Památky pod tomografem

Přečíst poselství ďáblu, určit dosud nepopsaný druh žab, modelovat činnost lidského jícnu, to jsou úkoly, které pomáhá řešit Michal Vopálenský z laboratoře rentgenové tomografie, detašovaného pracoviště Ústavu teoretické aplikované mechaniky AV ČR v Telči.

Proč vznikla laboratoř rentgenové tomografie zrovna v Telči? — Od roku 1995 fungovalo v Telči velmi pokročilé výzkumné Centrum pro historické materiály, konstrukce a sídla. Naše laboratoř vznikla v roce 2013 jako součást nově budované výzkumné infrastruktury Centrum excelence Telč, pracoviště Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, které se právě na zkoumání kulturního dědictví specializuje. Kromě unikátního tomografu TORATOM máme k dispozici i klimatický aerodynamický tunel Vincenc Strouhal a špičkově vybavené laboratoře pro chemické a materiálové analýzy. Město Telč je zapsáno na seznam světového kulturního dědictví UNESCO, což dobře koresponduje s posláním Centra.

Tomografie nálezu mincí. Vlevo nález vložený do patentovaného tomografu TORATOM v Telči, vpravo náhled na virtuální 3D model. S laskavým souhlasem Prácheňského muzea v Písku.

Na čem a na jakém principu pracuje TORATOM? Čím je mimořádný? — TORATOM je zkratka ze slov Twinned Orthogonal Adjustable Tomograph, tedy zdvojený kolmý nastavitelný tomograf. Zatímco běžný tomograf má jednu zobrazovací osu, ten náš je vybaven dvěma kolmými zobrazovacími osami se sdílenou rotační platformou. Dohromady má třináct pohyblivých os (viz schéma na obr. 1). V oblasti vědeckých nebo průmyslových tomografů je TORATOM unikátní a je chráněn evropským patentem. Stroj stále vylepšujeme, nedávno jsme nainstalovali nové zvedáky rentgenek, což umožní zkoumat i vyšší předměty, například sochy nebo meče, a získat jejich kvalitnější 3D virtuální modely. Naší úplnou novinkou je detektor, který nám umožňuje pořizovat tomografie s dvojnásobným rozlišením než dosud.

Doc. Ing. Michal Vopálenský, Ph.D.

Vaším primárním úkolem je tedy neinvazivní výzkum různých historických artefaktů, je to tak? — TORATOM doplněný velkorozměrnými, vysoce citlivými detektory umožňuje tomografická nebo radiografická měření v různých nestandardních a speciálních modech, které právě objekty kulturního dědictví často vyžadují. Tento univerzální stroj je ale schopen plnit širokou škálu úloh nejen v archeologii, paleontologii, ale i v biomedicíně či materiálové vědě. Díky dvěma kolmým zobrazovacím osám jsme schopni zachytit i dynamický proces, třeba tečení kapaliny, a pak jej rekonstruovat ve 3D. Teď právě pracuji na článku s kolegy z Mexické národní autonomní univerzity, s nimiž jsme TORATOM použili ke snímání pohybu sousta v modelu lidského jícnu. Z vysokorychlostních dat se skutečně podařilo udělat 3D výstupy, na nichž je vidět, jak se částice potravy pohybují, co tam vzniká.

Jaké historicky cenné předměty vaší laboratoří prošly? — Poměrně často zkoumáme archeologické nálezy, jako jsou mince, nádoby, pro oddělení pravěku a antického starověku Národního muzea jsme snímkovali artefakty z doby železné, konkrétně keltské meče z laténské kultury z území současné České republiky. Na železných, silně zkorodovaných keltských mečích se nám podařilo pod nánosy rzi odhalovat ryté výzdoby, což bylo dosud nemožné. Pro kolegy z Národního muzea to byla úplně nová metoda zkoumání a pro nás zase velká motivace, že můžeme takto přispět ke zkoumání minulosti. Mimořádnou příležitostí bylo skenování olověného svitku, tzv. proklínací tabulky neboli také defixe. V Evropě jich bylo nalezeno několik desítek, na českém území zatím jedna jediná na hradišti Dřevíč, stará 700 až 800 let (obr. 2). Nás zajímalo, zda je možné přečíst, co je uvnitř napsáno, aniž svitek rozbalíme. Tomografovat olovo nebylo nic jednoduchého, vždyť tento materiál se používá jako stínicí materiál. Museli jsme využít maximálního výkonu našeho zařízení, abychom dostali použitelné obrázky. I tak bylo luštění znaků možné jen po velmi náročném zpracování obrazových dat.

Olověný svitek nalezený na hradišti Dřevíč (ve sbírkách Muzea T. G. M. Rakovník). Vlevo nálezový stav (archiv Muzea T. G. M. Rakovník), vpravo vizualizace rytého písma po masivním zpracování obrazových dat.Snímky Daniel Vavřík

A výsledek? — V současné době je to jediný svitek na světě, který se podařilo přečíst bez rozbalení. Text je psaný latinsky a jeho interpretace je místy složitá. Ukazuje se však, že účelem svitku není prokletí, nýbrž ochrana jistého Rozmysla proti „lstivému ďáblu“, za pomoci sv. Trojice, andělů a svatých. Nakonec se tedy nejedná o proklínací tabulku, nýbrž o olověný amulet.¹⁾

Jak rozměrné předměty jste schopni zkoumat? — Maximální průměr předmětu pro tomografii je 35 cm, výška 90 cm, hmotnost 20 kilogramů. Často ale potřebujeme provést experiment na objektu větším, těžším nebo jinak nestandardním. I tehdy si umíme za určitého úsilí a zvýšeného množství času poradit. Zejména v těchto případech se ukazuje výhoda našeho zařízení, jeho 13 pohyblivých os umožňuje velmi volnou konfiguraci, k tomu si píšeme na míru i potřebný software. V případě radiografického snímkování plochých objektů, jako například obrazů, je maximální velikost 110 × 100 cm.

Kromě uměleckých předmětů a modelů lidského jícnu jste schopni detekovat a analyzovat i živočichy. Pomohli jste určit nové druhy žab. Jak? — Pro Ústav biologie obratlovců jsme již dříve dělali různé skeny drobných živočichů. Teď se na nás opět obrátil s požadavkem tomografování sady exemplářů žab. Skenovali jsme v maximálním možném rozlišení vzorky zalité v agaru, aby byly vidět drobné detaily na hlavových částech kostry. Díky morfologickým detailům byli kolegové z týmu Václava Gvoždíka schopni dokázat, že objevili dosud nepopsaný rod tropických žab (Vesmír 100, 418, 2021/7). Článek vyšel v časopise Scientific Reports a my jsme měli radost, že jsme se na něm mohli podílet.

Již jste zmínil aplikace pro medicínu. K jakému výzkumu můžete přispět? — Například v oblasti tkáňových náhrad. Spolupracujeme s naší pražskou skupinou biomechaniků z Ústavu teoretické aplikované mechaniky a s jejich slovinskými a rakouskými kolegy. Ke zkoušení materiálů, které mají sloužit jako tkáňové náhrady, používají unikátní zatěžovací stroje, jež lze umístit přímo na rotační stolek tomografu TORATOM. Některé z nich umožňují i simulaci fyziologických podmínek během zatěžování. Získáváme tak sérii 3D modelů, na nichž je patrný vývoj procesu v čase, takže lze poskládat 3D film. Tato technika se nazývá 4D tomografie. Dneska se už zatěžovací stroje pro tomograf používají více, jak mohu soudit z konferencí, ale pořád to není úplně běžné vybavení výzkumných laboratoří. Mechanické zkoušky a jejich vizualizace jsou důležité pro vývoj houževnatějších a lépe prakticky použitelných kostních náhrad.

Jakých úkolů jste se chopili u materiálového inženýrství? — Oblíbeným evergreenem je zkoumání porozity – póry, kapiláry a tak dále jsou na 3D modelech velmi dobře vidět. Máme i softwarové nástroje, které nám umožňují na 3D modelu simulovat, jak by jím protékala nějaká kapalina, ať už voda, nebo třeba rtuť (ta se používá tradičně pro měření porozity). Můžeme také sledovat účinek různých nátěrů na omítky. Často zkoumáme cementové materiály, vzorky betonu, které definovaným způsobem lámeme, během toho se tomografuje, a pak vidíme, jakým způsobem vznikají trhliny. Vznik trhlin je celá věda a dosud nebylo možné vizualizovat některé teoretické koncepty. Náš 3D obraz trhliny poskytuje řadu velmi užitečných informací o tom, co v materiálu probíhá. Zde bych dodal, že my jsme fyzikové a zpracovatelé obrazů, naším cílem je pořídit dobrá obrazová data, ale interpretace už je zpravidla na zákazníkovi, klientovi, spolupracovníkovi, ať jsou to historikové, restaurátoři, kunsthistorikové, nebo biomechanici, biologové, či materiáloví inženýři.

Máte hodně zakázek ze zahraničí? — Mezinárodní spolupráce a zakázky představují určitě víc než třetinu naší práce. Zrovna nedávno jsme doměřili velmi vzácný archeologický artefakt, olověný svitek z Izraele, spolupracujeme s Mexikem, dlouhodobě s univerzitami v Linci, ve Vídni, v Salcburku a dalšími, s italskou obdobou naší akademie věd, nedávno jsem poskytoval výsledky našich měření do Brazílie, do Řecka, teď připravujeme společné články s kolegy z univerzity v Lublani, máme podány projekty pro spolupráci v materiálovém výzkumu s polskými kolegy… a spolupráce stále přibývá, jak se o nás svět dozvídá z různých vědeckých publikací. Také se angažujeme v evropském programu Interreg a účastníme se i dalších velkých evropských projektů, jako je European Research Infrastructure for Heritage Science. Nyní se chystá IPERION-HS a všechno by potom mělo vyústit ve vznik European Research Infrastructure Consortium, ERIC, pro kulturní dědictví. Zda se jako Česká republika staneme součástí tohoto konsorcia, nevíme, protože to závisí na politickém rozhodnutí na vládní úrovni, konkrétně na ministerstvu školství. To už my jako akademický ústav nerozhodneme.

Vychází s podporou Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR a programu Strategie AV21 – Špičkový výzkum ve veřejném zájmu.