1. Технологии натрий-ионных аккумуляторов
Натрий — один из самых распространённых элементов на Земле, что делает натрий-ионные аккумуляторы привлекательной альтернативой литий-ионным в ряде применений, где не столь важна компактность. Однако переход с литиевой на натриевую химию влечет за собой замену всех ключевых материалов в составе аккумулятора.
Важно понимать, что создание натрий-ионных аккумуляторов не нацелено на замену литий-ионных. Новая технология займет те ниши, где высокая энергоемкость лития избыточна — например, для стационарных накопителей и источников бесперебойного питания, а также крупногабаритного электротранспорта. В этих областях решающим становится не максимальная энергоемкость, а общая экономическая эффективность, надежность, долговечность. И здесь у натрия очевидные преимущества.
Научная группа ведет поиск перспективных составов активных материалов и электролитов, разработку масштабируемых технологий синтеза активных компонентов на уровне не менее 500 кг/год, а также собирает и испытывает опытные образцы аккумуляторов с заданными заказчиком характеристиками. Цель — создать полный собственный технологический цикл: от синтеза активных материалов и электролита до производства готовой ячейки.
Благодаря алюминиевому токосъемнику (вместо медного) натрий-ионные аккумуляторы не только дешевле, но и безопаснее в транспортировке, поскольку их можно полностью разряжать. Более того, такие энергонакопители устойчивы к низким температурам, что особенно актуально для российского рынка. Такое сочетание характеристик делает городской транспорт и системы накопления энергии для его заряда одной из естественных областей будущего применения натрий-ионных аккумуляторов.
2. Роботизированная рука для помощи в быту лицам с ограниченными возможностями
Разработанный в Сколтехе манипулятор представляет собой роботизированную руку, которая закреплена на горизонтальной платформе. Рука состоит из шести сегментов, связанных пятью шарнирами с электроприводами. Движение руки контролируется встроенным одноплатным микрокомпьютером через плату управления приводами. На платформу устанавливается тарелка, которую можно зафиксировать в одном положении, а сама рука оснащена ложкой.
Наш манипулятор разработан с целью ассистирования людям в простых бытовых задачах, в которых не требуются сложные системы. Он настраивается под индивидуальные нужды и параметры, код программы можно редактировать. В продукте используются две отечественные платы — контроллер сервоприводов компании «Робоинтеллект» и однопалатный компьютер «Репка пай». Для большей безопасности также разработан мягкий чип в виде «псевдо кожи» с использованием полупроводникового композита на основе биопластика. Сейчас бурно развиваются антропоморфные роботы, но антропоморфность нужна далеко не во всех задачах, и утилитарность в устройствах важнее трендов.
Манипулятор осуществляет автономное кормление детей с ДЦП и других лиц с ограниченными возможностями — эту функцию уже протестировали в реабилитационном центре «Особенный сад». Устройство многофункционально и может быть приспособлено, например, для помощи в играх.
3. Устройства интегральной фотоники для телекоммуникаций
На представленном образце фотонной интегральной схемы (ФИС) в корпусе — несколько устройств интегральной фотоники. Основное из них — интегральный приемопередатчик для пересылки сигналов по оптоволоконным линиям связи в когерентном формате. Этот формат используется для передачи данных на дальние расстояния, в том числе между континентами, и вдвойне актуален для России и других стран с обширной территорией, но подойдет и для передачи данных внутри дата-центров. Помимо приемопередатчика, на образце представлены компоненты других устройств, как для телекоммуникаций, так и для сенсорики и оптических вычислений.
Фотонные интегральные схемы позволяют создавать компактные, надежные и энергоэффективные оптические устройства, которые превосходят не только электронику, но и аналоги, изготовленные на основе дискретной и волоконной фотоники. Самое востребованное применение ФИС, в том числе разработанных в нашей лаборатории, — это телекоммуникации, потому что почти вся информация в мире, включая сеть интернет, передается по оптическому волокну.
Устройства на ФИС, как правило, компактнее, энергоэффективнее, дешевле и точнее электрических аналогов и поэтому особенно хорошо подходят для авиации и космоса. Компонент оптического вычислителя тоже представлен в образце. Сверхбыстрые и энергоэффективные компьютеры будущего будут использовать оптические сигналы для ключевых вычислений и передачи информации между электрическими чипами, так как свет позволяет оперировать большими объемами информации.
4. Алгоритм поиска новых материалов USPEX 25
Незадолго до Конгресса молодых ученых состоялась презентация новой версии платформы компьютерного предсказания кристаллических структур USPEX («успех») Артема Оганова и его учеников из Лаборатории дизайна материалов Сколтеха.
Метод USPEX позволяет по произвольному набору химических элементов предсказывать их стабильные соединения и кристаллическую структуру последних, в том числе в условиях очень высоких давлений, как в недрах планет. Алгоритм также способен предсказывать структуры низкоразмерных материалов: наночастиц, полимеров, поверхностей и 2D-кристаллов.
Многие спрогнозированные этим методом вещества противоречили привычной химической интуиции, но тем не менее были независимо обнаружены в экспериментах другими научными группами. USPEX уже помог найти новые материалы с промышленно значимыми свойствами, например полимеры-диэлектрики для гибкой электроники и сверхтвердые материалы для буровых установок.
Главное нововведение новейшей версии USPEX в том, что, благодаря использованию машинного обучения, создателям решения удалось ускорить расчеты настолько, что алгоритм стал запускаться на обычном персональном компьютере. Таким образом, расчеты, для которых раньше требовался суперкомпьютер, стали доступны любому школьному учителю, энтузиасту или профессиональному ученому.
5. Первая в России лаборатория ДНК-оригами
О своей работе на стенде Сколтеха рассказали сотрудники Лаборатории ДНК-наноинженерии и фотоники Центра инженерной физики Сколтеха. Ученые используют свойства молекул ДНК, чтобы собирать плоские и трехмерные пространственные структуры сложной формы, в том числе динамические механизмы. Иными словами, ДНК выступает в качестве строительного материала, а не носителя генетической информации.
Технология полезна везде, где требуется разместить некоторые молекулы с нанометровой точностью. Например, в эталонах для микроскопов сверхвысокого разрешения, которые позволяют убедиться, что микроскоп не искажает размеры объектов, и других коммерческих продуктах для проведения исследований.
Сотрудники лаборатории Сколтеха исследуют, как превратить ДНК-оригами в инновационные гибридные материалы и практические инструменты на чипах — от сверхчувствительных сенсоров до элементов фотонных компьютеров. Работая как невидимая арматура, ДНК позволяет автоматически собирать крошечные устройства: капля раствора с ДНК-оригами и наночастицами падает на микрочип, и при условии верно выполненных расчётов и синтеза миллионы структур сами выстраиваются в нужную архитектуру без участия инженера.
6. Айтрекинг-система для мониторинга комфорта пользователя протеза
Аппаратно-программный комплекс для реабилитации и оценки адаптации при пользовании протезами с системой айтрекинга (Центр нейробиологии и нейрореабилитации им. В. Зельмана Сколтеха). Экспонат демонстрирует систему для оценки когнитивной нагрузки при использовании протеза. Специальная методика, включает два ключевых компонента. Первый — это система айтрекинга, позволяющая накладывать направление взгляда пользователя на видео, записываемое с камеры, установленной на его голове. Второй компонент — это система распознавания и сегментации объектов, обученная находить объекты интереса, в частности реабилитационные устройства.
Еще одним решением от Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана Сколтеха стал аппаратно-программный комплекс с системой айтрекинга для реабилитации и оценки адаптации при пользовании протезами. Система оценивает комфорт пользователя бионического протеза. В числе прочих параметров система регистрирует, как часто пользователь смотрит на свой протез и на окружающие предметы.
В результате рассчитывается объективный показатель, по которому можно судить, насколько протез ощущается как часть тела или, наоборот, вызывает дополнительную умственную нагрузку. Такая объективная метрика нужна не только для удобства и стандартизации, но и потому, что субъективное восприятие пользователя может заметно отличаться в лаборатории и в естественной среде и даже в зависимости от настроения. Мониторинг уровня комфорта поможет разработчикам и производителям протезов сделать их использование более естественным и интуитивным.
Технология позволит продолжить совершенствовать разработанные Сколтехом, компанией «Моторика» и ФЦМН ФМБА протезы рук с функциями подавления фантомной боли и передачи сигналов тактильных ощущений от протеза в нервную систему.
7. Кросс-модальная платформа для оценки и тренировки когнитивных функций
Группа Юрия Ковша из Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана Сколтеха представила на стенде платформу для экспресс-оценки когнитивных функций с использованием мультисенсорных стимулов и трекинга глаз. Тест-система включает вычислительную станцию, очки виртуальной реальности и дисплей с отслеживанием взгляда, при помощи которых посетителям предлагалось пройти два экспресс-теста: определение порога скрытого внимания к движению на периферии поля зрения и измерение границы окололичностного пространства.
В первом тесте исследуется вид внимания, который задействован, например, когда водитель замечает движение объектов в зеркалах бокового и заднего вида, а также помогает не сталкиваться с прохожими в толпе, глядя в телефон. Дефицит такого внимания ярко выражен при пространственном латеральном неглекте, когда человек игнорирует стимулы, с какой-либо стороны пространства. Чтобы узнать свой персональный порог такого внимания, испытуемый, глядя в центр экрана, нажимает кнопку, как только заметит слабое движение точек на периферии.
Кроме того, в центре поля зрения можно отобразить визуальные образы, связанные с положительными эмоциями, и убедиться на себе: эмоциональный контекст и/или состояние влияет на скрытое внимание к боковому движению. Такая метрика важна для комплексной оценки показателей усталости и эмоциональной нагрузки.
Во втором тесте измеряется граница окололичностного пространства (ОЛП), появление предметов или лиц в котором может расцениваться как угроза. Испытуемый в виртуальной реальности становится целью броска мяча. Параллельно измеряется скорость его реакции на другой стимул — нажатие кнопки в ответ на вибрацию на подбородке. Повышение скорости реакции выше определённого порога указывает на вход виртуального мяча в окололичностное пространство. Его аномальный радиус является перспективным маркером ряда неврологических и психических расстройств, например аутимзма, и может стать целью реабилитации и оценки эффективности лечения. В норме величина зоны ОЛП может характеризовать коммуникабельность, готовность идти на контакт, то есть может служить метрикой трудно поддающихся оценке «мягких навыков».
