Badania naukowe

Nasze prace związane są z różnymi aplikacjami – technicznymi, medycznymi
(tomografia interferometryczna), multimedialnymi (pomiar kształtu i monitorowanie ruchu obiektów trójwymiarowych, przekazywanie tej informacji do Internetu i systemów wirtualnej rzeczywistości).

Rozmowa z prof. Małgorzatą Kujawińską,
laureatką Konkursu o Subsydium Profesorskie FNP
 

Czy dom w jakiś sposób zainspirował Panią do zainteresowania się zagadnieniami technicznymi?
– Raczej nie. Moi rodzice są ekonomistami. Tata tworzył po wojnie spółdzielczość inwalidzką i był przez dwadzieścia lat prezesem Związku Spółdzielni Inwalidów. Mało był w domu, bo miał mnóstwo spraw na głowie i nie zawsze o rodzinie pamiętał. Mama do dziś mówi, że wdałam się w niego. Staram się jednak to wyważać i, może dlatego, że jestem kobietą, jakoś mi się udaje.

– Czym interesowała się Pani w szkole?
– Mieszkając na Saskiej Kępie wybrałam jedyne wówczas liceum z językiem wykładowym angielskim – im. Mikołaja Kopernika na Woli. Wiem teraz, że opłacało się wstawać wcześnie i jeździć daleko. Od dzieciństwa zresztą ja i mój brat uczyliśmy się angielskiego, rodzice o to dbali. Nabrałam przekonania, że z dobrą angielszczyzną można zawojować świat. Okazało się jednak, że sam język, ułatwiający porozumiewanie się z ludźmi, nie daje pełnej satysfakcji i trzeba dodać coś konkretnego. Nie miałam nigdy kłopotów ani z przedmiotami humanistycznymi, ani ścisłymi. Chyba w trzeciej licealnej doszłam do wniosku, że nauki ścisłe „to jest to”, ale potem długo się zastanawiałam, którą z nich wybrać. Brat, starszy, studiował fizykę w uniwersytecie, a że zawsze trochę rywalizowaliśmy, uznałam, że nie mogę go naśladować i zdecydowałam się na politechnikę. Najpierw wymyśliłam sobie architekturę i nawet brałam lekcje rysunku, żeby się przygotować. Nie szło mi to świetnie, zrozumiałam, że nie mam „lekkiej ręki”, nie będę więc wybitnym architektem. Poszłam na mechanikę precyzyjną, gdzie była inżynieria biomedyczna, optyka i automatyka, takie raczej „drobne rzeczy”. Od razu zwróciłam uwagę na optykę i postanowiłam, że w tym będę się specjalizować.

– Co Panią pociągało w optyce?
– Czytałam wtedy artykuły popularnonaukowe na temat laserów i holografii, która mnie szczególnie zafascynowała. Prof. Romuald Jóźwicki zaczął pierwszy cykl wykładów z holografii, gdy byłam na drugim roku i od razu się na ten wykład wybrałam. Muszę się przyznać, że idąc na politechnikę myślałam tak: znam angielski, zorientuję się w najnowszych trendach w technice, a później pójdę na dziennikarstwo (nie było wtedy dziennikarskich studiów pomaturalnych) i w ten sposób połączę zainteresowania humanistyczne ze ścisłymi. Stało się inaczej. Pracę magisterską robiłam z pamięci holograficznej, nad którą grupa prof. Jóźwickiego pracowała wspólnie z Instytutem Maszyn Matematycznych.
W potocznej świadomości holografia to obrazy trójwymiarowe. Ściślej mówiąc, jest to zapis informacji amplitudo-fazowej. Amplituda wynika z ilości światła odbitego od przedmiotu, faza to jego kształt. W pamięci holograficznej można na bardzo małej powierzchni zapisać bardzo dużo danych i dodatkowo dane te można gęsto upakować w objętości. Dodatkowo jeszcze hologram jest o wiele mniej narażony na zniszczenie niż zapis magnetyczny, gdyż każdy jego punkt niesie informację o całości zapisanego obrazu.

– Holografia jednak nie wyparła dotąd innych rodzajów zapisu informacji?
– Nie, ponieważ nie ma jeszcze dostatecznie dobrych nośników, które pozwalałyby na szybki zapis i odczyt. Technologia pozostaje w tyle za rozwiązaniami teoretycznymi. Robi się hybrydy różnych typów nośników do pamięci operacyjnych, ale rezultaty wciąż nie są zadowalające.

– Jest pole do poszukiwań i nadzieje na odkrycia.
– O tak! Sama robiłam doktorat z holografii, ale syntetycznej, czyli komputerowo generowanych hologramów. Przed doktoratem udało mi się wyjechać do Stanów Zjednoczonych. Było to tak, że mój brat, który skończył studia i potem doktoryzował się w Instytucie Fizyki PAN, otrzymał kontrakt w MIT, żeby tworzyć tam stanowisko badawcze z zakresu spektrometrii wysokoenergetycznej. W pamiętnym roku 1980 zaprosił mnie, a ja wykorzystałam ten pobyt, żeby się skontaktować z największymi sławami od holografii. W Bostonie poszłam do prof. Bentona, który w firmie Polaroid robił hologramy o wymiarach metr na pół metra, rejestrujące dzieła sztuki, co było wielkim osiągnięciem. Skontaktowałam się też z naszym ziomkiem prof. Pryputniewiczem, który jako jeden z pierwszych wykorzystał interferometrię holograficzną do badań medycznych. Później zatelefonowałam do prof. Leitha z Michigan University w Ann Arbor, który w 1962 roku, razem z prof. Upatnicksem, stworzył tzw. holografię pozaosiową, od czego zaczęły się właściwie wszystkie zastosowania techniczne.

– Co to jest holografia pozaosiowa?
– Mówiąc najogólniej, jest to dalszy krok na drodze do lepszego odtwarzania zapisów holograficznych, czyli wierniejszego odwzorowania danego obiektu. Wymagało to koherentnego źródła światła oraz materiałów fotograficznych o znacznie większej rozdzielczości. W początku lat 60. wynaleziono laser (koherentne źródło światła), co Leith i Upatnicks natychmiast wykorzystali i od tego czasu datuje się rzeczywisty rozwój holografii.

– W roku 1980 dotarła Pani do jednego z „ojców” tej dziedziny?
– Tak jest. Spytałam prof. Leitha przez telefon, czy mogę zobaczyć jego laboratorium. Uprzejmie mnie zaprosił. Pojechaliśmy z bratem na wycieczkę po Stanach i wstąpiłam do Ann Arbor, mówiąc od razu, że za dwa tygodnie będę wracać i wtedy chciałabym zostać u niego na praktykę. Profesor był zaskoczony, nie miał na to funduszy, ale zgodził się, żebym została na własny koszt.

– Jaki to był moment w Pani karierze akademickiej?
– Studia skończyłam w październiku 1976 roku. We wrześniu 1977 urodziłam córkę Anię, a potem zabrałam się szybko do doktoratu i w momencie, o którym mowa, miałam mocno zaawansowaną pracę. obrona była wyznaczona na grudzień 1981. Przyszedł stan wojenny i to się odwlekło do marca 1982 roku. Kiedy byłam na praktyce u prof. Leitha, akurat przyjechał tam na sabbatical prof. Chen, zajmujący się holografią tęczową.

– Co to takiego?
– Jest to specyficzny typ hologramów, które można odczytywać światłem białym. Powszechnie dziś stosowane nalepki to właśnie hologramy tęczowe. Rezultatem mojego czterotygodniowego pobytu w Ann Arbor były dwa artykuły opublikowane wspólnie z prof. Chenem w „Opthics Communications”, prestiżowym czasopiśmie z listy filadelfijskiej.

– Nieczęsto się to zdarza ludziom przed doktoratem. Przedsięwzięcie całej tej wizyty naukowej w wiodącym laboratorium wymagało sporej śmiałości.
– No tak, ale muszę powiedzieć, że mam dużo szczęścia w życiu. Ludzie, których spotykam, zawsze mi pomagają. Teraz staram się spłacać ten dług, pomagając młodym, którzy do mnie przychodzą z problemami naukowymi.

– Akcentowałabym jednak mocniej tę pani śmiałość, inicjatywę szukania najlepszych mistrzów na świecie.
– Staram się tego uczyć moich doktorantów. Powtarzam im, żeby nie bali się pytać, mówić o swoich pomysłach, nawet gdy sami nie są ich jeszcze zupełnie pewni, gdy wydają się fantastyczne, nie są jeszcze gotowe.

– Człowiek musi wierzyć, że podoła zadaniu, jakie sobie stawia. Musi, naturalnie, umieć zadanie sformułować, musi widzieć cel. Myślę, że jadąc do Ameryki miała pani wyobrażenie o tym, co w holografii jest do zrobienia?
– Tak. Przekonałam się już wtedy, że jeśli się tam sobą coś reprezentuje, jeśli chce się pracować i myśli się przy tej pracy, to odzew mistrzów, od których pragniemy się uczyć, jest bardzo pozytywny. Warto przypomnieć, zwłaszcza młodym czytelnikom, że w 1980 roku wyjazd do Stanów był rzadkością i może to troszkę wpływało na stosunek do tych nielicznych, którzy się tam zjawiali. Jak mówiłam, poznałam wówczas prof. Pryputniewicza, a potem współprzewodniczyliśmy wielu światowym konferencjom z zakresu metrologii optycznej. Teraz ja wysyłam swoich doktorantów do USA.

– Czy holografia nadal żywo się rozwija?
– W latach 70. ogłoszono tysiące prac na temat telewizji holograficznej, kina holograficznego, ale wciąż tego nie mamy. Wydawały się najbardziej naturalnymi spośród zastosowań – przeniesienie dwuwymiarowego obrazu w trzeci wymiar.

– Co jest przeszkodą?
– Najkrócej mówiąc, nośnik. Materiał rejestrujący hologramy. Zapis cyfrowy, coraz bardziej powszechny, matryce stosowane w aparatach cyfrowych, dają rozdzielczość stu linii na milimetr, a holografia wymaga minimum tysiąca.

– Gdzie uczeni szukają rozwiązania tego problemu?
– Od jakichś pięciu lat rozwija się bardzo żywo tzw. holografia cyfrowa, polegająca na stosowaniu do rejestracji obrazu specjalnych matryc złożonych z milionów detektorów – pikseli – takich samych matryc światłoczułych, w jakie wyposażone są obecnie dobrej klasy cyfrowe aparaty fotograficzne. Na razie można w taki sposób uzyskać hologramy cyfrowe małych obiektów, o wielkości rzędu centymetrów. Można je zarejestrować cyfrowo i przesłać siecią telekomunikacyjną, a potem odtworzyć hologram oświetlając go wiązką laserową. Można więc urządzić ministudio kinowe czy telewizyjne, tylko że w takim studiu dałoby się pokazać... motylka albo robaczka.

– Rozumiem, że prace idą w kierunku tworzenia cyfrowych hologramów coraz większych obiektów?
– Tak jest, czyli uzyskiwania coraz mniejszych pikseli, owych pojedynczych detektorów tworzących matrycę rejestrującą, i zwiększania liczby tych pikseli. Prace nad wykorzystaniem holografii cyfrowej prowadzi m.in. jeden z moich doktorantów.

– Wyobrażam sobie, że ma ona już zastosowanie tam, gdzie w grę wchodzą małe obiekty?
– Przede wszystkim do nieniszczących badań w technice, ale także w medycynie. Rozwinęła się cała dziedzina mikronanotechnologii nakierowanych na wykorzystanie MEMS-ów, systemów mikroelektromechanicznych, i MOEMS-ów, systemów mikrooptoelektromechanicznych, które wkraczają do produktów używanych przez nas na co dzień – np. samochodu, gdzie poduszka powietrzna lub autopilot bazują na takich właśnie czujnikach. Chętnie mówimy o innowacyjności. Otóż, największa innowacyjność charakteryzuje dzisiaj makro- i nanotechnologię.

– Znów zajmuje się Pani dziedziną z „pierwszej linii”?
– Pociąga mnie zupełnie inna, nowa filozofia tworzenia takich mikrosystemów. Duże wytwory techniki, np. sworzeń czy śrubę, robi się „jedno po drugim”, dążąc do skrócenia kolejnych operacji i przez to do przyśpieszenia całego procesu. Mikrosensorów, które opisałam, wykonuje się jednocześnie 10 tysięcy i więcej (dlatego można je sprzedawać za centa). Jest to zupełnie inny proces technologiczny. Wymaga niezwykłej wprost precyzji i musi być poprzedzony żmudnymi badaniami. W rozmaitych, częstych dzisiaj prezentacjach używa się rzutników komputerowych, czyli urządzeń do cyfrowej projekcji światła. Większość z ich opiera się na matrycy złożonej z kilkudziesięciu tysięcy mikrozwierciadełek, każde o wymiarach 10 na 10 mikrometrów, każde oddzielnie sterowane sygnałem elektrycznym. Odpowiednia konfiguracja tych zwierciadełek daje obraz na ekranie. Mnóstwo ludzi używających rzutnika nie zdaje sobie pewnie sprawy, że podstawowy element, który im to umożliwia, przygotowywano do masowej produkcji przez 8 lat! Hologramy cyfrowe pokazują trójwymiarowo przemieszczenia, odkształcenia, naprężenia w takich elementach, które składają się np. na wspomnianą matrycę mikrozwierciadełek. Obywa się przy tym bez całej chemii związanej z obróbką fotograficzną, jakiej wymagały hologramy „tradycyjne”.

– Wciąż jest to optyka, stosowana w innych działach techniki?
– Tak. Może się trochę pochwalę mówiąc, że to, co starałam się robić przez wiele lat, po części się udało. Starałam się mianowicie wprowadzić metody optyczne do polskich laboratoriów mechanicznych. Dwa opracowane przez nas urządzenia zdobyły w zeszłym roku złote medale na wystawach w Gdańsku i Brukseli. Jedno z nich to swego rodzaju „czarna skrzynka”, którą zakłada się na standardową maszynę wytrzymałościową (np. zrywarkę), żeby uzyskać bardzo precyzyjne informacje, jakich żadnymi innymi metodami uzyskać się nie da. Bada się za jej pomocą szczególnie skomplikowane struktury – materiały kompozytowe, złącza metal-ceramika – i analizuje problemy mechaniki pękania oraz zmęczenia materiałów. Drugie urządzenie to system do pomiaru kształtu obiektów trójwymiarowych. Współpracujemy na tym polu z laboratoriami we Francji, w Niemczech, Stanach Zjednoczonych.

– Wróćmy na moment do Pani biografii. Co po doktoracie?
– W roku 1986 był konkurs na 20 stypendiów, ogłoszony przez British Council. Stanęło do niego kilkaset osób z całej Polski. Udało mi się przejść przez gęste sito (znajomość angielskiego i precyzja w formułowaniu zamierzeń) i wyjechałam na 10 miesięcy do National Physical Laboratory pod Londynem, gdzie opracowano najnowsze metody analizy interferogramów i gdzie jest bardzo mocna grupa optyków. Tak zebrałam większość materiałów do habilitacji. Po części była to kontynuacja moich wcześniejszych prac, ale musiałam się nauczyć wielu nowych rzeczy, jak np. różnego typu metody przetwarzania obrazów. Zaowocowało to później szybkim rozwojem tej dziedziny na Wydziale Mechatroniki PW.

– Ciągle szuka Pani „nowych rzeczy”?
– One są przecież najciekawsze, ale to się bierze także stąd, że bardzo dużo rozmawiam z przedstawicielami różnych dziedzin i słucham, co im jest potrzebne. Chyba nie potrafiłabym być wyłącznie teoretykiem, choć takich badaczy podziwiam.

– Na co przeznaczy Pani subsydium?
– Mam siedmiu doktorantów, przewspaniałych młodych ludzi. Zajmują się, najogólniej mówiąc, optonumerycznymi metodami pozyskiwania informacji, a nieco dokładniej, takimi metodami, które poprzez analizę obrazu (najczęściej w postaci interferogramu) dają informację o wielkościach poszukiwanych (kształt, przemieszczenie, odkształcenie) w całym polu widzenia. Jak już mówiłam, nasze prace związane są z różnymi aplikacjami – technicznymi, medycznymi (tomografia interferometryczna), multimedialnymi (pomiar kształtu i monitorowanie ruchu obiektów trójwymiarowych, przekazywanie tej informacji do Internetu i systemów wirtualnej rzeczywistości).
Aplikacje multimedialne to mój ostatni „konik”. Chcielibyśmy stworzyć studio wirtualne, w którym pośród trójwymiarowych obiektów porusza się człowiek, i to, co się tam dzieje, można przekazywać bezpośrednio do systemów komputerowych. Dla Politechniki Gdańskiej opracowaliśmy – i wdrożyli – system pomiarów kształtu elementów architektonicznych z odległości 20 metrów. Jest to bardzo przydatne w archiwizacji i konserwacji zabytków. Prof. Jóźwicki powtarzał: „Nigdy nie można zapomnieć o podstawach”. Ja się z tym zgadzam i dodaję: „Ale nie można zaniedbać aplikacji”. Staram się zachować harmonię. Dowodem na twórczy rozwój w zakresie teoretycznych zagadnień są nasze liczne publikacje w prestiżowych czasopismach.
Większą część subsydium przeznaczam na stypendia dla doktorantów i na ich dokształcanie (poprzez kursy i konferencje) w tych dziedzinach, w których nie jestem specjalistą. Przecież uczniowie powinni przerosnąć mistrzów.

– Jakie cechy umysłu potrzebne są do zajmowania się tak ciągle nową dziedziną?
– Duża otwartość i zdolność kojarzenia faktów z różnych dziedzin. Ciągle mówię uczniom, że najpierw muszą się wzbić na wysoki pułap i obejrzeć całe pole swoich zainteresowań z lotu ptaka, a następnie przyjrzeć się, gdzie są jakieś „nieciągłości” w badaniach prowadzonych na całym świecie. Bardzo często duży postęp urzeczywistnia się poprzez nawet niewielki twórczy wkład w danej dziedzinie dokładany do tego, co zrobiono lub właśnie się robi w różnych innych dziedzinach.

– Czy studia w politechnice ujawniają i rozwijają te cechy, które pani wymieniła?
– Oceniam to średnio. Sama staram się wyłapywać studentów, którzy je posiadają i już na piątym roku włączać w jakieś badania, żeby się nie rozpraszali i potem nie uciekali z nauki. Co do doktorantów, marzy mi się, żeby wychodzili od nas z nowoczesnymi produktami swego autorstwa, zakładali firmy i promowali te produkty – czyli rozmaite urządzenia do optonumerycznego pozyskiwania informacji – w świecie. Rozmawiamy z kolegami z innych wydziałów i uczelni o stworzeniu konsorcjum takich niewielkich firm tworzonych przez naszych absolwentów. Nie jesteśmy, jak się czasem myśli, daleko w tyle. Zapraszając najwybitniejszych specjalistów z zachodnich uniwersytetów i firm do naszych laboratoriów, spotykając się z nimi na konferencjach, mogę proponować współpracę i sugerować pewne jej kierunki.

– Wiem, że działa pani w międzynarodowych organizacjach naukowych.
– W 1990 roku przyjechała do Polski delegacja największej międzynarodowej organizacji optycznej SPIE (The Inernational Society for Optical Engineering) i założyliśmy jej polską sekcję. Rok później jechałam do Stanów na zaproszenie NASA, żeby robić dla nich bardzo ciekawy projekt analizy hologramów (dalszy ciąg przygód z holografią) rejestrowanych na statku kosmicznym.
Władze SPIE zaprosiły mnie wówczas do swojej siedziby w stanie Washington na rozmowy o wzajemnych kontaktach, a za następne pół roku prezydent zaproponował, żebym została członkiem Rady Dyrektorów, będącej czymś w rodzaju rady nadzorczej. Zostałam pierwszym dyrektorem z Europy i pierwszym dyrektorem kobietą. Po rocznej pracy wybrano mnie, tym razem w powszechnych wyborach, na trzyletnią kadencję w Radzie Dyrektorów, a po przerwie na jeszcze jedną, która kończy się w tym roku. W styczniu 2002 obejmę funkcję sekretarza SPIE. Jest to funkcja społeczna, wiąże się z dużym prestiżem i z dużą odpowiedzialnością. Jeżeli nic temu nie przeszkodzi, w roku 2005 zostanę prezydentem, przechodząc kolejno pozycje przewodniczącej Komitetu Sympozjów oraz wiceprezydenta i mając możliwość podejmowania nowych inicjatyw w świecie optyki oraz fotoniki. Organizacja ma dużo roboty, gdyż w naszej szeroko rozumianej dziedzinie bardzo dużo się dzieje. Wielu specjalistów twierdzi – ja się do nich przyłączam – że o ile wiek XX był epoką elektroniki, to XXI będzie stuleciem fotoniki. Powstają bardzo dynamiczne Doliny Fotoniczne na wzór słynnej Doliny Krzemowej. Niemcy przeznaczają na tę nowoczesną optykę środki największe od czasu wydatków zbrojeniowych związanych z drugą wojną światową. Bardzo sobie cenię zaufanie środowiska skupionego w SPIE, choć zadania organizacyjne nie przesłonią mi na pewno pracy badawczej.

Rozmawiała
Magdalena Bajer

Komentarze