Источник: Ольга Хабарина
Напечатанная из титана челюсть, металлическая деталь с внутренними каналами и модель органа для тренировки врача — всё это школьники и студенты увидели 6 октября на маршруте по двум передовым инженерным школам Москвы. В Передовой инженерной школе МАСТ Университета МИСИС им показали, как создают и проверяют первые образцы изделий. В Сеченовском университете — как инженеры работают над медицинскими моделями, нейроимплантами и роботами.
Новый маршрут запущен в рамках инициативы «Научно-популярный туризм» Десятилетия науки и технологий. Его первыми гостями стали школьники и студенты. Президент России Владимир Путин объявил Десятилетием 2022–2031 годы. Его задачи — привлекать молодёжь в исследования и разработки, вовлекать учёных в решение задач страны и рассказывать о достижениях российской науки.
Программа рассчитана на школьников 8–11 классов, студентов профильных колледжей и вузов. Полный однодневный маршрут включает передовые инженерные школы МИСИС и Сеченовского университета, а также АО «НИИТФА» Госкорпорации «Росатом». Он знакомит участников с этапами создания медицинских разработок: от исследования и новых материалов — к инженерному решению, медицинской технологии и её применению.
Между этими разработками больше общего, чем кажется. Сделать предмет нужной формы — лишь часть задачи. Ещё предстоит подобрать материал, проверить свойства и понять, удобно ли будет пользоваться изделием. На экскурсии эти этапы можно было проследить на конкретных примерах, а некоторые устройства — испытать самим.
Титановая модель челюсти
Первая остановка — центр промышленного прототипирования «Кинетика» МИСИС. Маршрут знакомил участников с передовой инженерной школой «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии». Здесь показали путь от макета до металлической детали и оборудования для её проверки.
Фото Ольги Хабариной
Экскурсию по центру провёл Саддам Машарипов, инженер Лаборатории гибридных наноструктурных материалов. Один из показанных им образцов — модель человеческой челюсти, напечатанная из титана. Аддитивные технологии позволяют создавать медицинские изделия сложной формы и подбирать их размеры с учётом анатомии пациента.
Фото Ольги Хабариной
Задача передовой инженерной школы МАСТ — создать первые образцы. Здесь могут изготовить единичное изделие или небольшую серию. Когда разработку нужно выпускать в больших количествах, к работе подключаются промышленные партнёры. Так лабораторный образец проходит следующий этап — подготовку к производству.
Фото Ольги Хабариной
Иногда работа начинается с существующей детали. Инженеры изучают её форму, размеры и материал, чтобы создать собственный вариант с нужными свойствами. Этот процесс называют обратным инжинирингом. Саддам объяснил: повторить внешний вид недостаточно. Изделие должно ещё выдерживать нагрузки, для которых его проектируют.
Форма, которая меняет свойства
Следующую часть экскурсии провёл Виктор Филинов. Он показал образцы, изготовленные из металлической проволоки и порошка. Сравнить их можно было буквально на вес: среди изделий были и тяжёлая конструкция, и лёгкая деталь с решётчатой структурой.
Фото Ольги Хабариной
Виктор представился аспирантом первого курса ПИШ МАСТ. За некоторыми образцами стояла и его собственная работа. Рассказывая об экспериментальных штифтах для крепления протеза ноги, он пояснил: «Я работал со своими одногруппниками на конкурсе аван-проектов Росатома». Госкорпорация «Росатом» — ключевой индустриальный партнёр ПИШ МАСТ.
На этих образцах группа увидела, зачем инженерам нужны сложные формы. Сплошная металлическая конструкция и конструкция с порами ведут себя под нагрузкой по-разному. Меняя внутреннее устройство штифта, разработчики ищут нужное сочетание свойств. Показанные образцы относятся к раннему этапу проекта: на них можно исследовать идею и выбирать дальнейшее направление работы.
Фото Ольги Хабариной
Другой пример — теплообменник, который отводит тепло от рабочей жидкости. Внутри него проходят каналы. Их форма увеличивает поверхность, через которую передаётся тепло. Металлическая 3D-печать позволяет создавать такие детали послойно: лазер соединяет частицы порошка, постепенно выстраивая изделие вместе с его внутренней структурой.
В этих примерах форма решает практическую задачу. В одном случае инженеры меняют поведение конструкции под нагрузкой, в другом — организуют движение жидкости и передачу тепла. Поэтому работа над моделью связана с выбором материала и способом изготовления.
Как заглянуть внутрь детали
После изготовления образец нужно проверить. На маршруте участникам показали несколько способов узнать, что получилось в действительности.
Сканер восстанавливает внешнюю геометрию детали и создает таким образом цифровую модель изделия. Микроскоп позволяет рассмотреть структуру материала, а прибор для измерения шероховатости — рельеф поверхности. Даже внешне гладкая деталь при увеличении оказывается далека от ровной плоскости.
Фото Ольги Хабариной
Для исследования внутренней структуры используют микрокомпьютерную томографию. Она помогает обнаружить поры и другие дефекты, не разрезая образец. Так инженеры получают сведения о том, что скрыто под поверхностью, и могут сопоставить результат изготовления с исходным замыслом.
Фото Ольги Хабариной
Тренировка до работы с пациентом
В Сеченовском университете группа посетила передовую инженерную школу «Интеллектуальные системы тераностики». Здесь задачи создания и проверки изделий тесно связаны с медициной. Один из примеров — учебные модели органов, или фантомы. На них врачи отрабатывают манипуляции до работы с пациентом.
О таких моделях рассказала Анастасия Горина, младший научный сотрудник Дизайн-центра гибкой биоэлектроники. Задачи для разработчиков нередко приходят от самих специалистов: «Врачи приходят к нам с какой-то проблемой, с каким-то вопросом». Это может быть сложная манипуляция, для обучения которой нужен отдельный тренажёр.
Фото Ольги Хабариной
Например, на модели предстательной железы можно тренировать биопсию — забор небольшого участка ткани для исследования. Манипуляцию проводят под контролем УЗИ. Одной рукой врач удерживает датчик, другой направляет инструмент. Фантом позволяет отработать эту координацию. Для такой задачи важно, чтобы материал модели давал на ультразвуковом изображении картину, похожую на человеческие ткани.
Модель почки решает другую задачу. Внутри неё воспроизведена разветвлённая система полостей. Врач учится проводить по ней гибкий инструмент и находить нужный участок. Участникам также показали модель коленного сустава и рассказали о послойной модели лица для обучения инъекциям. В последнем случае важно учитывать направление иглы и глубину её введения.
У каждого тренажёра своя задача, поэтому требования к материалам различаются. Где-то нужно воспроизвести изображение тканей при исследовании, где-то — движение или строение органа. Инженеры выбирают свойства модели под навык, который предстоит отрабатывать врачу.
Нейроимпланты: работа на этапе эксперимента
Никита Исаев, младший научный сотрудник Дизайн-центра гибкой биоэлектроники, познакомил группу с тонкоплёночными электродами. Это гибкие элементы, которые используют в исследованиях нервной системы. На тонкой полимерной основе формируют проводящие участки; их расположение зависит от задачи конкретного эксперимента.
Фото Ольги Хабариной
Никита показал несколько вариантов нейроимплантов и рассказал об исследованиях с электрической стимуляцией. На вопрос о применении у людей он ответил: «На людях пока нет, только на животных». Эта стадия работы позволяет изучать, как устройство взаимодействует с живыми тканями. Показанные образцы ещё проходят экспериментальную проверку.
Робот, которому можно доверить хрупкий предмет
В Лаборатории управляемых бионических систем участников встретили младший научный сотрудник Елизавета Чепрасова и стажёр-исследователь Ксения Филиппова. Знакомство с мягкой робототехникой началось с простой задачи: взять предмет, перенести и отпустить, сохранив его целым.
Фото Ольги Хабариной
Школьники и студенты попробовали выполнить её с помощью мягкого захвата. При подаче воздуха его гибкие элементы обхватывали предмет, а после сброса давления отпускали. Участники сначала управляли подачей воздуха вручную, затем увидели вариант, который запускается нажатием кнопки. Так принцип работы можно было понять через собственное действие.
В лаборатории показали и гибкие элементы, которые сокращаются при подаче воздуха, поднимая груз. Ещё один образец — прототип перчатки, помогающей сгибать пальцы. Разработчики рассматривают такие устройства для восстановления движений после травм и операций. В перчатке можно регулировать усилие и степень сгибания: эти параметры важны, когда движение руки ограничено.
Фото Ольги Хабариной
Управление требует обратной связи
Следующую демонстрацию провёл Михаил Токарев, инженер Дизайн-центра гибкой биоэлектроники. Он познакомил группу с роботизированным манипулятором и объяснил, почему недостаточно задать устройству движение. Нужно ещё получать информацию о том, что происходит во время работы.
«В любом движении самое важное — это контроль», — сказал Михаил.
На показанном устройстве при прикосновении загоралась лампа. Световой сигнал помогал увидеть, что система распознала контакт. Это простой пример обратной связи: оператор получает сведения о действии робота и может учитывать их при управлении.
Фото Ольги Хабариной
От экскурсии к своему проекту
В конце маршрута Карина Уразова, специалист по учебно-методической работе Офиса образования, рассказала об инженерных направлениях Сеченовского университета. Среди них — материаловедение, механика и математическое моделирование, наноматериалы и информационные системы. Специалисты этих направлений выбирают материал, рассчитывают конструкцию, создают программу управления или изучают медицинские данные. На специалитете университет готовит медицинских инженеров — эту квалификацию присваивают выпускникам программы.
Фото Ольги Хабариной
Для студентов работают научный кружок и конструкторское бюро. В бюро можно обратиться со своей идеей и получить помощь в её воплощении. Как объяснила Карина, студенты «могут прийти с этим проектом к нам, запросить помощь, реализовать его» — в том числе изготовить образцы на лабораторном оборудовании.
Для школьников знакомство с этой работой начинается с экскурсий, турниров и других мероприятий с задачами по биоинженерии. На маршруте они увидели и следующий шаг: студенты уже участвуют в проектах, делают собственные образцы и проверяют их вместе с исследователями.
Как московские стартапы доводят разработки до производства, мы рассказывали в материале «От ангелов до имплантов: как московские стартапы превращают технологии в реальное производство».
Подписывайтесь на наш Telegram-канал — там еще больше важных новостей!
