Союз человека и машины: как научная династия из Курска разрабатывает современные экзоскелеты и интерфейсы к ним

Несмотря на развитие автоматизации, на многих промышленных предприятиях по-прежнему широко используется ручной труд, особенно при подъеме и переносе грузов. Такая работа нередко приводит к травмам, прежде всего — к повреждениям поясничного отдела позвоночника.

Именно поэтому в поле внимания инженеров и исследователей все чаще оказываются биотехнические системы — устройства, которые по своей структуре и принципам создания можно рассматривать как типичные системные объекты. Их разработка требует междисциплинарного подхода: при проектировании и оптимизации параметров используются методы кибернетики, теории информации, бионики, распознавания образов, эвристического программирования и других научных направлений, занимающихся изучением и моделированием сложных систем.

Одним из способов улучшить условия труда становится использование носимых робототехнических систем, которые усиливают физические возможности человека и снижают нагрузку на организм. Наибольший эффект достигается тогда, когда человек и техника работают как единое целое — интегрированная человеко-машинная система. Ее эффективность зависит от того, насколько согласованно взаимодействуют все элементы.

Ключевую роль в этом играет человеко-машинный интерфейс — набор технических средств, которые обеспечивают связь между оператором и устройством. В такой системе человек, экзоскелет и интерфейс образуют биотехническую шагающую систему, способную значительно повысить производительность и безопасность труда.

Разработка таких систем требует системного подхода и методов моделирования, чтобы рассматривать устройство и его элементы как единое целое. Особое внимание уделяется согласованной работе человека и экзоскелета через интерфейс, а управление строится на данных с датчиков углов и силы, обеспечивая точность и безопасность.

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы занимаемся созданием инструментальных средств для проектирования биотехнических шагающих систем. Наш проект направлен на создание моделей и алгоритмов, позволяющих оператору и устройству работать как единое целое. Мы пытаемся понять, как согласовать движения человека и экзоскелета, используя датчики и адаптивные алгоритмы управления. В результате такие системы смогут расширить функциональные возможности человека и повысить безопасность труда в разных условиях.

Эта работа стала возможной во многом благодаря фундаменту, заложенному в нашей семье — работе моего отца, ученого и педагога Сергея Федоровича Яцуна.

Академической наукой первым в семье занялся именно он. Сергей Федорович  с отличием закончил Днепропетровский Ордена Трудового Красного знамени горный институт имени Артема и был направлен в аспирантуру в университет городе Мишкольц (Венгрия), где защитил кандидатскую диссертацию, посвященную автоматизации конвейеров для горнодобывающих предприятий.

После защиты кандидатской диссертации на венгерском языке в 1980 году,  он, по направлению Министерства образования СССР, приехал работать в Курск на кафедру теоретической механики в политехнический институт,  где требовались  профессиональные кадры. Сергей Федорович  быстро стал частью коллектива,  и с  тех пор его жизнь и работа связаны с этим вузом, который сегодня известен как Юго-Западный государственный университет.

При поддержке РНФ группа под его руководством работает над созданием роботизированных систем для реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Им удалось разработать структуру активно-пассивной механотерапии, которая значительно повышает эффективность восстановления после травм. В проекте созданы математические модели, система датчиков и адаптивные алгоритмы управления, позволяющие индивидуально подбирать программы и точно воспроизводить движения. Эти наработки уже доказали свою результативность в экспериментах и стали основой для нового поколения медицинских экзоскелетов.

Я помню, как еще маленьким ребенком приходил на кафедру, наблюдал, чем занимается отец и его коллеги. Именно инженерное содержание работы было особенно любопытным: меня завораживали детали машин, приборы, их устройство и то, как все это можно собрать в единое целое, буквально оживить.

Сегодня, будучи ученым, я сам занимаюсь исследованиями, которые связаны с современной робототехникой и системами управления, и у них всегда есть четко ориентированный  практический выход на конкретный результат. Наверное, поэтому мне с детства было интересно наблюдать за работой отца и я тоже выбрал для себя эту сферу.

Моя мама, Светлана Михайловна Яцун, тоже занимается научно-образовательной деятельностью в Курском государственном университете. По образованию она врач, с отличием  окончила Курский медицинский университет, клиническую ординатуру, потом аспирантуру. 

У мамы свой акцент в научной работе, но, тем не менее, мы часто советуемся с ней по ряду направлений, которыми занимаемся. Вопросы, связанные с взаимодействием человека и машины, с созданием человеко-машинных систем и биомеханикой, носят ярко выраженный междисциплинарный характер, и наших классических инженерных знаний не всегда хватает. Поэтому нередко приходится обращаться за консультацией к маме, хотя бы для того, чтобы понять, в каком направлении двигаться дальше. 

Сегодняшние научные задачи действительно очень широкие и комплексные, и уже недостаточно быть узким специалистом в одной области. Требуется подготовка, охватывающая разные сферы знаний, и именно поэтому так важно советоваться и опираться на опыт коллег из других областей. У нас даже есть несколько совместных публикаций в области биомеханики. С инженерной стороны у мамы возникают вопросы, а она, в свою очередь, может подсказать нам что-то с медицинской точки зрения. Так и появляются пересечения, где наши компетенции дополняют друг друга.

Конечно, рядом с родителями, уже состоявшимися специалистами, чувствовалось определенное давление. Всегда было ощущение, что к тебе относятся не просто как к студенту или молодому исследователю, а как к сыну Сергея Федоровича. Универсального рецепта, как с этим справляться, у меня не было. Я старался хорошо учиться, добросовестно относиться к своим задачам и делать все максимально качественно. 

Если говорить о семейственности, то в науке отношения между членами коллектива часто бывают даже крепче, чем между родственниками. Например, Сергей Федорович в рабочих вопросах относится одинаково и ко мне, и к коллегам. Мы приходим, докладываем, обсуждаем — и это всегда строится на профессиональных ценностях и подходах. Думаю, в этом тоже может проявляться смысл научной династии: не в фамилии, а в общем деле, которое объединяет близких, коллег и последователей.

В инженерных науках не обращают внимания на родственные связи, здесь куда важнее трудолюбие и здравый подход к делу. Важно уметь общаться, понимать современные тенденции, отслеживать, куда движется мировая наука в этой области. 

Если человеку действительно нравится то, чем он занимается, и он получает от этого положительную обратную связь, он обязательно найдет свой путь — независимо от того, есть ли в семье ученые или нет. Важно, чтобы была внутренняя потребность изучать новое: разбираться в природных явлениях, понимать, как устроен человек, какие существуют принципы управления. И если это ощущение есть, и оно подкрепляется результатами, то все получится.

Своим студентам и всем молодым людям, независимо от того, являются ли они частью научной династии, я говорю: главное — не бояться и стараться найти внутри себя тот огонек, который будет работать как маленький реактор и давать энергию на каждодневные дела.

Читать далее:

Вселенная внутри черной дыры: наблюдения «Уэбба» подтверждают странную гипотезу

Испытания ракеты Starship Илона Маска вновь закончились взрывом в небе

Сразу четыре похожих на Землю планеты нашли у ближайшей одиночной звезды

^{На обложке: Сергей и Андрей Яцуны с научным коллективом кафедры мехатроники и роботехники. Из личного архива семьи}

The post Союз человека и машины: как научная династия из Курска разрабатывает современные экзоскелеты и интерфейсы к ним appeared first on Хайтек.