Je to nápad pětice inovátorů z pražské ČVUT, kteří se při jarní vlně koronaviru nemohli dívat na to, jak nekontrolovaně se virus šíří a jak bezmocný je proti tomu stát. Vyvinuli a v rekordně krátké době nechali certifikovat ochrannou masku, kterou není potřeba nikam posílat kamiony ani letadly. Stačí zaslat soubor s daty a každý stát si ji může vyrobit – vytisknout na 3D tiskárně – sám. Data pro tisk české masky si už stáhlo více než sto institucí ze třiceti zemí světa. Má je například největší nemocnice zaměřená na klinický výzkum Mayo Clinic v americké Minnesotě. Nově vyvinutá softwarová aplikace také pomocí smartphonu naskenuje obličej a doporučí vhodnou velikost těsnění pro pohodlnější používání masky.

Alexandr Lazarov (na úvodní fotce s maskou) a Vít Dočkal jsou dva z jinak pětičlenného týmu, který tvoří jádro vývoje ochranné polomasky RP95, zrozené na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC ČVUT). Zatímco Lazarov je hlavní designér ochranné polomasky, výzkumný pracovník centra 3D tisku v rámci Testbedu pro Průmysl 4.0 na CIIRC ČVUT, Vít Dočkal je vedoucí projektové kanceláře a bez nadsázky hlavní tahoun celého vývoje masky.

První model byl za týden hotový

Jak vznikl nápad na tuhle masku?

Vít: Vše se seběhlo opravdu hodně rychle v březnu 2020. Začalo být jasné, že je kritický nedostatek ochranných pomůcek, vázly dodávky od dosavadních dodavatelů a Česká republika i okolní svět byly na pokraji apokalypsy. Díky našim kontaktům se nám do rukou dostala detailní čínská metodika o tom, jak nejlépe ochránit zdravotníky, když přicházejí do styku s nakaženými koronavirem. V čínském Wuhanu měli v prvních týdnech obrovskou morbiditu a mortalitu v první linii. Ukázalo se, že vir je vysoce infekční. Všechno jsme konzultovali s lékaři a informace předali i na ministerstvo. Bohužel bylo zřejmé, že v dané chvíli nejsou k dispozici pomůcky, které by zajistily skutečně nejvyšší míru ochrany. Proto jsme se rozhodli s tím něco udělat, a to co nejrychleji.

Alex: Přesně tak, chtěli jsme přijít s řešením, které zdravotníky skutečně ochrání a bude rychle vyrobitelné v České republice. Nešlo nám o nějaký polovičatý výrobek, ale o ochranný respirátor, který splní přísné parametry. Proto jsme si už na začátku řekli, že respirátor musí získat také certifikát. V té době jsme ale ještě neměli tušení, co všechno to obnáší.

Co všechno to tedy obnáší? Kolik úsilí a času to trvalo od vývoje k certifikované masce?

Vít: Pamatuji se, že první model polomasky začal Alex modelovat a tisknout loni 12. března, to byl čtvrtek. Za týden jsme měli polomasku, která mohla jít do zkušebny k testování a certifikaci. To, co zpravidla ve světě trvá dva a půl roku, jsme stihli za týden.

Alex: Začali jsme vyvíjet respirátory na 3D tiskárně, kterou jsme měli v tu dobu nainstalovanou jen týden a nikdo jsme s ní ještě pořádně neuměli pracovat. Použili jsme speciální zařízení HP MultiJet Fusion, které máme v centru RICAIP díky prostředkům Evropské unie a ministerstva školství. Začal jsem zkoušet různé modely a filtrační materiály. Výhodou 3D tisku je velmi rychlé prototypování. Za týden jsme vyzkoušeli asi třicet různých tvarů a průběžně je upravovali. Co den, to trochu jiná, upravená maska. Byl jsem skoro pořád v práci u tiskárny, vlastně jsem ani nevěděl, co se venku děje.

Vývojový tým: (zleva) Pavel Burget, Alexandr Lazarov, Petr Kadera, Vít Dočkal, Jaroslav Lískovec. (Foto: Lukáš Socha)

Popište vývoj té masky. S čím jste zápasili, jaké problémy jste museli řešit, co šlo dobře, co špatně?

Vít: Bylo to velmi hektické. Klíčovou otázkou se třeba ukázalo vyřešení filtrace. Původně jsme chtěli masku osadit vlastním filtrem s použitím českých nanovlákenných materiálů, které jsou opravdu kvalitní a viry nepropustí. Jenže se ukázalo, že takový filtr nestačí pro pohodlné dýchání, tedy spíše vydechování. Čas nás tlačil, tak jsme zvolili variantu externího filtru. CzechInvest nás propojil se Sigmou Lutín, jejichž filtry jsme pomocí jednoduchého nástavce z 3D tisku na masku nasadili. Stejným způsobem se pak v sériové výrobě osvědčily filtry od pardubického výrobce Avec Chem. Naráželi jsme nejen na technické překážky, ale i obecně na neznalost technologického transferu z akademického prostředí do průmyslové praxe.

Alex: Nevěděli jsme, co má taková polomaska obsahovat. Od začátku jsme řešili jeden problém za druhým. Záhy se třeba ukázalo, že těsnění na 3D tiskárně nevytiskneme. Musí se dokonale přizpůsobit různým velikostem obličeje, nesmí tlačit. Jeden z nás sedl do auta a jel do Plzně domlouvat dodavatele či partnery, kteří by nám mohli pomoci. Takto jsme řešili těsnění nebo třeba gumičky pro upevnění masky na hlavu. Najezdili jsme tisíce kilometrů a jednali jsme se stovkami lidí, desítkami firem. Experimentovali jsme s různými materiály, nakonec jsme zvolili silikon, který se osvědčil jak pro těsnění, tak i pro membránu ve výdechovém ventilu. Vyráběli jsme je formou lití, ovšem do formy, kterou jsme také vytiskli na 3D tiskárně.

Chceme pomáhat vědcům, aby jejich nápady nezůstaly v šuplíku

Kdo konkrétně jsou lidé z vývojového týmu?

Vít: Jádro tvoří skupinka pěti lidí částečně zapojených do nového centra excelence pro pokročilou průmyslovou výrobu RICAIP, bez kterého bychom neměli k dispozici nejmodernější technologie. Kromě nás dvou to byli ještě Pavel Burget, vedoucí Testbedu pro Průmysl 4.0, dále Jaroslav Lískovec, který se v čele Národního centra Průmyslu 4.0 osvědčil jako ta pravá osoba pro kontakt s možnými průmyslovými partnery, a Petr Kadera, který na CIIRC ČVUT vede oddělení Inteligentních systémů pro průmysl. V Testbedu, kde jsme tou dobou trávili veškerý čas, nám pomáhali i další lidé. Samozřejmě studenti ČVUT, kteří tam byli a jsou na stáži a dlouhodobě hlavně s Pavlem a Petrem spolupracují. Přijížděli za námi i kolegové z jiných pracovišť, třeba tým Františka Macha z Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, kteří měli zkušenosti s odléváním silikonu. Velkou oporou nám byl také také Robin Čumpelík z Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

Alex: Byla to týmová práce, bez spolupráce bychom to za týden nezvládli. Díky masce jsme se dali v tomto složení vlastně poprvé dohromady. Teď už bychom jeden bez druhého ani nemohli fungovat, skvěle se doplňujeme, i když jsme hodně odlišní a v CIIRC se normálně věnujeme trošku rozdílným oblastem. Tato zkušenost nás nastartovala. Chceme pomáhat i ostatním výzkumníkům, aby jejich nápady nezůstávaly v šuplíku, ale dostaly se do praxe, jako se to povedlo nám.

Maska RP95-M pro sériovou výrobu, kterou již mohou vyrábět soukromé firmy. (Foto: Lukáš Socha)

A jak se vám tedy daří spolupracovat s praxí? Máte už smlouvu na výrobu se soukromou firmou?

Vít: Spolupráce s průmyslovými firmami byla naprosto klíčová, jinak by i náš nápad zůstal právě v šuplíku, jak zmínil Alex. 3D maskou jsme začali, ale chtěli jsme zajistit výrobu až deseti tisíc polomasek denně. Univerzita neumí a ani nemá zajišťovat výrobu. Proto byl další proces v souladu s mezinárodní praxí převeden na univerzitní spin-off – start-up společnost TRIX Connections. Podařilo se zapojit firmu Cardam, která fungovala jako spojka k celé síti českých dodavatelů se specifickým know-how v průmyslu. Založili ji už před lety Česká zbrojovka, Fyzikální ústav AV ČR a také společnost Beneš a Lát, která patří mezi špičku v konstrukci nástrojů pro sériové dodávky výrobků z kovu i plastu. Díky tomu jsme začali pracovat na modelu polomasky pro sériovou výrobu vyrobitelnou metodou vstřikování plastů. V rámci měsíce se podařilo výrobu spustit, což byl další rekord.

Alex: Musíme zmínit, že s firmami jsme spolupracovali už při vývoji a výrobě modelu pro 3D tisk. Když jsme v pondělí 16. března vydali zprávu o úspěšném prototypu s výzvou, aby se do dalšího postupu firmy zapojily, vyvolalo to ohromný ohlas. Velkou roli sehrála i agentura CzechInvest, která nás propojila s Výzkumným ústavem bezpečnosti práce. V jejich zkušebně jsme také masku úspěšně otestovali a nechali ve zkráceném procesu certifikovat. Certifikací jsme ale neskončili. Chtěli jsme, aby se 3D maska skutečně vyráběla. To se nám podařilo díky zapojení firem jako 3Dees Industries, Škoda Auto, Siemens či 3D Tech. Zapojili se téměř všichni v Česku, kteří v té době měli 3D tiskárny HP Multi Jet Fusion. 3Dees Industries jako oficiální zástupce HP pro Českou republiku připravili výrobní sestavu, vyrobili první prototypovou sérii a pak koordinovali celou výrobní logistiku. Škoda Auto provedla zkušební tisk a nabídla jako první svoje výrobní kapacity. Všichni neuvěřitelně ochotně a bez nároku na zisk. Do spolupráce se zapojila také společnost HP, která zprostředkovala kontakty do zahraničí. Jedna tiskárna byla schopná vytisknout za den šedesát masek. Díky tomu se mohlo tisknout až pět set kusů denně a dodat je ministerstvu zdravotnictví.

Funguje to i tak, že mi pošlete tisková data a já si masku vytisknu doma?

Vít: Masku si určitě nějakou doma na své domácí 3D tiskárně vytisknout můžete, ale ne tu naši. Hlavní části ochranné polomasky CIIRC RP95-3D se tisknou na speciálních 3D tiskárnách – HP MultiJet Fusion. Jsou to jiné tiskárny než ty, které známe z domácností nebo z médií. Zkoušeli jsme i jiné technologie, ale to se neosvědčilo - bez dodatečné technologické úpravy nebyla zaručena maximální ochrana. Naše maska je jako celek certifikována a i díky externímu filtru splňuje dokonce vyšší stupeň ochrany než respirátor FFP3, neboť nepropustí 99,9999% částic. Data pro 3D tisk jsme poskytli online v podobě hotových setů včetně instrukcí k výrobě právě vlastníkům těchto zařízení. Na základě volné licence si je stáhlo více než sto institucí ze třiceti zemí světa. Má je tak například největší nemocnice zaměřená na klinický výzkum Mayo Clinic. Navíc univerzálnost řešení a rychlost vývoje masky ocenilo i americké námořnictvo.

Alex: Použitá technologie na rozdíl od běžných, které mají lidé doma, zajistí naprostou nepropustnost vůči virům. Tisk trvá asi půl dne, kdy se postupně ve vrstvách nanáší nylonový prášek, který je následně spékán do požadovaného tvaru. Skoro stejnou dobu pak trvá chlazení. Takto vzniklé tělo masky se zkompletuje s těsněním a výdechovou membránou. Obojí je ze silikonu, tedy z jiného materiálu, než je tělo masky, a vyrábí se formou lití do předem dané formy. Maska se poté zkompletuje s gumičkami pro uchycení na hlavu a také samozřejmě s externím filtrem, který je odnímatelný, a tudíž vyměnitelný.

Chrání ještě více než respirátor FFP3

Jak tedy může běžný člověk masku získat?

Vít: Masku už od léta loňského roku vyrábí konsorcium firem kolem Cardam. Stačí se na ně obrátit, nebude problém ji pořídit. Dodávají ji jak institucím, firmám i jednotlivcům. (Společnost Cardam Solution prodává masku za 800 Kč bez DPH. Cena za náhradní filtr P3R je 180 Kč. - pozn. red. Data pro 3D tisk jsou poskytnuta pro nekomerční užití bezplatně.)

Jaké máte nyní s maskou plány? Co budete chtít ještě vylepšit, inovovat?

Vít: Vývoj kolem ochranné polomasky stále pokračuje, v oblasti výzkumu je velký potenciál zejména ve 3D tisku. Ten umožňuje individuální přizpůsobení velikosti. Už v prvních měsících jsme ve spolupráci s Ústavem antropologie Masarykovy univerzity připravili variantu pro děti. Pro vstřikolisovou masku inovace také pokračují. Společný tým TRIX Connections a CIIRC ČVUT díky podpoře Evropského inovačního a technologického institutu EIT Manufacturing vyvinul softwarovou aplikaci, která pomocí smartphonu naskenuje obličej a doporučí vhodnou velikost těsnění pro pohodlnější používání masky zejména ze vstřikolisu. Jedná se o dobrý příklad customizace a propojení konečných uživatelů přímo s výrobci. TRIX Connections také pracuje s českým výrobcem nanovláken na vývoji zcela nového odlehčeného filtru.

Alex: Vyvíjíme další technologické postupy – třeba automatické přizpůsobení designu forem pro lití silikonového těsnění pro 3D masky nebo výrobu silikonového těsnění pomocí 3D tisku, a nikoli litím, jak je to nyní. Vrcholem je přizpůsobení velikosti těla 3D masky podle topologických dat obličejů pro individualizovaný tisk masky. Každá maska může být jiná podle velikosti obličejů.

Sedm stádií vývoje masky. (Foto: Roman Sejkot, CIIRC ČVUT)

Pomohl vám také grant Technologické agentury ČR. Kdo jiný do toho ještě investoval?

Vít: Je třeba rozlišovat fázi vývoje 3D masky od vývoje masky pro vstřikování. 3D model byl vyvinut na půdě CIIRC ČVUT, na přístrojích pořízených z RICAIP a díky veřejným zdrojům. Například Technologická agentura ČR na následný vývoj poskytla CIIRC ČVUT dotaci ve výši 4,3 milionu korun. Další využití 3D masky bylo na základě zpoplatněné licence převedeno na start-up TRIX Connetions a data k ní jsou nadále dostupná na nekomerční bázi dalším subjektům. Paralelně s tím vznikl model RP95-M – tedy M podle anglického moulding, tedy formování – který je vyráběn sériově a do jehož vývoje a výrobní přípravy jak TRIX Connections, tak zejména české firmy v čele s Cardam investovaly nemalé prostředky v řádu miliónů korun bez jakékoli státní podpory. Potřebnosti masky prostě věřily a neváhaly svůj um a know-how překlopit do reálných inovací a široce dostupného výrobku.

Úvodní foto: Roman Sejkot, CIIRC ČVUT