От протезов до деревянных зданий. Учёные Перми представили новые разработки

Пермь — это город, где наука развивается быстрыми темпами. Чуть ли не каждый день жители слышат о новых разработках. Причём касаются они самых разных сфер нашей жизни: от медицины до строительства. Множество открытий совершают в стенах Пермского Политеха. Чем удивляли учёные в последнее время?

Робот для ремонта труб

Ни для кого не секрет, что значительная часть водопроводных и канализационных труб сильно изношены. Такая же история в нефтяной и химической промышленности, говорят в Пермском Политехе. Нужны регулярные осмотры, чистки, ремонт. Обеспечить их непросто. Уже существующие технологии и роботы не могут проходить крутые повороты. Они работают только в трубах одного диаметра. Пермские учёные вместе с коллегами из Волгоградского государственного аграрного университета придумали, как решить проблему. Они разработали универсального робота. Он может подстраиваться под размер трубы, причём делает это автоматически. А благодаря особой конструкции колёс робот не застревает на поворотах.

«Главное преимущество — возможность адаптироваться к разным диаметрам: от 500 до1400 мм. Конструкция при этом не меняется, а робот способен перемещаться по вертикальным секциям, — рассказывает кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ Дмитрий Кучев. — Устойчивость и надёжность движения робота обеспечивает интеллектуальная система из шести опорных ног с пружинными подвесками. Она позволяет сохранять контакт со стенками трубы даже на неровностях и крутых поворотах».

Устройство уже успешно прошло испытание.

«Управление комплексом интуитивно понятно: его достаточно извлечь из упаковки, подключить провода и нажать кнопку», — добавил Дмитрий Кучев.

Для костных имплантов

Одной из последних разработок пермских учёных стала методика получения высокопористого материала для костных имплантатов. Тема эта очень актуальная, ведь у 50 % женщин и 20 % мужчин старше 50 лет серьёзно повышается риск переломов.

«К этой “тихой эпидемии” остеопороза добавляются тяжёлые травмы, полученные в результате ДТП, занятий спортом, хирургического удаления опухолей. Когда организм уже не может восстановиться самостоятельно, необходим совершенный имплантат: он должен быстро растворяться, активно помогать заживлению и при этом быть доступным в финансовом плане, — рассказали в Пермском Политехе. — Учёные разработали методику получения пористого материала на основе фосфатов магния. Он может служить каркасом для новых костей и работать как долговременный контейнер для лекарств, что позволяет быстро и физиологично восстановить повреждённые ткани».

Долгое время золотым стандартом считались имплантаты на основе фосфатов кальция. Но их минус в том, что они очень медленно рассасываются. При этом вещества, которые высвобождаются, долго перерабатываются организмом. Альтернатива — фосфаты магния. У них оптимальная скорость растворения. Ионы магния остаются в зоне поражения и запускают процесс восстановления. В имплант можно «встроить» антибактериальный компонент для борьбы с инфекциями и даже вещество, ускоряющее заживление.

Пермские учёные впервые в России разработали методику получения такого высокопористого материала для костных имплантов. Для этого они особым способом синтезировали струвит — природный минерал. В нём уже есть необходимые для кости магний и фосфор, а также вода и аммиак. При нагревании последние два элемента испаряются, оставляя множество пустот внутри. Так получается высокопористый материал на основе фосфата магния — это готовая основа для будущего имплантата.

Долгое время золотым стандартом считались имплантаты на основе фосфатов кальция. Но их минус в том, что они очень медленно рассасываются.

Но далеко не каждый струвит способен на такую трансформацию. Для биосовместимости нужен активный пористый каркас, в который смогут прорастать клетки и сосуды. В Перми выяснили, какой подойдёт. Его внутренняя поверхность равняется 266 кв. м на грамм. Если мысленно развернуть внутренние стенки пор всего одного грамма порошка, они покроют площадь размером с теннисный корт. При этом материал очень «вмести-тельный».

Такое сочетание имеет большие перспективы для применения в медицине.

«Большая площадь поверхности станет идеальным каркасом для клеток. Это даст им в тысячи раз больше точек для закрепления и значительно ускорит срастание имплантата с костью пациента. А развитая пористая структура позволит использовать материал как умный контейнер», — отмечает доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук Ирина Пермякова.

Вечные барьеры от пожаров

Обратная сторона технического прогресса — миллионы тонн промышленных отходов. А если использовать их для дела? Именно такая идея возникла в Политехе. Учёные придумали, как превратить отходы в «вечный» барьер от лесных пожаров, которые наносят многомиллиардный ущерб ежегодно (только в 2025 г. было выжжено 4,3 млн га, эта площадь сравнима с небольшим европейским государством).

Для борьбы с огнём используют минерализованные полосы. Но они недолговечны и быстро теряют эффективность, зарастая травой и покрываясь опавшей хвоей (она легко воспламеняется). Для поддержания противопожарных полос применяют разные методы, но у всех есть недостатки. В ПНИПУ нашли простое решение, предложив использовать во благо давний источник экологических проблем — содовый шлам (в стране накопилось уже более 40 млн т). Он препятствует росту растения из-за высокой щёлочности и не пропускает семена и корни благодаря плотный структуре. Это подтвердили исследования.

Разработка позволяет использовать шлам для противопожарных полос без какой-либо предварительной обработки.

«В чистом шламе рост корней тестовых растений (овса) был подавлен на 83 %, в смеси с обычным грунтом в пропорции 1:3 эффект торможения составил 59 %, а при более низкой концентрации шлама (пропорция 1:2) показатель всё равно высокий — 33 %. Научно доказанной фитотоксичностью (способностью подавлять рост растений) считается показатель в 20 %», — отмечает профессор кафедры автомобилей и технологических машин ПНИПУ, доктор технических наук Константин Пугин.

В противопожарной полосе риски от использования шлама можно устранить за счёт контролируемого применения, говорят в вузе: материал размещается не в плодородной почве, а в специально созданной траншее.

На страже истории

До наших дней дошло немало старинных деревянных строений, которые хранят историю наших предков. Но время беспощадно: оно способно разрушить любой материал. В Перми открыли новый метод моделирования усиления исторических деревянных зданий с помощью композитных материалов.

«Восстанавливать объекты культурного наследия непросто. Церкви, усадьбы, исторические дома и другие объекты архитектуры, долгое время подвергавшиеся климатическим воздействиям и естественному износу, теряют прочность. Основная проблема в том, что замена повреждённых конструкций даже при условии использования аналогичных материалов и технологий часто рассматривается как крайняя мера. Это нарушает исторический облик, увеличивает нагрузку на фундамент и не всегда реализуемо.

Также при демонтаже высок риск повреждений, — рассказывают в вузе. — Учёные Политеха и ПГАТУ создали инженерный инструмент усиления исторических деревянных конструкций углеволокном на базе МКЭ — программного инструмента, который рассчитывает поведение частей объекта под нагрузкой».

Разработка помогает определить, сколько слоёв и какого типа углеволокна нужно для восстановления конкретного элемента. Она применима по отношению к разным частям памятников (аркам, колоннам и т. д.).

Прочные протезы

Аварии на дорогах, несчастные случаи на производстве, участие в боевых действиях приводят к тому, что человек теряет конечности. Чтобы облегчить ему жизнь, используют протезы. Чем они прочнее, тем лучше. Ключевая их деталь — гильза. Обычно она изготавливается из однородных материалов. Толщина и жёсткость практически неизменны. В результате во время ходьбы давление концентрируется в определённых зонах. Результат: боль, повреждения кожи, износ гильзы.

«С помощью 3D-печати её изготавливают по параметрам тела конкретного человека, но из-за анатомических особенностей давление в ней распределяется неравномерно, что со временем может приводить к повреждениям и угрозе безопасности. Пермскими учёными разработан метод интеллектуального армирования. На основе компьютерного моделирования в самые нагруженные зоны гильзы встраивают углепластиковые нити», — сообщили в Политехе.

У них уникальное сочетание свойств, критически важных для протеза. Изделия получаются прочными и жёсткими, но лёгкими. Это усиливает конструкцию на 40 %.

«Наш подход позволяет гибко настраивать ключевые параметры усиления: количество углеродных нитей, шаг между ними и глубину залегания, что обеспечивает оптимальное перераспределение нагрузки», — рассказал кандидат физико-математических наук, зав. научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Как новая технология должна работать на практике? Сначала врач снимает с культевой области пациента 3D-скан, который загружается в программу. Она рассчитывает индивидуальную карту нагрузок и готовит цифровую инструкцию для 3D-принтера. Во время печати из нейлона в гильзу автоматически вплетаются карбоновые стержни. Получается усиленное изделие. Разработку уже можно внедрять в производство.

Секрет в клетке. Физики научились прогнозировать поведение живых тканей Подробнее