Робот-муравей, сурдоперчатка и цифровой стетоскоп: что изобретают московские школьники

Креативное мышление юных ученых и изобретателей позволяет им еще в школьные годы разрабатывать уникальные устройства и придумывать новое применение известным технологиям.

Превратить обычные вязаные перчатки в сурдопереводчика или, наблюдая за жизнью муравьев, придумать робота, которому под силу проникнуть в самые труднодоступные места. Это не научная фантастика, а реальные изобретения, которые ученики предпрофессиональных классов московских школ представляют на научно-практических конференциях. В столице ежегодно проводят несколько таких масштабных мероприятий именно для юных новаторов.

Автономная школа будущего

Как построить здание посреди чистого поля, где нет электросетей, и обеспечить его энергией? Решение предложили ученики школы № 2045 Алексей Хропонюк, Дмитрий Полорченко и Игорь Ильин. В прошлом году на конференции «Инженеры будущего» ребята представили проект «Зеленая школа». Это макет здания, которое может использовать возобновляемую энергию из разных источников.

Для примера начинающие изобретатели взяли школу. Они предложили установить на здании модульные солнечные панели, которые будут генерировать электроэнергию и запасать ее в аккумуляторе с помощью контроллера. Более точно наводить панели на солнце поможет специальный трекер. Одновременно вырабатывать энергию помогут ветрогенераторы и биогазовые установки. А сколько ее удалось произвести, покажет специальный сайт.

«Если производимой энергии будет слишком много, ее можно продавать для сети. В теории это позволит школе снизить расходы и даже немного заработать», — рассказывает один из разработчиков проекта Алексей Хропонюк.

Такие полностью автономные здания могут быть особенно актуальны в отдаленных районах или сельской местности. В городах же предложенные школьниками решения помогут экономить на потреблении электроэнергии и уменьшать выбросы углекислого газа.

Сегодня авторы проекта учатся в 11-м инженерном классе и планируют заниматься дальнейшими разработками. «Мы хотим попытаться увеличить коэффициент полезного действия и сделать солнечные панели с автоочисткой», — говорит Алексей Хропонюк. По его словам, участие в конференции «Инженеры будущего» помогло привлечь к их проекту заинтересованных людей и получить новые идеи.

Электронный доктор

Разработка Анастасии Елисеевой должна помочь людям, которых беспокоят заболевания дыхательной системы. По статистике, такие проблемы со здоровьем — одни из самых распространенных в мире. Это в очередной раз подтвердила недавняя пандемия COVID-19. Особенно опасно, когда болезнь проходит без симптомов. В таких случаях критически важна своевременная диагностика.

Еще учась медицинском классе школы № 1207, Анастасия придумала устройство, которое автоматически анализирует дыхательные шумы. Это своего рода цифровой стетоскоп, в основе которого одноплатный компьютер с микрофоном. Устройство записывает звук, делит его на маленькие фрагменты, обрабатывает их и анализирует с помощью нейросети. Искусственный интеллект видит аномалии и отклонения от нормы, а также определяет возможное заболевание.

Разработать устройство Анастасии Елисеевой помогли не только школьные знания, но и дополнительные занятия программированием, робототехникой и биологией в образовательном комплексе «Воробьевы горы». Анастасия исследовала базу данных шумов и распределила их по нескольким категориям. Она сама написала программу, которая анализирует и фильтрует разные типы звуков. При обнаружении спазмов или других признаков ухудшения дыхания программа включает сигнал тревоги. Девайс разработан для применения пациентами: при подозрении на проблемы они смогут своевременно обратиться к врачу.

«Это персональное устройство для обычного человека. Если у вас астма, поражение легких, пневмония или же проблемы есть у вашего ребенка, оно поможет мониторить ситуацию. Его можно будет использовать аналогично тонометру», — объясняет Анастасия Елисеева.

Прототип программно-аппаратного комплекса девушка представила в прошлом году на конференции «Наука для жизни». Сегодня она учится в медицинском колледже № 5, продолжает дорабатывать свое устройство и участвует уже в международных научных конкурсах. Ей поступают предложения запатентовать идею и запустить прибор в производство.

Мобильный помощник врачей

Еще одного помощника для врачей и пациентов разработали Федор Андреев и Михаил Кот из школы № 2089, они учатся в 11-м инженерном классе. На прошлой конференции «Инженеры будущего» ребята представили мобильного медицинского робота, который может взять на себя рутинную работу в больницах.

«В пандемию нагрузка на медперсонал сильно выросла, и мы спроектировали робота, который его разгрузит. Он может работать в красных зонах больниц, а в отсутствие эпидемии взять на себя простейшие функции сотрудников, на которые обычно уходит много времени. Чем свободнее от рутинных дел будет персонал, тем больше внимания он сможет уделять пациентам», — рассказывает разработчик Федор Андреев.

Робота можно использовать для дезинфекции помещений, доставки медикаментов и вещей пациентам по палатам. В мире уже существуют подобные устройства, однако модель московских школьников оказалась намного дешевле и функциональней.

Робот способен работать автономно, двигаясь по разметке на полу. Так он, например, может дезинфицировать палаты и коридоры. Второй режим управления нужен на сложных маршрутах, где есть риск, что автоматика не справится. Устройство работает на двух микроконтроллерах. Первый отвечает за движение и работу всех основных узлов: дезинфектора, камеры и мотора. Второй нужен для считывания показаний влажности и температуры.

«За прошедший год мы добавили дополнительные датчики, перевели робота на отечественную систему управления. Теперь он может свободно строить карты помещений, объезжать людей, стены, двери и другие препятствия. В планах — до конца учебного года доделать машинное зрение, чтобы робот мог распознавать лица людей. Мы также добавим датчик пульса, чтобы можно было в любой момент снять показатели, приложив палец или запястье», — говорит Федор Андреев.

Потенциал модификаций неисчерпаем: устройство можно совершенствовать для любых функций, добавляя новые компоненты.

Механические муравьи-помощники

Делать роботов доступными широкому кругу людей решил еще один молодой изобретатель Даниил Топорец. Еще в восьмом классе он начал работать над проектом, основой которого стала шагающая платформа. Принцип ее движения школьник подглядел у муравьев. Даниил увлекался биологией, и особенно его интересовали насекомые. Школьник пришел к выводу, что самым оптимальным вариантом станет робот с шестью ногами, благодаря которым он устойчив в любом положении.

«Муравьи — достаточно успешные обитатели нашей планеты. Существует огромное количество их колоний, и они активно развивались, несмотря на изменения климата и влияние человека на экосистему. Я решил, что причина в их уникальных способностях», — рассказывает молодой ученый.

Шагающая платформа значительно сложнее колесной, однако имеет массу преимуществ. Ступни робота-муравья поднимаются и опускаются строго вертикально относительно поверхности. Горизонтально они перемещаются только при безопасной высоте подъема. Это позволяет роботу не спотыкаться и не застревать. Платформа Даниила отвечает трем важным критериям — это минимализм, устойчивость и проходимость.

«Роботы на шагающей платформе могут забраться туда, где физически не проедут колесные. Эта технология применялась и раньше. Шагающий механизм еще в XIX веке изобрел русский математик Пафнутий Чебышев. Анализ представленных на рынке недорогих шагающих роботов выявил отсутствие удобного программного обеспечения и подробных инструкций для сборки. Я решил развивать это направление — разрабатывать программы, математические модели и формулы. Пока стараюсь использовать готовые элементы с некоторыми собственными доработками. Но планируется эволюция и в аппаратной части», — отмечает Даниил Топорец.

На шагающей платформе можно собирать самых разных роботов: транспортировщиков, патрульных, строителей, ремонтников или фотографов. Они смогут работать там, где человеку опасно или вовсе невозможно находиться: они могут участвовать в поисково-спасательных операциях или даже исследовательских миссиях на Марс.

Год назад Даниил Топорец представил свой проект на конференции «Наука для жизни». Тогда он был одиннадцатиклассником инженерного класса школы № 1502. Изобретатель описал математическую модель движения. Сегодня он учится в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана и работает над приложением, которое облегчит использование его разработки. Кроме того, Даниил собирает электронные платы и делает прототипы шагающих роботов с разными функциями.

Перчатка-сурдопереводчик

Общаться с глухонемыми людьми, не зная их язык, позволит устройство, модель которого разработал выпускник инженерного класса школы № 2065 Данила Фоминиченко. Как-то в торговом центре он увидел, что глухонемой человек не смог заказать себе еду, потому что его никто не понял. Увлечение рисованием и 3D-моделированием помогло школьнику создать расшифровщик языка жестов.

Данила изучил устройства, которые уже были на рынке. Они оказались либо достаточно тяжелыми из-за большого количества датчиков, либо не очень точными. Тогда он взялся за собственный прототип, основой которого стали обычные вязаные перчатки. Датчики и легкие платы он прикрепил к пальцам. Потом создал программу для расшифровки и доработал систему, оснастив ее модулем блютус для беспроводной связи. В итоге получилось компактное устройство, которое разработчик в прошлом году представил на конференции «Наука для жизни».

«Глухонемой человек показывает жест, и перчатка помогает озвучить его в режиме реального времени. Работает она просто: есть пять датчиков, которые улавливают сгибы каждого пальца, микроконтроллер, mp3-модуль и акселерометр. Все данные с датчиков поступают в микроконтроллер, который сравнивает их с таблицей жестов и озвучивает результат», — рассказывает Данила Фоминиченко.

Сегодня он учится на первом курсе Московского архитектурного института и продолжает дорабатывать девайс. За это время он поменял площадку, на которой была собрана основная часть устройства. Теперь она еще меньше, а датчики и результаты расшифровки — точнее. Автор оформляет патент на свое изобретение и ищет инвесторов.

В перспективе Данила Фоминиченко планирует добавить в устройство возможность взаимодействия с виртуальными ассистентами, такими как Алиса и Siri. «Есть множество удобств, которые они предоставляют, например, в системе умного дома. Глухонемые люди пока этого лишены», — отмечает разработчик.

История вопроса

В столице активно развивается научно-техническое образование школьников. Знания и навыки в этой сфере ребята могут получить в инженерных классах: здесь они углубленно изучают физику, математику, информатику и химию, проводят инженерные исследования и защищают проекты на московских научно-практических конференциях. Работать с современным оборудованием, проводить опыты и эксперименты также учат в академических классах. Все это, как и совместная работа с ведущими вузами страны, позволяет ученикам подготовиться к поступлению на факультеты, связанные с наукой и высокими технологиями. Кроме того, научно-техническим творчеством дети занимаются в столичных дворцах и центрах творчества.

Источник: https://www.mos.ru