Современные технологии открывают большие возможности для персонализированной ортопедии, позволяя оптимизировать параметры протезов под анатомические особенности каждого человека. Основные проблемы 3D-печатных экзопротезов, в частности для транстибиальных ампутаций (ниже колена), заключаются в неравномерной нагрузке на конструкцию, приводящей к ее разрушению. Ученые Пермского Политеха разработали способ создания прочных и легких экзопротезов с помощью 3D-печати и укрепления углеродным волокном. Новый метод позволяет значительно повысить долговечность и надежность изделий, обеспечивая их комфорт и индивидуальную адаптацию под анатомию пациента.

Результаты опубликованы в журнале «Polymers», 2025. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10350).

Экзопротез – это устройство, замещающее утраченную конечность и частично восстанавливающее ее функции. В отличие от имплантатов, которые вживляются внутрь организма, оно используется наружно и крепится к культе (остатку части тела после удаления).

Экзопротез при транстибиальной ампутации (на уровне ниже колена) состоит из трех основных компонентов: гильзы, опоры и стопы. Гильза представляет собой чашеобразную конструкцию, которая надевается на конечность и передает механическую нагрузку от тела на протез. Ее можно спроектировать и напечатать на 3D-принтере на основе данных комплексного сканирования конечности человека. Это единственная деталь, подстраивающаяся под форму культи, остальные – опора и стопа, могут быть выполнены на основе стандартных изделий.

Однако остается проблема повышения прочности гильзы, так как на нее воздействует нагрузка всего тела человека, что приводит к образованию и распространению трещин на ее поверхности. Улучшить механические характеристики возможно за счет добавления в структуру упрочняющих элементов, таких как стекловолокно, углеродные, кварцевые, силикатные волокна и другие. При этом усиление конструкции целиком нецелесообразно из-за значительных затрат на материал.

Ученые Пермского Политеха предложили новый способ повысить надежность экзопротезов отдельными прутками, состоящими из углеродных волокон и полимера и внедренными в критически нагруженные участки протеза. Углеродное волокно, известное своей высокой прочностью и легкостью, позволяет распределить нагрузку, предотвращая образование трещин и повышая устойчивость конструкции.

В качестве материала гильзы политехники использовали полиамид PA12 (нейлон) – полимер с высокими прочностными и жесткостными характеристиками, который широко применяют в 3D-печати в области биомедицины. В качестве армирующего материала использовали углеродные прутки из 3000 непрерывных волокон и полимера.

Компьютерное моделирование дает возможность заранее изучить свойства материала и детально отследить его изменения и деформации. Так, воспроизводя процесс нагружения образцов, политехники смогли выявить зоны, склонные к появлению трещин под неравномерной нагрузкой. Далее, по 3D-модели гильзы определили, какое расстояние между углеродными прутками наиболее оптимально и обеспечивает необходимую прочность детали.

– Укрепляющие элементы принимают на себя основную нагрузку, делая протез гораздо прочнее. Но если расположить их слишком далеко друг от друга, они перестанут работать так эффективно. При этом важно минимизировать количество прутков, чтобы сэкономить материалы и не утяжелить конструкцию. Мы подобрали расстояние, которое обеспечивает наилучший баланс прочности и веса гильзы, – объясняет Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

На основе полученных результатов ученые изготовили прототип гильзы с локальным усилением. Для этого с помощью роботизированной установки сначала создали половину предполагаемой толщины стенки протеза. Далее проводили укрепление прототипа отдельными углеродными прутками по специально разработанной траектории. После закрывали их дополнительными слоями полимера, а деталь дорабатывали до восстановления требуемой толщины стенки гильзы.

Такой подход позволяет качественно интегрировать углеродные прутки в процессе печати, обеспечивая их прочное сцепление с полимерным основанием, а также сократить время изготовления персонализированных протезов.

– Локальное укрепление эффективно усилило высоконагруженные зоны протеза. Приложение нагрузки, равной весу тела пациента весом 100 кг, показало, что наличие прутков снизило напряжение в конструкции на 16.2%. При этом ее вес увеличился лишь на 1 грамм, – поделился Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Технология создания легких и прочных протезов ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для персонализированной ортопедии. Предложенная методология сочетает преимущества аддитивного производства и композитных материалов, что повышает долговечность и надежность изделий, а также учитывает индивидуальные потребности пациентов.

С помощью предлагаемого ПО можно заранее оценивать необходимую глубину фундаментов, рассчитывать несущую способность свай сечением от 30 до 35 сантиметров, строить графики зависимости нагрузки от осадки конструкции, а также прогнозировать ее будущее поведение.

— Наша программа основана на данных статического зондирования и статических испытаний свай. При зондировании специальный зонд вдавливают в грунт и измеряют сопротивление на разных глубинах. Статические испытания свай — это проверка несущей способности свай при нагрузке. Мы собрали и оцифровали архивные материалы более чем по 70 объектам и 180 сваям в глинистых грунтах. На их основе обучили нейронную сеть, которая предсказывает результаты испытаний свай по данным зондирования. В результате модель способна предсказать осадку с точностью около 28%, чего достаточно для предварительного расчета и проектирования фундаментов, — объясняет Ян Офрихтер, старший преподаватель кафедры строительного производства и геотехники ПНИПУ.

По словам ученых, на сегодняшний день «CPTPileANN» реализовано в виде небольшого приложения, устанавливаемого на персональный компьютер. Несмотря на то, что текущая версия еще требует доработки пользовательского интерфейса, технология уже демонстрирует впечатляющие результаты. Она позволит застройщикам лучше планировать геологические изыскания, снижать риски перерасхода бюджета и ускорять начало строительства.

Разработка ученых Пермского Политеха предлагает перспективное решение для проектирования свайных фундаментов, позволяя с помощью нейросетей получать точные необходимые характеристики. Внедрение технологии позволит строительной отрасли в РФ выйти на новый уровень эффективности, безопасности и экономической целесообразности.

В аэрокосмической, судостроительной и военной промышленности для создания крепких, долговечных изделий применяют мартенситно-стареющие стали. Это высокопрочный материал, сохраняющий свою пластичность и вязкость даже при экстремально низких температурах. Синтез различных сталей в РФ все чаще производят с помощью технологий 3D-печати – послойного накладывания слоев металла друг на друга. Однако при таком способе наплавки структура стали часто получается неоднородной. В ней остаются крупные разнородные кристаллы, возникают пустоты и трещины, которые негативно сказываются на эксплуатационных свойствах и сроке службы будущих деталей. Ученые Пермского Политеха предложили эффективный способ улучшения макроструктуры мартенситно-стареющих сталей с помощью гибридной наплавки и дополнительной термической обработки. Технология улучшает однородность, плотность, пластичность и прочность материала, что повышает качество и долговечность изделий.

Статья с результатами опубликована в журнале «Металловедение и термическая обработка». Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (№ 21-19-00715).

Послойное формирование сплава аддитивными технологиями (3D-печатью) часто приводит к неравномерному распределению материала. Его слои прилегают друг к другу недостаточно плотно, из-за чего в структуре остаются пустоты и трещины, негативно влияющие на прочность и долговечность стали.

Решением такой проблемы стало применение гибридной обработки, при которой каждый наносимый слой подвергается дополнительному деформационному упрочнению – механическому воздействию, за счет которого материал уплотняется, а его структура измельчается. Технология уже зарекомендовала себя в наплавке алюминиевых, титановых и никелевых сплавов.

Однако для синтеза мартенситно-стареющих сталей такого способа повышения однородности недостаточно. Это высокопрочный материал на основе железа, содержащий различные легирующие элементы. И даже после гибридной наплавки структура такой стали остается неоднородной, в ней присутствуют крупные разнородные кристаллы, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Для улучшения макроструктуры мартенситно-стареющей стали ученые Пермского Политеха разработали комплексный метод, который кроме аддитивной наплавки металла и деформационного упрочнения сочетает также дополнительную термическую обработку получаемого сплава – закалку при высоких температурах и последующее охлаждение.

— У мартенситно-стареющей стали есть особенность — ее можно значительно улучшить с помощью термообработки. Ее закаливание (нагрев при высоких температурах и резкое охлаждение) вызывает образование микроскопических упрочняющих частиц, делающих сталь прочнее, но сохраняющих ее гибкость. Далее при старении, когда сталь «доформировывает свою структуру» при умеренном нагреве (500°C), эти частицы равномерно распределяются. В итоге получается материал, который способен выдержать нагрузки до 1000 Мпа и остается пластичным, — объясняет Михаил Симонов, директор лаборатории «Объединенная лаборатория фундаментальных исследований в металловедении» ПНИПУ, кандидат технических наук.

В ходе эксперимента политехники использовали мартенситную сталь ЭП659A (Cr12Ni9Mo2Si), которая в основном применяется для высокоответственных изделий с повышенными характеристиками прочности и сопротивления коррозии в различных агрессивных средах (например, мостов, крановых конструкций и нефтегазовых платформ). Наплавку материала осуществляли с помощью электрической дуги и проволоки, и каждый слой обрабатывали пневмомолотом для лучшего уплотнения.

Ученые сравнили два режима получения сплава — без использования термообработки после гибридной наплавки и с ней. Температура нагрева для закалки составляла 940°C в течение 45 минут с последующим охлаждением в воде. Старение проводилось при температуре 520°C в течение 240 минут. Далее изучали, как термообработка повлияла на структуру и механические свойства стали ЭП659A.

Результаты показали, что наплавка по второму режиму (с термообработкой) делает макроструктуру стали более однородной по сравнению с первым. Исчезают дефекты, такие как зоны крупных столбчатых кристаллов, размеры которых не превышали 80 мкм. Также возрастают механические характеристики — твердость заготовок повышается на 30%, а предел прочности вырастает до 1185 МПа (для сравнения: у обычной конструкционной стали — около 400-600 МПа).

Политехники отмечают, что даже при экстремально низких температурах (-100°C) материал демонстрирует высокую устойчивость к разрушению. Это открывает новые возможности для применения мартенситных сталей в ответственных конструкциях, где требуется сочетание прочности и надежности в широком диапазоне температур, например, в элементах летательных аппаратов, морских платформ и газовых турбин, которые могут работать при низких температурах.

Технологией уже заинтересовались и начинают применять предприятия ракетного двигателестроения.

Исследование ученых Пермского Политеха доказало, что сочетание гибридной технологии 3D-наплавки с последующей термической обработкой значительно улучшает свойства синтезированной мартенситно-стареющей стали. Внедрение технологии в промышленность позволит создавать долговечные изделия из различных сплавов и сталей, способные эксплуатироваться в экстремальных условиях.

Современные технологии активно внедряются в российскую военную промышленность. Развиваются БПЛА и роботизированные комплексы с искусственным интеллектом, создаются новые гиперзвуковые аппараты, средства для радиоэлектронной борьбы и системы навигации. Все это направлено на укрепление обороноспособности страны и развитие передовых видов вооружения. Студент Пермского Политеха разработал прототип автоматической турели, использующей технологии нейросетей и машинного обучения. Технология может применяться для мониторинга периметров или защиты инфраструктуры. Проект демонстрирует потенциал автономных систем в сферах безопасности и обороны РФ.

Турель – это установка, оснащенная вращающейся платформой, на которой закрепляют различное оружие, датчики или другие функциональные модули. Ее устанавливают на военных самолетах, танках, кораблях, дронах для управления огнем, защиты периметров и наблюдения за критически важными военными объектами. Турель может управляться вручную или дистанционно, но с внедрением алгоритмов компьютерного зрения и машинного обучения можно обеспечить ее полную автономность и максимально исключить участие человека в управлении.

Студент электротехнического факультета Пермского Политеха разработал прототип автоматической турели, которая способна самостоятельно обнаруживать и классифицировать бронетехнику с помощью компьютерного зрения.

– Существующих, полностью работающих и использующихся подобных продуктов на рынке нет в виду сложности реализации полного комплекса турели. Но разработки и продвижение этой технологии есть, и в скором будущем, возможно, мы увидим полноценное применение таких систем, – рассказывает Андрей Сырвачев, автор проекта, студент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ.

Умная турель оснащена системой компьютерного зрения, работающей на базе нейросети YOLO – современного алгоритма глубокого обучения. Для обучения был создан набор данных из 7000 изображений боевых машин таких моделей как Leopard 2A1, БТР-80, Abrams, Stryker и Т-90. Система анализирует данные с камеры, вычисляет координаты цели. Для точного наведения используются сервоприводы, а управление осуществляется через микроконтроллер Arduino.

– Уникальность моего проекта заключается в процессе минимизации участия человека в работе системы и умении работать в среде, которая бы не боялась средств РЭБ (радиоэлектронной борьбы), – поделился Андрей.

По словам разработчика, сейчас прототип находится в рабочем состоянии. Веб-камера принимает видеопоток, который обрабатывает ноутбук. Нейросеть обнаруживает бронетехнику на изображении, определяет ее тип и принадлежность к союзным или вражеским силам. Вычисляет длину вектора и координатную четверть где находится объект. Передает данные на микроконтроллер, который дает команду наведения сервоприводам и производит выстрел.

– В современном мире, где вопросы безопасности, обороны и автоматизации процессов становятся все более значимыми, такие системы представляют собой важный шаг в направлении создания интеллектуальных решений, способных адаптироваться к изменяющимся условиям, – рассказывает Елена Кротова, заведующая кафедрой «Высшая математика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Разработчик планирует доработать и оптимизировать систему, заменить ноутбук на микрокомпьютер для удешевления и повышения эффективности, а также добавить способы передвижения устройства.

Автоматическая турель с нейросетевым управлением студента Пермского Политеха демонстрирует значительный потенциал для российской военной промышленности. Внедрение таких решений может повысить эффективность войск, снизить зависимость от человеческого фактора и укрепить технологический суверенитет России в области искусственного интеллекта и роботизированных систем.