02 ноября 2019
Робот-дорожник, супербатарейки и индивидуальные импланты: с какими идеями приехали студенты на Саммит «Большие вызовы»
На ежегодный Саммит молодых ученых и инженеров «Большие вызовы для общества, государства и науки» со своими проектами приехали около 300 студентов. Каждый из них за семь дней представит свои идеи на площадке мероприятия более опытным коллегам, чтобы получить экспертную помощь в дальнейшей работе и коммерциализации разработок. Пятеро участников Саммита рассказали нам о целях и актуальности своих проектов.
Суперконденсаторы из хлопкового пуха
Автор проекта: Юлия Булгатова, НИТУ «МИСиС»
Суперконденсатор, как и аккумулятор, является системой накопления энергии, но с гораздо лучшими свойствами. От обычных электрохимических конденсаторов он существенно отличается практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока, большими значениями удельной мощности и на порядок меньшими габаритами. Большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью создания мощных аккумуляторов нового типа, которые можно было бы использовать в разных областях, например, для электромобилей.
В большинстве случаев в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены пористым непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. В своем проекте Юлия Булгатова вместе с коллегами разрабатывает более экологичный, дешевый отечественный высокопористый материал для создания на его основе электродов суперконденсатора.
«Проект начался еще на научно-технологической программе „Большие вызовы“, когда я была школьницей, и перерос в студенческий. Мы искали что-то, что по электрохимическим показателям хотя бы догонит или будет лучше зарубежных аналогов и в то же время будет экологически безопасным. Мы брали пять видов материалов: сосну, картон, бамбук, хлопковое волокно, хлопчатобумажный пух. Мы все карбонизировали — для этого материал сначала нагревается от 0 до 900 градусов по Цельсию в инертной атмосфере, затем поверхность активизируется при помощи запускания СО2 при этой же температуре. Получается, по сути, углеродный скелет материала, и из него уже создается электрод суперконденсатора — тоненькая ткань, которую можно использовать в электродных системах. По итогам анализа разных показателей (КПД по энергии, КПД по току, удельная емкость) выяснилось, что из хлопкового пуха можно сделать самые хорошие суперконденсаторы, при этом хлопковый пух является отходом производства, что значительно удешевляет производство», — рассказала Юлия.
Автор проекта: Юлия Булгатова, НИТУ «МИСиС»
Суперконденсатор, как и аккумулятор, является системой накопления энергии, но с гораздо лучшими свойствами. От обычных электрохимических конденсаторов он существенно отличается практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока, большими значениями удельной мощности и на порядок меньшими габаритами. Большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью создания мощных аккумуляторов нового типа, которые можно было бы использовать в разных областях, например, для электромобилей.
В большинстве случаев в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены пористым непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. В своем проекте Юлия Булгатова вместе с коллегами разрабатывает более экологичный, дешевый отечественный высокопористый материал для создания на его основе электродов суперконденсатора.
«Проект начался еще на научно-технологической программе „Большие вызовы“, когда я была школьницей, и перерос в студенческий. Мы искали что-то, что по электрохимическим показателям хотя бы догонит или будет лучше зарубежных аналогов и в то же время будет экологически безопасным. Мы брали пять видов материалов: сосну, картон, бамбук, хлопковое волокно, хлопчатобумажный пух. Мы все карбонизировали — для этого материал сначала нагревается от 0 до 900 градусов по Цельсию в инертной атмосфере, затем поверхность активизируется при помощи запускания СО2 при этой же температуре. Получается, по сути, углеродный скелет материала, и из него уже создается электрод суперконденсатора — тоненькая ткань, которую можно использовать в электродных системах. По итогам анализа разных показателей (КПД по энергии, КПД по току, удельная емкость) выяснилось, что из хлопкового пуха можно сделать самые хорошие суперконденсаторы, при этом хлопковый пух является отходом производства, что значительно удешевляет производство», — рассказала Юлия.
Робот для интеллектуального ремонта дорожного полотна
Автор проекта: Всеволод Рачис, Томский политехнический университет
Некачественное проектирование, низкоквалифицированный персонал, несоблюдение технологий, низкое качество строительных материалов — лишь часть проблем, которые может решить разработка Всеволода Рачиса и его коллег. Робот позволит максимально автоматизировать процесс ямочного ремонта. Подъехав к яме, машина ее просканирует, составит карту глубины и уже после этого откроет подачу специальной эмульсии, используя струйно-инъекционную технологию. Робот ориентируется на дороге с помощью системы технического зрения, которая различает базовые элементы дороги: дорожную разметку, светофоры, некоторые дорожные знаки.
Автор проекта: Всеволод Рачис, Томский политехнический университет
Некачественное проектирование, низкоквалифицированный персонал, несоблюдение технологий, низкое качество строительных материалов — лишь часть проблем, которые может решить разработка Всеволода Рачиса и его коллег. Робот позволит максимально автоматизировать процесс ямочного ремонта. Подъехав к яме, машина ее просканирует, составит карту глубины и уже после этого откроет подачу специальной эмульсии, используя струйно-инъекционную технологию. Робот ориентируется на дороге с помощью системы технического зрения, которая различает базовые элементы дороги: дорожную разметку, светофоры, некоторые дорожные знаки.
Прототип робота для дорожного ремонта
«Сейчас уже готов прототип робота. Действующая машина будет существенно крупнее — размером с КамАЗ, так как ему потребуется высокая грузоподъемность, чтобы перевозить резервуары для эмульсии и щебня. Такой запас обеспечит автономную работу на целый день. Мы предполагаем, что он будет запрашивать у оператора разрешение на ремонт ямы. Для человека это совершенно иные условия труда — оператору не нужно находиться на месте, он одновременно может управлять несколькими роботами», — рассказал Всеволод.
Материал для взаимодействия протезов рук с сенсорными экранами
Автор проекта: Иван Борисов, МГТУ им. Н. Э. Баумана
Основная задача этого проекта — расширение функциональности протезов рук. С сегодняшним уровнем технологий не все люди могут использовать гаджеты с сенсорными экранами из-за особенностей конструкции емкостных экранов. Они используются в большинстве современных устройств, и для регистрации нажатия необходимо обеспечить электропроводность и высокую электроемкость того, чем касаются экрана. Материал на угленаполненной полимерной основе, над которым работает Иван Борисов с коллегами, обеспечит необходимый эффект.
«Разработка значительно улучшит качество жизни людей, вынужденных носить протезы рук, повысит их интеграцию в современное общество и улучшит коммерческую отдачу для производителей. Технология актуальна сразу в нескольких областях: в протезировании, робототехнике и космонавтике. Сейчас проект находится на стадии подбора оптимального состава и создания прототипов», — рассказал Иван.
Экомониторинг Байкала с орбиты «Молния»
Автор проекта: Анастасия Константинова, Московский авиационный институт
Эксперты уже достаточно давно говорят об ухудшении экологической обстановки на озере Байкал. Среди причин, усугубляющих ситуацию, — браконьерство, незаконное лесопользование, лесные пожары, сброс нечистот предприятиями, близлежащими поселениями и водным транспортом, бытовые отходы, неконтролируемый туризм. Для предотвращения этого Анастасия предлагает систему дистанционного зондирования Байкала, состоящую из двух уровней: непрерывного наблюдения из космоса с помощью орбиты «Молния» и подключения низкоорбитальных группировок. Новизна этого проекта заключается в спутнике, целевое назначение которого — непрерывно наблюдать за озером и анализировать полученные данные в реальном времени.
«У меня есть идея мониторинга Байкала, но вывод спутника на орбиту только предполагается. Расположение Байкала не позволяет производить мониторинг с геостационарной орбиты, а использование геосинхронной орбиты „Молния“ решит эту проблему, ее наклон — 62 градуса — охватит Байкал целиком, вместе с его северной частью. У этой орбиты есть и трудность — ее большая высота, но это можно решить использованием камер высокого качества», — рассказала Анастасия.
Автор проекта: Иван Борисов, МГТУ им. Н. Э. Баумана
Основная задача этого проекта — расширение функциональности протезов рук. С сегодняшним уровнем технологий не все люди могут использовать гаджеты с сенсорными экранами из-за особенностей конструкции емкостных экранов. Они используются в большинстве современных устройств, и для регистрации нажатия необходимо обеспечить электропроводность и высокую электроемкость того, чем касаются экрана. Материал на угленаполненной полимерной основе, над которым работает Иван Борисов с коллегами, обеспечит необходимый эффект.
«Разработка значительно улучшит качество жизни людей, вынужденных носить протезы рук, повысит их интеграцию в современное общество и улучшит коммерческую отдачу для производителей. Технология актуальна сразу в нескольких областях: в протезировании, робототехнике и космонавтике. Сейчас проект находится на стадии подбора оптимального состава и создания прототипов», — рассказал Иван.
Экомониторинг Байкала с орбиты «Молния»
Автор проекта: Анастасия Константинова, Московский авиационный институт
Эксперты уже достаточно давно говорят об ухудшении экологической обстановки на озере Байкал. Среди причин, усугубляющих ситуацию, — браконьерство, незаконное лесопользование, лесные пожары, сброс нечистот предприятиями, близлежащими поселениями и водным транспортом, бытовые отходы, неконтролируемый туризм. Для предотвращения этого Анастасия предлагает систему дистанционного зондирования Байкала, состоящую из двух уровней: непрерывного наблюдения из космоса с помощью орбиты «Молния» и подключения низкоорбитальных группировок. Новизна этого проекта заключается в спутнике, целевое назначение которого — непрерывно наблюдать за озером и анализировать полученные данные в реальном времени.
«У меня есть идея мониторинга Байкала, но вывод спутника на орбиту только предполагается. Расположение Байкала не позволяет производить мониторинг с геостационарной орбиты, а использование геосинхронной орбиты „Молния“ решит эту проблему, ее наклон — 62 градуса — охватит Байкал целиком, вместе с его северной частью. У этой орбиты есть и трудность — ее большая высота, но это можно решить использованием камер высокого качества», — рассказала Анастасия.
Индивидуальный титановый имплантат для нейрохирургии
Автор проекта: Александр Гриф, Новосибирский государственный технический университет
Ежегодно в России около 600 тысяч человек получают черепно-мозговые травмы, 40 тысяч из них погибают, а еще 40 — становятся инвалидами. При получении такой травмы в некоторых случаях у пациента образуется дефект костной ткани — отсутствует часть черепа. Такой же дефект возможен у нейроонкологических больных, когда для доступа к опухоли в черепе вырезается отверстие. В обоих случаях этот дефект нужно «закрыть». Проект молодого ученого помогает врачу-нейрохирургу планировать подобные операционные вмешательства.
Александр разработал программное обеспечение, которое помогает моделировать индивидуальный титановый имплантат для каждого пациента. ПО позволяет загружать данные томографии, выполненные в лечебном учреждении, и с их помощью реконструирует 3D-модель черепа пациента. Далее врач отмечает специальными маркерами границу дефекта черепа, создает каркас модели и выбирает места для крепления имплантата к черепу. На следующем этапе происходит оптимизация геометрии полученной модели — выбираются параметры толщины, диаметры перфорационных отверстий, чтобы они с одной стороны обеспечивали минимальный вес имплантата, а с другой стороны — полученная модель была достаточно прочной. Далее цифровая модель может быть напечатана на 3D-принтере из титана.
«Это программное обеспечение полностью ориентировано на врача. Сложный функционал реализован в простом интерфейсе. Для создания 3D-модели черепа требуется всего один клик, для модели импланта — 15 минут работы. Платформа „понимает“ данные различных томографов и „знает“ модели имплантов. Все модули объединены в единую концепцию. При этом типичная модель импланта печатается не более четырех часов. По этой работе мы уже опубликовали восемь научных работ в РИНЦ и Scopus, создали семь объектов интеллектуальной собственности и выполнили пять научно-исследовательских разработок», — рассказал Александр.
Автор проекта: Александр Гриф, Новосибирский государственный технический университет
Ежегодно в России около 600 тысяч человек получают черепно-мозговые травмы, 40 тысяч из них погибают, а еще 40 — становятся инвалидами. При получении такой травмы в некоторых случаях у пациента образуется дефект костной ткани — отсутствует часть черепа. Такой же дефект возможен у нейроонкологических больных, когда для доступа к опухоли в черепе вырезается отверстие. В обоих случаях этот дефект нужно «закрыть». Проект молодого ученого помогает врачу-нейрохирургу планировать подобные операционные вмешательства.
Александр разработал программное обеспечение, которое помогает моделировать индивидуальный титановый имплантат для каждого пациента. ПО позволяет загружать данные томографии, выполненные в лечебном учреждении, и с их помощью реконструирует 3D-модель черепа пациента. Далее врач отмечает специальными маркерами границу дефекта черепа, создает каркас модели и выбирает места для крепления имплантата к черепу. На следующем этапе происходит оптимизация геометрии полученной модели — выбираются параметры толщины, диаметры перфорационных отверстий, чтобы они с одной стороны обеспечивали минимальный вес имплантата, а с другой стороны — полученная модель была достаточно прочной. Далее цифровая модель может быть напечатана на 3D-принтере из титана.
«Это программное обеспечение полностью ориентировано на врача. Сложный функционал реализован в простом интерфейсе. Для создания 3D-модели черепа требуется всего один клик, для модели импланта — 15 минут работы. Платформа „понимает“ данные различных томографов и „знает“ модели имплантов. Все модули объединены в единую концепцию. При этом типичная модель импланта печатается не более четырех часов. По этой работе мы уже опубликовали восемь научных работ в РИНЦ и Scopus, создали семь объектов интеллектуальной собственности и выполнили пять научно-исследовательских разработок», — рассказал Александр.
Откуда взялся язык или как люди стали такими умными?
Автор проекта: Петр Котрелев, НИУ ВШЭ
Петр Котрелев разрабатывает теорию, которая описывает, что произошло с мозгом наших предков в период с 6−7 млн лет до 40−30 тыс. лет, отчего мы стали такими уникально умными. Свою теорию в долгосрочной перспективе молодой ученый планирует проверять на поведенческих, нейрофизиологических и нейрогенетических языковых проектах с шимпанзе или бонобо.
Автор проекта: Петр Котрелев, НИУ ВШЭ
Петр Котрелев разрабатывает теорию, которая описывает, что произошло с мозгом наших предков в период с 6−7 млн лет до 40−30 тыс. лет, отчего мы стали такими уникально умными. Свою теорию в долгосрочной перспективе молодой ученый планирует проверять на поведенческих, нейрофизиологических и нейрогенетических языковых проектах с шимпанзе или бонобо.
«На Саммит я приехал с небольшим проектом исследования вокальной коммуникации приматов. Вопрос, на который я, кажется, нашел ответ — как с помощью нейрофизиологии понять, что именно значат звуковые сигналы нечеловеческих приматов друг другу. Последние 40 лет исследователи решали эту проблему исключительно с помощью поведенческих данных, и это очень логично, что у нас возникло желание определить этот процесс на нейронном уровне. Первый шаг пройден, теперь осталось сделать главное — найти финансирование и провести этот эксперимент в НИИ медицинской приматологии в Сочи».