Category: Russian Universities

IV Школа молодых ученых «Применение синхротронного излучения для решения задач биологии» проходила в Новосибирском государственном университете с 1 по 3 октября. В ее работе приняли участие студенты и аспиранты из 11 городов России: Москвы, Санкт-Петербурга, Казани, Екатеринбурга, Тюмени, Пущино (Московская область), Владивостока, Красноярска, Барнаула. Программа Школы состояла из лекций и практических занятий, на которых молодые ученые имели возможность сформировать представление об использовании передовых исследовательских методов в области структурной биологии, а также получить навыки в области молекулярного моделирования и обработки первичных экспериментальных данных, полученных с помощью синхротронного излучения.

Участники Школы высоко оценили лекции от ведущих ученых активно использующих синхротронное излучение в своих работах. Особый интерес проявили к практическим занятиям связанным с молекулярным моделированием и определению структуры биополимеров методом рентгеноструктурного анализа. 

— Мы решили разделить практические занятия посвященные методу малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеноструктурного анализа (РСА) на два уровня: ознакомительный и углубленный. Оказалось, это было правильное решение. Ознакомительный мастер-класс по РСА прошли около 40 участников, его задачей было формирование общего понимания возможностей метода. Для этого участники работали с набором дифракционных данных полученных от кристаллов модельного объекта практически в идеальных условиях проведения эксперимента. На мастер-класс второго уровня пришли участники желающие получить опыт работы с дифракционными данными, которые были использованы для решения реальных научных задач. Аналогичным образом были построены мастер-классы по применению метода малоуглового рентгеновского рассеяния, где на втором практическом занятии обрабатывались наборы данных полученные в Шанхайском центре синхротронного излучения. На следующей школе мы планируем сделать двухуровневым и мастер-класс по молекулярному моделированию, а также добавить больше лабораторных работ. Отдельно хочется отметить ознакомительные практические занятия по применению метода рентгенофлуоресцентного анализа и компьютерной томографии. Ребята успешно провели реконструкцию данных и построили трехмерную модель скелета мыши, — рассказал заведующий лабораторией Учебно-методический центр «Кристаллизация» Института химических технологий НГУ, старший преподаватель кафедры химии твердого тела Факультета естественных наук НГУ, старший научный сотрудник ЦКП СКИФ Сергей Архипов.

По оценкам организаторов и участников, особенно насыщенным стал третий день Школы молодых ученых. На лекции «Фундаментальные основы взаимодействия синхротронного излучения с объектами биологической природы», которую прочел к.г-м.н. Сергей Ращенко (ИГМ СО РАН, НГУ), рассматривались основы взаимодействия синхротронного излучения с веществом и существующие фундаментальные ограничения экспериментальных методов. Большой интерес участников школы вызвала лекция д.ф-м.н. Константина Усачева (ФИЦ КазНЦ РАН, Казань) «Кристаллография макромолекулярных комплексов». На ней рассматривался рентгеноструктурный анализ таких крупных объектов, как рибосомы и значение этих исследований для создания антибиотиков. Приводились примеры сочетания метода криоэлектронной микроскопии на начальном уровне и расшифровки структуры с использованием метода рентгеноструктурного анализа на последующем этапе. Продолжением этой темы было выступление Анны Бурцевой (ФИЦ Биотехнологии РАН, Москва) «Метод криоэлектронной микроскопии в исследовании структур макромолекул. Метод выбора или один из элементов интегративной структурной биологии». Она рассказывала про основы метода криоэлектронной микроскопии  с рассмотрением реальных примеров, в частности, структуры фикобилисомы из древней цианобактерии. Анна также ознакомила слушателей с самыми новыми работами ученых ФИЦ Биотехнологии РАН.

Множество положительных отзывов получила экскурсия на кафедру химии твердого тела ФЕН НГУ и в лаборатории Института химических технологий НГУ. Для участников школы были подготовлены кристаллы модельного объекта, на примере которых им рассказали о методах кристаллизации. Также молодые ученые познакомились с оборудованием для роботизированной и ручной кристаллизации и необходимыми для выполнения этой работы расходными материалами. 

— В следующем году мы хотим внести некоторые изменения в работу Школы — провести ее как школу-конференцию и издать сборник тезисов. Концептуально лекционная часть и практические занятия останутся прежними, но мы намерены ввести в программу Школы флеш-доклады молодых ученых и, возможно, постерную сессию. Поэтому не исключено, что Школа будет займет не три дня, как сейчас, а четыре. Уверен, данные изменения позволят привлечь еще большее количество участников, хотя и сейчас явно прослеживается тенденция к увеличению числа участников. Также для удобства слушателей мы рассматриваем вероятность ее переноса на летние месяцы, однако решение об этом еще не принято, —  сказал Сергей Архипов.

Отзывы участников IV школы молодых ученых «Применение синхротронного излучения для решения задач биологии»

Екатерина Молоткова, выпускница Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова:  

— Объектом моего научного интереса является структурная биология. Мне интересна коллаборация физики высоких энергий и биологии. Мне концептуально очень нравится слияние фундаментальной физики и практической биологии. К сожалению, мероприятия, нацеленные на данную тематику, проводятся достаточно редко. Поэтому решение об участии в Школе молодых ученых было очевидным. Я хотела послушать лекции и поучаствовать в мастер-классах, а заодно посетить новосибирский Академгородок. Впечатления о Школе остались самые приятные. Было много мастер-классов практической направленности, и теперь я намерена свой нынешний профиль работы несколько сдвинуть в сторону структурной биологии, поэтому для меня были важны и теоретические знания, и практические навыки, дающие углубленное понимание теории, которая стоит за всеми этими методами.  

Алексей Иванов, 4 курс Факультета естественных наук НГУ:

— Я давно слежу за развитием проекта СКИФ. Мне интересны различные направления биологии, но особенно — структурная биология, потому что она относится к биоинформатике, которой я занимаюсь. О Школе молодых ученых «Применение синхротронного излучения для решения задач биологии» я узнал в прошлом году, а с ее тематикой обзорно ознакомился на Школе системной биологии и на Школе синтетической биологии и промышленной информации. В этом году подаю заявку на участие в данной школе. Здесь я хотел узнать побольше о текущем состоянии строительства ЦКП СКИФ, новейших научных исследования и коллективах, занимающихся исследованиями в области структурной биологии в России, а также освоить ряд практических навыков, связанных с молекулярным моделированием, рентгенофлуоресцентным анализом, молекулярным докингом и методами обработки данных рентгеноструктурного анализа.

На лекции Анны Бурцевой я открыл для себя процесс подготовки образцов для криоэлектронной микроскопии, узнал, как проходит пробоподготовка и какие при этом производятся расчеты для восстановления трехмерной структуры. Не менее интересна была лекция по рентгеноструктурному анализу. Ранее для меня это все было просто названиями методов, я знал, что они дают, а теперь у меня сформировалось комплексное понимание, как можно применять их при интегративных подходах и как они друг друга дополняют.

Самым ярким впечатлением стал мастер-класс по обработке данных малоуглового рентгеновского рассеяния, когда мы из двухмерных данных своими руками получили трехмерную структуру молекулы в растворе, сопоставили с данными рентгеноструктурного анализа и сами убедились, как можно применять данные методы в сочетании. Это похоже на какую-то магию, но это наука.

Наталья Смольянова, Научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт», аспирант Института белка РАН:

— Основные методы, которые я использую в своей работе, — кристаллография и рентгеноструктурный анализ, а также метод БиоМУРР, но мне была очень интересна лекция, посвященная криоэлектронной микроскопии. Я задумалась о том, можно ли использовать данный метод для моего объекта — ферментов целлюлазы, — который достаточно мал для этого. Для меня было важно обсудить с коллегами, насколько это возможно. Также полезным для меня стал мастер класс по РСА, поскольку кристаллизация объекта и последующая обработка данных — процесс достаточно трудоемкий. Для меня были важны и интересны встречи с единомышленниками, знакомство с оснащением Учебно-методического центра «Кристаллизация» Института химических технологий НГУ.

Каждый день Школы приносил яркие впечатления, положительные эмоции, бесценные знания и полезный опыт.

Владимир Андрейцев, лаборатория структурных исследований аппарата трансляции Института белка РАН:

— Школа молодых ученых заинтересовала меня мастер-классами, которые проводят высококлассные специалисты. Они акцентируют внимание на тонкие моменты, которые молодому исследователю освоить самостоятельно довольно сложно. Для меня было важно получить некий багаж знаний и опыта, который можно применять в дальнейшем для своих научных изысканий и в перспективе передавать их студентам, которые приходят к нам в институт.

На этой школе полезно все: и лекции, и мастер-классы, но самым ярким впечатлением для меня стало общение с коллегами. После таких встреч понимаешь, к чему следует стремиться. Для меня очень важна была встреча с доктором химических наук Софией Борисевич (ЦКП «СКИФ», УфИХ УФИЦ РАН, Уфа), которая прочла лекцию «Совместное применение экспериментальных методов и методов молекулярного моделирования для решения задач структурной биологии» и мастер-класс по молекулярному докингу и молекулярному моделированию с учетом полученных методом РСА экспериментальных данных. Вне этой Школы у меня вряд ли была бы возможность связаться с ней и пройти такой мастер-класс.

В Новосибирском государственном университете состоялся масштабный хакатон лаборатории YADRO, посвящённый навигации внутри помещений. Это уникальное событие объединило 78 участников в 22 команды, которые представляли не только Факультет информационных технологий (ФИТ), но и другие факультеты и институты НГУ.

Лаборатория YADRO, базирующаяся на ФИТ, однако обладающая статусом общеуниверситетской, сделала акцент именно на междисциплинарном подходе, позволяющем студентам разных направлений погрузиться в решение реальной инженерной задачи и получить бесценный опыт командной разработки. Тема хакатона — «Технологии навигации внутри помещений» — выбрана не случайно: сегодня, когда глобальные системы позиционирования, такие как GPS/ГЛОНАСС стали незаменимыми помощниками в повседневной жизни, навигационные системы внутри зданий остаются острой проблемой без универсального решения.

Хакатон проходил в два насыщенных этапа. На первом командам был предоставлен полигон с установленными заранее специальными маячками по сигналу от которых необходимо зарегистрировать в компьютер пройдённый маршрут, что требовало как технических, так и организационных навыков. Во втором туре участники представили свои инновационные решения проблемы внутренней навигации, описали архитектуру, поделились опытом и получили оценки от компетентных жюри.

Организатор хакатона Александр Александрович Власов рассказал о значимости и актуальности задачи:

– Каждый из нас привык к всемогущему GPS или ГЛОНАСС на улице, но внутри строений этот сервис перестаёт работать, что создаёт серьёзные сложности — от поиска аудиторий в университете до организации навигации в больших торговых центрах и аэропортах. Мы уверены, что наши будущие IT-инженеры, которых мы учим сегодня, будут применять роботов и искусственный интеллект для автоматизации бытовых и производственных процессов в зданиях — там, где проходит основная часть нашей с вами жизни, а это невозможно сделать без системы точного позиционирования.

Отбор участников был максимально открытым: здесь могли заявиться даже школьники и студенты с гуманитарных факультетов, имеющие базовые знания в IT. Правила хакатона позволяли командам самостоятельно распределять роли и выбирать стратегии, при этом организаторы оказывали всестороннюю поддержку в виде консультаций и подбора обучающих материалов по теме задачи.

– Ориентирование в больших зданиях — сложная задача. Помимо торговых центров и аэропортов, существуют серьёзные промышленные объекты с роботизированными линиями, где позиционирование — вопрос безопасности и точности в 1-2 метра. Мы предложили систему на основе маячков и интеллектуального алгоритма, которая достигала точности около полутора метров», – рассказал о своем проекте участник команды AKL Афанасьев Богдан, магистрант направления «Философия».

Результаты первого тура объявили 3 октября, а второго — 4 октября на торжественном праздновании Дня лаборатории YADRO. В этот день участники подробно разобрали возникшие в ходе этапов трудности, представили свои решения и приняли участие в церемонии награждения. Лидером стала команда «Барэбухи», второе место заняли ProBLEms, третье – команда SysCall. Кроме того, команде n00bmasters был присужден приз зрительских симпатий за оригинальное инженерное решение.

Участники получили не только ценный опыт и знания, но и достойные призы от компании YADRO, включая финансовую поддержку, что дало им дополнительный стимул для дальнейших исследований и разработок.

Интеллектуального робота-манипулятора для автоматического сбора томатов в промышленных теплицах, отличающий спелые плоды от несозревших, создал студент Факультета информационных технологий Новосибирского государственного университета Антон Власенко. Его робот способен анализировать время созревания различных сортов томатов и собирать только спелые плоды. Недозревшие он оставляет на кустах и возвращается к ним по мере созревания. В настоящее время молодой исследователь проводит тестирование своего устройства в домашних условиях, в дальнейшем планируются промышленные испытания на объектах тепличного комбината «Толмачевский», о чем уже достигнута предварительная договоренность.

— Для анализа состояния плодов и принятия решений мы использовали алгоритмы компьютерного зрения. Также в систему заложены ультразвуковые датчики. Они помогают роботу оценивать расстояние до объектов и избегать столкновений с ними. Чтобы манипулятор, снимая томаты с ветвей, случайно не раздавил их, мы снабдили устройство датчиками которые регулируют силу сжатия. Интересный момент связан с самим алгоритмом «time to harvest» (время собирать урожай). Мы не просто классифицируем томат на «зеленый» или «красный», а пытаемся оценить, сколько дней осталось до оптимального сбора. Для этого берем данные по цветовым каналам и насыщенности. На их основе система прогнозирует время сбора плодов. Это позволит не только собирать урожай «здесь и сейчас», но и планировать, когда именно отправлять робота к определенному кусту. Наш робот-манипулятор определяет не просто цвет томата в целом, а делит его изображение на сетку, как шахматную доску. Каждую клетку анализирует отдельно с учетом сорта плода, разделяя участки красного, зеленого или желтого цветов. Таким образом система понимает: плод спелый, частично спелый или пока зеленый и далее прогнозирует оптимальное время для сбора плодов, — объяснил Антон Власенко.

Для детекции объектов молодой исследователь в своей разработке применил основную нейросеть YOLOv8 (Ultralytics). Она находит ограничивающие рамки томатов в кадре. Программное обеспечение робота написано на Python. Библиотека компьютерного зрения OpenCV (cv2) решает несколько задач — чтение видеопотока с камеры, преобразование изображения (HSV, LAB), создание цветовых масок. Численные вычисления — средние значения каналов, операции с массивами, подсчет количества пикселей в масках, — производятся с применением библиотеки NumPy. Контроллер Orange pi 5 обеспечивает работу шаговых двигателей и драйверов управления. Благодаря этому манипулятор получает координаты томата из YOLO, пересчитывает в углы для сервоприводов и далее срывает плод.

Сам манипулятор изготовлен методом 3D печати. Он состоит из редуктора, сегментов «руки», кронштейнов и захвата. Всего в общей сложности было изготовлено 115 деталей. После завершения печати каждая из них подвергалась тщательной пост-обработке. Значительную часть этой работы выполнял второй участник проекта — студент Сибирского государственного университета геосистем и технологий Яков Губарев. Необходимо было на каждой детали удалить поддержки, вручную отшлифовать контактные поверхности, просверлить монтажные отверстия под крепеж и проверить точность посадочных мест.

— Работая над распечаткой деталей манипулятора, мы столкнулись с серьезной проблемой. Он представляет собой довольно крупную конструкцию — если полностью вытянуть его «руку», ее длина составит около 1,5 метра. Имеющийся в нашем распоряжении принтер с такой задачей справиться не мог. Стали искать варианты, и выяснилось, что печать уже готовых 3D-моделей обойдется нам дороже нового принтера, обладающего необходимыми нам возможностями. Поэтому нам пришлось приобрести новый 3D-принтер, — рассказал Антон Власенко.  

В настоящее время манипулятор собран, и молодым исследователям предстоит корректная настройка его движения, а затем сборка мобильной платформы, которая позволит роботу перемещаться между рядами в теплицах. Далее можно будет перейти к пилотным испытаниям в реальных условиях. В будущем Антон Власенко защитит магистерскую диссертацию, в рамках которой он и реализует свой проект. Также он планирует выйти с ним на конкурс студенческих стартапов.

— Идея создать робот-манипулятор для выполнения данной задачи у меня возникла на хакатоне ТРК. Одним из его треков было создание небольшого робота, который с помощью компьютерного зрения будет собирать определенные виды плодов. Это задание было несложным — надо было сделать так, чтобы робот только коснулся выбранного им плода. В дальнейшем мы решили, что, и правда, неплохо было бы создать робота, который собирал бы томаты в промышленных теплицах. Пообщавшись с бывшим директором тепличного комбината «Толмачевский» Сергеем Евгеньевичем Ложниковым, мы узнали, что потребность в автоматических сборщиках урожая действительно существует. Сейчас этот процесс производится вручную, но рабочих рук не хватает, что становится для тепличных комбинатов серьезной проблемой. Наша идея создать робота, который выполнял бы данную задачу, нашла поддержку, и мы приступили к работе — сначала изучили существующие аналоги, а потом стали думать, какую архитектуру применить, чтобы правильнее осуществить сбор томатов, а также предусмотреть дальнейшее развитие. В дальнейшем мы планируем приспособить нашего сборщика томатов и для других овощных культур, — поделился планами Антон Власенко.