XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Требования повышения точности проведения экспериментов в области физики, создание точных физических моделей, отвечающих современным требованиям, побуждают к поиску и внедрению новых эффективных форм, методов и средств в область экспериментальной физики продвинутых технологий 3d. Необходимым условием освоения данных технологий является практическая работа с системой, объектом или процессом, во время которых происходит знакомство с их особенностями, возможностями в проведении экспериментов высокой точности, получение представлений об их параметрах, о соотношении представленной модели и реального объекта, в результате чего формируются практические навыки и грамотная интерпретация результатов выполненной работы.

В данной статье рассматривается полезность применения 3d-технологий в области экспериментальной физики, в частности, при проведении экспериментов с целью получения результатов высокой точности.

Научное сообщество на протяжении нескольких веков интересуется исследованием чрезвычайно редких процессов. На данный момент ученые активно занимаются изучением самых разных понятий и процессов.
Считается, что изучение данных проблем – ключ к пониманию великого множества процессов, происходящих вокруг человека. И, разумеется, путем воссоздания той или иной ситуации, того или иного явления, ученые получают ответы на самые разные вопросы. Проблема заключается лишь в их достоверности. Поскольку большинство исследований проводятся в условиях идеальной модели, не всегда те результаты, которые в ней получают, досконально соответствуют результатам, полученным на практике в реальных условиях. Отсюда вопрос: что необходимо сделать для того, чтобы проведение экспериментов и данные, полученные при их проведении, как можно подробнее описывали происходящие в реальной жизни явления? Как раз здесь и поможет внедрение 3d технологий в сферу экспериментальной физики.

Что же такое 3d-технология?

3d-технология — технология, совокупность программных и аппаратных приемов и инструментов которой призвана обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений и разработать зрительный объёмный образ желаемого объекта, явления, процесса, как реального, так и абстрактного.

Современные 3d-технологии

Рассмотрим основные 3d-технологии, которые уже сейчас активно используются учеными и облегчают, упрощают изучение тех или иных объектов, явлений, процессов:

3d сканер — сканер, оцифровывающий реальные объемные объекты.
Если необходимо немедленно начать изучение объекта и при этом не тратить время на его зарисовку, описание, то данный сканер, сохранив информацию, поможет не только перенести ее в компьютер, но и упростит ее дальнейшие трансформацию и исследования при воспроизведении эксперимента.
Пример: физики разработали рентгеновский аппарат, делающий цветные трёхмерные снимки. В его основу легли технологии, разработанные для Большого адронного коллайдера. Сканер MARS Bioimaging на основе датчика Medipix3 работает как счётчик частиц, учитывающий каждый падающий на него рентгеновский фотон и определяющий его энергию. Эта энергия зависит от того, через какие ткани прошёл фотон на пути к камере. 

3d принтер — инновационный помощник при создании определенных физических прототипов.
Его использование помогает воссоздать в необходимом масштабе и высокой точности трехмерную модель. В экспериментах поможет создать молекулу, ее составные части – атомы, а для них – ядро и электроны.
Пример: в октябре 2009 г. лаборатория Фермиполучила долгожданный 3d принтер для печати пластиковых моделей. Сразу стали печататься пластиковые прототипы (сверхпроводящие кабели из станнида — сплава Nb3Sn).

3d голограмма — объемное изображение, созданное с помощью голографии.
Разумеется, имея чертеж, данные любого объекта, явления или процесса, можно соорудить модель, притворить ее в реальность. Но как быть с тем, чего не увидеть без специального оборудования? Здесь и приходит на помощь 3d голограмма. С ее помощью можно воспроизвести тот или иной эксперимент, даже не имея сверхмощных компьютеров. В наше время подобное можно сделать там, где будет удобно – дома, в общественном транспорте, просто установив специальное ПО (программное обеспечение).
Пример: в 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера.

Очки (шлемы) виртуальной реальности 3dVR — устройства, создающие ощущение личного присутствия в объемном трехмерном пространстве.
Пожалуй, одна из самых перспективных 3d-технологий. Оцифровали реальный объект, создали его прототип, воспроизвели его упрощенное изображение в домашних условиях. А что дальше? А дальше – самостоятельно рассмотрим его во всех необходимых ракурсах, воссоздадим эксперимент с его участием и поучаствуем в процессе его инициализации, задав все необходимые параметры. Эффект личного присутствия помогает не только запротоколировать все данные, полученные при проведении эксперимента, но и обнаружить прорехи в расчетах, рассмотреть ситуации, которые невозможно воссоздать в искусственных условиях.
Пример: тренажер по заправке мешка биореактора для BIOCAD.

Актуальность 3d-технологий

Если ранее практически все технологии данного вида были пределом мечтаний, то сейчас – распространенный продукт. На момент появления ценовая политика оставляла желать лучшего (3d принтер – цена за 1 шт. начиналась от 100.000 долларов) и не позволяла активно внедрять их даже в богатейшие фирмы. Сейчас же они пользуются огромной популярностью и скупаются обычными людьми, т.к. с ростом спроса приходит снижение цены.
3d-технологии модернизируются, дополняются разнообразием для любых целей их эксплуатации. В них упрощается интерфейс, расширяется спектр возможностей. Данные технологии используются во многих сферах деятельности людей, однако для науки они имеют более значимую ценность.