Экзоскелеты, профориентационные боты и новые методы анализа качества воды – какие разработки занимают школьников-участников Конгресса молодых ученых

В Университете ИТМО состоялся VIII Конгресс молодых ученых. Цель мероприятия - развивать у молодежи интерес к наукам и в особенности к профильным дисциплинам Университета ИТМО. Эксперты могут оценить подготовку будущих ученых, а сами участники – сравнить себя с другими ребятами. В конгрессе традиционно участвовали не только студенты российских вузов, но и школьники из городов России, в этом году на конгресс приехали около 200 учеников из школ Санкт-Петербурга и регионов РФ. Они рассказали ITMO.NEWS о своих исследованиях и о том, с какими трудностями столкнулись на пути к результату.

Школьные секции VIII Конгресса молодых ученых

Алексей Ледюков, секция «Инженерия будущего: управление, вычисления, безопасность»

Я разрабатываю конструкции экзоскелетов и экзокостюмов под названием «Экзофиз», а также занимаюсь их реализацией на практике. Особенность моих изобретений в том, что в них можно работать в выключенном состоянии. Также в их конструкциях я применяю ряд новых конструктивных решений, например, гнущуюся спину или плечевой сустав со всеми степенями свободы. 

Экзокостюм отлично подойдет для спасательных работ, а также для военных. Его главная цель – увеличение физических показателей носителя и его защищенности. Например, в спасательных работах специалисты надевают экзокостюм и за счет этого смогут переносить больше оборудования, а также быть защищены от внешних факторов (настоящий прототип нуждается в доработках). На войне принцип работы тот же: солдат устанавливает на костюм бронеплиты и берет больше вооружения. Также основу костюма можно использовать для скафандров и аквалангистов.

Самое сложное в проекте – правильно рассчитать положение всех узлов костюма, важно, чтобы они друг другу не мешали. Сейчас почти готов второй прототип, я ожидаю запчасти, после чего смогу точно понять, что с ним нужно еще сделать. Пока экзоскелет дожидается материалов, я решил сделать 3D-модель третьего прототипа. В дальнейшем я планирую добиться стабильного финансирования и производить костюм уже не из стали, а из композитных материалов с использованием не только пневматики, но и гидравлики.

Алексей Ледюков на закрытии Конгресса молодых ученых
Алексей Ледюков на закрытии Конгресса молодых ученых

Я занимаюсь этой разработкой три года, все самые главные изменения своего костюма публикую здесь.

Элеонора Таранина, секция «Экология и устойчивое развитие»

Я занимаюсь комплексной оценкой воды, используемой жителями города Кондопоги для питья. В результате опроса выяснилось, что многие жители города Кондопоги используют в качестве питьевой воды родниковую и бутилированную воду, так как она выглядит более прозрачной и не имеет запаха. Водопроводная вода, напротив, имеет желтоватый оттенок, обладает хлорным запахом. Однако судить о качестве питьевой воды, основываясь только на этих фактах, то есть только на органолептических показателях, нельзя. Питьевая вода должна соответствовать всем санитарным нормам. Ведь, если в воде содержится недопустимая концентрация различных химических веществ и микроорганизмов, это может отрицательно повлиять на здоровье человека.

Я решила исследовать, насколько качество грунтовой и водопроводной воды из близких по географическому положению и излюбленных людьми мест благоприятное. В прошлом году я исследовала озера в городе Кондопога с помощью тест-объекта Ceriodaphnia affinis. Поэтому в этой работе мне стало интересно проверить, как различный физико-химический состав воды может повлиять на жизнедеятельность этого тест-объекта. И существуют ли разные модели поведения дафний (небольшие ракообразные) в разной по физико-химическому составу воде? Если да, то вполне возможно, что с помощью биотестирования дафниями можно было бы определять качество воды и наличие в них различных веществ в недопустимых концентрациях. 

Я провела комплексное исследование воды из семи источников: пять из родников, водопроводная и бутилированная вода под маркой «Карельская Жемчужина». Исследования включали в себя физико-химический анализ воды, бактериалогическое наблюдение на чашках Петри и биотестирование с помощью тест-объекта. Также были проанализированы общие тенденции изменения в теплый и холодный период. 

Дафния является биофильтратором. В связи с этим была определена разница содержания исследуемых химических показателей, для расчета которой из количественных характеристик показателей после жизнедеятельности дафнии отнималось содержание тех же химических показателей в исходных источниках. 
Мой проект отвечает на очень актуальные вопросы: какую воду использовать для питья жителям города Кондопоги; как можно экономически выгоднее исследовать питьевую воду на наличие в ней примесей?

Кондопога
Кондопога

Этим проектом я занимаюсь полтора года – целый год занял мониторинг. Мне удалось выяснить, что наиболее пригодная вода для питья – водопроводная. Был найден альтернативный способ проверки воды с экономической выгодой – проведение биотестирования с помощью тест-объекта Ceriodaphnia affinis. В дальнейшем я планирую исследовать различную бутилированную воду, так как в своих исследованиях я выявила, что в бутилированной воде есть показатели, превышающие предельно допустимую концентрацию, в том числе по бактериологическому анализу. 

Также планирую исследовать различные фильтры, так как было доказано, что кипячение воды можно рассматривать только как альтернативный способ обработки воды. Она избавляет лишь от избытка органических веществ и белковых молекул, а химическое превращение других составляющих может быть непредсказуемым. Более того, кипячение чаще всего приводит к концентрированию веществ и защелачиванию воды.

Андрей Сергеев, Георгий Ерохин и Роман Рязанцев, секция «Инженерия будущего: управление, вычисления, безопасность»

Наш проект – линия сортировки с применением технологии машинного зрения. Речь идет о разделении заготовок по заданным признакам внешнего вида. В данный момент для примера используются крышки от пластиковых бутылок, которые наша установка разделяет по цвету. Также в алгоритм может быть включена проверка на наличие внешних дефектов и селекция по размеру, но в нашем случае эти модули алгоритма отключены из-за отсутствия как дефектов, так и разных по размерам крышек.

Роман Рязанцев, Андрей Сергеев и руководитель школьников Александр Жуковский
Роман Рязанцев, Андрей Сергеев и руководитель школьников Александр Жуковский

Для сортировки в нашем проекте применяется технология машинного зрения. Из-за модульной конструкции проект может дорабатываться под конкретные задачи и типы промышленности – например, под пищевую и тяжелую промышленности будет два разных образца устройства. В проекте планируются некоторые модификации: увеличение вариантов разбраковки и увеличения контролируемых параметров заготовок или деталей.

Наш проект решает задачу сортировки и отбраковки изделий, которые очень чувствительны к внешнему воздействию. Также наше устройство призвано обеспечить более точную разбраковку с помощью полного исключения человеческого фактора.

Школьные секции VIII Конгресса молодых ученых
Школьные секции VIII Конгресса молодых ученых

Мы занимаемся проектом уже три месяца. Разработка проекта была разбита на три сегмента: каждому участнику досталась своя часть, и сложности встречались везде. Так, в программной части сложности начались с самого начала разработки. Во-первых, самой первой преградой стало изучение языка программирования Python. Во-вторых, достаточно большой проблемой для всей группы стала стабильность работы микрокомпьютера Raspberry pi3, из-за чего было решено перейти на обычный персональный компьютер. И наконец, проблемой, но уже меньшей, стало то, что вся документация к инструментам машинного зрения была написана на английском языке, что повысило количество затраченного времени на её обработку.

Одна из основных проблем инженерной сектора работ заключалась в том, что пришлось изучать новый для нас инструмент – среду черчения NanoCad. Также одной из трудностей стало то, что пришлось достаточно времени потратить на изучение норм ГОСТа для оформления сборочных чертежей. Основным вызовом в организационной части была правильное выстраивание работы и поддержания её на высоком уровне. Нелегко далось оформление инженерной книги – совершенно нового для нас способа предоставления информации.

Георгий Янковский, секция «Программирование в телекоммуникациях»

Георгий Янковский
Георгий Янковский

Проект, который я представил, – это бот по профессиональному самоопределению «Бот знает», который расположен в сообществе во «ВКонтакте». Бот нужен для того, чтобы школьник мог выбрать свою будущую профессию. Для этого бот задаёт различные профориентационные вопросы. Задача бота – определить интересы школьника по ответам. Продукт делает тестирование по профориентации доступнее и быстрее: достаточно иметь доступ к интернету и личный аккаунт во «ВКонтакте». Чтобы начать диалог с ботом, достаточно зайти в группу, нажать на кнопку «Сообщение» и написать «Привет». После этого бот начнёт общаться с пользователем.

Сегодня над проектом работает целая команда: основатель проекта Яна Седункова, психолог Татьяна Климова и многие другие. Я – разработчик. В проект меня пригласили летом 2018 года, когда я проходил тестирование на самоопределение в Университете ИТМО. Тогда мне нужно было создать самый базовый функционал бота. К проекту я решил присоединиться, так как мне интересна разработка ботов. Я получаю много опыта, программируя проект. 

Нельзя сказать, что были непреодолимые сложности, однако мне пришлось несколько дней программировать алгоритм подсчёта наиболее подходящих отраслей. Бот уже умеет понимать пользователя с «полуслова» и задавать вопросы по 20 отраслям. В будущем планируется добавить в функционал бота информацию об отраслях – их описание, популярность, востребованность на рынке и другие параметры.

Дмитрий Владимирцев, секция «Фотоника», интервью участника КМУ с прошлого года можно прочитать здесь

Мой проект называется «Математическое моделирование пространственно-временных изменений параметров образцов ФХ/ПММА в процессе экспонирования». По сути, это попытка улучшить качество записываемых голограмм. Дело в том, что запись голограммы – дело очень тонкое. Чтобы записать четкую качественную голограмму, необходимо обеспечить полную стационарность (неподвижность) регистрирующей среды и интерференционной картины в процессе записи. Малейшая вибрация, повлекшая за собой даже микрометровое смещение, уже приводит к ухудшению качества голограммы.

Но если регистрирующая среда сама по себе начинает «двигаться» под действием излучения? Ведь энергия, получаемая от лазера при экспонировании, идет не только на химические преобразования фоточувствительных элементов, но и также на нагрев образца, что вызывает малое увеличение толщины регистрирующего слоя. Раньше на это практически не обращали внимания, поскольку эффект нагрева был незначителен ввиду того, что чувствительность регистрирующих сред для записи объемных голограмм невелика, как и мощность используемых лазеров. Но время меняется, мощность лазеров увеличивается, и, как оказалось, эффектом нагрева пренебрегать нельзя.

Дмитрий Владимирцев
Дмитрий Владимирцев

Ученые из Университета ИТМО несколько лет назад провели эксперимент и сделали вывод, что это увеличение может составлять порядка нескольких микрометров. Учитывая, что период отражательной голограммы при записи излучением видимого диапазона может составлять десятые доли микрометра, нагрев может значительно деформировать зарегистрированную интерференционную структуру.

В моей работе я исследую явление увеличения толщины образца в результате нагрева при экспонировании, и, стоит сказать, мне удалось получить очень интересные зависимости, которые, надеюсь, в будущем помогут грамотно, а не интуитивно, подбирать параметры лазерного излучения и образца регистрирующей среды, а также условия экспонирования при записи голограмм и голограммных оптических элементов. Это очень важно и с экономической точки зрения, поскольку сейчас для записи качественных голограмм применяются достаточно дорогие материалы, в которых упомянутый мной фактор играет не первостепенную роль.

Как я уже заметил, эти материалы слишком дорогие, а потому использовать их в лабораторных условиях (к примеру, для демонстрации опытов) – непозволительная роскошь. Но ведь можно взять менее дорогой материал, прикинуть желаемый контраст будущей голограммы и рассчитать параметры для экспонирующего излучения (его мощность и время экспонирования). Работу я начал летом после практики в Летней школе факультета фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, где познакомился со своим будущим научным руководителем по этой работе – Ольгой Андреевой. Таким образом, уже с лета 2018 года я моделировал вышеописанный процесс.

Выступление Дмитрия Владимирцева на КМУ
Выступление Дмитрия Владимирцева на КМУ

Если говорить о сложностях моей работы, то можно отметить только одну: необходимо хорошо понимать физику процесса и уметь перенести ее на математический аппарат. Стоит понимать, что мы работаем в нано- и микрометровых масштабах, а потому один миллиметр – это уже много. На первых порах было трудно с этим свыкнуться, ведь в реальной жизни не так часто сталкиваешься со столь малыми величинами.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба