День российской науки: перспективные научные проекты

Ежегодно 8 февраля в России отмечается День российской науки. В преддверие этой праздничной даты мы расскажем о некоторых из многочисленных научных и инновационных проектах, которые были разработаны учёными нашего технического университета.

Саратовские ученые разработали систему управления антропоморфного ассистента педагога

Коллектив кафедры «Системотехника и управление в технических системах» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.: Михаил Степанов, Дмитрий Петров, Вячеслав Мусатов, Игорь Егоров, Светлана Пчелинцева, Андрей Степанов и другие разработали при участии АО «НПО «Андроидная техника» (г.Магнитогорск) два прототипа антропоморфных ассистентов преподавателя для детей с когнитивными нарушениями.

Ученые назвали прототипы «Маша» и «Медведь». 

В рамках проекта создания исследовательской лаборатории-полигона разработки программно-аппаратного комплекса робота-ассистента антропоморфного типа (ПАК РААТ) для педагога с применением контроля обучения на основе расшифровки паттернов активности головного мозга, выполняемого совместно с АО «НПО «Андроидная техника» (г.Магнитогорск) при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ были созданы две лаборатории:

• исследовательская лаборатория-полигон на базе АО «НПО «Андроидная техника»;
• учебно-исследовательская на базе кафедры «Системотехника и управление в технических системах» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

При разработке роботов для работы с детьми, в особенности с теми, у кого имеются когнитивные нарушения необходимо учитывать множество факторов и, прежде всего – безопасность.

«В режиме реального времени роботу требуется решать много различных задач. Эффективность их решения определяется не только наличием вычислительных ресурсов, но и продуманной организацией аппаратно-программного комплекса, ориентированного на специализированный класс задач автономного робота», – рассказывает о своей разработке Михаил Степанов, доктор технических наук, доцент, – «с этой целью проведён анализ комплекса задач робота ассистента для педагога, в частности – задачи получения информации об окружающей среде. Также мы проанализировали способ определения роботом состояния обучаемого: его внимание к процессу, интерес, вовлеченность. При необходимости робот должен уметь реагировать на состояние ребенка и производить определенные действия для возвращения внимания ученика. Для решения этой задачи мы построили теоретико-множественную модель программно-аппаратного комплекса, на основе которой строится оптимальная конфигурация архитектуры программно-аппаратного комплекса робота ассистента. Кроме того мы предусмотрели возможность параллельного решения задач и анализа ситуации».

На данный момент робот-ассистент, разработанный учеными СГТУ, может выполнять односложные действия, такие как:

• приносить предметы,
• заваривать себе кашу (смешивать крупы и заливать молоком из стакана),
• смешивать продукты и переставлять предметы с учетом их формы и размера,
• демонстрировать порядок действий по решению задач в соответствии с разработанными методиками.

Робот снабжен датчиками движения, дальномерами, системами технического зрения и речевого общения. В дальнейшем можно увеличить количество его функций за счет программных надстроек и программирования отдельных действий.

При разработке робота ученые ориентировались на исследования в области работы с детьми с аутизмом, которые проводились в 2014 году под руководством Кристины Костеску и Закари Воррена, согласно полученным данным:

• дети уделяют больше внимания роботу, чем человеку;
• задания с повторениями выполняются лучше при участии робота;
• познавательные способности детей одинаковы как при обучении роботом, так и человеком.

На основе этого исследования роботы-ассистенты педагога созданы с учетом следующих требований требований:

• небольшие габариты (высота примерно 155 см), что подсознательно соотносит его с ребенком подросткового возраста;
• наличие алгоритма отработки сложных навыков (речь, игра, умение смотреть в глаза);
• своевременная реакция на потребность в коммуникации и создании дружественной связи, удовлетворения проявленного любопытства;
• исключение любого вреда, наносимого ребенку даже при агрессии со стороны ребенка;
• распознавание приступов агрессии и других подозрительных жестов со стороны ребенка, которые могут ему навредить, и сообщать оператору.

Стоит отметить, что робот может лишь помочь преподавателю в проведении урока, а не заменить преподавателя. Например, в начальной школе, а так же в 5-6 классах робот может следить за дисциплиной.

Его задача – контролировать состояние учащегося во время учебного процесса.

Текущие состояние ученика определяется на основе исследования мозговой активности по данным электроэнцефалограмм (ЭЭГ) и эмоционального состояния по видеоизображению лица. Для анализа ЭЭГ-данных, анализа видеоизображения лица для идентификации психоэмоционального состояния обучаемого применяются искусственные нейронные сети глубокого обучения.

Действия робота-ассистента педагога направлены на повышение вовлечённости в учебный процесс и реализуются в соответствии с некоторой процедурой, адекватной текущему состоянию учащегося. Указанные процедуры разделяются на предопределенные (разработанные педагогом-методистом) и автоматически построенные подсистемой планирования решений задач.

Процедуры включают обязательное информирование оператора (педагога-методиста) о текущем состоянии учащегося и выбранном виде управляющего воздействия на него (если это целесообразно) для одобрения (допуска к выполнению) педагогом.

Среди управляющих воздействий на ученика выделяются:

• выдача новых учебных заданий (более сложных для «передовиков» или менее сложных для «отстающих»);
• помощь (подсказка, демонстрация примерного варианта действий по решению задачи) в выполнении учебного задания;
• переключение внимания учащегося с целью повышения его мыслительной активности.

В 7-8 классах робот может выявлять психоэмоциональные проблемы у подростков и корректировать их в соответствии со встроенными алгоритмами.

В старших классах специализированных школ возможно подключение обучаемых к работе с робототехническим комплексом в рамках проектной и научной деятельности для разработки собственных алгоритмов управления роботом.

Широкое разнообразие задач подлежащих решению требует распределенной организации вычислительной среды. На современном этапе развития информационных технологий в подобных ситуациях часто применяется подход, получивший обобщенное название «облачные вычисления», эта технология позволяет использовать дополнительные ресурсы, находящиеся на других серверах для решения больших вычислительно сложных задач. К таким задачам относятся: анализ ЭЭГ-данных, идентификация психоэмоционального состояния, обработка речевой информации, планирование действий и другие.

Новизна полученных методик и решений подтверждается 2 патентами, 4 заявками на изобретения, 14 публикациями в ведущих научных изданиях (включая Q1/Q2), индексируемых в базах данных Scopus/Web of Science, 20 свидетельствами Роспатента о регистрации программ для ЭВМ, реализующих разработанные методы и алгоритмы.

Ученый СГТУ ищет способ увеличить скорость передачи данных

Леонид Кочкуров, кандидат физико-математических наук, доцент кафедр «Системотехника и управление в технических системах» Института электронной техники и приборостроения СГТУ имени Гагарина Ю. А., в своем проекте исследует возможность и перспективы использования массива полупроводниковых лазеров для генерирования и управления сложными оптическими сигналами, типичными для высокоскоростной оптоволоконной связи.

Его проект «Поляризационно-амплитудная манипуляция оптических сигналов в системах полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором с внешним воздействием для сверхскоростной передачи информации» направлен на моделирование сложной динамики полупроводниковых лазеров при воздействии внешнего сигнала. Подобная технология находит применение в квантовых коммуникационных сетях.

Ежегодно объём передаваемых данных по сетям растёт, что требует соответствующего технического сопровождения и диктует новые стандарты к скорости передачи данных.

«Сфера моего исследования лежит в области поиска экономически выгодных и эффективных на практике методов увеличения плотности потока передаваемой информации», – рассказал учёный.

Основная идея проекта заключается в том, что полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) занимают лидирующие позиции в системах передачи данных благодаря своей низкой стоимости, высокой энергоэффективности и малым габаритам. Большинство используемых на сегодняшний день подобных лазеров работают на длине волны 850 нм, а максимальная скорость передачи данных составляет 70 Гбит/c. Однако также наблюдается значительный прогресс в исследованиях одномодовых лазеров на 1550 нм, которые представляют наибольший интерес для целей передачи данных по волоконным сетям. Использование матриц из полупроводниковых лазеров позволило добиться скоростей на уровне 400 Гбит/с. Такие рекордные скорости возможны лишь при применении новых форматов модуляции сигнала, которые используют переключение поляризации излучения и фазовую манипуляцию сигнала. Появление перестраиваемых ЛВР также делает актуальным изучение вопроса об их использовании при передаче оптической информации, использующей современные форматы передачи.

Для подавления амплитудных шумов может быть использован лазер, синхронизуемый внешним сигналом с амплитудной и фазовой модуляцией. Так как в генераторе амплитудные изменения подавляются, в то время как фаза генератора может быть изменена достаточно быстро, то такая система представляется перспективной.

Изучение динамики лазерных систем, состоящих из большого числа лазеров (более 100), представляет сложную задачу, не решенную к настоящему времени.

Для решения задачи значительного повышения скорости передачи информации по волоконным линиям одним из возможных путей является переход к использованию массива лазеров и перспективных форматов модуляции.

«Я и моя команда исследуем возможность применения системы полупроводниковых лазеров для систем передачи информации. Полупроводниковый лазер широко используется в системах передачи данных благодаря тому, что они обладают хорошей энергоэффективностью и низким энергопотреблением. На сегодняшний момент системы, которые состоят из ста и более полупроводниковых лазеров, связанных между собой, мало изучены и такие задачи являются достаточно сложными, – рассказал учёный, – наша команда решает поставленные задачи. В частности мы исследуем теоретическую сторону вопроса, то есть составляем математические модели, занимаемся написанием программ и исследуем аспекты перспективы использования подобных систем для высокоскоростной передачи данных». 

Леонид Кочкуров ведёт активную работу со студентами технического университета – решения определённых задач проекта рассматриваются в курсовых и дипломных работах учащихся.

Команда учёных вуза сотрудничает с Институтом фотонных технологий при Астонском университете города Бирмингема, а также инновационным центром «Сколково».  

Проект учёного СГТУ позволит предложить промышленности инновационный продукт

Ольга Решетникова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Института машиностроения, материаловедения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. разработкой своего инновационного проекта поможет внедрить серийную технологию изготовления сплошных и пустотелых шаров для подшипников и шариковых механизмов в производство.

Проект учёного «Разработка серийной технологии изготовления полых шариков для шариковых механизмов и опытных образцов подшипников с полыми телами качения» относится к машиностроению, в частности к разработке серийной технологии производства полых шариков, которые используются в подшипниках, в различных шариковых механизмах.

В настоящее время шары различных размеров изготавливаются либо в условиях массового производства на подшипниковых заводах, либо в условиях единичного производства на различных предприятиях для собственных нужд. К сожалению, технология серийного производства шаров отсутствует. Инновационный проект учёного нашего вуза сможет решить эту проблему и запустить серийную технологию изготовления сплошных и пустотелых шаров. На сегодняшний день подшипниковые заводы получают заказы на изготовление ограниченной партии шаров, а машиностроительные заводы, изготавливающие шариковые механизмы, нуждаются в возможности изготовления шаров различных типоразмеров в условиях своего серийного производства.

Ольга Решетникова – обладатель гранта Президента Российской Федерации. Его реализация сможет предложить промышленности инновационный продукт – перспективную технологию серийного изготовления полых тел качения и конструкцию подшипника.

«Направление моего исследования относится к машиностроению, в частности к разработке серийной технологии производства полых шариков, которые используются в подшипниках, в различных шариковых механизмах. Их применение позволяет повысить грузоподъёмность механизмов и долговечность изделий, в которые они входят. Результаты исследования позволили качественно улучшить работу узлов трения, продлить их работоспособность, а также повысить надёжность. Участие в грантовой программе Президента Российской Федерации позволило добиться фундаментальных научных результатов по обоснованию уникальной, серийной технологии производства полых шариков, получить их опытные образцы для проведения дальнейших научных исследований».

Использование полых шариков сможет значительно изменить и облегчить работу механизма. Во-первых, они значительно снижают давление на наружное кольцо подшипника при высокой частоте вращения. Во-вторых, они обладают большей податливостью. Среди достоинств полых тел также пониженная масса. Данные преимущества повышают нагрузочную способность механизмов, что делает их более долговечными.

Новая разработка не могла быть не замеченной промышленными предприятиями, потому что проект Ольги Решетниковой тесно связан с авиакосмической промышленностью, автомобилестроением, и с общим машиностроением.

«В будущем планируется сотрудничество с предприятиями Саратова для проведения дальнейших исследований уже непосредственно в рамках предприятия. Грант Президента для меня послужил дополнительным стимулом для выполнения научных исследований на более высоком уровне».

Проект научного коллектива СГТУ позволит создать композиты для электроники нового поколения

В СГТУ имени Гагарина Ю.А. выполняют проект «High-k полимерные композиты на основе гибридных наноструктур (титанаты калия со структурой голландита, декорированные оксиграфеном) для изделий/компонентов электроники нового поколения» под руководством доцента кафедры «Химия и химическая технология материалов» Физико-технического института Николая Горшкова, финансируемый Российским научным фондом.

Научный коллектив проекта включает 7 исполнителей, из которых 2 профессора Игорь Бурмистров и Андрей Яковлев являются специалистами в области полимерматричных композитов с керамическими и углеродными наполнителями, молодой кандидат наук Мария Викулова и четыре перспективных аспиранта Денис Артюхов, Алексей Байняшев, Николай Киселев, Алексей Цыганов.

Проект политеховцев направлен на разработку новых композитных high-k материалов для микро- и наноэлектроники, что позволит в дальнейшем создавать гибкие устройства с благоприятными механическими свойствами. Это станет возможным за счет использования полимерной матрицы, в которую для достижения оптимальных параметров вводятся керамические и проводящие добавки.

В качестве компонента с высокой диэлектрической проницаемостью применяются керамические материалы на основе титанатов калия, модифицированных переходными металлами, со структурой голландита, которые являются объектом большинства научных исследований сотрудников кафедры на протяжении последних 10 лет. В качестве проводящего наполнителя использован ряд наноструктурных форм углерода: углеродные нанотрубки, графены и другие.

«В основу идеи проекта заложен синергетический эффект введения керамических диэлектриков и проводящих материалов в полимерные матрицы. Для увеличения диэлектрической проницаемости полимеров традиционно используются добавки двух типов: один – порошки керамических диэлектриков, второй – проводящие частицы. Итогом нашего проекта станут полимерные трехфазные композиты, содержащие обе вышеупомянутые добавки. Наш керамический диэлектрик будет декорирован проводящими частицами углеродного материала одним из известных способов (гидротермальный, обработка в дисперсиях, отжиг в регулируемой атмосфере газов). Ожидаемый синергетический эффект позволит достичь цели проекта», – рассказал Николай Горшков.

В исследовательской работе проекта изучается влияние полимерной матрицы, химического и фазового состава керамики, а также типа углеродного материала, их концентрации и температуры окружающей среды на диэлектрические свойства в частотном диапазоне от 11 ГГц до 300 Гц, также определяется порог перколяции и электрическая прочность трехкомпонентных композитов.

Разработка теоретических и экспериментальных основ дизайна и синтеза трехфазных композитов, а также пленок и многослойных покрытий на их основе, являющихся альтернативой LTCC керамики и обладающих заданными значениями диэлектрической проницаемости и электропроводности в различных частотных диапазонах и низкими диэлектрическими потерями, позволит создать основу для производства приборов и устройств, отвечающих запросам современной электроники, в том числе, работающих в СВЧ и мегагерцовом диапазоне.

«Наш подход является новым и бурно развивается в современной научной среде. Наши материалы, которые мы разрабатываем и планируем в дальнейшем исследовать, будут нацелены на использование в электронных устройствах, где требуется высокая диэлектрическая проницаемость в различных частотных диапазонах. За счет этого расширяется их область применения, в том числе для устройств передачи информации для 5G сетей связи», – поделился Николай Горшков.

На данный момент результаты исследований апробированы на конференциях и опубликованы в журналах, входящих в базы данных Scopus и Web of Science.

В СГТУ имени Гагарина Ю. А. разрабатывают конструкцию искусственного клапана сердца

В Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю. А. разрабатывают новые конструкции искусственных аортальных клапанов сердца, а также исследуют их физико-механические и гемодинамические характеристики.

Сердце работает на протяжении всей жизни человека. Оно перекачивает около 5-6 литров крови в минуту. Сердце – это мышечный насос, который обеспечивает беспрерывное движение крови по сосудам. Правильное направление кровотока обеспечивает клапанный аппарат сердца. Крайне важно, чтобы все клапаны были в нормальном состоянии и правильно функционировали. Но возникают такие моменты, когда жизненно необходимо произвести замену естественным клапанам. Современная медицина позволяет производить операции по замене клапанов сердца на искусственные. Для того чтобы убедиться, что искусственный клапан сердца (ИКС) полностью соответствует требованиям для имплантации, необходимо произвести его испытания на долговечность и работоспособность.

Именно разработкой искусственных конструкций клапанов сердца (1, 2, 3, 4-створчатых) и их исследованием занимается Сергей Пичхидзе, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Института машиностроения, материаловедения СГТУ, совместно со своими студентами.

«В последнее время в современной медицине всё чаще стали протезировать клапаны сердца. Разработке новой конструкции искусственных клапанов сердца и усовершенствованию уже существующих моделей я и наши  студенты уделяем большое внимание. Разработка предполагает:  создание чертежа, маршрутной карты, изготовление увеличенной модели клапана сердца, попытку создания 3D модели клапана и проверку работоспособности на стенде, а также в программном пакете», – поделился Сергей Пичхидзе.

Одна из последних разработок коллектива – одностворчатый клапан сердца. Его корпус, разработанный и сделанный в вузе, имеет форму треугольника Рёло и снабжён внутренними опорными выступами, служащими в качестве ограничителей хода створки. Створка изготовлена из синтетического фторсодержащего каучука и закреплена на поверхности трубки. В полости трубки размещен фиксирующий механизм створки, шарнирное крепление которого расположено во внутренних пазах корпуса и содержит штифты, установленные с возможностью вращения по поверхности внутренних пазов корпуса при открытии и закрытии створки, а пружина сжатия установлена с возможностью давления на плоскости штифтов. 

«Наш увеличенный макет предполагает усовершенствование известной конструкции за счёт модернизации, как корпуса, так и створок клапана сердца. Обычно к створкам клапана сердца предъявляется важное условие – индифферентность. В данном случае поверхность клапана сердца не должна сорбировать активные элементы крови и должна иметь минимальный коэффициент трения. С этой целью мы пробуем использовать различные материалы для создания 3D моделей клапанов сердца и створок: полилактид, полимер АБС, титан, и наносим различные покрытия на поверхность корпуса на основе фторопласта», – рассказал профессор.

Такой подход позволит уменьшить адгезию элементов крови; стеноз клапана уменьшится, соответственно увеличится продолжительность работы искусственного клапана в человеческом организме – тем самым увеличится и продолжительность жизни человека.

Результатом исследования политеховцев в будущем может стать появление новой конструкции ИКС, которая сможет:

• обеспечить полнопроточное сечение тока крови в период диастолы;
• предотвратить регургитацию крови в период систолы;
• обеспечить гемодинамические характеристики, приближенные к физиологическим показателям.

«Разработанная модель клапана сердца предполагает повышенную полнопроточность крови, исключение завихрений кровеносного потока, минимизацию перепада давления в кровеносной системе, а также исключение образования пузырьков крови при работе клапанов», – комментирует Сергей Пичхидзе.

Большое внимание в своём проекте профессор и студенты уделяют исследованию физико-механических и гемодинамических характеристик разработанной конструкции. Платформа, где проводятся исследования, – программный комплекс SolidWorks с программным пакетом Flow Simulation, с помощью которого возможно создание условий, в которых функционируют естественные митральные клапаны сердца.

«Клапан сердца, к сожалению, это механическая конструкция, которая может ломаться, поэтому большое внимание уделяется именно разработке надёжности и проверке данной конструкции», – добавил профессор.

Разработанная конструкция ИКС учитывает гемодинамические характеристики заменяемого нативного клапана сердца, также её форма максимально приближена к реальному клапану.

В планах саратовских исследователей дальше усовершенствовать имеющуюся модель, а также привлекать организации медицинской техники для внедрения разработки. В настоящее время некоторые представители промышленности уже участвуют в совместных патентах со студентами вуза. 

На разработанную конструкцию уже получено от ФИПС положительное решение о выдаче патента от 16.12.2020, номер заявки на регистрацию патента РФ на полезную модель № 2020 119 602, 05.06.2020.