Язык науки может быть не всегда понятен обывателю, однако все научные разработки так или иначе призваны облегчить нашу жизнь — как ее социальную сферу, так и бизнес-процессы. «Деловая газета. Юг» решила узнать, какими научными разработками сегодня занимаются ведущие вузы Ростовской области — ЮФУ, ДГТУ и ЮРГПУ — на благо предпринимателей Дона и всего мира.
ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Компьютерный нос
Вскоре обнаруживать запрещенные вещества и проверять грузы сможет созданный командой ученых НИТЦ нейротехнологий ЮФУ биогибридный «компьютерный нос». Почему? Авторы разработки считают, что биогибридная система, основанная на малоинвазивных имплантатах и нейросетях, превосходит лучшие аналоги по чувствительности более чем в миллион раз, а натаскать на любое новое вещество ее можно за полчаса.
«Наша разработка представляет собой сверхчувствительную систему, состоящую из животного, в обонятельную луковицу которого вживлена матрица микроэлектродов. Система включает усилитель биологических сигналов, аналого-цифровой преобразователь и специальное программное обеспечение на основе большого набора нейросетей», — объяснил принцип работы устройства ведущий научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко.
По его словам, способность многих млекопитающих различать в воздухе чрезвычайно малые концентрации веществ уже широко используется при обеспечении безопасности. Однако эффективность специально дрессированных животных часто оказывается низкой из-за их поведенческих особенностей, физиологического состояния и ряда психологических факторов при взаимодействии с людьми.
Благодаря новой системе можно проводить анализ того, что именно животное вдыхает в данный момент, поэтому разработку нельзя обмануть, как обычное дрессированное животное, замаскировав запрещенное вещество с помощью резких запахов. Другими отличительными особенностями разработки являются высокая скорость анализа и низкая себестоимость. Лабораторные исследования показали 100-процентную эффективность новой системы. Сейчас разработка проходит полевые испытания.
Примечательно, что в качестве «живого сенсора» специалисты использовали крыс, введенных в медикаментозный сон и помещенных в специальный переносной бокс. Здоровью животного при этом ничего не угрожает, а сеанс длится не более двух часов.
«WaterИнсайт»: система управления «умного региона»
Информационная система, создаваемая командой ученых из Института наук о Земле ЮФУ под руководством ведущего научного сотрудника Дениса Кривогуза, базируется на больших геоданных и позволяет принимать управленческие решения касательно региона.
На данном этапе создана нейронная сеть «WaterИнсайт», способная при помощи спутниковых изображений анализировать любой водоем и давать информацию о его глубине, площади, тенденции к обмелению, взаимосвязи с климатическими показателями и прочие данные.
«Сеть была обучена распознавать и классифицировать различные типы водных объектов, включая их границы и размеры, что было основой для дальнейшего изучения их динамики», — уточнил Денис Кривогуз.
Новая методика основана на использовании глубоких нейронных сетей и алгоритмов машинного обучения для извлечения данных о площадях водных объектов со спутниковых изображений. Нейронная сеть позволила проанализировать водную поверхность и отделить ее от суши в сложных условиях грязевых и не грязевых озер полуострова, существенно увеличив точность существующих до этого подходов. Система была протестирована на Керченском полуострове и показала хорошие результаты: по сравнению с традиционными подходами к измерению площадей водного зеркала озер — 70% точности — подход команды ЮФУ позволил увеличить точность до 96%.
Однако на этом команда ученых не остановилась. Используя результаты своих исследований, они провели анализ долгосрочных тенденций и их взаимосвязи с климатическими показателями, такими как температура, влажность и атмосферные осадки, начиная с 1985 года. Исследователи выявили обратную корреляцию между температурой и площадью озер, особенно заметную летом из-за интенсивного испарения.
Исследование Керченского полуострова лишь начало, ученые планируют внедрить систему анализа в другие регионы РФ. Ее задачи выходят далеко за пределы водных объектов: в будущем она будет представлять интернет-портал, содержащий сведения о температуре и прозрачности, а также условных границах особо интересных водных объектов Ростовской области. Система сможет выявлять, как те или иные решения повлияют на будущее региона, а также как такие изменения отразятся на остальных природно-ресурсных характеристиках области.
Микрочипы для медицины и косметологии
Технология полного цикла серийного производства микрочипов для синтеза сложных органических соединений сегодня локализована в Южном федеральном университете. Данные микрочипы могут быть использованы в медицине, косметологии, пищевой и химической промышленности, уверены ученые.
Исследователи ЮФУ предложили синтезировать биологически активные молекулы с использованием методов микрофлюдики — технологии управления потоками малых объемов жидкостей и газов на микроскопическом уровне.
«В ходе исследования нами выявлено значительное преимущество по выходу продуктов реакции и массовой производительности микрофлюидных методов в сравнении с «классическими». Также удалось синтезировать перспективные органические молекулы с разнонаправленной активностью», — пояснил инженер исследовательской лаборатории «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» Александр Загребаев.
По мнению ученого, микрофлюидные методы по сравнению с классическими позволяют увеличить выход целевых соединений на 30%.
Нанокомпозиты для борьбы с онкозаболеваниями
Разработка ученых Международного института интеллектуальных материалов ЮФУ потенциально может быть применима для борьбы с раковыми клетками. Она позволяет получать композитный материал, способный под проникающим ионизирующим излучением локально убивать патогенные ткани.
«Суть разработки заключается в адаптации реакции синтеза люминесцентных наночастиц в микрофлюидном проточном режиме. Ввиду использования технологии проточного синтеза и возможности регистрации люминесценции в режиме in situ осуществлять поиск оптимальных условий реакции можно, сэкономив много времени и дорогостоящих реактивов высокой чистоты», — пояснила лаборант-исследователь Международной исследовательской лаборатории нанодиагностики МИИ ИМ ЮФУ Заира Гаджимагомедова.
Синтез эффективных люминесцентных наночастиц происходит на основе фторидов тяжелых металлов бария и гадолиния, способных эффективно поглощать рентгеновские лучи и переизлучать накопленную энергию в видимой части электромагнитного спектра. Фотоны видимого света поглощаются молекулами фотосенсибилизатора, при возбуждении генерирующими синглетный кислород, который как раз и запускает процессы программированной смерти вредоносных клеток.
Привычный же метод получения аналогичных композитов подразумевает многостадийный процесс. Но ученым удалось показать, что «сцепка» люминесцентных частиц и молекул фотосенсибилизатора может быть осуществлена также в проточном режиме, а свойства таких нанокомпозитов не уступают их аналогам.
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Роботизированный протез для голеностопного сустава
Электромеханическую систему для облегчения передвижения инвалидов с повреждением голеностопного сустава изобрели кандидат технических наук, доцент, завкафедрой «Робототехника и мехатроника» ФГБОУ ВО «ДГТУ» Андрей Изюмов и его аспирант, специалист Министерства образования Ирака Хуссейн Талиб Саббах Хуссейн. Роботизированная система поможет инвалидам-опорникам быстрее реабилитироваться и жить полной жизнью, считают ростовские ученые, которые ведут разработки в сфере носимой роботехники.
«Термин «носимая робототехника» стал популярным в 1960-х. Тогда акцент был на создании систем для увеличения нагрузки в процессе реабилитации пациентов. Практической целью разработки активных экзоскелетных устройств для конечностей человека является перераспределение трудоемких видов деятельности от человека к экзоскелету», — поясняет Андрей Изюмов.
Роботизированный привод экзоскелета создан с применением каркасных пневмодвигателей и пропорционального электромеханического управления. Он позволяет повысить эффективность реабилитации пациентов с повреждениями голеностопного сустава, дозируя нагрузку и контролируя угол сгибания-разгибания сустава и напряжений, действующих в процессе лечебной гимнастики и ходьбы.
«Наша научная работа носит международный характер и представляет непосредственный интерес для взаимодействия между РФ и Ираком. По материалам научно-исследовательской работы опубликовано 11 научных статей, получено два патента РФ на изобретение», — рассказывает ростовский ученый.
Котлеты из 3D-принтера
Котлеты из культивированного мяса кролика научился производить старший преподаватель кафедры «Биоинженерия» Донского государственного технического университета Сергей Головин. По его мнению, культивируемое мясо — это будущее, которое уже наступило. По расчету ученого, через 10–20 лет такой продукт будет конкурировать на полках отечественных магазинов с традиционным мясом. Пока же разработка продуктов питания с использованием клеточных технологий и тканевой инженерии лишь часть учебной программы по подготовке биоинженеров в ДГТУ.
«Суть технологии заключается в том, что при помощи биопсии мы берем у животного-донора стволовые клетки, размножаем их в лабораторных условиях, а затем дифференцируем до «мясных» клеток: мышечных, жировых, соединительнотканных и сосудистых. После из этой массы формируется структура, похожая на мясо», — рассказывает Сергей Головин.
«Мясные» клетки ученые культивируют на микроносителях из растительного белка с целью формирования маленьких крупинок, похожих на фарш. К ним добавляют гидрогель и при помощи 3D-биопринтера печатают ячеистые прямоугольники, «дозревающие» в инкубаторе и приготовляемые путем обжаривания на сковороде в растительном масле.
По словам ученого, напечатанная на 3D-принтере «котлета» никогда котлетой не являлась. Это скорее «высокотехнологичное мясное блюдо», для приготовления которого в качестве донора были взяты клетки кролика. Кролик — это самое большое «съедобное» лабораторное животное, которое помещается в лабораторном виварии. За два года исследований в лаборатории ДГТУ было выращено около 200 граммов клеточной массы. Специально для презентации работы при помощи 3D-биопинтера ученые создали три 12-граммовые котлеты.
Ученые показали возможность применения разных методов клеточной биологии и тканевой инженерии для создания принципиально новых продуктов питания. Таким способом можно изготовить обычную котлету, начинку для пельменей или колбасу. Однако у многих потребителей ожидаемо может возникнуть вопрос о безопасности такого продукта.
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Компьютерное зрение для обработки виноградников
Над проектом программно-аппаратного комплекса, который с помощью компьютерного зрения будет распознавать конфигурацию виноградных лоз, работает магистрант ЮРГПУ Марьяна Филонова. Областью научных интересов Марьяны является применение машинного зрения в сельском хозяйстве, а также прогнозирование износа строительных зданий и сооружений.
Проект молодого ученого под названием «Система распознавания виноградных лоз средствами компьютерного зрения» даже получил в 2023 году грант Фонда содействия инновациям в конкурсе «Студенческий стартап». В случае воплощения разработки в жизнь виноградарям станет намного легче обрабатывать поля: специальное приложение позволит увидеть конфигурацию виноградных лоз в режиме реального времени.
Проблема обработки виноградных полей заключается в том, рассказала молодой ученый газете «Молот», что пышная листва виноградных кустов закрывает лозы. В результате из-за неточных действий тракториста при обработке виноградников лозы и кора растений повреждаются, что ведет к потере урожая.
Новая же технология способна вовремя оповещать водителей о цифровой карте местности, конфигурации лоз и расположении опорных столбов. В результате маршрут трактора, а также скорость обработки насаждений можно будет оперативно изменить, что в свою очередь приведет к повышению качества обработки поля.
Программно-аппаратный комплекс будет основан на системе компьютерного зрения для распознавания объектов, определения и фиксации их точных координат. Подобные программно-аппаратные комплексы применяются для ухода за яблонями и другими фруктовыми деревьями, а вот для обработки виноградных лоз разработок не существует. В будущем ученый мечтает разработать автопилот для сельхозтехники, которую используют для обработки виноградников.
Тактильные бионические протезы
Сделать бионический протез более тактильным и научить его получать информацию об окружающем мире с помощью прикосновений смогли ученые ЮРГПУ в Новочеркасске.
По словам руководителя лаборатории Антона Ланкина,подобные исследования являются ярким примером импортозамещении — они ничем не уступают, а где-то даже и превосходят бионические протезы ушедших с российского рынка западных производителей.
Как отмечает новочеркасский ученый, в то время, когда обычные бионические протезы способны лишь сжимать и разжимать кулак, новая разработка позволяет управлять каждым пальцем и даже делать жесты.
При этом увеличению точности распознавания информации способствуют новейшие алгоритмы, основанные на базе гибридных нейронных сетей. На данный момент полностью разработаны конструкторская документация, а также программная часть, написанная на языке Python. Опытный образец усовершенствованного бионического протеза будет напечатан на 3D-принтере.
Информационный обзор редакции
Анастасия Талызина