pouze její čiré pouzdro, do kterého se následně pomalým usazováním fixuje čočka z umělé hmoty.
Revoluce v léčbě šedého zákalu proběhla v roce 1967, kdy Charles Kleman představil metodu fakoemulsifikace. Tato metoda ultrazvukového rozmělnění a následného odsátí čočky se používá dodnes. Zákroky byly původně prováděné za celkové anestezie, ale se zdokonalováním operačních technik se přešlo k anestezii lokální.

Stávající metodu léčby šedého zákalu si popíšeme přesněji. Jak již bylo řečeno, bavíme se o léčbě primární katarakty. Pokud se podíváme na oko postižené šedým zákalem, můžeme si všimnout, že čočka oka je zatmavená a málo pohyblivá.
Prvním krokem, který se při zákroku provádí, je natrasování bodů, aby bylo možné laser správně vycentrovat a zaostřit do jednoho bodu. Poté se pomocí excimerového laseru do oka vyšle laserový paprsek, který je koncentrovaný v místě tkáně tak, aby nedopadal až na sítnici. V oku se vytvoří plasma a spolu s ní také rázová vlna, která čočku roztříští. Poté jsou milimetrovým otvorem vyndány útržky čočky z oka. Dalším krokem je vypláchnutí pouzdra čočky pomocí solného roztoku, který je nejvíce podobný oční kapalině. Následně je umělá čočka vložena do pouzdra původní čočky pomocí milimetrového trychtýřku, který je přichycen dvěma háčky na trabekulu. Potom už jen dochází ke kontrole, zda vše správně sedí. Po zákroku, který trvá 15 až 20 minut, pacient odchází s obnoveným zrakem. V následujících několika týdnech musí dotyčný užívat oční kapky a po 14 dnech se dostavit na kontrolu.

V případě, že oční pouzdro nebylo dostatečně vymyté, může dojít ke vzniku sekundární katarakty. Buňky roztříštěné čočky totiž narůstají a vyplňují zadní stranu pouzdra. Pokud dojde k vytvoření sekundární katarakty, je potřeba provést další zákrok. Při této operaci se vytvoří jiskra za umělou čočkou, která vytvoří průboj, který opět ztvrdlé buňky roztříští a další postup se opakuje stejně jako v případě primární katarakty. Vývoj této metody léčby je velmi důležitý, jelikož může pacientovi plně navrátit zrak.

Od prvních metod léčby šedého zákalu jsme „ušli velkou cestu“ a jsme nyní schopni tuto nemoc léčit rychle, bezbolestně a s efektivními výsledky.

Zobrazit článek ve Studovně

Obranné lasery – Ing. Tomáš Primus

Historie laserů sahá do 60. let minulého století. Od té doby se začínalo uvažovat o možnostech použití laserů pro obranu. Za prezidenta Reagana v 80. letech se v USA začaly objevovat první nápady na využití laserů jako obranných zařízení proti létajícím objektům. Stále však nebyl vývoj laserů tak daleko, aby se tyto plány mohly uskutečnit, avšak myšlenka zůstala a americká vláda začala financovat první výzkumy v oblasti obranných laserů. Druhou myšlenkou, která se v souvislosti s lasery a jejich využitím v boji diskutovala, bylo využití laserů proti vojákům s cílem ochromit jejich vidění, popř. další měkké tkáně. To ale bylo zavrhnuto jako nehumánní a jedinou vývojovou linkou tak zůstalo využít laserů pro obranu proti létajícím objektům. Myšlenka se stala skutečností v roce 2014, kdy námořnictvo Spojených států instalovalo první obranný laser na letadlové lodi USS Ponce. Po několika letech výzkumu a utracení více než 40 milionech amerických dolarů byl na světě první funkční laserový obranný systém s názvem LaWS (Obr. 1). Jednalo se o pevnolátkový 30kW laser, který vzdáleně připomíná teleskop pro pozorování hvězd. Právě vývoj optiky pro takovéto lasery je problematický, protože na rozdíl od čoček, které se v průmyslu používají pro fokusování paprsku a mají ohniskovou vzdálenost v jednotkách centimetrů, je zde třeba fokusovat paprsek na vzdálenost stovek metrů. Nová generace laserového systému LaWS má efektivně eliminovat cíle až na vzdálenost 1,5 km. Myšlenými cíli jsou zejména drony, nebo nepřátelské čluny. Díky kamerovým systémům a propracovanému systému navádění dokáží obranné lasery velmi rychle zaměřit a eliminovat nepřátelské cíle. U plujících člunů to může být vyřazení motoru, u letícího dronu třeba zničení vrtulí.

Umístění prvních obranných laserů právě na lodě mělo i svůj význam. Lasery spotřebovávají velké množství energie, je potřeba je chladit a jsou poměrně rozměrné. Dále se testovala jejich odolnost proti slanému mořskému prostředí a rozmarům počasí. Vývoj jde stále dál a snahou je systémy zmenšovat, tak aby bylo možné jejich použití i na obrněných vozidlech pro eliminaci cílů na souši.
A jaká je hlavní myšlenka použití laserů ve vojenství? Jsou to určitě provozní náklady, kdy jedna střela, řekněme sestřelení, protože se tyto systémy jen málo kdy mílí, stojí jednotky dolarů. A oproti raketám, které stojí několik tisíc dolarů, mají obranné lasery velký potenciál. I to si uvědomují velké zbrojařské velmoci a vývoj laserů významně podporují.
V letošním roce má námořnictvo USA pořídit od firmy Lockheed Martin nové generace laserů LaWS za 150 miliónů dolarů. A to není všechno. Zároveň se diskutuje o dalším kontraktu za miliardu dolarů. Další vývoj je jasný, a to směrem ke větším výkonům používaných laserů. Ten má v následujících pěti letech dosáhnout až desetkrát víc, než první obranné lasery, a to až 300 kW. Zároveň je snaha o snížení hmotnosti a velikosti celého systému, zvýšení účinnosti (přeměna elektrické energie na světelnou) a využití umělé inteligence pro rychlou eliminaci více cílů.

Co stojí za zmínku tak jsou i aktuální nevýhody obranných laserů. Je to zejména jejich použitelnost, protože aby mohl být laser použit potřebuje nějaký čas pro uvedení do provozu, zahřátí. Zároveň jsou současné systémy náročné na spotřebu energie a potřebu chlazení, což činí celý sytém velmi robustním. Posledním problémem je použitelnost za dobrých vizuálních podmínek a na cíle, které se nacházejí v dostřelu, což je třeba pouze 1-2 km od laseru. Vše si výzkumné týmy uvědomují a v následujících letech chtějí tyto nevýhody eliminovat. Pokud se to povede bude možné používat lasery např. pro sestřelování balistických raket v jakékoliv fázi jejich letu.
Vývoj jde stále dopředu a použití laserů pro obranu dostává stále nový rozměr a použitelnost.

https://www.theatlantic.com/politics/archive/2014/12/a-brief-history-of-militarized-lasers/453453/

https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/2019-features/how-laser-weapons-are-changing-the-defense-equation.html

https://www.militaryaerospace.com/sensors/article/16722085/military-eyes-prototype-megawattclass-laser-weapon-for-ballistic-missile-defense-in-next-seven-years

https://breakingdefense.com/2014/12/star-wars-at-sea-navys-laser-gets-real/

https://www.spacedaily.com/reports/Navy_orders_laser_weapon_systems_from_Lockheed_Martin_999.html

Zobrazit článek ve Studovně

Lasery v medicíně

Jak jistě víte, laserová záření mají mnohá použití. S jejich pomocí můžeme svařovat, řezat, provádět diagnostiku materiálů, vyrábět zábavní techniku a to zdaleka není všechno. V tomto článku se však budeme zaobírat jejich využitím v medicíně. Musíme si nejprve uvědomit, že lasery využívají velké množství energie, která však může být pro lidské tělo i nebezpečná.

Nejdříve si připomeňme, co vlastně laser je. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je optický zdroj koherentního a monochromatického elektromagnetického záření a je tvořen několika částmi. Těmi hlavními jsou aktivní prostředí, rezonátor a buzení (zdroj energie).

Abychom mohli říci, jak dopadne interakce laserového záření s tkání, musíme znát nejen parametry záření ale také biologické tkáně, se kterou přijde do styku. Dále záleží na typu interakce (primární nebo sekundární. Nejdůležitějšími parametry laseru je délka pulsu (doba, po kterou je tkáň vystavena záření), vlnová délka záření a hustota energie dopadající na tkáň. Typy tkání, které mohou být zasaženy laserovým zářením, jsou dva: tvrdé tkáně (sklovina, kost nebo kalcifikovaná tkáň cév) a tkáně měkké (ostatní tkáně).

Mezi primární typ interakce patří reflexe, absorbce, rozptyl, transmise a refrakce. Refrakce (lom) hraje významnou roli v ozařování transparentního média (tkáň rohovky). Při absorpci záření je nutné tkáně před i po zákroku chladit (ablativní fotodekompozice). U sekundárních parametrů (fotochemická interakce, teplotní interakce, fotoablace, plasmou indukovaná ablace a fotodisrupce) je třeba brát v potaz, že důsledky zásahu tkáně zářením nemusí být pouze chtěné (při operaci), ale mohou se vyskytnout také některé nežádoucí (zahřívání tkáně atd.).

První odvětví medicíny, kterému se budeme věnovat, je oftalmologie. Nejčastěji léčenou tkání v tomto odvětví je oční sítnice (protržení, odchlípnutí, diabetická retinopatie, stařecká degenerace, nádor). Abychom si přiblížili proces operace, vybereme si specifické onemocnění, na kterém si výhody použití laseru vysvěltíme. Diabetická retinopatie je onemocnění sítnice, které vzniká při cukrovce. Příznaky této nemoci jsou například zhoršení ostrosti vidění a vznik tmavých skvrn v zorném poli. Některé cévy v oku odumírají kvůli nedostatku kyslíku, aby však bylo i nadále zajištěno proudění do kyslíku do oka, tvoří se nové cévy, které však rostou na nesprávném místě (před sítnicí). Tyto nově vytvořené cévy způsobují krvácení do sklivce. Na léčbu sítnice se používá argonový laser (514 nm), kryptonový laser (568 nm) a Nd:YAG laser (532 nm). Léčba však nemoc pouze stabilizuje nebo zpomalí, k obnovení zraku nedochází.

Glaukom (zelený zákal) je onemocnění očí, které bez léčení může skončit trvalou ztátou zraku. Příznaky nemoci nejsou patrné až do doby, kdy se naruší centrální vidění. Možností léčby tohoto onemocnění je několik, zkusíme si tedy přiblížit alespoň některé. Laserová iridotomie je metoda léčby při které se vytváří otvor v plné tloušce duhovky. Před zákrokem, který je prováděn laserem, jenž je připojen ke štěrbinové lampě,  je pacientovi aplikována lokální anestezie. Při této metodě  se používá Nd:YAH (pro světlé duhovky)  nebo argonový (pro tmavé duhovky), Dalším možným zákrokem je cyklofotokoagulace. Principem této léčby je osvícení řasnatého tělíska pomocí výkonného laseru (Nd:YAG nebo diodový laser). Po ozáření se sníží tvorba nitrooční tekutiny, díky čemuž dojde i ke snížení nitroočního tlaku.

V dermatologii má laser široké využití při hojení jizev, ran, proleženin nebo třeba pigmentových skvrn. Pro tyto účely se využívají lasery s nízkým výkonem, díky čemuž lze dosáhnout biostimulace buněk tkáně. Léčba je potom velmi rychlá, efektivní a komfortnější pro pacienty. Pro kosmetické vady, jako je například akné nebo nechtěné ochlupení, se využívá termodestrukce, tento zákrok má zpravidla několik fází. Vždy je laser zamířen na melaninové buňky, které má zničit.

Chirurgický laser může fungovat na dvou psrincipech. Prvním z nich je odpařování kapalin z měkkých tkání, zatímco druhý princip je založen na rozbíjení molekulárních vazeb látek, které se nacházejí v tkáni. V chirurgii se při malých zákrocích, jako je například odstranění zarůstání nehtů, používá povrchový CO2 laser. Neodymový laser (1064 nm) spolu s rubínovým vodícím paprskem zase nachází své uplatnění při zástavě krvácení.

Využití laseru nese mnohé výhody i v odvětví urologie, v tomto případě jsou ale zákroky vykonané pomocí laseru pouze alternativou. Hlavním důvodem, proč se využití laserového záření dostává do popředí, je zkrácení doby léčby po operaci a také menší počet reoperací. Nejčastěji využívanými lasery v urologii jsou Holmium:YAG (2140 nm) a KTP lase (532 nm).

V gynekologii se laser nejčastěji používá k zacelování ran a k léčbě jizev. Lasery používané k zákrokům na sliznici však musí mít delší vlnovou délku, jelikož je sliznice na působení laseru citlivější než například kůže.

V revmatologii se laser používá při léčbě artróz a dalších onemocnění, v tomto případě je léčba vždy doprovázena léky. Díky protizánětlivým účinkům laseru (830 nm) se z něj stala samozřejmá součást standardní výbavy ve specializovaných pracovištích. Laser se také používá při rehabilitaci. Povchová aplikace se používá na léčbu jizev, kde se pro plošnou aplikaci využívá laserový scenner.

Ve stomatologii se využívá silného laseru místo zubních vrtaček. Výhodou jeho použití je menší bolestivost po zákroku. Široké využití má laser u zánětlivých onemocnění, paradontózy a při zvyšování odolnosti zubní skloviny.

 

 

Zobrazit článek ve Studovně