В 2021 году ЮУрГУ одержал победу в конкурсе программы «Приоритет-2030». Для вуза и Челябинской области в целом это открывает принципиально новые возможности развития. Это и цифровая трансформация производства, и выход индустрии региона на новый высококонкурентный уровень. Чтобы соответствовать вызовам нового времени и быть конкурентоспособными, предприятиям необходимы сотрудники, на «ты» взаимодействующие с цифровым оборудованием. Именно для подготовки таких профессионалов новой формации в вузе созданы три фаблаба.
О специфике работы фаблаб «Электроника», о самых топовых изобретениях студентов (от «умного» ланчбокса с подогревом до систем управления ракетными двигателями), а также о том, чем должно быть оснащено рабочее место «тру» разработчика, и о перспективах развития лаборатории рассказывает ведущий инженер кафедры «Радиоэлектроника и системы связи» Николай Гудаев.
Историческая справка
– Фаблаб «Электроника» появилась в университете благодаря программе «Приоритет-2030». За каждым подобным проектом, как правило, стоит идейный вдохновитель. Кто стал таким человеком для вашей лаборатории?
– Фаблаб «Электроника» «выросла» на площадке лаборатории схемотехники. Созданием этой лаборатории предложил заняться ныне президент ЮУрГУ, а тогда ректор Александр Шестаков. Это была его идея, продиктованная обращениями производственников. Руководители предприятий Челябинска и области постоянно подчеркивали необходимость усиления практической подготовки студентов. Так появилась идея создания пространства, где студенты смогут не просто разрабатывать модели, но и изготавливать их прототипы. Фаблаб «Электроника» – это опытное мини-производство на площадке университета.
Цели и задачи лаборатории
– Какова цель создания лаборатории?
– Основной целью лаборатории является повышение квалификационного уровня студентов – выпускников наших электронных специальностей. Можно сказать, что в фаблабе они проходят производственную практику по основной специальности. Также предполагалось, что предприятия будут передавать нам часть своих задач, которые мы будем совместно решать, то есть готовить студентов непосредственно по профилю предприятия. После окончания обучения студенты, приходя на предприятие, просто продолжают свою работу.
Студенты фаблаб «Электроника» не только в теории знают, что такое «электронная начинка» оборудования. Они способны практически с нуля изготовить любое электронное изделие: разработать ТЗ, компьютерную модель, создать корпус и прототип будущего изделия.
Наши ребята приходят на предприятие и сразу включаются в работу. Например, во время прохождения практики на ББМВ (группа приборостроительных компаний, Челябинск), ребят подключили к проекту разработки схемы испытания датчиков давления. В рамках нашей лаборатории мы разработали её за две недели.
Фаблаб: минипроизводство в университете
– Почему лаборатория отнесена именно к типу фаблаб?
– Первая часть сокращения (fab) от английского – fabrication – фабрика, производство. В нашей лаборатории производство представлено в миниатюре. Здесь мы можем выпускать изделия небольшими партиями. Студенты работают непосредственно с оборудованием, с установками. У нас здесь шесть рабочих мест, где мы можем разрабатывать и небольшими партиями выпускать изделия. Можем, например, выпустить небольшую партию разогревателей детского питания (10–30 шт.) и попытаться продвинуть продукцию на рынок. Также мы частично можем заниматься монтажом, но для этого нужно организовать поставку деталей. Если дело пойдет и продукция пройдет апробацию, можно запустить этот новый продукт в производство.
Нужно отметить, что лаборатория не рассчитана на изготовление больших партий! Для этого здесь не хватает мощностей оборудования и вентиляции. Поэтому проект и называется фаблаб (фабрика-лаборатория). В этом принципиальное отличие нашего фаблаба от традиционных университетских лабораторий, где представлены лишь макеты оборудования и где студенты лишь снимают характеристики приборов, и на этом все заканчивается.
Наша лаборатория – то самое место, где возможно с нуля воплотить свою задумку: от идеи до прототипа. Здесь студенты под руководством преподавателей могут изготовить электронный блок, корпус на основе электронной модели (для этого нужна 3D-печать) и на выходе уже держать в руках собственное изобретение!
– Что общего у вашей лаборатории и легендарных гаражных лабораторий, первая из которых появилась в MIT под руководством профессора Нила Гершенфельда? Стихийность? Неформальный подход? Персональный подход? Или у вас всё более строго и формализовано?
– Науку двигают энтузиасты. В основном они и создавали такие лаборатории и воплощали идеи, которые поначалу казались нереальными, странными. В этом принципы фаблабов схожи у них и у нас. Например, к нам пришел профессор С. Н. Даровских со своей идеей использования микроволновой терапии в оздоровительных целях (тема его докторской диссертации), и мы ей занялись. Основная задача этого прибора – реабилитация спортсменов после сильных нагрузок, пациентов – на этапе выздоровления, а также профилактика некоторых видов заболеваний. При применении прибора можно в несколько раз снизить потребление лекарств. Побочные эффекты за 30 лет исследования методики не выявлены. Этот прибор – стимулятор естественных внутренних жизненных процессов. Исследованием прибора занималась Медакадемия, он был представлен на выставке в Москве.
– Как выглядит типичное рабочее место разработчика электроники?
– Порядок на рабочем месте в самых топовых подобных лабораториях по всему миру (например, в США, Японии и др.) для обывателя может показаться хаосом. У разработчиков обычно стол с кучей приборов, и все завалено полностью… Но в подобном творческом беспорядке зачастую рождается истина. Порядок на рабочем столе, безусловно, важен. Мы заставляем студентов после работы приводить рабочее место в порядок, особенно приборы и инструменты, чтобы на следующий день можно было сразу приступить к работе. Другое дело, что наш «рабочий» порядок кому-то покажется беспорядком. Вторая причина наведения порядка – за одним рабочим местом в разное время могут работать разные группы студентов, поэтому оставить стол, приборы, инструменты, а особенно паяльники, в порядке – это проявление уважения к своим коллегам.
Оборудование: вчера и сегодня
– По данным 2022 года лаборатория «Электроника» была оборудована современными компьютерами с комплектом минимально необходимого для разработки программного обеспечения, паяльными станциями, комплектами измерительных приборов, слесарным столом… Расскажите подробнее о специфике оснащения лаборатории сейчас.
– Для погружения в производственный процесс у студентов есть все возможности! Лаборатория оснащена мощными современными компьютерами, с комплектом минимально необходимого программного обеспечения для разработки электроники.
В качестве основного пакета для разработки используется сквозной пакет проектирования электроники, лицензионный Altium Designer. Плюс в том, что именно его использует большинство российских предприятий, работающих в этой сфере, а освоив один профессиональный пакет, поняв суть процесса, можно легко адаптироваться к любому другому, так как все они построены на похожих принципах.
Базой для разработки могут быть готовые электронные модули, такие как Arduino, Raspberry, но для подготовки профессионалов мы учим разрабатывать электронное изделие с нуля. Шесть рабочих мест лаборатории оснащены всем необходимым для монтажа: современными паяльными станциями с паяльниками и термофенами, набором необходимых материалов (припой, паяльный флюс, паяльная паста и т. д.), набором инструментов (монтажный нож, бокорезы, плоскогубцы, монтажный пинцет, отвертки…). Есть система вентиляции воздуха для удаления дыма. Монтажные столы оборудованы дополнительными источниками освещения.
Студенты фаблаба: лучшие из лучших
– По данным марта 2022 года в работе лаборатории было задействовано 40 студентов. Сколько принимает участие в работе лаборатории сейчас? В каких проектах они задействованы?
– Сегодня мы в основном работаем со студентами специальности «РЭСС» («Радиоэлектронные системы и комплексы»). Это профилирующая специальность нашей кафедры «Радиоэлектроника и системы связи». Все студенты нашей кафедры на третьем курсе проходят обучение по курсу «Проектирование электроники». В рамках этого курса они и занимаются разработкой: от разработки ТЗ до изготовления конкретного изделия и разработки конструкторской документации. Ребята полностью проходят цикл разработки изделия подобно тому, как это организовано на реальном предприятии.
Магистрант Артем Голенищев пришел к нам из «Точки кипения». Он работает на площадке лаборатории уже полгода, реализует проект «Разработка пульта управления системой драйверами поворотных зеркал автомобиля». По этому проекту подана заявка на конкурс «Умник». Суть проекта – в разработке программного обеспечения для беспилотных автомобилей. Артем в лаборатории самостоятельно изготовил зарядное устройство для автомобильного аккумулятора. Разработка уже существует как отдельный прибор.
Артем способен полностью разрабатывать и доводить до выпуска проекты от начала до конца. Он сам разработал плату, заказал детали, сам их спаял и изготовил образец изделия полностью, в рамках нашей лаборатории. Кроме того, магистрант сотрудничает с лабораторией сенсорики, вовлечен в реализацию задач лаборатории на площадке фаблаб «Электроника».
Артем входит в число талантливых ребят, способных работать самостоятельно. Но большинству студентов обязательно нужен руководитель, наставник. К примеру, сейчас мы разрабатываем новый лабораторный комплекс, но подключать туда студентов сложно, самостоятельно они еще работать не могут. Тех ребят, которым по-настоящему интересно, видно сразу. У них горят глаза, их из лаборатории нужно выгонять по вечерам. Мы можем предоставлять площади лаборатории, я приглашаю ребят, но с условием: приходите со своим проектом, но он должен быть доведен до рабочего изделия.
Для проекта «Корона» (демонстратор ракетного двигателя космического корабля) специалисты нашего вуза занимались двумя важнейшими составляющими: системой управления ракетным двигателем и навигационной системой. Над навигационной системой работали два студента нашей кафедры: это был дипломный проект одного из них. В рамках лаборатории этот проект завершался и был представлен на защиту. Руководил проектом доцент кафедры «Радиоэлектроника и системы связи», кандидат технических наук Николай Дударев.
Также в рамках учебного процесса есть проект «Усилитель низкой частоты». Ребята нашли схему, доработали ее, разработали печатную плату (мы только помогли ее изготовить), закупили детали, изготовили, подключили, настроили. Им необходимо сделать корпус, и проект будет полностью готов!
Фаблаб и «Точка кипения»
– Как сегодня организовано взаимодействие лаборатории с «Точкой кипения»?
– Из «Точки кипения» к нам приходит много ребят. Там создаются инициативные группы, которым мы предоставляем площадку, комплекс оборудования и консультируем, если понадобится наша помощь.
Представители «Точки кипения» приводят на экскурсии в лабораторию школьников, первокурсников, студентов, делегации с предприятий, сотрудников университета.
В рамках введения в специальность к нам всегда приходят первокурсники. Все специальности университета, в той или иной степени связанные с электроникой, частые гости у нас. Я им рассказываю, что здесь, как и для чего предназначено, чем мы можем помочь.
Также в «Точке кипения» организуются инициативные группы. Их собирают на площадке «Точки кипения» и приводят к нам в лабораторию. Если в рамках проекта необходима разработка электроники, эти инициативные группы приходят сюда. Мы обсуждаем и, если можем помочь, тут же включаемся в эту работу.
Если в инициативных группах не хватает ребят, а у нас есть талантливые кандидаты для работы в проектах, мы подключаем их в команды, и они совместно работают.
Так было, например, с катализатором CO2 (Проект «Система разбраковки дефектов внешнего вида каталитических блоков»), так было с проектом «Устройство разогрева детского питания на базе контроллера STM32F030». Оформление оплаты и заключение договоров также происходит через «Точку кипения».
.jpg)
Перспективные проекты
– Какие наиболее интересные проекты реализуются в лаборатории сегодня?
– Один из самых перспективных проектов – устройство разогрева детского питания. Им занимается группа ребят специальности РЭСиК («Радиоэлектронные системы и комплексы») В. Карякин, А. Телегин, Д. Петров, В. Скуматенко под руководством старшего преподавателя кафедры РЭСС Дмитрия Пискорского. Я выступаю в качестве консультанта. Заказчик проекта – частный предприниматель. Он финансирует все дополнительные изделия, оплачивает расходы. Ребята-разработчики получают зарплату. Сейчас этим занимается группа студентов из четырех человек: один ответственен за 3D-моделирование, двое – за печатные платы, один пишет программное обеспечение. На 70 % проект готов: сделана электронная часть подогревателя жидких продуктов, ребята пишут для нее программное обеспечение. В планах – изготовление двух пробных экземпляров, и далее в перспективе проект планируется запустить в производство.
Каждый из студентов-разработчиков этой группы ранее создавал собственные проекты. Студент В. Карякин сделал электронный курвиметр, студент Д. Петров – электронный умный ланч-бокс, который и послужил прототипом устройства для разогрева детского питания. Для ланч-бокса была разработана собственная электронная схема, корпус планировалось сделать деревянным. В проекте устройства для детского питания тот же принцип: разогрев, но корпус съемный. Эти моменты разработчики обсудили с заказчиком.
Студент А. Телегин ранее изготовил прототип умных часов на микроконтроллере.
По результатам собственных успешных разработок эти ребята были отобраны в команду, которая занимается коммерческим проектом. В проекте они получают зарплату. Такие ребята уже многое умеют. Они придут на предприятие, и им можно доверить задачу любой сложности.
Также заслуживает внимания проект студента-магистра кафедры КИПР (сейчас она вошла в состав РЭСС) А. Караваева «Микропроцессорный радиомаяк для спортивной радиопеленгации». Студент после окончания бакалавриата работал в фирме ПЛАНАР. Там он начал проект «Радиомаяк на новой элементной базе». Проект разрабатывался как проверочный, тестовый, с ним магистр повышал свою квалификацию. Сейчас он в магистратуре, проект продолжается, мы предоставили ему рабочее место для монтажа. В ЮУрГУ он выиграл конкурс «УМНИК». По этому проекту мы рассчитываем на получение гранта для изготовления сигнальной партии. На очереди второй этап – изготовление нескольких экземпляров.
Также в фаблаб был изготовлен ультразвуковой прибор подавления несанкционированной записи звука звукозаписывающими устройствами. Если бы этот прибор сейчас работал, запись на диктофон была бы невозможна! Разработчик – аспирант с кафедры защиты информации Григорий Асяев. К нему обратился частный предприниматель, которому нужно было использовать прибор на своих заседаниях. Для этого предпринимателя был изготовлен пробный экземпляр.
Также можно отметить успешные студенческие проекты: ретро-часы с газоразрядным индикатором, металлоискатель, стереомикрофон (реализовывались в частном порядке в рамках учебного процесса).
В рамках учебного курса, включающего 20 занятий, студенты изготовили платы ретро-часов и начали монтаж. Стереомикрофон студенты М. Пильников и Р. Солпанов также изготовили в рамках учебного курса «Проектирование электроники». Корпуса микрофонов были напечатаны на 3D-принтере.
В рамках проекта «Металлоискатель» (автор – О. Курочкин) был изготовлен опытный экземпляр, проведены лабораторные испытания. Глубина обнаружения металла металлоискателем – не менее 0,5 метра.
Возможности фаблаба
– Какие новые возможности лаборатория дает студентам?
– Основное предназначение нашей лаборатории – обучение студентов практическим навыкам проектирования электроники.
Я как преподаватель могу квалифицированно помочь с разработкой проектов. Наш фаблаб сотрудничает с кафедрой системного программирования, с лабораторией сенсорики, мы предоставляем площадку для разработок, взаимодействуем с УНИД и «Точкой кипения» ЮУрГУ.
Патент недавнему выпускнику получить достаточно сложно, но реально. Мы можем предоставить оборудование для разработки, проверки, испытаний. Для того, чтобы получить патент, нужно работать с патентным отделом ЮУрГУ. Так, патент был получен профессором С. Даровских на прибор микроволновой терапии «Уменьшение резистентности патологических бактерий».
Перспективных ребят, прошедших через фаблаб, мы стараемся привлечь в науку. Мы предлагаем им поступать в аспирантуру. Например, туда планирует поступать Артем Голенищев.
Окончив аспирантуру вы можете остаться в вузе работать преподавателем или научным сотрудником, в дальнейшем защититься. Мы можем этому способствовать, рекомендовать выпускника, найти руководителя.
Компании-партнеры: перспективы для студентов
– Помогаете ли вы студентам найти работу в компаниях-партнерах лаборатории?
– Индустриальный партнер у нас один – это компания «ТехноКом». Мы заключили с ними договор, чтобы готовить студентов конкретно по их профилю здесь, в лаборатории. Нам в рамках этого договора подарили оборудование.
В списке предприятий, с которыми мы взаимодействуем, – порядка 40 предприятий Челябинска, непосредственно связанных с электроникой, и мы стараемся помочь лучшим студентам, предложить им работу по специальности.
Опыт показывает, что именно разработкой способны заниматься примерно 7–10 % процентов выпускников. Остальные – обслуживающий, поддерживающий персонал, так как разработанную продукцию нужно настраивать, запускать в производство, сопровождать. Часть ребят будут работать именно в этой сфере. Так всегда было, это нормально. В разработчики в итоге приходят те, кто способен что-то создать.
– С какими предприятиями сегодня сотрудничает лаборатория?
– Это Планар, Техноком, ЭлМетро, Теплоприбор, «Метран» («Эмерсон»), НПП «Электромашина», НПП «Интерприбор», АО ЧРЗ «Полет», всего около 40 предприятий. Это не производственные партнеры, это организации, с которыми у нас сложились связи, куда мы рекомендуем наших выпускников. Мы хорошо знаем их, знаем, чем они занимаются и какого плана специалисты им нужны. Примерно в рамках этих тематик мы и пытаемся настраивать наших выпускников.
Эти организации ждут наших выпускников. Например, ООО «ЧелЭнергоПрибор» (директор – Георгий Волович). Предприятие изготавливает измерительные приборы для систем энергетики. В рамках сотрудничества ООО «Планар» передали нам для работы лаборатории инструменты и приборы для измерения, тестирования и навигации.
Наши третьекурсники в рамках практики по проектированию принимают участие в рабочих процессах Метрана. Так, наша студентка Люция Габбасова после производственной практики в фаблаб устроилась на работу в «Метран» («Эмерсон»). Там она успешно применяет знания, полученные в нашей лаборатории. Найти хорошую работу после выпуска – вполне реально! Мы стараемся помочь нашим ребятам. Если с предприятия поступает заявка, я обязательно рассказываю работодателю о выпускнике-соискателе, могу дать рекомендации, если он был моим студентом. Сотрудничество осуществляется именно на уровне трудоустройства студентов.
Будущее ФабЛаб «Электроника»
– Каковы дальнейшие планы лаборатории?
– Сейчас мы работаем над получением гранта под проект «Исследование влияния природных излучений СВЧ и НЧ диапазона на синтез кристаллов» (диссертация И. Прокопова, доцента кафедры РЭСС). Работа проводится совместно с кафедрой «Экология и химическая технология», заведующий – доктор химических наук., профессор Вячеслав Авдин.
В лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации коллеги занимаются выращиванием кристаллов. Мы предложили установку, в которой на три катушки в трех измерениях подаются случайные сигналы, внутри создается хаотическое магнитное поле. Внутри установки кристалл растет в три раза быстрее, чем без нее!
Сейчас под этот проект мы делаем вторую установку, более мощную, большего размера, для того, чтобы можно было проводить больше интересных опытов. Подобную установку китайцы предлагают за миллион рублей, наш аналог гораздо доступнее, но при этом не менее эффективен! Это исследование входит в тему диссертации И. Прокопова. Этот прибор является продолжением проекта «Аппарат информационно-микроволновой терапии». В перспективе мы рассчитываем на получение совместного гранта на проведение исследований.
Главное событие в жизни лаборатории сейчас – переезд в новое помещение. Запланировано глобальное перемещение оборудования и рабочих мест.
– Какое оборудование вы планируете закупать?
– Так как это лаборатория электроники, здесь мы разрабатываем непосредственно электронные блоки, электронную часть (электронные модули). Чтобы получилось готовое изделие, нам необходимо также разрабатывать корпус. Для этих целей нам нужен координатно-фрезерный станок с ЧПУ. Чтобы изготавливать прототипы, у нас второй части фактически нет. По этой причине многие проекты выглядят незаконченными. Чтобы сделать законченный модуль, нам нужна вторая часть (механическая).
Для дальнейшей успешной работы лаборатории больше всего необходим координатно‑фрезерный станок с ЧПУ (типа AMAN 3040 4axis 2200W Z=130mm). Программное обеспечение для него уже подготовлено. На нем мы будем демонстрировать студентам, как организована работа на подобном оборудовании на предприятиях, как именно производится разработка, например, на предприятиях «ЭМИС», «Техноком», представители которых приходили в лабораторию с экскурсиями. У нас уже есть запросы с этих предприятий, они ждут квалифицированных специалистов, которых мы можем подготовить в нашем фаблабе.
Наша цель сегодня – выстроить процесс полного цикла изготовления изделия, и делать проекты в лаборатории от модели до прототипа, чтобы ребята параллельно учились всему.