Лаборатория 3D-Health в Инженерном институте КФУ выглядит просто: небольшая комната с стульями, столами и техникой, приткнувшейся в углу. В такой незамысловатой обстановке ученые создают новый костюм для работы с аддитивными технологиями.
Гражданская наука: досье проекта
Наука биоинженерия
Кто исследует Инженерный институт Казанского (Приволжского) федерального университета
Объект реакции организма человека при различных нагрузках и температурных условиях
Цель разработка нормативных условий и средств защиты при работе с аддитивными технологиями
Место Казань
Сроки Весь 2018 год
Сбор испытателей открыт без даты завершения
3D-печать с риском для здоровья
Аддитивные технологии (от англ. additive — добавление) — это процесс создания объектов послойно, чаще всего 3D-печать. Промышленная 3D-печать бывает связана с риском для здоровья: можно вдохнуть опасный химический порошок, какие-то ядовитые вещества могут попасть на кожу и повредить её. Кроме того, приходится поднимать тяжести и иногда работать с ними при высоких температурах. Между тем специальных защитных средств на этот случай не существует.
Учёные КФУ по инициативе проректора по инженерной деятельности Наиля Кашапова решили создать костюм, учитывающий все особенности работы с 3D-принтерами. Сейчас идёт первый этап исследований. Инженеры собирают данные о том, как организм реагирует на нагрузки при работе в обычном защитном плаще и противогазе, использующихся во всех ситуациях, когда нужно защитить кожу и дыхательные пути от воздействия опасных химических растворов и газов. Собранная информация позволит сформулировать требования к характеристикам и качеству ткани для нового костюма.
Инженеры лаборатории Лилия Саматова и Хишем Абдельбаки вынимают плащ из ящика. Он напоминает рыболовный костюм и сделан из термостойкой прорезиненной ткани. Кроме плаща, для эксперимента понадобится лишь деревянный куб с ребром 30 см.
Резиновый мешок
— Осторожнее надевай! Не повреди датчики.
— На левой ноге датчик отошёл — взгляни на монитор. Если работает, идём дальше.
Инженеры прикрепляют к телу испытателя датчики: к голове, шее, груди и левой ноге. Присоски с проводами, как у аппарата ЭКГ, подключены к массивному прибору — реоприставке для компьютерного анализа. Она регистрирует показатели насосной функции сердца и выводит на экран данные о его кровоснабжении. Программу, записывающую реограммы сердца (колебания электрического сопротивления ткани, отражающие кровенаполнение ее сосудов), инженеры лаборатории разработали специально для этого исследования.
Разобравшись с датчиками, инженеры достают плащ и респиратор, помогают испытателю их надеть. Хишем ставит перед испытателем деревянный куб. Лилия запускает метроном — он служит дополнительным синхронизатором. Под стук метронома испытатель поднимается на куб и спускается с него. Со стороны это напоминает занятие по степ-аэробике в далёком будущем, где-нибудь на безжизненной планете. Прибор щёлкает. Ничего не происходит.
— Это что, весь эксперимент? — не сумев скрыть удивление, спрашиваю я профессора Ильдара Вахитова, руководителя научной группы.
— Да. Это гарвардский степ-тест — единственный тест для определения нагрузок, разрешённый Всемирной организацией здравоохранения. Испытуемому нужно сделать 150 восхождений и спусков за 5 минут — это как подняться на 14-й этаж.
Пóтом, но без крови
Пока учёные имитируют мышечную нагрузку, возникающую при работе с 3D-принтером, на компьютер поступают данные о сердечной активности. На мониторе, подключённом к реоприставке, мелькают цифры: показатель частоты сердечного сокращения, ударного объёма, минутного объёма кровообращения и т. д. С каждой минутой движения даются испытателю всё сложнее, цифры на экране растут.
— Эти данные нужны не только для создания костюма, — продолжает Илдар Вахитов. — Ни в России, ни за рубежом нет нормативов трудовой нагрузки при работе с 3D-принтерами. Если посмотреть на экран, видно, что в костюме мышечная нагрузка увеличивается: молодому, сильному мужчине и то тяжело. Любая работа с техникой подразумевает какую-то физическую нагрузку. В наших лабораториях сотрудники часто имеют дело с 3D-принтерами. А значит, им приходится поднимать и перемещать тяжести, крупногабаритные и, возможно, опасные материалы — нередко в особых температурных условиях. Мы описали все эти условия, нагрузку, рассчитали энергетические затраты и перевели их в ватты и килокалории. Нагрузка может быть разной: от постоянного передвижения в костюме — это тоже требует усилий, костюм ведь не невесомый — до подъёма тяжестей. В зависимости от того, какую физическую деятельность мы хотим смоделировать, мы задаём высоту ступеньки, скорость подъёма и другие параметры. Потом мы проанализируем данные всех тестов, выведем средние значения и составим рекомендации.
На пятой минуте исследования частота сердечного сокращения испытателя приближается к 180. Видно, что он с трудом держит ритм, который задаёт метроном: шаги сбиваются. Наконец Лилия говорит «стоп». Молодой человек с облегчением садится на стул, но снимать костюм и респиратор ему нельзя. Пока он тяжело и часто дышит в респираторе, программа продолжает записывать показатели организма. Так определяют, сколько времени требуется для восстановления. Через несколько минут испытателю наконец разрешают снять костюм. Он мокрый, как после долгой пробежки.
— Жарко как в бане, — комментирует он свои ощущения в костюме, — долго так не проработаешь.
При разработке защиты и нормативов учёные будут учитывать возраст, пол и уровень физический подготовки. Пока испытания проводят только на молодых мужчинах. К эксперименту планируют привлечь сотрудников МЧС и военных. А дальше — всех желающих, в том числе людей среднего возраста, девушек и женщин — при наличии разрешения от врача.
Следующий этап — температурные испытания. В институте оборудовали специальные камеры, где добровольцы будут работать в костюме при повышенных и пониженных температурах. Помимо сердечно-сосудистых показателей учёные будут отслеживать изменения в работе дыхательной системы.
— 3D-принтеры бывают разные и используются в машиностроении, гражданской и оборонной промышленности, медицине — сложнее назвать сферу, где они не применяются или где возможность их применения не рассматривается, — объясняет Илдар Вахитов. — Но в воображении большинства 3D-принтеры всё ещё выглядят как обычные офисные принтеры, которые печатают фигурки. Хотя чаще всего это массивный промышленный аппарат, работа с которым требует большого физического напряжения.
В будущее налегке
Стандартные костюмы и респираторы, которые используются сейчас, в том числе для испытаний, очень далеки от совершенства. Во-первых, как доказывают эксперименты, они чересчур громоздкие и тяжёлые. Во-вторых, при работе с 3D-принтерами большинство из них нагревается и пропускает ядовитые вещества. Экспериментальные данные помогут уточнить оптимальные требования к материалам для костюма нового поколения. А после того, как его разработают, исследования повторят — испытатели будут тестировать новую спецодежду. Учёные рассчитывают, что нагрузка на организм значительно снизится, а показатели защиты, наоборот, повысятся. Промежуточные результаты исследования будут опубликованы в международной базе данных Scopus в октябре 2018 года. На создание нового костюма уйдёт несколько лет, но задумками Инженерного института КФУ уже сейчас интересуются компании в сфере аддитивных технологий по всему миру.
Если вы хотите стать испытателем
Чтобы принять участие в исследовании, свяжитесь по номеру +7 906 113 9847 с профессором Инженерного института КФУ Ильдаром Вахитовым.