В таганрогском кампусе ЮФУ создали биоморфный робототехнический комплекс на основе перспективной компонентной базы и технологий, разработанных учеными лаборатории «Нейроэлектроники и мемристивных наноматериалов (Нейромена)». РТК является демонстратором разработок будущего Передовой инженерной школы «Инженерия киберплатформ», направленных на очувствление конечностей.

«Разработками в области мемристивных наноматериалов и их использованием для создания широкого спектра перспективных электронных устройств наша научная группа занимается более 10 лет: начиная с проектирования современной компьютерной платформы и архитектуры будущего,  заканчивая самими нейроморфными структурами для различных областей применения», – рассказал руководитель лаборатории «Нейромена», к.т.н., заведующий кафедрой радиотехнической электроники и наноэлектроники ЮФУ Владимир Смирнов.

Нейроморфные структуры представляют собой микросхемы, которые выполняют функции аппаратной реализации нейросетей, «замещающих» человека. Например, тактильная, ноцицептивная память, когда люди чувствуют поверхность, могут определить по твёрдости, температуре, консистенции, что перед ними. Человек не задумывается над такими повседневными вещами, хотя на самом деле это функции машинного обучения нейросети, которая и определяет всё через нейромедиаторы, находящиеся у людей в подкожном слое.

Проект мегагранта в ЮФУ объединил большое количество молодых ученых и студентов и реализуется под руководством ведущих мировых учёных:

– профессора университета Конкук Пак Бэ Хо (Южная Корея), являющегося одним из основателей этого направления в мире и занимающегося исследованиями мемристоров с 2000-го года;

– профессора  ННГУ им. Лобачевского Виктора Казанцева, эксперта в таких областях фундаментальной и прикладной науки, как нелинейная динамика, вычислительная нейробиология, нейротехнологии, математическая биология.

«Первой итерацией РТК стала робот-рука, работающая в режиме тени. Человек использует перчатку, начиненную датчиками. Вместе с движением его пальцев она «оживает», и собранная нами робо-рука обучается.

Что касается робота, здесь мы строим связку сенсор + обработчик (мемристор). Наша задача – миниатюризация устройств, сбалансированная и лёгкая система, которая тратит очень мало энергии и оставляет человекоподобие с точки зрения форм», – поделился Максим Картель, студент четвёртого курса.

Помимо 10 обучающихся ЮФУ, в лаборатории «Нейромена» трудятся 8 аспирантов, 10 кандидатов наук, 2 доктора наук.

«Коллеги из других вузов часто говорят, что у нас самодостаточная лаборатория. Действительно, к нынешнему году мы получили по данной тематике практически все компетенции и переходим к заключительной – программированию устройств. Нам нужны технические инженеры-программисты, которые понимают, как реализуются аппаратные нейросети, машинное обучение», – добавил Владимир Смирнов.

По словам руководителя «Нейромены», проект биоморфного робота – студенческий. Обучающиеся в течение нескольких лет моделировали и изготавливали макет на 3D-принтере, делая упор не на механику, а на микроэлектронную «начинку».

«Важно было установить сервоприводы, чтобы робот двигал руками, и сделать его не металлическим, а более лёгким, из современных доступных материалов. Мы интегрируем в демонстратор разработанные нами аппаратно-реализованные нейросети с сенсорными системами, которые позволяют провести очувствление кистей рук на основе машинного обучения. В планах в течение года, помимо рук, сделать и другие части тела робота», – подчеркнул Константин Козюменко, студент направления «Электроника и наноэлектроника» ПИШ ЮФУ.

В лаборатории «Нейромена» стоит задача создать отечественные решения для полной автоматизации и очувствления робота-помощника, который после обучения будет действовать без участия человека, в автономном режиме. На сегодняшний день запущены образовательные программы подготовки специалистов по направлению «Электроника и наноэлектроника» (бакалавриат, магистратура), позволяющие готовить кадры на реальных проектах, наработках ученых ЮФУ для будущего электроники.

«Конечно, в нашей отрасли есть барьеры. Это, прежде всего, связано с миниатюризацией электронных элементов. Однако, мы знаем, в каких направлениях двигаться и, работая на фронтире, прогнозируем развитие технологий, находясь в авангарде мировой науки.

В лаборатории реализуются 5 проектов РНФ, проект с Национальным центром физики и математики и международный проект по созданию электронной «умной» кожи, получивший поддержку благодаря программе «Приоритет 2030».

У Виктора Борисовича Казанцева есть наработки со смарт-одеждой, а ведущий учёный Чандр Пракаш (Индия) уже сегодня запускает в рамках «Приоритета 2030» лабораторию 3D-биопечатных технологий гибкой микроэлектроники. Оксид графена, который обладает мемристорными свойствами, будет интегрироваться в суспензии на основе биосовместимого материала, что позволит печатать на коже гибкие электронные структуры, которые смогут выполнять функции сборщиков информации о параметрах здоровья человека», – добавил Владимир Смирнов.

Представленные технологии 3D биопечати мемристивными наноматериалами и образовательные программы ПИШ ЮФУ являются уникальными для России, и позволяют учёным Южного федерального университета конкурировать на мировом уровне. 

Текст: Тимур Пацюк, ред: Юлия Сопрунова