Как сделать кольцо?

Они умеют работать и руками, и головой - эти специалисты точно будут востребованы на рынке труда.

Кто же это? Конкурсанты WorldSkills Russia. В Уфе был представлен широчайший набор компетенций: от машинного обучения (т.е. создания искусственного интеллекта) и ремонта летательных аппаратов до токарного, поварского, ювелирного дела. И все это очень интересно! 

Почти космическая красота

Тончайшие серебряные пластины образуют затейливую пирамиду, а на ее вершине и уступах - тоже по спирали - располагаются драгоценные камни. Так должна выглядеть верхняя часть перстня, который предлагается изготовить участникам чемпионата в компетенции «Ювелирное дело» (Jewellery). Правда, камни они вставлять в гнезда не будут: для демонстрации мастерства достаточно выполнить работы до этой стадии, в металле. Но сами гнезда изготовить должны.

Схема вершины перстня, который должны были изготовить конкурсанты

Фотографировать участников за работой не разрешается. На столе у каждого - множество затейливых приборов: кто-то бьет молоточком по миниатюрной наковальне, кто-то припаивает детали - видна тонкая струя голубого пламени… Им выданы все необходимые материалы: серебряная трубка толщиной в 5 мм (видимо, для той части, что надевается на палец), пластины толщиной 0,8, 1 и 1,2 мм. Круглая проволока для креплений…

- Да, это высокий уровень, сложная работа, - говорит эксперт по компетенции - ювелир из Красноярска Алексей Шахназаров. - Поэтому на нее дается 3 дня по 7 часов. Затем мы собираем изделия и обсуждаем, так что увидеть их не получится. Вчера мы ушли отсюда в час ночи.

- Не понимаю, как эту конструкцию можно сделать аккуратно, симметрично!

- В этом и сложность. Еще есть творческая часть задания: украсить остальную часть изделия (ту, что надевается на палец) - по своему вкусу, но в единой тематике: на тему космоса.

В самом деле, как жаль, что не получится увидеть готовые изделия!

- Но ювелирные украшения сегодня изготавливают заводы…

- Хороший мастер без работы не останется. Потому что заводское изделие и изделие ручной работы - это как «Запорожец» и «Мерседес» - убежден специалист.

Это фото не с конкурса - просто иллюстрация ювелирного мастерства

Токарь XXI века

Под соревнования в компетенции «Токарные и фрезерные работы на станках с ЧПУ» отведено внушительное пространство. Еще бы, ведь значительную его часть занимают станки: высокие корпуса, соединенные с компьютерами, плюс столы для инструментов. Нужно подобрать настройки, и всю обработку станок выполнит сам, внутри корпуса. Кажется, теперь все просто? Но вот тут-то мы и узнали, какие хорошо подготовленные кадры нужны для работы на современных высокопроизводительных станках.

Об их преимуществах и трудностях нам рассказал участник чемпионата из Самары Данила Поляков.

- В этом году подобрались сильные участники, борьба обещает быть серьезной, - говорит он. -Соревнуются отдельно токари и фрезеровщики. Кто не знает, на токарном станке вращается сама заготовка, а на фрезерном - фреза. И как минимум работать на современном станке гораздо безопасней. Вращение происходит на очень больших оборотах - например, 5000 в минуту (на фрезерном больше - к примеру, 12 000 оборотов). Малейшее несоблюдение техники безопасности - и возможен несчастный случай, в тому же на открытом станке вокруг разлетается горячая стружка. А тут, когда ты открываешь дверь корпуса, станок прекращает все операции.

Но это не значит, что все легко. Мы не только вставляем деталь в шпиндель. Нужно точно оценивать размеры и соответственно подбирать вставляемые инструменты и правильный режим обработки. Настраиваем станок, программируем его компьютер. На соревнованиях бывали случаи, когда, например, один инструмент обрабатывал деталь, а другой врезался в кулачки, которые его держат. Или участник забыл исправить всего один небольшой параметр с «Да» на «Нет», в результате чего сломался сам шпиндель.

На фрезерных станках все не так серьезно: в крайнем случае сломается сама фреза. Зато программировать там нужно больше и, я бы сказал, интересней. Думаю, в дальнейшем я освою и эту специальность. Почему бы и нет? В программе соревнований для всех участников - два модуля: обработка стали и алюминия. Поскольку алюминий более мягкий металл, с ним работать чуть полегче. Но я настроен на победу, так что расслабляться нельзя.

- Эти станки не только безопасные, но и высокоточные. А насколько точной должна быть токарная и фрезерная обработка?

- Может быть и до микрона (1 мкм - одна тысячная миллиметра), но чаще сотые доли миллиметра. Кстати, как раз поэтому каждый участник приносит с собой собственные измерительные приборы. А микрометр – тоже недешевый инструмент.

- Где же нужна такая точность?

- В ракетостроении, точнее, в двигателях для ракет. И для истребителей тоже. В общем, не везде, но много где.

Генный конструктор

Знаете ли вы, что, когда ученые открыли метод рестрикционного анализа (вернее, способ вырезать нужные фрагменты ДНК), они вырезали из генома морских глубоководных водорослей фрагмент GFP, отвечающий за то, чтобы они светились, и вставили в кишечную палочку - просто чтобы доказать, что метод работает? А затем появились трансгенные рыбки данио рерио, светящиеся зеленым, красным или желтым цветом. В их ДНК встроены фрагменты ДНК светящейся медузы Aequorea victoria и красного коралла Discosoma. Но это скорее декоративное применение методов геномной инженерии.

О том, какие фантастические манипуляции проводят сегодня специалисты и к каким серьезным результатам это приводит, «УВ» рассказала старший научный сотрудник лаборатории биологии и почвоведения Биологического института Томского государственного университета Анна Герасимчук:

- Мы выделяем ДНК, вырезаем из нее интересующий нас фрагмент и затем встраиваем в другой организм. Такой перенос генов происходит и в природе - в основном у микроорганизмов (в частности, именно таким способом бактерии могут приобретать резистентность к антибиотикам). Просто мы это делаем целенаправленно.

Компетенция геномной инженерии состоит из четырех модулей. Это микробиологический посев в стерильных условиях, работа с биоинформатическими методами, проведение полимеразной цепной реакции, а также выделение ДНК и рестрикционный анализ. Это базовые методики, которыми должен владеть любой специалист в этой области. Причем соревнуются у нас студенты колледжей: Томского аграрного, Новосибирского химико-технологического, Коломенского аграрного и Острогожского многопрофильного техникума.

Что же это за методы и для чего они нужны?

Микробиологический посев - это размножение нужных нам микроорганизмов в определенной среде. Чаще всего мы работаем с бактерией Escherichia coli - кишечной палочкой. Но здесь, на финале чемпионата, мы проводили посев молочнокислых бактерий. Культура растет одну ночь, так что утром мы уже могли оценить результаты.

Почему мы часто работаем с кишечной палочкой? После многолетних исследований ученые поняли, что это идеальный объект для геномной инженерии. Она быстро растет, у нее относительно небольшой геном, неприхотлива к температуре, и ее можно выращивать на различных питательных средах. Как она используется? Например, мы хотим получить инсулин. Берем ген, ответственный за производство инсулина у человека, и встраиваем его в Escherichia coli - и она начинает производить человеческий инсулин (также его могут производить пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae). После этого нужно только получить большие объемы бактерии, а затем инсулина, очистить его - и использовать как лекарственный препарат при диабете. В первый раз рекомбинантный человеческий инсулин был получен в 1978 году. До этого использовали препараты, выделенные из поджелудочной железы собак, свиней, коров, однако они часто вызывали аллергические реакции, а способы их получения были трудными и довольно жестокими.

На чемпионате получали культуры молочнокислых бактерий. А это культура кишечной палочки - E.coli

Таким же способом получают, например, липазы и другие важные ферменты. Липазы - ферменты, помогающие расщеплять жиры. Они активно применяются не только в медицине, но и в пищевой, фармацевтической и других видах промышленности и даже для биоремедиации загрязненных водоемов. Естественно, кроме E. coli, мы используем многие другие бактериальные и эукариотические клеточные культуры.

С полимеразной цепной реакцией за последнее время познакомилась большая часть населения планеты. Если говорить коротко, она позволяет копировать и многократно размножить определенный известный нам участок ДНК, но только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце. Именно так проводят ПЦР-анализы на коронавирус и множество других болезней. Также эта реакция используется для установления отцовства, выделения новых генов и не только.

В случае ПЦР-теста мы определяем наличие или отсутствие известного нам микроба (точнее, гена). Если же имеются неизвестные микроорганизмы и нужно понять, с чем мы имеем дело - тут поможет рестрикционный анализ. Его суть в том, что при помощи различных ферментов (рестриктаз) можно вырезать из ДНК нужные нам фрагменты, причем все они будут одного и того же размера. Их размер можно измерить и получить карту ресктрикции. Сравнивая карты рестрикции различных штаммов, можно выявить принадлежность к определенному роду или виду, а также обнаружить участки, подвергнутые мутациям. Это один из самых быстрых и достоверных методов их идентификации.

Также конкурсанты должны были продемонстрировать умение работать с биоинформационными компьютерными программами. Их много, но есть несколько особенно хорошо известных. У нас это российская программа Ugene. Она позволяет быстро анализировать большое количество данных, причем многие алгоритмы для анализа уже встроены в нее. При помощи Ugene мы можем подобрать ферменты, которыми нам будет удобнее разрезать ДНК - вместо того, чтобы ставить множество экспериментов. Подобрать праймеры для ПЦР или, если подходящих нет, можем сконструировать его сами. Словом, это наш бесценный помощник.

Как вы могли заметить, на чемпионате, не проводились манипуляции с человеческой ДНК. Вообще это отдельный вид исследований. И хотя молекулярный механизм CRISPR/Cas, позволяющий разрезать и «чинить» человеческую ДНК, уже открыт и за него в прошлом году дали Нобелевскую премию, ту есть немало сложных, опасных и спорных моментов, так что до его широкого применения еще далеко. Однако генная терапия в целом сегодня быстро развивается: в частности, препарат Zolgensma для лечения спинальной мышечной атрофии - это генно-инженерный препарат, и таких лекарств сегодня уже немало.

На наших глазах появляются новые виды вакцин.

"Золотой рис" обогащен b-каротином, способствующим выработке витамина А в организме: в странах, где преимущественно питаются рисом, обнаружен недостаток этого витамина

Пока что геномные инженеры гораздо чаще имеют дело с микроорганизмами, растениями, животными. Чем в этой области может заниматься выпускник аграрного колледжа? Например, проводить диагностику партий зерна или других продуктов: являются они генно-модифицированными или нет. Или тестировать картофель или другие образцы сельхозпродукции на наличие инфекционных заболеваний с помощью ПЦР. Другое направление - улучшение сортов растений или пород животных. Например, мы хотим, чтобы морковь была более сладкой. Или чтобы она - или другой продукт - был бы обогащен каким-нибудь витамином. Например, во многих странах - особенно там, где едят много риса - есть дефицит витамина А. Поэтому создан сорт риса, обогащенный бета-каротином, из которого производится этот витамин.

Своими впечатлениями от конкурсных заданий с нами поделился студент Новосибирского химико-технологического колледжа Михаил Кирсанов:

- Самыми сложными была два последних дня - ПЦР и рестрикционный анализ. Это длительные процессы, состоящие из небольших, но важных операций, требующих большой точности. Допустил ошибку - придется переделывать все сначала. К тому же мы работаем с очень небольшими объемами препаратов, так что контролировать процессы – все правильно считать, набирать, отмеривать - тоже непросто. Что же касается результата, я жду оценки специалистов.

Раз - и спутник

«Инженерия комических систем». Звучит интригующе. Неужели конкурсанты проектируют какой-нибудь узел космического корабля? Нет. Их задача – создать работающую модель малого космического корабля. И, естественно, смоделировать все расчеты - как для настоящего спутника. На это давалось три дня.

Рассказывает капитан команды из Татарстана Руслан Даминдаров:

- Спутники бывают разные. Бывают МКА для зондирования Земли радиоволнами (для этого используют GPS, ГЛОНАСС): так оценивается содержание влаги в атмосфере, содержание углекислого газа в разные моменты времени и в разных точках планеты и т.д. МКА для передачи сигналов связи. Спутники-шпионы, которые изучают какую-нибудь территорию, а также занимаются поиском других спутников-шпионов. Наш «спутник» был предназначен для того, чтобы фотографировать Землю и передавать фото в «Центр управления полетов».

Алмазный карьер в Якутии. Съемка со спутника

Севастополь. Балаклавская бухта

В первый день мы высчитывали 3D-модель. Для этого наш 3D-моделист рассчитал очень много параметров и систем. Моменты инерции, смещения по осям - чтобы понимать, как он поведет себя в космосе: можно ли будет его стабилизировать или он будет в случае ошибки в расчетах он будет беспорядочно крутиться… Естественно, его нужно было запрограммировать.

Модель собрана на базе комплекта «Спутникс», который был разработан российской компанией специально для этих соревнований. Там есть все необходимые детали: Имитатор солнечной батареи, солнечные датчики, магнитометр для определения магнитного поля, датчик угловой скорости, маховик для раскрутки в нужную сторону, камера, УКВ-передатчик для передачи телеметрии, ВЧ-передатчик - для фотографий.

Последний модуль, самый интересный и зрелищный - мы решаем целевую задачу: рассчитанный, собранный спутник помещаем в специальную магнитную рамку (модель магнитного поля Земли) и из разных положений раскручиваем его на конкретную цель -  «Землю» - и делаем фотографии.

- Если бы это был реальный спутник, с какой четкостью он бы делал фотографии?

- Это зависит от камеры, которую мы туда поставим. Спектральная камера видит тепловую картину планеты. Обычная фотографирует днем, а есть камеры, которые могут делать хорошие снимки ночью. 

- Вы довольны работой своей команды?

- Да. Все были хорошо подготовлены, и каждый выполнил свою задачу.

- Хотели бы вы посвятить этому свою жизнь?

- Пожалуй. Мне это интересно. Я получаю удовольствие от решения задач, процесса их создания. Не хотелось бы только заниматься созданием оружия.

Вкалывают роботы

За ограждением с надписью «Промышленная робототехника» расположились роботы - огромные металлические руки. Из-за него начинают по одному выходить соревнующиеся: первый модуль закончен. Участники из Уфы - Юлия Какута (выпускница Авиационного техникума) и Булат Нигматуллин (колледж радиоэлектроники) - готовились к финалу с декабря прошлого года. И, как отмечает Булат, чувствуют себя довольно уверенно.

Промышленный робот

- Мы пока прошли только первый модуль: загрузку-выгрузку станка, - рассказывают ребята. - Станок - в закрытом коробе, у него открывается дверь, и робот должен загрузить туда заготовки. Он должен, естественно, ничего не уронить и правильно подсчитать количество деталей разных типов (деталей девять, двух разновидностей). Затем он забирает готовые изделия и ставит в дверной магазин.

Следующий модуль - фрезеровка. Участникам дается заготовка, 3D-модель нужной детали, и мы должны создать программу и загрузить ее в робота. Процесс происходит в автоматическом режиме: на «руку» надевается шпиндель, есть фреза и, если все правильно, довольно мы получаем готовую деталь из пенополистирола.

- Какие программы нужно знать, чтобы управлять роботом?

- Для роботов Kuka - Kuka sim pro, для Fanuc - Roboguide.

После этого ребятам предстоит заставить робота правильно рассортировать готовые детали (для этого у него есть специальный датчик), запрограммировать HMI-панель управления сетью конвейеров, осуществить точечную сварку… При этом на соревнованиях он движется с разрешенной скоростью, а на производстве – намного быстрее. Это можно понять по движениям демонстрационной «руки», которая быстро-быстро (так, что не успеваю сфотографировать) перекладывает по ячейкам буквы. При желании робота можно «попросить» выложить из них ваше имя.

- Кажется, что это простые операции, но когда начнешь этим заниматься, оказывается, что все совсем не так просто, - заключает Юлия.

Просто? Вы тоже так думаете?

- Кем вы хотите быть после такой подготовки?

- А я уже есть. Так получилось, что я уже работаю программистом роботов на заводе «Авиатех», - говорит 17-летний Булат.

- И как далеко продвинулась роботизация на вашем заводе?

- Таким образом делаются лазерная и гидроабразивная резка, фрезеровка, паллетирование (помещение готового товара на палеты для транспортировки). А в будущем… роботы заменят людей. Я в этом уверен.

Однако еще немного, и механические руки научатся делать абсолютно все. Правда, робота-дворника (по крайней мере, человекоподобного) специалисты сделать пока не обещают.

Кстати, Булат Нигматуллин стал победителем чемпионата в своей номинации.

Булат Нигматуллин - победитель в компетенции "Промышленная робототехника"

Кресло от мастера

Павильон I - явно павильон умелых рук: выкладывание плитки, архитектурная обработка камня, малярные работы - казалось бы, что интересного? А видели бы вы картины, которыми могут украсить стену профессионалы кисти, или художественную композицию из той самой плитки?

В отделении столярных работ ребята уже собирали инструмент. В углу я заметил группу только что сделанных стульев: высоких, прямых, величественных - наверное, на таких восседали на пирах русские князья. Причем конструкция у них явно не простая.

- Это называется русский стул, или русское кресло, - просвещает меня участник из Ульяновска Илья Саранов. - Передние ножки у него конусообразные, спинка может быть прямая или с наклоном. Нам дали час на то, чтобы сделать полноразмерный чертеж, и 20 - чтобы изготовить по нему сам стул, из готовых досок. Что самое сложное? Столярное соединение – без гвоздей: на одной детали делается шип, на другой - либо проушина, либо гнездо. Всего 20 деталей. Самым сложным было тройное соединение: задняя ножка, подлокотник и изогнутая боковая деталь.

- Где сегодня учат на столяра?

- Я закончил Ульяновский строительный колледж по специальности «Технологии деревообработки».

- Где она может пригодиться? Мебель изготавливают на больших заводах…

- Мне заказывают разные вещи, чаще всего – на подарок: шкатулки, табуретки, столы, стулья, лавочки для бани… Можно зарабатывать хорошие деньги.

Эксперты и только что сделанный русский стул

Да уж, сегодня, когда все супермодные мебельные гарнитуры делаются из ДСП, ДВП и так далее, шкаф или стул из цельного дерева – это просто мечта.

Компетенция "Декоративная облицовка плиткой"