Будущее рядом: космический мусор, цифровые двойники, мысленные криптоключи, опоры ВЛЭП и, конечно, смазка

Мы продолжаем публиковать материалы об интересных разработках молодых омских учёных в рубрике «Будущее рядом». Сегодня у нас будет целая подборка изобретений и исследований, авторами и создателями которых стали омичи. 

Время прочтения ≈ 12 минут

Важно отметить, что разработки, о которых пойдёт сегодня речь, направлены на решение огромного спектра проблем: защита космоса от загрязнения космическим мусором (да, эта проблема уже давно носит и внеземной характер), создание цифровых аналогов текстильных материалов (в пандемию эта проблема стала невероятно актуальной), дистанционное определение повреждений опор ЛЭП (чтобы не подвергать опасности жизни людей и животных). Кроме того, поговорим о криптоключах и смазке. Надеемся, что заинтриговали.

Как сделать космос чище

До того, как люди начали покорять космос, пространство вокруг нашей планеты было чистым и свободным. Но с запуском «Спутника-1» в октябре 1957 года всё изменилось. С того времени космический мусор продолжает накапливаться. Примечательно то, что количество бесполезных, вышедших из строя спутников значительно превышает количество действующих объектов на нашей орбите.

Более того, согласно прошлогоднему отчёту Европейского космического агентства, несмотря на то, что проблема загрязнения космоса стала обсуждаемой и в последние годы предпринимались некоторые шаги для ее смягчения, эти действия в настоящее время не соразмерны огромным масштабам загрязнения ближнего космоса космическим мусором. 

А помимо спутников есть ещё и ракеты-носители, которые, выполнив свою функцию (если речь, конечно, не идёт об Илоне Маске и его «Falcon», возвращаются на землю в виде металлолома, падающего с небес на специально выделенные обширные территории. Согласитесь, не самая приятная ситуация - попасть под дождь из осколков той же «Ангары» (которую, кстати, собирают в Омске). Но решение есть.

В Омском государственном техническом университете ученые занимаются разработкой сжигаемых конструкций ракет-носителей, таких как головной обтекатель, переходные и другие «сухие» отсеки. После выполнения своей миссии они утилизируются на траектории спуска и тем самым позволяют исключить площади районов падения из зоны загрязнения. 

В настоящий момент для падения ракет из хозяйственной деятельности в России выделены территории, занимающие порядка 20 млн гектар. Такие территории есть и в Омской области

Научной группой под руководством профессора Валерия Трушлякова предложен новый принцип решения этой проблемы за счет сжигания конструкций ракеты-носителя после выполнения миссии. Это достигается путем создания нового материала конструкций, который бы выдержал все нагрузки на участке выведения, а после отделения каждой ступени сгорал в атмосфере, в то время как существующий материал не позволяет этого сделать.

Разработка материала, обеспечивающего прежние требования на участке выведения, но при этом утилизируемого после выполнения своей миссии, – сложная междисциплинарная задача, которая была разделена на ряд подзадач. Разработкой сгораемой обшивки занимается младший научный сотрудник инновационного научно-образовательного центра «Космическая экология» Денис Давыдович, сгораемый заряд-заполнитель исследует младший научный сотрудник того же центра Юлия Иордан. Впоследствии, объединив эти элементы, исследовательская группа получит сжигаемый головной обтекатель.

Стоит отметить, что внедрение технологии, по словам исследователей, может решить и экологические проблемы, связанные с наличием огромного количества техногенного мусора.

Денис Давыдович, младший научный сотрудник ИНОЦ «Космическая экология» ОмГТУ

«После пяти лет исследований этой тематики в сфере ракетно-космической техники мы видим трансфер разработанных технологий на широкий класс задач, в частности, разработку сжигаемых емкостей ГСМ для удаленных районов Арктики, Сибири, динамическую защиту для бронетехники от кумулятивных зарядов и т.д. В настоящее время мы работаем с Министерством обороны РФ по вопросу поддержки наших предложений, а также готовим заявку в Фонд прикладных исследований»

С 2016 года на выполнение исследований ученых был выигран грант Российского научного фонда, а также получено техническое задание от «Центрального научно-исследовательского института машиностроения». Учёные уже выпустили завершающий научно-технический отчет по техническому заданию компании и ждут решения головного института.

Цифровые двойники текстильных материалов

Мы хотели придумать какой-то иной заголовок, но потом подумали, что лучше объяснить, о чём идёт речь. Представьте, что вы представитель международной компании, которая вынуждена покупать текстиль в другой стране. Ваша работа заключается в том, чтобы летать на выставки, проверять качество материалов, а потом закупать понравившиеся и соответствующие характеристикам. 

Но внезапно в мире, в котором вы жили, запрещаются любые международные рейсы, потому что в одной из провинций страны, в которую вы исправно летали за товаром, достаточно странные гастрономические предпочтения, породившие вирус, который спровоцировал локдаун глобального характера и нарушение цепочек поставок товаров. Но ваша потребность в закупках не исчезла, а покупать некачественные товары – нерационально. Возникает потребность альтернативной оценки. Выход есть – нужно просто оцифровать текстиль, т.е. сделать цифровую копию товара, которая включила бы в себя все необходимые для оценки качества характеристики. 

Этим и решила заняться международная российско-испанская (точнее омско-бильбаовская) команда исследователей из Политеха совместно с испанской IT-компанией Senstile (г. Бильбао). Команда работает над созданием технического решения, позволяющего осуществлять идентификацию и выбор текстильных материалов онлайн по цифровым двойникам.

В состав рабочей группы над проектом «Формирование обучающей выборки для создания цифровых двойников текстильных материалов» вошли  заведующая кафедрой «Конструирование и технология изделий легкой промышленности» ОмГТУ Маргарита Чижик, доценты кафедры «Биотехнология, технология общественного питания и товароведение» Елена Долгова и Тамара Иванцова, а также основатель компании «Senstile» Жанна Найманханова. 

Для исследования требуется разработка комплекса устройств в виде сенсоров, способных «считывать» нужную информацию оригинального текстиля. Устройство должно уметь выбирать и интерпретировать считанные признаки, преобразуя их в формат цифрового двойника материала. Этот двойник представляет собой копию материала, которая содержит информацию о его характеристиках – цвете, составе, строении и другом.

Разработчиками проведен предварительный эксперимент, который показал, что сенсор успешно может распознать цвет, рисунок и геометрические характеристики материала, а разработанный алгоритм – построить 3D-модель и провести кластеризацию объектов. Для решения задачи распознавания материала используется машинное обучение, которое позволяет алгоритму научиться распознавать шаблоны, делать прогнозы и многое другое. Для решения этой задачи было отобрано 250 образцов различных текстильных материалов, отличающихся способом получения, сырьевым составом и строением.
 

Маргарита Чижик, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии изделий легкой промышленности» ОмГТУ

«Работа по идентификации, прогнозированию отдельных свойств материалов ведется давно разными научно-исследовательскими коллективами, но полноценного цифрового двойника, содержащего информацию обо всех характеристиках материала, пока не создано. Проведенный нами анализ образцов показал, что практически все свойства текстиля зависят от его вида и сырьевого состава, показателей строения, поэтому мы определили следующие признаки распознавания материала: вид материала, переплетение, поверхностная плотность, толщина, сырьевой состав и вид нити. Полученные данные необходимы для идентификации материала и обучения модели. Идентифицирующие признаки будут использованы и для будущих исследований свойств материалов. Также будет определено, какие конкретно признаки и насколько точно сможет сенсор считывать, как алгоритм проклассифицирует материалы»

Дистанционная диагностика ВЛЭП 

Технологии развиваются, и дискуссия о том, что цифровизация затронет почти все отрасли человеческой жизни уже не кажется чем-то фантастическим. С одной стороны, эти процессы порождают много вопросов, например, о том, делать с теми, кто лишится работы из-за того, что на его место придёт нейросеть, и т.д. С другой стороны, тут есть явные плюсы. Например, люди смогут больше не заниматься опасной работой, потому что её можно будет доверить роботам, программам и алгоритмам. 

Одной из таких работ, имеющей машинный характер, является диагностика состояния опор воздушных линий электропередач (ВЛЭП). Сейчас дела обстоят так: если есть повреждение, то диагностировать его едет специально обученный специалист. При этом эти повреждения несут в себе угрозы для жизни этого сотрудника. Как сделать так, чтобы состояние опор диагностировалось без риска для человека? Всё верно, попытаться сделать всё дистанционно, чтобы быть в тренде последнего года. Решением проблемы и созданием средства дистанционного определения места однофазного замыкания и поврежденной опоры ВЛЭП занимается аспирант ОмГТУ Вадим Мирошник.

По его словам, поиск места однофазного замыкания и контроль состояния опор ВЛЭП является давней проблемой, особенно в распределительных сетях 6-10 кВ, где до сих пор нет универсального средства поиска повреждения. 

Так выглядит примерная схема работы устройства. 1 - указатель опоры, 2 - опора ВЛЭП, 3 - приемник-передатчик опоры, 4 - диспетчерский пункт, 5 - летательный аппарат (или транспортное средство), оснащенный приемником-передатчиком и видеорегистрацией

Осложнено это наличием столь малых токов, что найти место можно лишь визуальным обходом линии. При падении провода также возможно появление шагового напряжения, опасного как для человека, так и животных.

 

Идея создания поопорных устройств, пришла в голову Вадиму ещё в магистратуре. На данный момент собран прототип поопорного устройства

Прототип способен контролировать наличие однофазного замыкания на землю, контроль состояния изоляторов, смещение угла наклона опоры, чтобы предотвратить падение, а также само состояние стойки опоры. Цифровизация воздушных линий и опор — это дело времени,и  к этому все идет, ведь поддержание беспрерывного производства и безопасность персонала являются главной задачей предприятий. Сейчас проведены лабораторные испытания и ведется дальнейшее наращивание функций устройства, чтобы его можно было назвать полноценной системой контроля. Более того, метод, используемый в изобретении, уже запатентован.

Вадим Мирошник, аспирант ОмГТУ

«Учёбу удается успешно совмещать с работой, я являюсь инженером в службе релейной защиты и автоматики в секторе компримирования и переработки попутного нефтяного газа в электрическую энергию УВСИНГ ПАО «Сургутнефтегаз». Вспоминаются слова Пафнутия Чебышева о том, что «теория без практики мертва и бесплодна, а практика без теории бесполезна и пагубна». На производстве реализуюсь также и как научный сотрудник. На выбор профессии натолкнул отец, который днями и ночами, по воспоминаниям из детства, сидел за огромными схемами станций. Идти в аспирантуру или нет – даже речи  не было. Еще в магистратуре мой руководитель Дмитрий Батулько настроил меня на продолжение исследования и направил к своему бывшему руководителю, а теперь и моему, Константину Никитину»

Как выбрать смазку? Для металлообработки, конечно 

Подобрать смазку – ответственный процесс. Особенно если речь идёт о металлообработке в авиастроительной, да  и любой другой промышленности. Почему? Потому что от этого зависит качество детали. И это понятно. Но непонятно то, на какие именно параметры необходимо обращать внимание. Эффективность смазочной жидкости зависит в основном от сочетания охлаждающей, смазывающей, моющей, антикоррозийной, стружкоотводящей способности, а также срока ее службы.

Доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» ОмГТУ Антон Кисель совместно с профессором кафедры Денисом Реченко с 2012 года занимаются исследованием, связанным с повышением эффективности токарной обработки нежестких заготовок на основе рационального выбора смазочно-охлаждающих жидкостей. Исследование, по словам авторов, наиболее актуально для предприятий авиационной промышленности, так как в данной отрасли допуски на диаметральный размер находятся в пределах 5-10 мкм, а на практике их соблюдать достаточно сложно. Далее подробнее о проекте.

Смазочно-охлаждающие жидкости применяются практически в любом металлорежущем станке, так как их подача в зону резания приводит к повышению стойкости инструмента и производительности, точности формы поверхности и улучшению качества обработки. Выбор эффективной жидкости позволяет максимально возможно снизить упругие деформации заготовки, а значит, повысить точность обработки. Особенно актуальным выбор становится в случае обработки нежестких заготовок, так как они больше всего подвержены деформациям, что усложняет получение детали требуемых размеров. Для решения проблем подбора этих жидкостей под конкретные производственные условия авторами проведены обширные исследования смазочного и охлаждающего действий большого количества их марок, изучено влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на силы резания при токарной обработке.

В результате проведенных испытаний разработана методика, позволяющая значительно упростить и ускорить выбор наиболее эффективной марки смазочно-охлаждающей жидкости для обработки заготовок из различных сплавов.

Антон Кисель, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» ОмГТУ

«Методика реализована в виде компьютерной программы, на которую получено свидетельство. Её применение позволяет выбирать наиболее эффективную жидкость, обеспечивающую наименьшие деформации обрабатываемой заготовки. Программа была апробирована в АО «Высокие технологии» и показала высокую точность расчетов. Также по результатам работы получено два патента на способ оценки эффективности смазочно-охлаждающих жидкостей и установку для оценки охлаждающего действия подобных жидкостей»

Авторы проекта проводили экспериментальную оценку смазочно-охлаждающих жидкостей различных марок при известных обрабатываемых материалах, режимах обработки и свойствах. Смазочное действие при этом оценивалось либо расчетным путем по установленным в работе зависимостям, либо экспериментально с помощью машины трения. А для оценки охлаждающего действия жидкостей учеными применяется разработанная и запатентованная установка, состоящая из термометра, магнитной мешалки, датчика температуры, емкости для исследуемой жидкости и печи нагрева. Проведенные испытания позволили построить графики зависимостей температуры и скорости охлаждения, а также установить влияние марки жидкости на коэффициент трения.

Разработанная методика оценки смазочно-охлаждающих жидкостей позволяет накапливать данные, углублять знания в области металлообработки. Предприятия получают возможность  повысить качество изготовления деталей, увеличить срок эксплуатации режущих инструментов и станков.

Преобразовать активность мозга в криптографический ключ? Легко. Почти 

Наша рубрика не случайно называется «Будущее рядом», потому что читая исследования современных учёных, ты действительно иногда задумываешься о том, что ещё каких-то 10-15-20 лет назад разговоры о том, как управлять чем-либо при помощи силы мысли были чем-то из области экстрасенсорики или научной фантастики. По крайней мере на бытовом уровне. 

Более того, ещё каких-то 30 лет назад у людей вообще отсутствовала потребность массово шифровать свои данные, заводить аккаунты, подписки, пароли, устанавливать приложения, проводить денежные операции без походов в банк и без наличных денег и т.д. Сейчас же всё это уже часть нашей жизни и возникает потребность в том, чтобы изменять способы и методы аутентификации (т.е. проверки подлинности личности, например). 

Как это работает? Сначала телефоны блокировались цифровым паролем, потом – геометрической фигурой (линиями, которые мы проводили через точки), потом техника научилась сканировать отпечатки пальцев и наши с вами лица. Казалось бы, ну куда уже круче. Однако у всех предыдущих способов есть один существенный недостаток: все эти данные так или иначе можно украсть. А вот мысли…

В общем наука не стоит на месте. И кажется, что крылатая фраза о том, что «лень – двигатель прогресса», в каком-то смысле относится к исследованиям студента факультета элитного образования и магистратуры, инженера-программиста ОмГТУ Дениса Стадникова. Магистрант занимается исследованием процесса преобразования мысленных команд человека в криптографический ключ для прохождения процедуры аутентификации.

Проект молодого ученого носит название: «Модель преобразователя электрической активности мозга в криптографический ключ или пароль на базе методов глубокого обучения искусственных нейронных сетей». Мы уже писали о подобных исследованиях омички Самал Жумажановой, которая также занимается разработками на стыке биометрии и искусственного интеллекта. Что касается Дениса, то тема его исследований находится на пике развития технологий машинного обучения и человеко-машинных коммуникаций, что делает ее актуальной с научной и практической точек зрения. По словам Дениса, в ближайшем будущем нейроинтерфейсы станут предметом обихода так же, как мобильные телефоны или умные часы. Благодаря нейронным сетям выделяются уникальные признаки сигналов, передаваемые с интерфейсов. Эти признаки позволяют идентифицировать человека с высокой точностью.

Денис Стадников, магистрант ОмГТУ

 

«Каждый раз, когда вы прикладываете свой палец к сканеру отпечатка мобильного телефона, считанные данные преобразуются в ключ, который позволяет разблокировать гаджет. Мы стремимся к тому, чтобы доступ к информационным системам можно было получить силой мысли. Такой способ будет куда безопаснее паролей, ведь его украсть невозможно. Пароли, шифры и электронные подписи являются отчужденными от владельца, уязвимыми перед методами социальной инженерии, а также уязвимы перед человеческим фактором. Устранить или хотя бы снизить влияние этого фактора на безопасность информационных систем можно, используя биометрические средства защиты. Открытый образ может быть изучен злоумышленником и фальсифицирован (можно снять данные со стакана, ручки, фотографии и т.д.). При этом появляются большие возможности по компрометации систем, так как открытый образ имеет мало возможных вариантов замены (10 пальцев, 2 глаза и одно лицо)»

Работу над проектом Денис начал во время обучения на втором курсе бакалавриата под руководством доцента кафедры «Комплексная защита информации», кандидата технических наук Алексея Сулавко. Тогда же были проведены первые эксперименты по получению и анализу данных электроэнцефалограмм, считывающих мозговую активность. На данный момент главная цель исследования – разработать метод высоконадежной аутентификации на базе электрической активности головного мозга человека.

«Аутентификация на основе образа электроэнцефалограммы (кратко – ЭЭГ) – наиболее безопасный метод биометрического контроля. Образ ЭЭГ каждого человека уникален и может сочетать в себе биометрический и секретный контенты. Кроме того, на сегодняшний день не существует хорошо проработанных атак по перехвату и интерпретации сигналов ЭЭГ, поэтому можно считать данный вид биометрических образов наиболее защищенным от атаки посредника. Чтобы украсть «мысль» нужно вклиниться в канал мозг-компьютер, причем незаметно для лица, проходящего аутентификацию, что с текущим уровнем развития технологий неосуществимо»

В отличие от других исследователей, которые ищут общие способы решения задачи аутентификации для большинства людей, Денис исследует индивидуальные особенности работы головного мозга человека. Так, двух секунд сигнала ЭЭГ достаточно, чтобы распознать человека с точность до 98% и узнать особенности его психоэмоционального состояния в данный момент времени.

Магистрантом уже создана математическая модель, позволяющая преобразовывать сигналы ЭЭГ в криптографический ключ. В дальнейшем планируется разработка прототипа и минимально жизнеспособного образца продукта. Для этого необходимо усовершенствовать алгоритм для работы с современными моделями нейроинтерфейсов.

Отметим, что исследование студента проводится на базе научно-технического центра «Касиб» в ОмГТУ. К разработке также привлекаются студенты кафедры и других направлений подготовки. Благодаря подобному взаимодействию, молодой ученый смог собрать значительную базу данных, которая постоянно пополняется и используется для усовершенствования модели преобразователя электрической активности мозга.

Про донаты

Также нам хотелось бы напомнить, что у Трамплина есть донаты. И если вы хотите поддержать наше медиа, сделайте разовое или регулярное пожертвование на любую сумму. Подробности ниже