2 сентября 2021 года представители Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (НЦМУ СПбПУ) и Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» (Центр НТИ СПбПУ) Алексей Боровков и Федор Тарасенко приняли участие в II федеральном Просветительском марафоне «Новое Знание», организатором которого является Российское общество «Знание».
Трехдневный Просветительский марафон «Новое Знание» охватил почти все регионы России и стал символом открытого диалога между поколениями. Марафон во второй раз подтвердил свой статус лучшей площадки для живого общения и получения новых знаний, став бесценным подарком российским школьникам и студентам к 1 сентября.
Наставники и лекторы марафона общались с молодежью из 36 локаций в Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Иннополисе, Нижнем Новгороде, Владивостоке, Краснодаре, Воронеже, Чебоксарах, Красноярске и других городах.
На вопросы участников марафона отвечали 150 спикеров, среди них Михаил Мишустин, Татьяна Голикова, Сергей Кравцов, Анна Кузнецова, Сергей Лавров, Владимир Мединский, Дмитрий Песков, Сергей Собянин, Валерий Фальков, Андрей Фурсенко, Сергей Шойгу, Юрий Башмет, Ирина Винер-Усманова, Аркадий Волож, Герман Греф и многие другие.
О самых актуальных и ярких знаниях о достижениях России и мира, о людях, создающих будущее, реальных кейсах, инновационных продуктах участники узнавали на площадках марафона:
«Знания» – Москва;
«Спорт» – Санкт-Петербург;
«Наука и технологии» – Сочи;
«История и культура» – Нижний Новгород;
«Цифровой мир и медиа» – Республика Татарстан;
«Бизнес» – Владивосток.
Второй день Просветительского марафона начался с лекции Председателя Правительства Михаила Мишустина. Спикер выступил в формате открытого урока для школьников и студентов – всех участников просветительского марафона. Лекция Михаила Мишустина была посвящена перспективам развития страны в контексте глобальных изменений, связанных с цифровизацией и развитием технологий, а также важности фундаментальных знаний как одного из ключевых условий прорывных и качественных изменений во всех сферах жизни.
В рамках трека «Цифровой мир и медиа» состоялось совместное выступление проректора по цифровой трансформации СПбПУ, руководителя НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ Алексея Боровкова и инженера-исследователя Центра НТИ СПбПУ, лауреата премии РАН за выдающиеся достижения в области проблем машиностроения, механики и процессов управленияФедора Тарасенко.
Трек «Цифровой мир и медиа» начался с интервью «Цифровизация как ключевая повестка российской экономики» со специальным представителем Президента Российской Федерации по вопросам цифрового и технологического развития Дмитрием Песковым:
«Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации ведет активную деятельность над упрощением сервисов, предоставляющих услуги гражданам. Серьезных преград для этого не существует, но при этом важно понимать, что у людей, которые хотят существовать в аналоговом мире, такая возможность остается. Государство не создает цифровую экономику, убирая аналоговую, так как каждый человек по-прежнему может пользоваться бумажными паспортами, лично прийти в банковское отделение, магазин, почту и так далее. Поэтому аналоговая экономика и цифровая отлично существуют вместе».
На вопрос модератора о цифровой модернизации отдаленных уголков России Дмитрий Песков ответил, что цифровизация – такой же неизбежный процесс, какой проходил в свое время в части электрификации. И в финальной части интервью рассказал об актуальных цифровых экспериментах, подчеркнув два ключевых направления в области перспективных профессий – синтетическую биологию и цифровое проектирование новых материалов:
«Интереснейшим и фантастическим фактом является переход цифр в материальный мир. Цифровое проектирование материалов – это наше настоящее и будущее. Если вы находитесь на этапе выбора будущей профессии, советую обратить внимание на университеты и научные центры, в которых есть данная компетенция. Познакомьтесь с разработками Политехнического университета Петра Великого, в особенности – с деятельностью лабораторий, находящихся под руководством Алексея Ивановича Боровкова, узнайте, как цифровое проектирование материалов развивается во всем мире, в ведущих исследовательских лабораториях».
Также 2 сентября в рамках трека «Цифровой мир и медиа» выступил генеральный директор ПАО «КАМАЗ» Сергей Когогин. Спикер стал респондентом интервью «Транспорт будущего: беспилотный и экологичный транспорт».
Сергей Когогин поделился успешным опытом создания и внедрения электробусов в городскую инфраструктуру Москвы, подчеркнув, что КАМАЗ стал одним из крупнейших производителей общественного электротранспорта.
Спикер также добавил, что при производстве электробусов учитываются климатические условия населенных пунктов и возможность утилизации аккумуляторных батарей транспортных средств. При интенсивном развитии отрасли электротранспорта утилизация не вызовет серьезных проблем и не повлияет на окружающую среду.
«Сегодня мы с вами становимся свидетелями революционного скачка в развитии автомобиля. Автомобиль меняется не в отдельных элементах, а как комплексная система. Эксперты называют четыре тренда, которые определяют будущий облик автомобиля: автономизация, электродвижение, энергоэффективность и подключенность», – сказал Сергей Когогин.
После двух интервью, проходивших в рамках трека «Цифровой мир и медиа», началась лекция представителей НЦМУ СПбПУ и Центра НТИ СПбПУ Алексея Боровкова и Федора Тарасенко. Спикеры представили совместный доклад на тему «Цифровые двойники: применение наукоемких подходов в интересах высокотехнологичной промышленности».
В ходе выступления Алексей Боровков представил основные направления деятельности Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», а также передовую технологию разработки цифровых двойников (Digital Twin), которая обеспечивает создание в кратчайшие сроки высокотехнологичной продукции нового поколения:
«Технология цифровых двойников позволяет интегрировать искусственный интеллект, аддитивные технологии и другие технологии и субтехнологии. Ранее Дмитрий Николаевич Песков в своем выступлении говорил о цифровом проектировании и моделировании как о революционной и перспективной теме, упоминая и новые материалы. Здесь речь идет, конечно же, обо всем, что нас окружает: конструкции, установки, производства, машины и многое другое».
В качестве иллюстрации Алексей Боровков представил проект по разработке термопластичных полимерных композиционных материалов, разработанный совместно с учеными Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (КБГУ), с которым 3 сентября 2020 года представители СПбПУ заключили соглашение о создании университетского зеркального инжинирингового центра. Полимерные композиционные материалы, разработанные и применяемые в ходе совместного проекта, в 10 раз прочнее и на 50% легче алюминия и перспективны, в частности, в авиационной промышленности. Подобные разработки позволяют выйти на мировой уровень в области аддитивных технологий, передовых материалов, цифрового проектирования, применять лучшие практики для цифровой трансформации российских предприятий.
Алексей Боровков рассказал о миссии Центра НТИ СПбПУ, обратив внимание слушателей на деятельность в сфере разработки цифровых двойников изделий и производства, а также о крупнейшем в России консорциуме в области новых производственных технологий сформированном на базе Центра НТИ СПбПУ. Консорциум органично объединяет крупнейшие корпорации, высокотехнологичные компании малого и среднего бизнеса, ведущие университеты.
Особо спикер упомянул о деятельности Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии». По итогам общероссийского конкурса, состоявшегося в 2020 году, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого возглавляет консорциум НЦМУ, целью деятельности которого является обеспечение научно-технологического прорыва России через применение принципиально новых наукоемких технологий современного цифрового производства в соответствии с ключевыми приоритетами Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.
Отдельной темой выступления стал вопрос кодификации и нормативного регулирования инноваций. При появлении новых технологий возникает и нормативная деятельность. Совместными усилиями специалистов Центра НТИ СПбПУ, НЦМУ, Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) под руководством заместителя директора, заместителя научного руководителя РФЯЦ-ВНИИЭФ, руководителя приоритетного технологического направления «Технологии высокопроизводительных вычислений, включая суперкомпьютерные технологии», Рашита Шагалиева был разработан национальный стандарт ГОСТ Р «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения».
«Значимый момент – впервые в нормативной базе введено определение «цифровой модели» изделия для технических задач. Это система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов цифровых и (или) иных испытаний по ГОСТ 16504 выполнена оценка соответствия предъявляемым к изделию требованиям», – пояснил Алексей Боровков.
Как правило, опытный образец изделия, созданный на основе цифрового двойника, проходит испытания с первого раза. Количество дорогостоящих натурных испытаний уменьшается, при этом значительно растет число виртуальных испытаний. Одним из удачных примеров является электромобиль «КАМА-1», разработанный петербургскими политехниками «с нуля» и без ДВС-предшественника. Разработка выполнена в кратчайшие по стандартам автомобилестроения сроки – всего за 2 года – на основе технологии цифровых двойников (Digital Twins) и уникальных CML-платформенных решений. Опытный образец, созданный после сотен виртуальных испытаний, продемонстрировал уникальные результаты в реальных условиях зимнего полигона, доказав эффективность разрабатываемых Центром глобально конкурентоспособных технологий.
Далее Федор Тарасенко рассказал о практическом применении цифровых двойников и результатах исследовательской деятельности рабочей группы на примере проекта по проектированию персонализированных имплантатов для костей и суставов человека. Данный проект выполняется в рамках реализации программы создания и развития НЦМУ «Передовые цифровые технологии»:
«Основная задача проекта – обеспечить корректное функционирование имплантата в теле человека. Для этого мы должны еще на этапе проектирования исследовать его поведение и учесть все требования и ограничения, чтобы быть уверенными в изделии в долгосрочной перспективе. Также нам необходимо детально рассмотреть вопросы регенерации. Основной барьер, который мы на данный момент пытаемся преодолеть, это отсутствие единого общепринятого инструментария для исследования регенерации. Наша команда активно занимается поиском различных вариантов решений, мы используем собственный код и инженерное программное обеспечение и пытаемся сконфигурировать систему, позволяющую нам ответить на все имеющиеся вопросы и спрогнозировать поведение имплантата на этапе остеоинтеграции и после него».
Актуальность проекта подтверждается заключением РАН по отчету за 2020 год: «Для медицинской практики наиболее актуальна разработка концепции (теоретические основы и методы) долговременной прочности биомеханических систем «кость-имплантат» на основе математических моделей крупных суставов скелета человека».
Федор Тарасенко пояснил, что иногда имплантат не походит некоторым пациентам из-за особенностей организма, в связи с чем возникает необходимость в создании персонализированного эндопротеза кости или сустава с учетом множества факторов. Чтобы спроектировать его наилучшим образом, инженерам необходимо решить ряд научно-технических задач из различных областей:
производство эндопротеза – аддитивные технологии;
материал эндопротеза – материаловедение;
механическое состояние системы «кость-эндопротез» – вычислительная механика;
материал кости – биомеханика + материаловедение;
процесс регенерации – биомеханика.
Схема «мультидисциплинарного пазла» гораздо сложнее, т.к. между всеми указанными пунктами существует взаимосвязь. Раскрывая каждый элемент «пазла», спикер рассказал о преимуществах 3D-печати в данном проекте, позволяющей изготовить персонализированную продукцию с использованием материалов, которые наименее подвержены отторжению, и с заданной пористостью для лучшего вживления костных тканей в поверхность эндопротеза.
Особой задачей становится исследование материалов, из которых изготавливаются эндопротезы. Для того чтобы смоделировать поведение имплантата в кости, инженеры должны понимать его свойства. Свойства материалов определяются процессом производства, для чего и создаются высокоадекватные математические модели металлических материалов аддитивного производства (ортотропные упругопластические модели материала).
Также модели должны пройти процессы валидации, т.е. сравнение прогнозов поведения материала с экспериментальными данными.
Спикер рассказал о том, как с помощью гомогенизации инженеры решают реальные прикладные задачи и заменяют периодическую структуру материала на сплошную с эффективными свойствами. При необходимости корректировки материала или самой конструкции на помощь приходят все те же цифровые технологии и виртуальные испытания.
Центральная содержательная часть проекта – непосредственно моделирование различных сценариев жизненного цикла имплантата, которое позволяет ответить на важные для проектирования вопросы:
Не сломается ли имплантат/винты/кость при установке?
Не сломается ли имплантат/винты/кость при нагрузке весом пациента в различных режимах (ходьба, бег, приседания…)?
Не сломается ли имплантат/винты/кость при допустимой нагрузке через 5–10–20 лет?
Сопоставима ли жесткость имплантата с жесткостью замещаемого участка?
Каково распределение напряжений в костной ткани в окрестностях имплантата?
Все вышеперечисленные данные получаются на основе моделирования. Для этого создается 3D-модель кости, в которую будет установлен имплантат на основе данных томографии, модели материалов, а также перечня различных сценариев нагружения, вытекающих из результатов моделирования поведения скелета человека в наиболее распространенных случаях движения. В момент регенерации инженеры следят за этапом остеоинтеграции, т.е. врастания костной ткани в пористую структуру изделия, корректируя и стимулируя процессы заживления.
«Чтобы смоделировать процесс регенерации и увидеть, каким образом меняются свойства костной ткани во времени, необходим математический аппарат, который ложится в основу расчетов и показывает нам, какой тип ткани может образоваться в месте установки имплантата. На исход регенерации, помимо всего прочего, влияют и процессы диффузии, протекающие в области установки эндопротеза. Таким образом, мы получаем многоуровневую систему, обеспечивающую постепенное обновление механических свойств костной ткани в зоне заживления».
На примере данного проекта формулируется большое количество вопросов в самых разнообразных областях, и каждый из этих вопросов решается с применением передовых цифровых технологий.
Алексей Боровков подытожил совместное выступление одним из определений 4 промышленной революции: «Это объединение трех миров. Физический-материальный и цифровой-виртуальный миры объединены достаточно давно. Задача объединения с третьим миром – живой природой, медициной, биологией – является сверхактуальной. Мы с Федором постарались показать, что цифровые технологи, цифровые двойники развиваются на фронтире в технических, киберфизических системах. Сегодня обществу чрезвычайно интересна живая природа и сам человек, поэтому мы сконцентрировались на протезировании, которое помогает людям проходить восстановление и возвращаться к нормальной жизни».
Выступление вызвало живой отклик как слушателей в зале, так и зрителей онлайн-трансляции, которая за время прямого эфира набрала 598 064 просмотров на сайте форума и 339 214 просмотров в социальной сети «Вконтакте».
Участники мероприятия проявили активную заинтересованность в сотрудничестве с Петербургским Политехом как уникальным для России центром компетенций в области трансфера передовых цифровых технологий и соответствующих компетенций мирового уровня. Некоторые молодые слушатели заявили о желании связать свою будущую профессиональную деятельность с экосистемой инноваций СПбПУ.
Напомним, что в августе в Институт передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ был зачислен 51 студент. Новые магистранты ИППТ будут проходить обучение по четырем основным магистерским программам: «Компьютерный инжиниринг и цифровое производство», «Процессы управления наукоемкими производствами», «Технологическое предпринимательство», «Технологическое лидерство и предпринимательство» (Международная образовательная программа на английском языке).
Справка:
Российское общество «Знание» ведет свою историю от советской общественной организации, основанной в 1947 году по инициативе представителей советской интеллигенции как «Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний» (с 1963 года – Всесоюзное общество «Знание», с 1991 года – Общество «Знание России»). Члены общества занимались популяризацией науки, читали лекции о достижениях советского хозяйства и промышленности. В 2016 году «Знание России» было преобразовано в Общероссийскую общественно-государственную просветительскую организацию Российское общество «Знание». 21 апреля 2021 года в ходе Послания Федеральному Собранию Президент РФ Владимир Путин заявил о необходимости перезапуска Российского общества «Знание» на современной цифровой платформе.
