Природоподобные и нейротехнологии

В последние годы ученые все чаще обращаются за вдохновением к природе. Их мотивы понятны: природа отлаживала жизненно важные процессы в течение десятков тысяч лет. Можно у нее поучиться, чтобы сделать нашу жизнь комфортнее и безопаснее. Биомиметика — это наука о структуре и функциях биологических систем как моделях для разработки и создания материалов и механизмов. Сейчас, с развитием нанотехнологий, она получила мощный импульс. Появились бионические роботы — механизмы, созданные на основе идей, подсмотренных в природе, либо внешне напоминающие живых существ (зооморфы).

Нейроинтерфейс в широком смысле слова — это система, осуществляющая взаимодействие между мозгом человека и машиной, что позволяет производить обмен информацией. В современном мире используются однонаправленные нейроинтерфейсы, когда человек посылает сигналы и команды для компьютера. А вот, двунаправленные интерфейсы, позволяющие осуществлять обоюдное взаимодействие — пока дело будущего, хоть и ближайшего.

Один из примеров возможных проектов направления — создание устройства для отслеживания психофизического состояния человека по движению его зрачков. Для такого устройства понадобятся: камера, разработка корпуса и метода обработки информации. Областью применения установки могут стать профессии с высоким уровнем психофизического напряжения, исследовательские центры, медицинская диагностика.

1. Создание архитектурных бионических сооружений с использованием аддитивных технологий из вторично переработанного сырья
2. Микробиота водоема как показатель экологического здоровья среды
3. Микробный биотопливный элемент для энергоснабжения сенсорных устройств интернета вещей

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Создание архитектурных бионических сооружений с использованием аддитивных технологий из вторично переработанного сырья

Руководитель проекта: Егоров А.С.

Аннотация: Бионический дизайн представляет собой единство технологий и природы, сочетая в себе функциональность и эстетику. Природа является главным источником вдохновения, ее механизмы отлаживались на протяжении десятков тысяч лет. Именно поэтому к ней обращаются за подсказкой при решении трудных технических задач. Изучение структуры и строения организмов позволяет по крупицам собрать информацию, а бионика — применить ее в технике и инженерии. Изделие, созданное с применением бионического метода, сочетает в себе гибкость, прочность и легкость. За счет грамотного проектирования деталей с использованием бионического дизайна удается экономить значительное количество материала. Это преимущество в современном стремлении к сохранению функциональности без угрозы окружающей среде.

Бионический дизайн находит самое разное применение: в биоинженерии, аэронавтике, космонавтике, архитектуре, протезировании и т.д. Однако для бионического метода проектирования не так много путей реализации. Стандартное ручное выпиливание сложных деталей мастером слишком неточно. Именно здесь и приходит на помощь 3D-печать. Архитектурная бионика — это явление в архитектурной практике, когда конструктив здания или сооружения обращается к заимствованию природных форм. В настоящее время архитектурная бионика получает широкое распространение: произошло значительное развитие 3D-печати в строительстве, что облегчает создание плавных природных форм. Внедрение технологии 3D-печати упростит процесс строительства, сократив количество используемых материалов.

Перспективным материалом для использования в строительной 3D-печати является филамент PETG (полиэтилентерефталат, модифицированный гликолем). В обычной жизни это пластиковая бутылка, которая после использования наносит существенный урон окружающей среде. Однако PETG является термопластом — полимером, который может быть термически переработан и использован повторно с использованием метода аддитивных технологий. В 2014 г. компанией 3D Systems был анонсирован один из первых 3D-принтеров, использующих картриджи, наполненные материалом, изготовленным из переработанных пластиковых бутылок. Недостатком этой разработки является то, что пользователю необходимо обращаться к производителю для покупки картриджей: переработать пластик в домашних условиях — дело непростое.

Проект направлен не только на модификацию технологий рециклинга пластиковых отходов, но и на получение из конечного сырья изделий в стиле архитектурной бионики с применением аддитивных технологий.

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

2. Микробиота водоема как показатель экологического здоровья среды

Руководитель проекта: Демкин В.В.

Аннотация: В водоемах обитает большое количество микроорганизмов различного типа: бактерии, археи, одноклеточные грибы, одноклеточные водоросли, простейшие и др. Совокупность микроорганизмов водоема называется микробиотой. Разные компоненты микробиоты, например бактерии и одноклеточные грибы, находятся в определенном равновесии, которое зависит как от природных факторов (климата, сезона), так и от антропогенных факторов (имеющихся по соседству промышленных или сельскохозяйственных предприятий, наличия канализационных стоков, мест активной деятельности человека). Сообщество микроорганизмов водоемов особенно чутко реагирует на воздействие человека на окружающую среду, что позволяет по изменению соотношения между различными компонентами микробиоты судить о неблагоприятных последствиях такого воздействия. Задача настоящего исследования состоит в оценке экологического благополучия (степени загрязнения канализационными стоками) прибрежных вод Черного моря по 3 компонентам водной микробиоты: общее содержание бактерий, общее содержание одноклеточных грибов, количество бактерий канализационного происхождения. В основе анализа лежит метод полимеразной цепной реакции в реальном времени (ПЦР). 

План исследования состоит в заборе проб воды из различных участков прибрежных вод в г. Сочи, выделении тотальной ДНК из собранных проб, проведении ПЦР-анализа, при котором будет определено общее содержание бактерий, общее содержание одноклеточных грибов, содержание 1–2 видов бактерий, характерных для канализационных вод, а также в расчете относительных количеств определенных микроорганизмов, составлении карты побережья с нанесенными на нее полученными данными и анализе полученных результатов. 

Используемые в проекте методики: центрифугирование для осаждения микроорганизмов, лизис и дезинтеграция микроорганизмов, выделение и анализ общей ДНК, ПЦР в реальном времени с использованием флуоресцентных зондов, анализ результатов ПЦР, графическое представление результатов.

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

3. Микробный биотопливный элемент для энергоснабжения сенсорных устройств интернета вещей

Руководитель проекта: Вахницкая Е.С.

Аннотация: В рамках проекта необходимо создать микробный биотопливный элемент, который использовал бы органические соединения, содержащиеся в почвенных и дождевых водах, для генерации электрической энергии. С этой целью учащиеся должны создать на электродах биопленку из обитающих в местных почвах бактериальных биоценозов. Необходимо будет подготовить растворы для стимулирования роста биопленки, выбрать места для внесения электродов в почву для формирования биопленок. Затем учащиеся будут изучать биоэлектрохимические свойства полученных электродов и определять их мощностные характеристики. При наличии в Сириусе возможностей образцы будут переданы для определения бактериального биоразнообразия по 16S РНК.

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»