Чтобы стать изобретателем, не обязательно быть дипломированным специалистом. Это прекрасно доказывают школьники, создавшие интеллектуальные и роботизированные системы для Всероссийского конкурса проектов кружкового движения Rukami. Ребята со всей России представили систему марсоходов, музыкальную перчатку и робот для разминирования. И это еще не всё. «Хайтек» пообщался с финалистами и узнал, как работают их устройства, какие технологии они использовали.
Создание трендовых устройств подвластно не только крупным R&D-центрам или университетским лабораториям. Сегодня в школе можно создать сложные умные системы, управляющие домом, или экосистему устройств для колонизации другой планеты.
Muse-Gloves
Авторы: Цю Тяньшэн (17 лет) — программист драйвера, Александр Макаренко (17 лет) — программист платы, Юрий Коршунов (17 лет) — дизайнер, Мирослав Мяснянкин (17 лет) — инженер-электротехник, Сергей Распутько (17 лет) — пиар-сопровождение. Проект победил в финале в категории ART.
Muse-Gloves — это перчатка, которая помогает музыкантам эффективнее работать над созданием новой музыки и свободно экспериментировать с разными мелодиями и инструментами. Особенно актуально это изобретение для тех, кто пишет музыку на традиционных инструментах. Также перчатка пригодится преподавателям музыкальных школ, чтобы демонстрировать некоторые музыкальные техники, аккорды, арпеджио.
Корпус перчатки напечатан на 3D-принтере. Специально для устройства электротехник команды разработал и сделал печатную плату. В перчатку встроен мощный аккумулятор, которого хватает на 4–5 часов беспрерывного использования. В устройство также внедрены датчики: акселерометр, чтобы узнавать, в каком положении сейчас находится рука, куда она повернута. И самая важная часть перчатки — микроконтроллер. Команда создателей использовала микроконтроллер от компании BBC — Micro:bit. На нем очень удобно программировать, ведь все уже встроено: и акселерометр, и Bluetooth-модуль, и светодиоды для красоты. В дальнейшем разработчики планируют создать свой микроконтроллер, чтобы не использовать детали других компаний.
Перчатка беспроводная и может подключаться к любому устройству через Bluetooth. С помощью графического интерфейса пользователь добавляет в библиотеку различные «блоки», которые преобразуют сигнал с перчатки в музыкальный сигнал, далее он передается музыкальным инструментам. Этими блоками музыкант может настраивать устройство под себя. Еще одна интересная особенность драйвера — наличие «сцены», благодаря которой можно быстро перейти от одного набора блоков к другому.
Например, пользователь хочет, чтобы его большой палец отправлял его фортепиано сигнал ноты «до». Для этого он создает блок и пишет туда, что хочет получать сигнал от большого пальца и отправлять сигнал ноты «до» на фортепиано. При этом он хочет, чтобы этот палец также мог отправлять ноту «ми» на какой-нибудь синтезатор. Для этого он создает новую сцену и ставит в нее блок для отправки ноты «ми» большим пальцем. А для перехода между сценами, то есть для выбора фортепиано или синтезатора он запрограммирует указательный палец.
«В мире таких устройств пока совсем немного. Есть очень дешевые, которые никак нельзя настроить. И есть очень дорогие, которые стоят десятки тысяч евро, но при этом графический интерфейс у них очень сложный: много цифр, графиков… А мы хотели сделать устройство, которое будет простым в использовании и доступным по цене. Первая версия нашей перчатки стоила 2 000 рублей, а вторая — с корпусом, с зарядкой, с подключением по более эффективному протоколу — всего 3 000 рублей», — рассказывает Цю Тяньшэн.
Мобильный робот первичного осмотра и разминирования «Квантограбер»
Автор: Илья Киров, 13 лет, Иваново. Наставник: Сергей Киров.
Изначально Илья Киров хотел сделать робота-вездехода без дополнительных функций. Но в процессе работы ему вместе с наставником удалось так хорошо его модернизировать, что он понял: робот может быть отличным помощником человека, особенно в профессиях, связанных с тяжелым трудом и риском для жизни.
«У моего папы есть знакомый, который работает в ОМОНе, ему наш робот очень понравился. Нас даже попросили провести совместные учения по обезвреживанию бутафорской мины. Робот с этой задачей справился, и взрывотехники высоко оценили нашу разработку», — рассказывает о своем изобретении Илья Киров.
«Квантограбер» — это машина на четырехколесной платформе с манипулятором-клешней. У него есть две камеры, с их помощью можно дистанционно обследовать опасные объекты. А с помощью манипулятора-клешни — транспортировать эти объекты в безопасное место или устанавливать взрывчатку, чтобы уничтожать их на месте. Изначально робота планировали сделать из металла, но у разработчика ничего не получилось. Поэтому ему пришлось разобраться в 3D-моделировании и напечатать корпус из пластика на 3D-принтере.
В мире существует несколько аналогов подобных роботов, но весят они гораздо больше и их стоимость начинается от 2,5 млн рублей. Кроме того, им нужен отдельный транспорт.
«Наш робот стоит порядка 90 тыс. рублей, весит около килограмма и его можно переносить вручную. А для управления таким роботом нужен только один оператор, который будет следить по мониторам за текущей ситуацией и отдавать команды», — заключает Илья.
FINKA
Дарья Морозова (17 лет) — дизайнер, София Олейник (17 лет) — программист, главный разработчик ПО, Даниил Бобылев (17 лет) — техник и программист.
Это устройство для умного дома, состоящее из системы датчиков, исполнительных устройств и управляющего центра. Ключевой элемент системы — хаб в виде «магической» коробочки с голограммой внутри — девушкой по имени FINKA. Она может управлять освещением, системой безопасности, видеонаблюдением, климат-контролем, вести чат с пользователем, взаимодействовать с бытовой техникой, работать как поисковая система и многое другое. Все зависит от того, какие именно датчики выберет пользователь для своего умного дома.
Система работает за счет альтернативного источника энергии. Разработчики используют экологичный и дешевый пьезоэлемент из рыбьей чешуи. Возможно, энергии пьезоэлемента будет не хватать для полноценной работы, поэтому создатели размышляют над установкой небольшой динамо-машины в качестве дополнительного источника питания.
Основная часть корпуса — отражающее стекло, которое и создает эффект голограммы. Внутри хаба находятся различные датчики, исполнительные устройства и запрограммированная плата Arduino. Эта плата считывает данные, записывает их во временное хранилище, а затем реагирует. Для сравнения данных и реагирования разработано приложение на App Inventor. Устройство может общаться с пользователем через «ВКонтакте» с помощью текстовых и голосовых команд, а также взаимодействовать с базой данных и умным домом.
«Вы выбираете подходящий вам дизайн устройства и заказываете управляющий модуль. Сами датчики для умного дома вы можете заказать где угодно. Поэтому у вас есть возможность подстроить систему умного дома под себя — выбрать только те модули, которые подходят для решения нужных вам задач, и того производителя, какого вы захотите. А значит, соотношение цены и качества будет максимально выгодным для вас, — рассказывает Дарья Морозова. — Затем вы устанавливаете датчики, регистрируете свой модуль, активируете его на платформе “ВКонтакте” (в будущем платформа может измениться), указываете, какие датчики у вас есть, и ждете их подключения. После этого система готова к эксплуатации».
Основная аудитория FINKA — это, в первую очередь, маломобильные люди. Родители с детьми, пенсионеры и инвалиды. Разработчики планируют обучить голограмму языку жестов с помощью нейросети, чтобы люди, у которых проблемы со слухом и речью тоже могли ее использовать. В перспективе внедрение системы будет возможно не только в социальную, но и в образовательную среду, чтобы устройство использовалось еще в школах и университетах.
Mark Gauntlet
Автор: Виталий Корнилов (16 лет), город Королев.
Mark Gauntlet — часть целой системы марсоходов Mark, которая предназначена для колонизации Марса и усиленного изучения этой планеты.
Это перчатка для централизованного дистанционного управления всеми маленькими и большими роботами серии Mark. Уже описаны порядка 30 роботов системы, а у 10 из них есть или виртуальное воплощение, или прототип.
Система работает так: прибывает на место и выпускает разведчиков, которые изучают местность и собирают данные. Роботы Mark могут изучать самые разные местности — и пустыни, и каменистые скалы: куда не проедет большой марсоход, заберется мелкий. Кроме того, их можно применять и на Земле, в том числе в зонах природных бедствий, например, для исследования и поиска источников возгорания.
Внешне перчатка выглядит как модуль, который крепится на руку. Он оснащен блоком управления с джойстиком и кнопками, внутри блок питания, управляющий контроллер, модули интерфейса и датчики. К блоку управления ведут провода с акселерометром и гироскопом, которые закреплены на обычной велосипедной перчатке.
У перчатки есть режимы работы, они задаются переключателями. Из основных режимов: управление при помощи акселерометра, при помощи джойстика и кнопками. Перчатка поддерживает разные типы дистанционного управления: при помощи LoRa, инфракрасного порта и светодиода, радиомодуля на 2.4 гГц, Wi-Fi-модуля, Bluetooth-модуля. Есть функция голосового оповещения, а еще на перчатке можно включить музыку или использовать ее как фонарик — светодиодная панель легко подсветит большую комнату.
Сейчас ПО перчатки поддерживает автодозвон до приемника, интерпретацию данных с акселерометра и гироскопа, интеллектуальное переключение режимов, фильтры для всех аналоговых значений и полную модульность кода.
«Серию Mark я решил делать после международной космической олимпиады в прошлом году. На защите у меня спросили, какие перспективы развития могут быть у одного из моих роботов, — рассказывает Виталий Корнилов. — Тогда я понял, что если буду заниматься разработкой в одиночку, с четвероногим роботом мне далеко не уйти. Потому что перспективы развития — составление сложных математических моделей и использование продвинутых компьютеров и алгоритмов, с которыми я пока не знаком. Для этого нужен опыт работы с продвинутыми экосистемами».
Многофункциональный ультразвуковой дальномер
Автор: Егор Котелкин (17 лет), Балашиха.
Дальномером удобно определять расстояния, когда они больше метра. Если линейкой уже не обойтись, то он очень облегчает процесс измерения, а также может быть полезен там, где требуются точные подсчеты. Например, риэлторы могут использовать его для расчетов площади, периметра и объема помещения, а строители железнодорожного полотна — контролировать расстояние между рельсами. Все, что нужно, — навести устройство на объект, до которого нужно вычислить расстояние, и нажать на кнопку. Еще дальномер автоматически переводит результаты измерений в другие единицы: метры, дециметры, футы, ярды и так далее.
«Когда я только начинал заниматься электроникой и радиоэлектроникой, я часто повторял чужие проекты, — вспоминает Егор. — Тогда же я увидел на YouTube видео, в котором человек делал длинномер, он измерял расстояние с учетом длины корпуса. Захотел повторить — не получилось. Через какое-то время я вспомнил об этом и решил попробовать еще раз, но подумал: “А почему бы не доработать его и не добавить в него что-то новое?” Продумал, как это можно реализовать, какие должны быть функции, сам думал над электронной частью, разработал алгоритм работы кода, написал этот код, спроектировал корпус».
Устройство Егора Котелкина отличается от аналогов, в первую очередь, стоимостью. На его изготовление он потратил 1 000 рублей. А если постараться, можно найти детали еще дешевле. Готовые же длинномеры стоят немного дороже, большинство — от 2 000. Во-вторых, устройство отличается функциональностью. Например, его можно подключить к компьютеру через кабель, и тогда все результаты измерений будут дублироваться в таблицу Excel. Такой функции пока нет ни у одного длинномера на рынке. Еще для экономии заряда аккумулятора есть режим энергосбережения и спящий режим. У некоторых дальномеров такие режимы есть, но далеко не у всех. Также при одновременном нажатии определенных кнопок его прибор может показать дату и время.
Разумеется, что для создания прототипов или вывода изобретения на массовый рынок потребуются существенные ресурсы, в том числе и крупных корпораций. Однако разработчики-школьники уверены, что их инновации изменят мир.
Читайте также:
Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное
Найдено предполагаемое царство исчезнувших хеттов. Что обнаружили археологи?