«Большие вызовы-2018»: итоги пятого дня
6 июля школьники с 12 направлений «Науки» готовились к предварительной защите проектов, которая прошла сегодня, в субботу. Они постигали основы молекулярной биологии, которые понадобятся для проведения ПЦР, изучали историю навигации и этическую сторону экспериментов с участием людей, придумывали, как подвести ток к графену, а одна ученица даже прочитала лекцию по теории вероятностей своим коллегам по проекту и представителям Департамента информационных технологий города Москвы.
Агропромышленные и биотехнологии: особенности ДНК грибов, ПЦР и программа MEGA
Проект «Разработка ПЦР-тест-системы для выявления грибов рода Monilia и исследование их встречаемости в плодовоовощных хозяйствах Краснодарского края» идет полным ходом. В пятницу школьники узнали о ДНК этих грибов и о праймерах, которые понадобятся в работе. Сама полимерная цепная реакция (ПЦР) необходима для того, чтобы увеличить количество нужных фрагмента ДНК гриба до того уровня, который можно «засечь» в тестах. Для этого две цепи ДНК расплетаются, и с каждой из них делаются многочисленные копии (этот процесс называется репликацией).
Праймер – короткий (обычно 20-30 нуклеотидов) фрагмент нуклеиновой кислоты, который служит исходным пунктом для достраивания. Он нужен потому, что ни одна ДНК-полимераза (фермент, который катализирует репликацию ДНК) не может начать синтез новой цепи с одноцепочечной матрицы. «Начало» последовательности нуклеотидов в каждой из цепей находится с противоположных сторон, а новые нуклеотиды могут прикрепляться только с одной стороны, которая называется 3’-конец. Когда мы хотим запустить этот процесс искусственно, на каждой цепи со стороны ее 3’-конца необходима «затравка», чтобы новые нуклеотиды могли прикрепиться к ней. Эту роль и играют праймеры, с двух сторон (по одному на каждой цепи) определяющие границы фрагмента, который будет копироваться. Сейчас есть несколько программ, которые автоматически подбирают праймеры, но их приходится перепроверять, потому что пока еще нет хорошего алгоритма, который безошибочно выполнял бы эту работу.
Также школьники узнали, что геном грибов не очень большой по сравнению с геномами других эукариотических организмов. Но уровень организации напрямую не связан с количеством генов и ДНК. Нет четкой закономерности, что чем больше ДНК, тем сложнее и совершеннее организм. Самые большие геномы имеют растения – зачастую за счет полиплоидности (дополнительных наборов хромосом в клетках). Полиплоидность обеспечивает более интенсивный синтез белка и обычно коррелирует с увеличением размеров клеток и организмов.
Скоро школьники также научатся работать в программе MEGA, которая служит для расчетов коэффициентов внутригруппового генетического разнообразия.
Современная энергетика: подготовка к предварительной защите проекта
Сейчас ребята, работающие над проектом «Система светоограждения высоковольтной ЛЭП с емкостным отбором мощности», моделируют и собирают части этой системы. Они занимаются схемотехникой, собирают информацию про проблематику проекта и ищут подходящее оборудование. Ребята создают устройство беспроводной зарядки для аккумуляторов, находящихся на линиях электропередачи. К предзащите проекта учащиеся были готовы уже в пятницу, оставалось лишь выучить свою речь для выступления.
Нанотехнологии: увидеть графен в микроскоп
В этом направлении перед школьниками стоят непростые научные задачи, решение которых они ищут на теоретическом и экспериментальном уровне. Тесно развивается сотрудничество между проектами, участники которых помогают другу другу идеями и наработками.
В проекте по созданию газового сенсора нужно подвести к графену ток. Накануне первой презентации ребята детально прописали все варианты решения этой задачи, учитывая необходимое оборудование, материалы, их физические и химические свойства, а также проанализировали риски и возможные сложности.
Поскольку графен – это слой атомов углерода толщиной всего в один атом, увидеть его очень сложно. В предыдущий день это удалось Анастасии Ефремовой из Орла, окончившей восьмой класс. Вчера увидеть графен в микроскоп попробовали и остальные школьники.
Беспилотный транспорт и логистические системы: все для удобства человека
Участники проекта по усовершенствованию сельхоздрона «Агроботикс» создают автоматизированное рабочее место для оператора, который будет управлять беспилотным самолетом, распыляющим удобрения. Одна из основных задач, которая стоит перед ними, – сделать место работы оператора удобным и эргономичным, чтобы оператор, проводящий в кресле до 8 часов подряд (часто ночью), как можно меньше уставал и не чувствовал дискомфорта. Проанализировав свойства и характеристики очков и шлемов виртуальной реальности, а также обычных мониторов, ребята пришли к выводу, что именно монитор лучше всего подойдет для вывода картинки перед оператором, так как этот способ дает возможность работать более длительное время. Сам самолет пока заменит его аэродинамическая модель, на которой и будут проводиться тренировки.
Руководитель проекта Дмитрий Тесленко, инженер из Московского Политеха, очень ценит в учениках инициативность и самостоятельность. Дмитрий также отметил, что у всех ребят есть общее видение того, каким должен быть конечный результат, при этом каждый четко знает свои цели и задачи.
В проекте «GOOO DINO JUNIOR» эргономике уделяется не меньше внимания. Обозначенные в начале июльской программы цели выполняются даже раньше срока, дети увлеченно обсуждают будущий автомобиль, внимательно делают замеры и моделируют кресло и джойстик для управления так, чтобы водителю было максимально удобно. Программное обеспечение уже написано. Как только придут все необходимые детали, ученики приступят к сборке автомобиля.
Ребята из проекта по разработке технологии автоматизированной съемки объекта с помощью беспилотных летательных аппаратов уже собрали три коптера, научились управлять ими в симуляторе, а после успешно сданного зачета освоили управление и реальным дроном. Сейчас идет процесс создания 3D-моделей с помощью этих коптеров, летающих в здании по заданным координатам. Участникам проекта уже удалось создать 3D-модели самих себя.
Нейротехнологии и природоподобные технологии: робот, с которым вам захочется подружиться
Ученики из проекта «Искусственный агент с эмоциональной речью и жестами» отсняли более двух часов видео, включая два интервью с кураторами, две ролевые игры и лекцию. Для объективности на видео было записано поведение как женщин, так и мужчин. Сейчас ребята анализируют собранные данные, выявляя характерные для различных эмоций жесты и мимику, чтобы впоследствии перенести это на робота.
Параллельно с этим идет моделирование будущего робота, который будет изготовлен на 3D-принтере. Участники проекта уделяют большое внимание внешнему виду робота, чтобы он был симпатичен человеку и в будущем не только понимал его, но и выполнял функции ассистента.
Космические технологии: спутник-«шмель» и скафандры будущего
Ребята из проекта «Расчет миссии для научного спутника» работают с кубсатом, или малым спутником. Но если в прошлом году в аналогичном проекте школьники разбирались со служебными подсистемами аппарата, теперь они рассчитывают методику проведения научного эксперимента с использованием малых спутников. Миссию уже назвали «Bumble-bee» (что переводится как «шмель»). После длительной работы по этой теме школьники хотели бы получить на выходе настоящий продукт, который легко и быстро изготовить и выгодно производить. Однако о таких долгосрочных перспективах говорить пока рано.
В проекте «Перспективный скафандр с AR-интерфейсом», предложенном ПАО «РКК "Энергия" им. С.П. Королева», ребята уверенно работают над системой дополненной реальности, которая позволит сделать внекорабельную деятельность космонавта более удобной. Никто не знает, как будут выглядеть скафандры будущего, в которых земляне прогуляются по Марсу или будут осваивать дальний космос. Но опыт разработок, которыми занимаются сегодняшние школьники, завтра может помочь им создать скафандры для таких задач.
Когнитивные исследования: на страже научной этики
В любых исследованиях, объектом которых становится человек, существует огромное количество этических вопросов. Необходимо позаботиться о безопасности и конфиденциальности, не забывая об обратной связи с участниками эксперимента. Профессор ТГУ и Голдмитс (Университет Лондона, Великобритания) Юлия Ковас обсудила эту проблемную область с участниками направления.
Ребята – будущие исследователи, которым предстоит раскрывать тайны функционирования мозга и генома человека, индивидуальных способностей и предрасположенностей. Поэтому было важно узнать, как работают этические комитеты, дающие разрешение на проведение эксперимента, как проходит информирование его участников и как по итогам обеспечивается сохранность и анонимность полученных данных.
Арктика и исследование океана: навигация и фиолетовое Солнце
Участники проекта по усовершенствованию секстанта, измеряющего высоту Солнца над горизонтом для определения координат, узнали про эволюцию навигационных приборов – от палки и солнечной доски викингов до квадранта Дэвиса и градштока. Все вместе вспомнили, как найти Полярную звезду среди вращающихся светил, а затем отправились на берег моря, чтобы испытать прибор, с которым ребята будут работать.
Пасмурная погода в Сочи не смогла помешать учебному выходу: каждый из учащихся проекта попробовал себя в настройке секстанта и смог посмотреть на Солнце сквозь зеркала и желто-фиолетовые светофильтры. Ребята лично убедились, что сделать это достаточно трудно даже на берегу, и с еще большим энтузиазмом принялись за дальнейшие разработки.
Умный город и безопасность: просто о сложном
Ребята с этого направления продолжают погружаться в новый для себя язык программирования, изучают новые функции, объекты и библиотеки. Разбираться с огромным количеством сложной информации учащимся помогают понимающие преподаватели. Представитель Департамента информационных технологий города Москвы Владимир Жуйков, один из руководителей проекта по прогнозированию в сфере ЖКХ, рассказал, каково было ему работать с одаренными школьниками: «Дети очень сильные, они схватывают буквально на лету, с горящими глазами берутся за сложнейшие задачи. Трудно сказать, кто кого больше учит. Например, на недавней лекции одна девочка вызвалась сама читать нам и коллегам по команде материал по теории вероятностей. Ей удалось то, что получается не у каждого опытного преподавателя: очень простым языком объяснить очень сложные вещи».
Большие данные: первая собственная классификация и визуализация рабочего процесса
В направлении «Большие данные» шесть проектов. Вчера в них прошли заключительные теоретические лекции. Сначала ребята разобрали домашнее задание и возникшие вопросы. После этого участники проектов рассмотрели, как визуализировать данные и как строить графики в Python. Эта работа будет необходима и полезна, когда они начнут изучать сложные модели и использовать сложные алгоритмы. Результат их работы может визуализироваться на графиках, то есть описываться по качеству модели и времени. Опытные пользователи, как правило, смотрят не на цифры, а на график. На нем проще отследить происходящие процессы. Если качество модели на графике растет, то все хорошо, а если не меняется, то в расчеты закралась ошибка. Также школьники изучили теорию вероятности и разобрали теорему Байеса. Они сделали первый классификатор по теореме Байеса и свою первую классификацию.
В конце дня воспитанники занимались подготовкой к предзащите проектов. Руководители давали свои наставления и подробно обсуждали, что должно быть в презентации, какую тактику подачи материала лучше выбрать, какие вопросы могут задать эксперты и как нужно отвечать.
Новые материалы: красители из вторичного сырья
Участники проекта «Применение биотехнологий для получения наноразмерных пигментов» разрабатывают комплексную биотехнологию, которая позволит переработать отходы промышленного производства в нанопорошки, чтобы делать из них красители. Для успешной реализации проекта школьники каждый день параллельно работают над несколькими задачами: выполняют контроль за микроорганизмами, строят чертежи для 3D-моделирования и создают «дорожную карту» проекта.
Ребятам предоставили микроорганизмы, которые в процессе своей жизнедеятельности перерабатывают вторичное сырье, высвобождая из него ценные компоненты. Также они позволяют уменьшить шлак в размере и пропускают через себя некоторые элементы, образуя порошок, который и будет пигментом. В настоящее время школьники думают над тем, как собирать получившийся пигмент.
Также ученики решили сделать демонстрационную биоустановку – стенд, на котором будет изображен поэтапный процесс работы. Поэтому они трудятся над созданием чертежа стенда, чтобы напечатать детали на 3D-принтере. А в завершении каждого дня ребята развивают «дорожную карту» проекта, сверяя темпы работы и результаты дня с планом.
Персонализированная и прогностическая медицина: «кураторам иногда приходится выгонять нас из лаборатории»
«Кураторам иногда приходится выгонять нас из лаборатории, потому что нам настолько интересна работа здесь, что мы отсюда не выходим», – так рассказывают о своих успехах участники проекта «Активная архитектура мозга».
Школьники исследуют экспрессию одного уникального гена на срезах мозга мышей разных групп: с диетой/без диеты, с обучением/без обучения. Мыши прошли ряд процедур, затем из них извлекли мозг, сделали срезы и предоставили их участникам проекта. Сейчас ребята специальным методом обработали ткани мозга и выделили РНК. Также они уже провели процесс обратной транскрипции (то есть, синтезировали ДНК с РНК, как умеют делать некоторые вирусы). Это необходимо для того, чтобы школьники могли найти молекулярные маркеры сайтов нейронной сети, в которых происходят изменения при запоминании новой информации. Результаты исследования можно будет применить для создания препаратов нового поколения и моделирования эффективно обучающихся искусственных нейронных сетей.
