Hírfolyam
„A Gömböc inspirálta az inzulin kapszula formáját”
2019. 03. 01.A BME kutatóinak eredményei kulcsszerepet játszottak a cukorbetegek számára készített modern inzulinadagoló kifejlesztésében.
„Bár maga a Gömböc egy homogén test; geometriája rendkívül érzékeny, ugyanezen forma egyúttal egy széleskörűen használható design, ha olyan inhomogén (vagyis nehezékkel ellátott) szerkezetet kívánunk tervezni, amely gravitáció hatására keljfeljancsinként könnyen talpra áll. Ez a megfigyelés meglepő mérnöki alkalmazásokhoz vezetett; ezek talán legérdekesebb példája a közelmúltban a Science hasábjain publikált inzulin adagoló kapszula” – hangsúlyozta a bme.hu kérdésére Domokos Gábor akadémikus, a BME Építészmérnöki Kar (ÉPK) Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék egyetemi tanára, az MTA-BME Morfodinamika Kutatócsoport vezetője.
Várkonyi Péter és Domokos Gábor, a Gömböc feltalálói
A szóban forgó – az állatkísérletekben már bizonyítottan eredményes – találmányt a rangos Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) és a Harvard Egyetem kutatói fejlesztették ki elsősorban a 2-es típusú cukorbetegségben szenvedők számára, akik naponta kénytelenek fecskendővel vagy infúzió által a szervezetükbe juttatni a hasnyálmirigy által is termelt hormont. Az olykor fájdalmas szúrást kiváltó eszköz egy kisméretű kapszula, belsejében egy összenyomott rugóhoz erősített, cukorkoronggal a helyén tartott összepréselt inzulintűvel. Úgy működik, hogy lenyelése után a gyomorfolyadék feloldja a cukrot, az elengedi a rugót és belövi az injekciót. A diabéteszeseknél a szájon át történő gyógyszeradagolás egyik kiküszöbölhetetlen hátránya, hogy a gyomorsav tönkreteszi a hatóanyagokat, az említett felfedezés révén viszont közvetlenül a gyomorfalba, ezáltal azonnal a vérbe jut az inzulin.
Fotó: Felice Frankel/MIT
Az MIT és a Harvard szakemberei által kifejlesztett kis szerkezet működésének kulcsfontosságú mozzanata, hogy a gyomorfalat megszúró tű a megfelelő pozíciót vegye fel, ezért sajátos alakra tervezték. Tanulmányuk szerint a kapszulát (mely mono-monostatikus, vagyis egyetlen stabil és egyetlen instabil egyensúlyi helyzettel rendelkezik) az első ismert homogén mono-monostatikus test, a Gömböc inspirálta. Az amerikai publikáció szerzői szintén a BME kutatói által közzétett tanulmányra támaszkodva, az ötletet a leopárdteknős páncéljának formáján keresztül világítják meg: a hüllő evolúciója során ez az előnyös geometria segítette a felborult állatot a talpra állásban. Az amerikai szakemberek a kapszulákat ismertető közleményben hivatkoznak Domokos Gábor és Várkonyi Péter, az ÉPK Szilárdságtani Tanszék egyetemi docense két tanulmányára, amelyek közül az első a Gömböcről, a második annak és a teknősök páncéljának kapcsolatáról szól.
Fotó: Alain Goriely/EPSRC
|
A Gömböc az első ismert olyan homogén, konvex test, amelynek egy stabil és egy instabil, vagyis összesen két egyensúlyi pontja van. Az először Domokos Gábor és Várkonyi Péter által megalkotott találmány az orosz Vlagyimir Arnold matematikus által felvetett elméleti probléma konstruktív megoldása. A Gömböc gondolata vezetett el azon matematikai modellek megalkotásához melyek segítségével a természetes kopás folyamata leírható. Ezen modellek (a mérésekkel összhangban) azt jósolják, hogy a kopási folyamat során a statikus egyensúlyi pontok száma csökken (tehát ebben az értelemben a testek a Gömböchöz közelítenek) azonban ezen fejlődési folyamat során a testek többsége valahol megreked, és nagyon kevés, de kettőnél több egyensúlyi helyzettel rendelkező test, más szóval „tökéletlen Gömböc” marad. Sir Michael Berry brit elméleti fizikus szavaival „a Gömböc a természet része, de csak mint egy álom”: ugyan sok folyamatot megmagyaráz, de önmaga nem jelenik meg a természetben. |
„Ritkán fordul elő, hogy egy kezdetben íróasztal mellől indult, pusztán elméleti elképzelésből ennyire gyorsan és kézzelfoghatóan mechanikai ötlet, végső soron hasznos orvosi találmány szülessen meg” – hangsúlyozta Domokos Gábor, hozzátéve, hogy mindazonáltal az utóbbi években számos tudományterületen bizonyultak termékenynek a Gömböc felfedezésekor kidolgozott koncepciók. A kutató lényegesnek tartja, hogy ez a forma abban az esetben is jó kiindulópont a mindig egy irányba forduló tárgyak tervezésekor, ha azok nem teljesen homogén szerkezetűek, hanem már nagyon kis súlyeloszlás-különbséggel is egy irányba állnak be, ami számos műszaki alkalmazás kidolgozásával kecsegtet. A Gömböchöz kapcsolódó elméleti háttér azonban továbbra is főként az élettelen természet formafejlődési folyamatainak magyarázatában segíti a tudósokat.
|
A közelmúltban a világsajtót is bejárták a marsi kavicsok alakfejlődésével, vagy a 2017-ben felfedezett aszteroida formájáról szóló hírek. Előbbi kutatásban a magyar szakemberek olyan kopásokra következtettek, amelyet egykori vízfolyások, folyók okozhattak, és amelyek hosszára és hozamára is becsléseket adtak, utóbbiban pedig az üstökös kialakulására, és annak felszínén több százmillió év alatt végbement változásokra nyújthat magyarázatot a matematikusok elmélete. A Gömböc alakjának matematikai összefüggései azonban nemcsak a távoli világok vagy éppenséggel a földi tengerek koptatta kavicsok alakfejlődésének megértését segítik. A világ egyik legjelentősebb kutatóműhelyében, a Pennsylvaniai Egyetem drónlaborjában például Gömböc alakú keretbe foglalják a rajban röptetett repülő robotokat, hogy összeütközéskor ne billenjenek ki egyensúlyukból. |
„Az elvont tudományterületekkel foglalkozó kutatókat gyakran arról firtatják a laikusok: szép ez az eredmény, de mire jó?” – idézte a mindinkább visszatérő kérdést Domokos Gábor, majd kifejtette: „a marsi kavicsok alakfejlődéséből levonható következtetések, vagy egy aszteroida alakjának törvényszerűségei bár tudományos szempontból kétségkívül hasznosak, azonban annak magyarázata, hogy ezekben miképpen hasznosul az alapkutatás (jelesül a Gömböc) hosszabb magyarázatot igényel. Ezzel szemben az olyan szenzációs fejlesztések esetén, mint az amerikai szakemberek által kifejlesztett inzulinadagoló kapszula, az alapkutatás jelentősége szembeötlő, hiszen elég rápillantani a kapszula és a Gömböc egymás mellé helyezett képére”.
Az akadémikus és kollégái kutatásainak formális kereteit a MTA-BME Morfodinamikai Kutatócsoportja biztosítja. Domokos Gábor üdvözölte, hogy eredményeiket neves külföldi kutatók használják fel. Az inzulinadagolót bemutató tanulmány vezető szerzője például Robert S. Langer, az MIT David H. Koch Intézeti professzora, aki a világon az egyik legnevesebb szaktekintély a mérnöki ötletek orvosi és gyógyszeripari alkalmazásának területén.
„A Gömböc esete bizonyítja, hogy egy tisztán matematikai problémafelvetésből hogyan lehet akár nagyon rövid idő alatt a mindennapi életben hasznosuló, kézzelfogható eszköz. Ez egyfelől motivációt jelent az elméleti kutató számára, másfelől kiválóan példázza, hogy az alap- és az alkalmazott kutatások kölcsönösen hatnak egymásra. Mindkettőt egyaránt támogatni kell, hiszen ezáltal válik tervezhetővé és folyamatosan végezhetővé a tudományos kutatás és az innováció. A Műegyetem fontos küldetése fejlesztő kapacitásainak kihasználása: a Gömböc a kutatói szinergiák szép példájaként mutatja az innováció megszületésének folyamatát” – mutatott rá Domokos Gábor akadémikus.
HA-GI
Fotó: Philip János