Мехатроника и робототехника как инновационное звено в развитии инженерного и медицинского образования

21 мая 2013 г. постановлением Правительства Российской Федерации № 426 утверждена Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» [1], основная цель которой заключается в формировании конкурентоспособного и эффективно функционирующего сектора исследований и разработок в области прикладных исследований.

В Программе указано, что характерной чертой современного развития является переход к новому этапу формирования инновационного общества – построению экономики, базирующейся преимущественно на генерации, распространении и использовании знаний. Интенсификация производства и использование новых научно-технических результатов предопределило резкое сокращение инновационного цикла, ускорение темпов обновления продукции и технологий.

В качестве основных задач Программы указано создание опережающего научно-технологического задела межотраслевой направленности по приоритетам развития научно-технологи- ческой сферы, использующего результаты, полученные в рамках системы фундаментальных исследований, и востребованного отраслями экономики; обеспечение системного планирования и координации исследований и разработок на основе выстраивания системы приоритетов развития научно-технологической сферы, опирающейся на систему технологического прогнозирования и учитывающей приоритеты развития секторов экономики.

Авторы статьи более десяти лет принимают непосредственное участие как в практических разработках высокотехнологичной техники [2–4], так и в педагогической деятельности, направленной на подготовку инженеров и специалистов здравоохранения к работе с современными программно-аппаратными комплексами. За эти годы несколько раз произошла смена поколений компьютерной техники, технологий и устройств медицинского назначения. Это позволило авторам наблюдать динамику подготовки специалистов в области здравоохранения и инженерии в профильных вузах и сделать выводы о необходимости внедрения новых организационных и педагогических подходов в обучение.

Постановка задачи

В 90-е годы прошлого века информационные технологии становятся неотъемлемой частью деятельности специалистов здравоохранения, медицинская информатика является обязательным элементом образования врача.

В настоящее время в развитии науки происходят два взаимообратных процесса: с одной стороны, наблюдается дифференцирование наук, связанное с их все большей специализацией [5], с другой стороны – возникновение новых междисциплинарных направлений, являющихся результатом взаимного проникновения или симбиоза разных областей знания. Ярким примером являются медико-технические науки [6]. Действительно, анализ современных достижений в данной области показывает невозможность изолированного развития этих направлений, поскольку только их взаимодействие позволяет друг другу перейти на более высокий качественный уровень [7].

Технические науки, с одной стороны, предоставляют средства для получения новых знаний в медицине, с другой стороны, они сами являются предметом научных исследований. В качестве примеров можно привести разработку новых архитектур компьютеров и алгоритмов обработки данных (нейрокомпьютеры и нейроалгоритмы) и развитие интеллектуальных систем принятия решения, в основе которых лежат принципы работы мозга, создание роботизированных систем, имитирующих биомеханические объекты [8, 9], и многое другое.

Таким образом, мы приходим к выводу о том, что в современной науке никакие характеристики процессов, явлений или свойства предметов нельзя изучать изолированно, поскольку невозможно провести четкую грань между тем, где заканчивается сфера одной науки и начинается область другой науки.

Однако на сегодняшний день, несмотря на высокие достижения в области разработки инновационных объектов медицины и технологий, существуют серьезные проблемы, не позволяющие быстро вовлекать их в научный и хозяйственный оборот.

Проблема заключается в том, что врачи часто не осведомлены о возможностях, которые стали доступны в последнее время разработчикам лечебного и диагностического оборудования, а инженеры, в свою очередь, не всегда знают о потребностях врачей [10]. Причиной указанного парадокса является изолированность специалистов различных областей знаний, объективные трудности (финансовые, организационные), не позволяющие им принимать непосредственное участие в научно-практических конференциях по тематикам других наук, где обсуждаются перспективные направления данной области знаний, отсутствие необходимого информационного обеспечения инновационных проектов.

Причинами несвоевременного информирования и взаимного внедрения технологий также являются отсутствие межведомственного планирования рыночно ориентированных исследований, большая часть которых в настоящее время сохраняет узкую специализацию, не отвечает требованиям инвестиционной привлекательности, не содержит анализа прогнозной маркетинговой информации и четкой стратегии коммерциализации [11]. Как следствие, множество идей, интересных решений и оригинальных разработок мехатроники в наиболее «критических» областях современной науки и технологии, до сих пор не востребованы к внедрению в других областях, поскольку об этих разработках информирован лишь узкий круг специалистов [12].

Мехатроника и робототехника в развитии современной медицины

28 декабря 2012 г. распоряж ением Правительства Российской Федераци и была утверждена Стратегии развития медицинско й науки в Российской Федерации на период до 2025 года [13]. Целью Стратегии является разв итие медицинской науки, направленное на с оздание высокоте х нологичных инновационных пр одуктов, обеспечивающих на основе трансф ера инновационных техно логий в практическое здрав оохранение сохранение и укрепление здоров ья населения.

Стратегия направлена на ре ализацию государственной политики в сфер е здравоохранения, повышение качества и доступн ости медицинской помощи населению Росс ийской Федерации, включа я разработку инновацион ной продукции, освоение критически важны х технологий и ра з витие компетенций. Для достиже ния поставленных целей предусмотрено реш ение задач развития системы экспертизы (обоснова нного выбора) перспективных и приорите тных направлений, о ценки качества и результативно сти научных исследований и создание услов ий для устойчивого спроса на инновационную проду кцию и ее внедрения в практическое здравоо хранение.

Мехатроника и робототехника – это направления, включающие в себя комплекс идей, метод ов и средств для создания информационно -управляемых и программируемых механических систем с заданными функциями [14]. Это системные мировоззренческие на учные дисциплины, составляющие основы автоматиз ации любых объектов жизнедеятельности че ловека, и в этой свя зи они должны являться предмет ом изучения практически всех специальносте й.

Мехатроника традиционно воспринимается как часть общего с робото техникой образов ательного процесса, которая официально зафиксирована в перечнях учебных направлений. Однако точнее считать мехатронику и р обототехнику самостоятельными дисциплин ами, имеющими о б щую подобласть в виде робото технических систем и их компонентов, исп ользующих близкие принципы, методы проектирования и исследования [12].

Мехатроника предусматривает объединени е механики, электроники и информатики (рис. 1, а). Результатом этого союза станов ится появление интеллекта и синергического эффекта, что пока зано в [15]. Междисциплинарный характер мехатроники наглядно демонстрируе т логотип (рис. 1, б), предложенный МИРЭА.

а)

Рис. 1. Логотипы мехатроники (а) и ее междисциплинарного характера (б)

Электромеханические

Датчики

Моделирование систем системы

Симуляций компьютерное управление

Микроконтроллеры

б)

Правительством РФ принято решение о форсировании работ в области р обототехники, нар я ду с которой существенную рол ь в развитии техносферы играет мехатроника , являющаяся прио ритетным направлением развити я науки и техники, определяющим уровень п роизводства, конк у рентоспособность продукции, ка чество жизни, обороноспособность и безопа сность государства. В 2002 г. президентом Российско й Федерации В.В. Путным утверждены «Осн ов ы политики РФ в области развития и технологии на период 2010 г. и в дальнейшей перспект иве» [15], где мех а тронные технологии включены в число критических технологий.

Принципиальной для мехатроники является интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций, что соответствует общетехническим тен- денциям. Успехи в области мехатроники, микро- (нано-) процессорной техники и информационных технологий приводят к необходимости разработки и создания нового типа систем обработки информации и управления – интеллектуальных [4]. Этот тип систем особенно важен в мехатро-нике, поскольку полезный приспособительный эффект является определяющим в любой функциональной системе, так как способствует достижению цели, которая выступает в том числе как системообразующий фактор. Усложнение решаемых задач, обеспечение высокой точности и надежности работы потребовало новых подходов к построению мехатронных систем, обеспечивающих гибкую обработку информации в условиях ее неполноты и противоречивости, принятия решения, синтеза и коррекции цепи, сложного воздействия окружающей среды [14].

Поскольку гибкая обработка информации и управление выходит за пределы традиционных подходов, то можно указать некоторые области исследования новых функций, а именно: распознавание и понимание разного рода информации типа рисунков, звуков речи и символьной информации, присущие естественным языкам; вывод и решение задач с помощью баз знаний, которые допускают прямую обработку информации и обладают способностью к обучению и самоорганизации; управление и автоматическое управление в интеллектуальных системах, функционирующих в реальном времени.

В настоящее время роботы играют колоссальную роль в развитии современной медицины. Медицина становится одним из главных векторов внедрения роботов и искусственного интеллекта. Главной целью развития медицинской робототехники является высокая точность и качество обслуживания, повышение эффективности лечения, уменьшение рисков нанесения вреда здоровью человека.

Условно медицинских роботов можно классифицировать:

• -    роботизированные хирургические системы, применяемые для проведения сложных хирургических операций [16]. Данные системы не относятся к полностью автономным устройствам, но дистанционное управление инструментом обеспечивает врача точностью и повышенной управляемостью, дополнительной механической силой, уменьшает утомляемость хирурга, снижает риск инфицирования врача и пациента:

• -    роботы-симуляторы пациентов [17, 18], предназначенные для отработки навыков принятия решений и практических врачебных интервенций в лечении патологий. Роботы воспроизводят физиологию человека, моделирует клинические сценарии, реагируют на введение препаратов, анализируют действия обучаемых и соответствующим образом реагируют на клинические воздействия;

• -    экзоскелеты и роботизированные протезы, состоящие из механико-электрических элементов, микроконтроллеров с искусственным интеллектом, способные управляться от нервных окончаний человека [19];

• -    роботы для медицинских учреждений и роботы-помощники, являющиеся альтернативой медицинскому персоналу [20], которые обеспечивают уход за пациентом, помогая в реабилитации и обеспечивая постоянную связь с врачом;

• -    нанороботы – микророботы [21, 22], действующие в организме человека на молекулярном уровне.

На рис. 2 представлены примеры медицинских роботов: хирургический робот (рис. 2, а), реабилитационный робот (рис. 2, б) и робот удалённого присутствия для проведения консультаций с пациентом на расстоянии (рис. 2, в). Иллюстрации представлены на сайтах , и

а)                                          б)                                        в)

Рис. 2. Примеры медицинских роботов

В работе [23] приведен анализ тенденций развития мехатроники и робототехники на фоне общих тенденций развития техники в целом. На основе бионического подхода, то есть подхода, при котором для получения хороших решений исследователи берут у живой природы удачные, жизнеспособные идеи, которые являются результатом длительной эволюции [24], выделены пять основных принципов развития мехатроники и робототехники:

• -    системный подход к созданию техники, унификация функциональных компонентов (биологическим аналогом является клеточное строение);

• -    интеграция функций на базе однородных структур (биологический аналог – нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ);

• -    поэтапность миниатюризации техники путем последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных ее поколений. Этот принцип непосредственно вытекает из естественного процесса непрерывного совершенствования технологий в направлении повышения точности. Каждое поколение любого вида техники требует соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности;

• -    создание в рамках искусственного интеллекта саморазвивающихся систем и техническое освоение неформализуемых (творческих) способностей человека.

Таким образом, понимая роль мехатроники и робототехники как неотъемлемой составляющую развития медицины и роль медицины в развитии мехатроники и робототехники, мы предположили, что педагогический подход к обучению врачей и инженеров в связанных областях также должен строиться на основе взаимодействия этих наук.

При проведении занятий в рамках повышения квалификации как специалистов здравоохранения, так и инженеров, возникает ситуация, при которой обучаемые и преподаватель становятся практически равноправными участниками образовательного процесса. В том случае, когда проводятся занятия у специалистов здравоохранения, преподавателем является специалист в области информатики и техники. Где в реальных условиях он может узнать о современных потребностях медицины в различных областях? Только у слушателей циклов повышения квалификации, представляющих различные регионы и отрасли медицины.

В том случае, когда проводится повышение квалификации у специалистов, связанных с разработкой современной техники, необходимо приглашение биологов или биомехаников, которые, в процессе проведения занятия, и сами узнают немало нового о текущих достижениях в области науки и техники.

Выводы

• 1.    Одним из главных факторов, влияющим на инновационное развитие медицинской робототехники, является глубокая информированность специалистов здравоохранения и инженеров-робототехников во взаимных потребностях и современных достижениях.

• 2.    Необходимо привлечение специалистов здравоохранения на циклы повышения квалификации инженеров-робототехников и инженеров – на курсы последипломного обучения врачей. Правильно сформированная структура занятий позволит обучаемым, узнав о новых возможностях изучаемой науки, способствовать (используя свои административные и профессиональные возможности) внедрению в практику здравоохранения методов, устройств и технологий; быть компетентными специалистами, то есть не только владеть современными средствами преобразования информации и информационными технологиями, но и обладать эрудицией, позволяющей применять указанные устройства и технологии для решения любых возникающих на практике задач, в том числе в условиях неопределенности и с использованием интеллектуальных и эвристических методов.

• 3.    Результатом обучения с привлечением внешних специалистов является инициирование научных исследований в своей области, способствующей глобальной цели: прогрессу науки в целом.