Wybrane osiągnięcia w 2022 roku sprawozdawczym
Przykłady wyników uzyskanych w ramach projektów/prac badawczych w ostatnim 2022 roku sprawozdawczym
Przykład I
W ramach prac prowadzonych w obszarach: mechanika materiałów wielofunkcyjnych, mikromechanika materiałów, mechanika warstwy wierzchniej:
- Opracowano nowe modele obliczeniowe dla kryształów metali, uwzględniające efekty gradientowe oraz wybór aktywnych systemów poślizgu.
- Opracowano oryginalny opis kinematyki bliźniakowania wraz z efektywną implementacją modelu w kodzie metody elementów skończonych.
- Zbudowano serię modeli nielokalnych sprężystości do analizy mikro i nanopróbek poddanych zginaniu, drganiom i wyboczeniu.
- Wykazano wzrost twardości, odporności na zużycie i stosunku twardości do modułu Younga w cienkich warstwach implantowanych na stopie o wysokiej entropii AlCoCrFeNiTi0.2.
Przykład II
W ramach prac związanych z badaniem mikrostruktury materiałów:
- Wykonano szczegółową charakteryzacją mikrostruktury materiałów spiekanych techniką FAST/SPS stosując mikrotomografię komputerową oraz techniki EBSD. Przeprowadzono precyzyjną analizę wielkości oraz kształtów ziaren i porów. Mikrostruktura otrzymana w tych badaniach została wykorzystana do numerycznego wyznaczenia efektywnej przewodności cieplnej. Wyniki numeryczne zostały zweryfikowane za pomocą danych doświadczalnych. Efektem końcowym było zaproponowanie modelu analitycznego wiążącego przewodność cieplną z cechami mikrostrutury materiałów spiekanych.
- Opracowano modele numeryczne kruchych kompozytów infiltrowanych składających się ze szkieletu z węglika krzemu (SiC) oraz stopu aluminium i 12% krzemu (AlSi12). Modelem konstytutywnym dla szkieletu był model kruchego pękania a dla wypełnienia model sprężysto-plastyczny. Kompozyt badano w warunkach uderzenia stosując metodę nielokalną perydynamiki i stwierdzono istnienie zjawiska kontaktu materiału w porach oraz fragmentację. Opracowany został sposób generacji modeli perydynamicznych o dużej gęstości punktów obliczeniowych na podstawie skanów CT.
- Opracowano metodologię projektowania nowych 2D materiałów i systemów materialnych oparta na dynamice molekularnej, metodach sztucznej inteligencji oraz podejściu wieloskalowym.
Przykłady najważniejszych w roku sprawozdawczym 2022 roku osiągnięć działalności naukowej Instytutu o znaczeniu ogólnospołecznym lub gospodarczym
Przykład I
- Rozpoznano wpływ minerałów boronośnych na kinetykę wiązania i wczesnego twardnienia cementu oraz na skład fazowy, porowatość i wczesne właściwości mechaniczne. Zidentyfikowano podatność kompozytów domieszkowanych boranami na oddziaływanie promieniowania gamma i efektywność radiacyjnej modyfikacji procesów wiązania i wczesnego twardnienia. Wyznaczono efekty promieniowania gamma w zakresie modyfikacji rozkładu wielkości porów, zawartości portlandytu, reliktów alitu w matrycach kompozytów; wyznaczono temperaturowy równoważnik napromieniowania gamma do 50 kGy.
- Uzyskano wyniki oceny uszkodzeń radiacyjnych kompozytów cementowych i degradacji właściwości ochronnych zbrojenia stalowego mające duże znaczenie do projektowania materiałów osłonowych dla energetyki jądrowej i gospodarki odpadami radioaktywnymi. Stanowią wskazówki do formułowania specyfikacji materiałowych i selekcji materiałów przy uwzględnieniu kryterium odporności na uszkodzenia radiacyjne, pożądane w odniesieniu do projektowanej wieloletniej trwałości i niezawodności obiektów jądrowych.
Przykład II
- Opracowano i zweryfikowano numerycznie i eksperymentalnie praktyczną metodę identyfikacji parametrów pojazdu oraz profilu nierówności nawierzchni na podstawie odpowiedzi pojazdu w ruchu. Zaletą metody jest prostota oprzyrządowania (akcelerometry zainstalowane na pojeździe).
- Uzyskano szereg wyników dotyczących możliwości wydruku szerokopasmowych materiałów dźwiękochłonnych za pomocą budżetowych drukarek 3D. Badania dotyczyły możliwości efektywnego wykorzystania relatywnie prostych mikrostruktur oraz imperfekcji działania takich drukarek.
- Opublikowano w wydawnictwie Springer monografię „Large-Scale Simultaneous Localization and Mapping” (308 stron, doi: 10.1007/978-981-19-1972-5 ). Monografia jest praktycznym kompendium wiedzy i algorytmów na temat mobilnych systemów mapujących.
Przykłady ważniejszych zastosowań wyników badań naukowych lub prac rozwojowych w ostatnim okresie sprawozdawczym 2022 roku o znaczeniu społecznym (np. w zakresie ochrony zdrowia) i gospodarczym (m.in. nowe technologie, wdrożenia, licencje)
Przykład I
- Opracowano nowe rodzaje bloków sieci neuronowych, które pozwalają upodobnić obrazy USG do obrazów niemedycznych i tym samym poprawić skuteczność metod uczenia transferowego w kontekście analizy danych medycznych. Dodatkowo stworzono duży zbiór danych z fantomów numerycznych, który umożliwia trenowanie sieci neuronowych na potrzeby diagnostyki ultrasonograficznej. Otrzymane wyniki pozwalają lepiej zrozumieć przydatność metod uczenia maszynowego w analizie danych ultrasonograficznych, co powinno przełożyć się docelowo na skuteczniejszą diagnostykę.
Przykład II
- W bieżącym roku zostało sformalizowane zgłoszenie patentowe BUP 35/2022, 2022-08-29 Sposób otrzymywania wstrzykiwalnego biokompatybilnego nośnika leków, komórek lub ich kombinacji, w postaci mikrorusztowań, kompozycja do podawania przez wstrzykiwanie zawierająca wspomniane nośniki oraz jej zastosowanie,
- oraz dokonano zgłoszenia patentowego WO/2022/177454, 2022-08-25 A method for obtaining injectable biocompatible drug delivery vehicles, cell carriers or combinations thereof, in the form of microscaffolds, an injectable composition containing said vehicles, and its applications.
- Kolejne zgłoszenia patentowe to “Nośnik współdostarczania leków reagujący na dwie temperatury w formie włókniny oraz sposób jego wytwarzania” oraz zgłoszenie “Proteza do odprowadzenia moczu u pacjentów pozbawionych pęcherza moczowego oraz sposób jej wytwarzania” są w fazie finalnej przygotowania.
Wybrane osiągnięcia w 2021 roku sprawozdawczym
Przykłady wyników uzyskanych w ramach projektów/prac badawczych w ostatnim 2021 roku sprawozdawczym
Opracowano bazujący na metodzie pola fazowego model wielowariantowej przemiany martenzytycznej w materiałach z pamięcią kształtu w zakresie skończonych odkształceń i przeprowadzono jego implementację komputerową. Najważniejsze osiągnięcia to: (i) przeprowadzenie obliczeń 3D dla zagadnienia nano-indentacji monokryształu CuAlNi, pokazujących ewolucję złożonych mikrostruktur martenzytycznych – są to unikalne wyniki w skali światowej; (ii) wykazano skuteczność implementacji modelu oraz paralelizacji obliczeń dla zagadnienia ze 150 milionami stopni swobody i wykazano tzw. słabą skalowalność metody.
Opracowano metodą uczenia transferowego, która umożliwia lepsze wykorzystanie splotowych sieci neuronowych wstępnie wytrenowanych na dużych zbiorach danych niemedycznych do analizy obrazów USG. W standardowych metodach uczenia transferowego (np. fine-tuning) sieci wstępnie już wytrenowane są dodatkowo dotrenowywane na danych medycznych. Modyfikacji w ten sposób ulegają wszystkie parametry operacji splotowych w obrębie wybranych bloków sieci. W przypadku zaproponowanej metody założono, że parametry operatorów splotowych można w specyficzny sposób pogrupować i modyfikować je razem w procesie dotrenowywania (np. skalując liniowo całe bloki). Eksperymenty pokazały, że zaproponowane podejście poprawia skuteczność sieci neuronowych w analizie obrazów USG, tym samym może się przełożyć na większą użyteczność technik.
Przykłady najważniejszych w roku sprawozdawczym 2021 roku osiągnięć działalności naukowej Instytutu o znaczeniu ogólnospołecznym lub gospodarczym
W ramach porozumienia o partnerskiej współpracy z renomowaną międzynarodową firmą Altair Engineering Ltd opracowany w IPPT PAN oryginalny model spiekania (technologii metalurgii proszków) z zastosowaniem metody elementów dyskretnych został implementowany w komercyjnym programie EDEM, dzięki czemu możliwe będzie szersze zastosowanie tego modelu i jego weryfikacja w rzeczywistych zastosowaniach inżynierskich.
Ważnym aspektem w procesach wydobywczych węgla na skalę przemysłową, jest także zapewnienie bezpieczeństwa górników. We współpracy z firmą SKALA 3D, opracowano wyspecjalizowany system MMS (Mapping Mine Shafts): zautomatyzowany mobilny system skanowania laserowego przeznaczony do mapowania głębokich szybów kopalnianych. Zaproponowano nowatorskie metody kalibracji dalmierzy laserowych, zwiększając dokładność dopasowań chmur punktów, a przez to powstałych map. Rozwiązanie jest dedykowane warunkom panującym w szybach górniczych. Wynikowe mapy szybów umożliwiają precyzyjną ocenę stanu technicznego szybów i podjęcie decyzji o dalszej formie ich eksploatacji, co – stosunkowo niewielkim kosztem – ma duży wpływ na bezpieczeństwo.
Opracowano projekt techniczny zawierający specyfikację optymalnej konfiguracji oraz rodzajów przetworników ultradźwiękowych przeznaczonych do diagnostyki on-line szyn kolejowych. Układ przetworników został skonfigurowany w celu uzyskania efektywnej detekcję trudno wykrywalnych poprzecznych pęknięć zmęczeniowych w szynach, zwłaszcza o orientacji pionowej w stosunku do osi szyny. Projekt przekazano do komercyjnej firmy ZBM Ultra SA, gdzie na ich podstawie powstał kompletny prototyp skomputeryzowanego wózka diagnostycznego, umożliwiającego wykrywanie uszkodzeń wymienionych w branżowym katalogu wad PLK SA. Wózek diagnostyczny przeszedł cykl badań eksploatacyjnych na testowych odcinkach torów.
Przykłady ważniejszych zastosowań wyników badań naukowych lub prac rozwojowych w ostatnim okresie sprawozdawczym 2021 roku o znaczeniu społecznym (np. w zakresie ochrony zdrowia) i gospodarczym (m.in. nowe technologie, wdrożenia, licencje)
Wykazano, że optymalna strategia niemedyczna powstrzymywania pandemii ograniczająca zarówno straty ekonomiczne jak i zdrowotne polega na prowadzeniu szybkiego (ale krótkiego) i restrykcyjnego lockdownu. Wykazano, że wariant Alfa SARS-CoV-2 ma około dwukrotną przewagę replikacyjną nad wcześniejszymi wariantami, a wariant Omikron jest wstanie przełamywać odporność stadna populacji uzyskaną na skutek szczepionek bądź infekcji poprzednim wariantem Delta. Nasze prace poświęcone epidemiologii COVID-19 były wzmiankowane w biuletynie WHO, Wikipedii oraz w kilku serwisach informacyjnych w tym trzykrotnie w BBC.
Opracowano platformę technologiczną w postaci wstrzykiwalnych mikrorusztowań jako nośników w terapii komórkowej oraz systemach dostarczania leków. Mikrorusztowania o biomimetycznej, włóknistej strukturze wraz z adherentymi komórkami można aplikować w tkance sposób minimalnie inwazyjny, co stanowi przełom w metodach implantacji elektroprzędzonych włóknin. Opatentowana technologia jest obecnie komercjalizowana przez spin-off prowadzący sprzedaż mikrorusztowań do celów badawczych.
Wybrane osiągnięcia w 2020 roku sprawozdawczym
Przykłady wyników uzyskanych w ramach projektów/prac badawczych w ostatnim 2020 roku sprawozdawczym
Wykonano obszerny program badań właściwości kompozytów AlSi12/Al2O3 wytworzonych dwoma technikami - infiltracji ciśnieniowej i spiekania pod ciśnieniem i wykazanie przewagi kompozytu infiltrowanego nad spiekanym. Kompozyt żeliwo chromowe/elektrokorund: możliwość zastosowania tego kompozytu w młynach węglowych w ramach współpracy z firmą FPM S.A. Mikołów, przy zastosowaniu przemysłowej prasy HP. Wyniki prac opublikowano w kilku najbardziej prestiżowych czasopismach (200 pkt., 140 pkt. na liście MNiSW). Część prac powstała we współpracy międzynarodowej.
Opracowano i zweryfikowano nową koncepcję adaptowalnego dźwiękochłonnego meta-materiału porowatego. Materiał składa się ze sztywnego szkieletu, pustych przestrzeni o mikrogeometrii periodycznej połączonych mikrokanałami oraz kulek metalowych modyfikujących – w zależności od położenia materiału w polu grawitacyjnym – dostępność kanałów i wibroakustyczne własności materiału. Zweryfikowano powtarzalność mikrogeometrii dźwiękochłonnych periodycznych materiałów porowatych wytwarzanych technikami addytywnymi. Zaproponowano nowy porowaty meta-materiał dźwiękochłonny o adaptowalnej mikrogeometrii. Opracowano zestaw benchmarkowych mikrogeometrii porowatych materiałów dźwiękochłonnych o sztywnym szkielecie. Wyniki opublikowano w kilku najbardziej prestiżowych czasopismach (3 artykuły za 200 pkt. na liście MNiSW). Część prac powstała we współpracy międzynarodowej.
Przykłady najważniejszych w roku sprawozdawczym 2020 roku osiągnięć działalności naukowej Instytutu o znaczeniu ogólnospołecznym lub gospodarczym
W kontekście planowanego rozwoju energetyki jądrowej w Polsce opracowano podstawy projektowania składu betonu osłonowego o podwyższonej trwałości i obniżonej podatności na aktywację wskutek oddziaływania promieniowania jonizującego. Obok kryteriów odporności na karbonatyzację i przenikanie jonów chlorków, zaproponowano nowe kryterium zawartości aktywowanych radioizotopów długożyciowych w składnikach betonu. Wykazano korzystny wpływ cementu o obniżonym śladzie węglowym na redukcję przepuszczalności betonu. Doświadczalnie wykazano zasadnicze znaczenie zawartości Europu-152, Kobaltu-60 i Cezu-134, aktywowanych promieniowaniem neutronowym, formułując wskazania do selekcji składników betonu z uwagi na obniżenie ilości odpadów radioaktywnych.
We współpracy z lekarzami z Wojskowego Instytutu Medycznego zakończono opracowanie innowacyjnego biodegradowalnego stentu zewnętrznego, przeznaczonego do nakładania na naczynia krwionośne. Hamuje on przerost ściany żyły zastosowanej jako pomost w operacjach pomostowania aortalno-wieńcowego, wspomagając jednocześnie proces korzystnej przebudowy żyły w kierunku jej arterializacji, a także dostosowanie średnicy implantowanej żyły do średnicy pomostowanej tętnicy oraz zabezpiecza przed zaginaniem pomostu aortalno-wieńcowego. Sfinalizowano formalne wejście na ścieżkę komercjalizacji uzyskanych wyników poprzez uzyskanie projektu innowacyjnego z NCBR i stworzenie warunków do realizacji tego projektu, co ma doprowadzić do kolejnych faz komercjalizacji opracowanych wyrobów medycznych.
Przykłady ważniejszych zastosowań wyników badań naukowych lub prac rozwojowych w ostatnim okresie sprawozdawczym 2020 roku o znaczeniu społecznym (np. w zakresie ochrony zdrowia)
Pokazano, że podstawowa liczba reprodukcyjna SARs CoV 2 jest w przedziale 4,7–11,4, a zatem jest znacznie większa niż pokazywały to dotychczasowe oszacowania. Zbadano właściwości mechaniczne białka szczytowego SARs CoV 2, otwiera to pole do analizy wpływu mutacji tego białka na patogenność wirusa oraz skuteczność szczepionek. Pokazano, że duża wrażliwość wirusa grypy na prestymulacje komórek interferonem beta powoduje, że populacja komórek uprzednio zainfekowana RSV staje się odporna na wirus grypy.
We współpracy z WUM badano powiązanie ruchu korzenia aorty z funkcją serca. W pracach wykorzystano wyniki badań 101 zdrowych ochotników, które zawierały zapis B-mode cyklu serca oraz zestaw klinicznych parametrów funkcji serca. Ruch korzenia aorty był wyznaczany za pomocą algorytmu śledzącego. Parametry ruchu istotnie korelowały z wybranymi parametrami klinicznymi. Efekty prac wskazują na potencjał wykorzystania parametrów ruchu korzenia aorty w ocenie funkcji serca, szczególnie u pacjentów u których wyznaczenie parametrów klinicznych jest utrudnione.
Wybrane osiągnięcia w 2019 roku sprawozdawczym
Wybrane wyniki uzyskane w ramach projektów/prac badawczych realizowanych w ostatnim 2019 roku sprawozdawczym
- Zastosowano trójskalowy model plastyczności kryształów do modelowania rozwoju mikrostruktury w dwóch różnych stalach nierdzewnych (opublikowano w METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE, 200 PKT.).
- Oszacowano właściwości sprężyste nanokryształów metali za pomocą symulacji atomistycznych i mikromechanicznego modelu dwufazowego (opublikowano w INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING SCIENCE, 200 PKT.).
- Za pomocą symulacji numerycznych MES z wykorzystaniem obrazów mikrotomograficznych mikrostruktury wyjaśniono efekt skali zaobserwowany w pomiarach cieplnych naprężeń resztkowych w kompozycie Cr/Al2O3. (opublikowano w MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING, 140 PKT.).
- Przeanalizowano efekty skali podczas indukowanej naprężeniowo przemiany martenzytycznej w dwuwymiarowym zagadnieniu nano-indentacji (opublikowano w METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE, 200 PKT.).
- Zbadano teksturę i anizotropię plastyczną wywołaną bliźniakowaniem mechanicznym w wyciskanych prętach ze stopu magnezu AZ31B (opublikowano w MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING, 140 PKT.).
Formowanie kropli jest jednym z najważniejszych procesów w urządzeniach mikrofluidycznych; krople oddzielone fazą ciągła mogą być nośnikami substancji biochemicznych czy nawet małymi izolowanymi bioreaktorami. Został scharakteryzowany, niezbadany do tej pory reżim tworzenia kropli w złączu T dla małych wartości ścinania. W tym reżimie wielkość kropli rośnie wraz z malejącą wartością ścinania na skutek przeciekania fazy ciągłej przy rogach kanału (kwadratowego bądź prostokątnego kanału). Precyzyjna kontrola nad tworzeniem niewielkich kropel o pożądanej wielkości jest niezwykle istotna dla rozwoju technik mikroprzepływowych i przełomowych rozwiązań badawczych w analityce biochemicznej, z zastosowaniami np. w sekwencjonowaniu pojedynczych komórek.
Prace realizowano m. in. w ramach projektu FIRST TEAM FNP. Wyniki opublikowano m. in. w Nature Communications.
Najważniejsze w roku sprawozdawczym 2019 roku osiągnięcie działalności naukowej Instytutu o znaczeniu ogólnospołecznym lub gospodarczym
Opracowany system klasyfikacji kruszyw mineralnych, w tym metody i kryteria oceny ich reaktywności, objęty dokumentem „Wytyczne techniczne klasyfikacji kruszyw krajowych i zapobiegania reakcji alkalicznej w betonie stosowanym w nawierzchniach dróg i drogowych obiektach inżynierskich” został wdrożony przez Generalną Dyrekcję Dróg Krajowych i Autostrad do stosowania przy budowie obiektów infrastruktury drogowej o podwyższonej trwałości. Ma duże znaczenie gospodarcze - umożliwia zapobieganie wystąpieniu szkodliwej reakcji alkalia-kruszywo w betonie konstrukcyjnym, prowadzącej do przedwczesnych uszkodzeń konstrukcji. Opracowane metody badania reaktywności kruszyw są stosowane w regionalnych laboratoriach GDDKiA przy wykorzystaniu oryginalnego urządzenia pomiarowego o konstrukcji opartej na wynalazku IPPT PAN.
Osiągnięciem naukowym o potencjalnym znaczeniu gospodarczym jest opracowanie nowego materiału kompozytowego na osnowie z żeliwa chromowego wzmacnianego cząstkami elektrokorundu i parametrów procesu jego wytwarzania. Wyniki testów zużycia metodą liniową oraz wytrzymałości na zginanie i odporności na pękanie (SEVNB) są porównywalne z właściwościami materiału komercyjnego XWIN®, stosowanego w młynach węglowych. Firma FPM S.A. Mikołów jest zainteresowana wdrożeniem tego kompozytu.
Wybrane dwa ważniejsze zastosowania wyników badań naukowych lub prac rozwojowych z ostatniego okresu sprawozdawczego 2019 roku o znaczeniu społecznym
Zbudowano zautomatyzowane sterowane obrazowaniem USG urządzenie HIFU do termoablacyjnego niszczenia litych guzów u małych zwierząt. Urządzenie to można będzie wykorzystywać również do testowania nowych leków przeciwrakowych w badaniach przedklinicznych. Urządzenie umożliwia termiczne niszczenie pierwotnych litych guzów zlokalizowanych głęboko pod skórą nie uszkadzając otaczających tkanek. Głównymi zaletami terapii HIFU jest jej nieinwazyjność, brak jonizacji, znaczące zmniejszenie skutków ubocznych po terapii, możliwość jej wielokrotnego powtarzania oraz skrócenie czasu rekonwalescencji w porównaniu z metodami chirurgicznymi oraz radio- i/lub chemioterapią (patent nr 233294).
Opracowanie rzeczywistej wielkości (12m) demonstratora nowych technologii stabilnych aerodynamicznie aerostatów helowych na uwięzi (tzw. heli-kite, moni-kite). Potencjalny obszar zastosowań to telekomunikacja i monitoring w ramach podejścia "smart city". Przykładowe zastosowania to: - monitorowanie ruchu ulicznego i szacowanie wygenerowanego zanieczyszczenia spalinami, a następnie prognozowanie migracji chmury smogowej; - monitoring przeciwpożarowy kompleksów leśnych; - monitorowanie rozległych placów budowy i imprez masowych; - lokalna dostawa połączenia internetowego np. w trakcie imprez masowych. Baza helowa i stanowisko dokowania demonstratora umieszczone zostały w Centrum Badawczym PAN KEZO w Jabłonnie k. Warszawy.
