Студенты СПбГУ разрабатывают метод анализа сложных смесей на основе «электронного языка» и искусственного интеллекта

Команда ecoETS, вышедшая в финал конкурса «Start-up СПбГУ — 2021», разрабатывает способ анализа сложных химических смесей на основе искусственного интеллекта и технологии «электронного языка» — системы электрохимических сенсоров. Основные преимущества инновационного метода исследования — низкая стоимость и простота интерпретации результатов.

Процесс создания сенсоров. Этап магнетронного напыления токопроводящего слоя
Процесс создания сенсоров. Этап магнетронного напыления токопроводящего слоя

Классическими лабораторными методами исследования химических примесей, технологических выбросов и производственных отходов являются хроматографический, спектральный и электрохимический анализы. Их проводят высококвалифицированные специалисты на дорогостоящем оборудовании, из-за чего стоимость изучения смесей является достаточно высокой. По оценкам команды ecoETS, она может достигать порядка 100 000 рублей.

Чтобы снизить стоимость процедуры, участники ecoETS предложили альтернативный метод, основанный на технологии «электронного языка» — массива электрохимических сенсоров, каждый из которых обладает селективным откликом на определенную группу веществ. Причем области электроактивности одних и тех же веществ на сенсорах внутри массива пересекаются, что дает возможность сопоставлять данные от различных сенсоров и существенно повысить достоверность анализа.

Проект представляет собой попытку решить проблему, связанную с большой стоимостью услуг по сертификации промышленных предприятий.

Студент 3 курса бакалавриата направления «Химия, физика и механика материалов» Алексей Петров

«Мы выяснили, что во многом это связано с высокой стоимостью проведения анализа многокомпонентных сред, который занимает большое приборное время, а также рабочее время специалиста-лаборанта. Предлагая в противовес традиционным методам анализа электрохимическую мультисенсорную систему, мы планируем существенно уменьшить затраты, которые несет лаборатория, а значит, потенциально снизить цену услуг экологической сертификации для предприятий. По нашим расчетам, только материальная часть анализа будет стоить до восьми раз дешевле», — считает капитан команды, студент 3 курса бакалавриата направления «Химия, физика и механика материалов» Алексей Петров.

Название ecoETS передает суть метода — оно означает применение системы «электронный язык» (electric tongue system) для нужд экологической сертификации (eco). По словам Алексея Петрова, идея проекта возникла после того, как участники команды познакомились с научной статьей о системах этого типа. Возможности «электронного языка» настолько заинтересовали участников команды, что они стали думать, где их лучше всего можно применить. Станислав Берестень, студент 1 курса программы магистратуры «Экология. Биоразнообразие и охрана природы», отвечающий в ecoETS за анализ рынка, предложил использовать систему для близкой ему темы — экологической сертификации.

Команда формировалась исходя из того, какие компетенции необходимы в различных аспектах реализации проекта. Поскольку основной ее задачей является разработка оборудования для экологической сертификации, был необходим специалист-эколог, которым стала студентка 4 курса программы бакалавриата «Биология» Татьяна Григорьева. Роль специалиста по машинному обучению и информационным технологиям досталась студентке 2 курса программы бакалавриата «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Ольге Галягиной. Специалистом по синтезу сложных электродных материалов стала студентка 4 курса программы бакалавриата «Химия» Виктория Желтова.

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в шестой раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2021» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.

Капитан команды Алексей Петров отвечает в ecoETS за теоретическое описание, численное моделирование и электрохимическое испытание сенсоров, а также за проектирование коммутатора, который будет обеспечивать связь сенсоров с компьютером и программным обеспечением. Искусственный интеллект, являющийся частью ПО, будет использоваться для максимальной разгрузки оператора оборудования во время обработки данных. В конечном итоге участники проекта планируют получить систему, которая будет при определенном наборе сенсоров выдавать значения концентраций тех элементов, на которые этот набор рассчитан.

«Наш научный руководитель Андрей Юрьевич Арбенин, старший научный сотрудник исследовательской лаборатории механики перспективных массивных наноматериалов для инновационных инженерных приложений СПбГУ, оказывает нам самую широкую поддержку как материально, давая возможность использовать ресурс лаборатории, так и интеллектуально — ценным советом. К тому же так вышло, что лаборатория в данный момент занимается электрохимическими сенсорами, на которых будет базироваться наша мультисенсорная система, — это стало очень удачным совпадением», — отмечает Алексей Петров.

К финалу «Start-up СПбГУ — 2021» команда планировала подготовить сенсоры и коммутатор. Однако работы над сенсорами сильно затянулись из-за того, что были обнаружены расхождения между теоретическими и экспериментальными данными. Поскольку без сенсоров коммутатор бесполезен, все силы ecoETS были брошены на их производство.

На данный момент у нас есть готовые образцы тестовых сенсоров для проверки работоспособности системы, а также небольшое количество сенсоров на основе модифицированных электродов.

Студент 3 курса бакалавриата направления «Химия, физика и механика материалов» Алексей Петров

«С того момента, как мы получим полный набор работающих сенсоров, создание коммутатора не станет большой проблемой. Гораздо сложнее будет разработать программное обеспечение, но это тоже вполне выполнимая задача», — уверен Алексей Петров.

По его словам, конкурс помог команде проверить свою идею на прочность, а также в короткие сроки решить многие задачи, стоявшие на пути к цели. Кроме этого, участники ecoETS прошли обучение в стартап-школе, которое существенно облегчило работу над бизнес-планом проекта.