Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

Грязнов Н.А., Кириченко В.В.
Прогресс в области микроэлектроники и точной механики привел к становлению новой области науки и техники, получившей название мехатроники. Инте­грация микромеханических устройств с электрон­ными элементами на базе современных технологий привела к появлению нового класса микроэлектроме­ханических систем (МЭМС). Их применение позво­ляет существенно снизить массогабаритные пара­метры устройств и одновременно повысить надеж­ность функционирования. Последнее достигается ис­ключением протяженных электрических цепей, чув­ствительных к помехам, и контактных разъемов.

Если подойти к этому процессу с позиций кибер­нетики, можно сказать, что искусственный машинный интеллект начал обретать органы осязания в виде МЭМС-датчиков и органы управления в виде МЭМС-приводов. Подобная тенденция открывает новые воз­можности автоматизации и роботизации различных устройств и приборов. Очевидная тенденция даль­нейшей миниатюризации и интеграции связана с по­явлением микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) на базе технологий МЭМС и интегральной оптики.

Наблюдающийся в последнее десятилетие про­гресс в области создания высокоэффективных твердо­тельных лазеров с диодной накачкой открывает новые возможности по разработке прецизионных и дистан­ционных датчиков на базе активного зондирования. Подобный подход представляет интерес не только для процессов автоматизации и построения роботизиро­ванных комплексов, но и создает возможности актив­ного внедрения новых технологий для решения при­кладных задач в других областях науки и техники.

В ЦНИИ робототехники и технической киберне­тики (РТК) решается широкий спектр задач, связан­ных с использованием последних достижений меха­троники и лазерной техники для нужд различных от­раслей и ведомств. Большое внимание уделяется раз­работке средств экологического мониторинга окру­жающей среды, в первую очередь, базирующихся на методах дистанционного оптического зондирования. Лидарные методы зондирования атмосферы позво­ляют совместить высокую оперативность монито­ринга с широкой областью охвата.

Гармоничное сочетание активных средств диаг­ностики, обладающих высоким пространственным разрешением по дальности, с пассивными, имеющими высокую спектральную избирательность, обеспечи­вает быстрый и надежный контроль за состоянием атмосферы в пределах прямой видимости. Аэрозоль­ный лидар на базе твердотельного лазера с диодной накачкой и лавинного фотодиода обеспечивает анализ пространственного распределения концентрации аэ­розольного образования. Фурье-спектрометр произ­водит измерение спектров излучения и выявление химического состава исследуемого объекта.

На базе данного подхода разработана относи­тельно недорогая малогабаритная система, которая может быть установлена на любое транспортное сред­ство, включая автомобиль или вертолет. Помимо за­дач оперативного мониторинга она может выполнять функции обнаружения источника загрязнения, поиска места утечки газа на газопроводах и в шахтах, анализа химического состава выхлопа заводских труб и тому подобные.

Активные разработки проводятся в ЦНИИ РТК и в области автоматизированных систем медицинского назначения. В настоящее время на базе разработан­ного и сертифицированного малопоточного перфузи­онного насоса роликового типа «Марс» проводятся работы по разработке прецизионных оптических дат­чиков расхода и контроля гетерогенности среды. Ав­томатизация работы насоса, необходимая для его полноценного использования в системах жизнеобес­печения, предполагает наличие надежного расходо­мера для коррекции скорости вращения роликов в условиях меняющихся условий прокачки по давлению и температуре.

Использование лазерной доплеровской флоумет­рии позволяет не только бесконтактно определять скорость перемещения жидкости внутри рабочей трубки, но и по пропорциям различных компонент спектра рассеянного сигнала судить о размерах и концентрации рассеивающих частиц. В случае ис­пользования насоса «Марс» в системах жизнеобеспе­чения для организации циркуляции крови рассеи­вающими частицами являются крайне нежелательные пузырьки воздуха. При этом контролировать необхо­димо весь размерный спектр пузырьков, учитывая тенденцию их последующего слияния.

На следующем этапе модернизации насоса «Марс» предполагается модификация лазерного фло­уметрического датчика в флуоресцентный спектроа­нализатор с перестраиваемой длиной волны излуче­ния зондирующего источника. Учитывая большое количество информации, содержащейся в спектрах флуоресценции, можно рассчитывать, что подобная система обеспечит надежный количественный анализ не только основных компонент крови, но и малых примесей, содержащихся в ней. Особый интерес это может представлять для оперативной диагностики инфекционных заболеваний и мониторинга влияния лекарственных препаратов в реальном времени.

Несомненно, практическое значение подобная система анализа приобретет лишь после проведения комплексных научных исследований с участием ме­диков, химиков и спектроскопистов, которые опреде­лят закономерности и особенности интересующих нас параметров. Тем не менее, уже сейчас проводятся предварительные исследования, нацеленные на выяв­ление минимального состава оборудования, необхо­димого разрешения спектральных приборов и набора длин волн излучателей.

Также нами разрабатываются технические прин­ципы и проектный облик оптической орбитальной наблюдательной системы для задач дистанционного зондирования Земли с высоким пространственным разрешением. Основное достоинство разрабатывае­мой системы обусловлено малой массой оптических элементов, что достигается за счет использования сегментирования главного зеркала и использования адаптивных средств синтеза его поверхности. Адап­тация осуществляется по сигналу от гетеродинных фазовых датчиков, измеряющих фазу волнового фронта излучения источника, размещенного в центре кривизны главного зеркала.

Упомянутый подход позволяет обеспечить про­странственное разрешение в несколько дециметров с помощью орбитальной системы массой 10-15 кг, что обуславливает низкую стоимость ее вывода на ор­биту. Подобные системы наблюдения имеют большое практическое значение и уверенный спрос на полу­чаемую с их помощью информацию. Немаловажное значение эта информация имеет и для наук о земле, включая географию, океанографию, геолого-минера­логические и сельскохозяйственные науки.

Ключевым вопросом для рационального исполь­зования получаемой информации является построение научных моделей ее интерпретации, которые связали бы интенсивностно-цветовые изменения в изображе­нии с соответствующими параметрами земной по­верхности, будь то влажность почвы или температура льда. Решение данной задачи предполагает этап ком­плексных междисциплинарных исследований с ис­пользованием разработанной аппаратуры, когда дис­танционное наблюдение проводится одновременно с измерениями максимального набора параметров на местности.

В ЦНИИ РТК накоплен большой опыт организа­ции междисциплинарных исследований, как с при­влечением сторонних специалистов, так и с организа­цией комплексных лабораторий, состоящих из пред­ставителей различных специальностей. Это создает широкие предпосылки для активного научного со­трудничества, производственной кооперации и ус­пешного проведения комплекса намеченных междис­циплинарных исследований.