Лаборатория нейротехнологий и искусственного интеллекта

Нейротехнологии и искусственный интеллект становятся важными направлениями современного инженерного и дополнительного образования. Они объединяют знания из биологии, физики, информатики, электроники, робототехники и программирования, позволяя учащимся не только изучать теорию, но и решать практические исследовательские задачи.

Лаборатория нейротехнологий и искусственного интеллекта — это комплексное образовательное пространство, оснащение которого подбирается с учетом возраста учащихся, реализуемых программ, технических требований и бюджета образовательной организации.

Решение предназначено для школ, колледжей, техникумов, вузов, технопарков, центров дополнительного образования и других учреждений, заинтересованных в развитии инженерного, исследовательского и технологического мышления учащихся.

Создание лаборатории позволяет знакомить обучающихся с современными технологиями, проводить практические исследования, развивать навыки проектной работы и обеспечивать раннюю профориентацию. Учащиеся могут изучать биосигналы человека, нейроинтерфейсы, основы робототехники, машинное обучение, нейронные сети, компьютерное зрение и методы анализа данных.

В зависимости от задач учреждения лаборатория может включать два взаимосвязанных направления:

• нейротехнологии;
• искусственный интеллект.

Каждое направление может быть реализовано отдельно или стать частью единого междисциплинарного пространства.

Преимущества решения

Лаборатория расширяет возможности образовательной организации и позволяет:

• объединить в одном пространстве несколько перспективных направлений подготовки;
• реализовывать программы по нейротехнологиям, искусственному интеллекту, робототехнике и инженерии;
• проводить лабораторные исследования, практические занятия и проектные работы;
• развивать у учащихся навыки программирования, анализа данных и технического конструирования;
• организовывать междисциплинарные проекты на стыке биологии, физики, информатики и инженерии;
• готовить учащихся к олимпиадам, соревнованиям и научно-практическим конференциям;
• знакомить обучающихся с востребованными профессиями технологического сектора;
• адаптировать состав оборудования под возраст учащихся, образовательные программы и бюджет учреждения;
• поэтапно расширять возможности лаборатории за счет дополнительных модулей и программных средств.

В состав решения входят не только оборудование и программное обеспечение, но и методические материалы, учебные курсы, сценарии практических занятий и инструменты контроля результатов обучения.

Направление «Нейротехнологии»

Направление предназначено для изучения нейрофизиологии, биосигналов человека, электроники, робототехники и принципов взаимодействия человека с техническими системами.

Во время занятий учащиеся регистрируют и анализируют физиологические показатели, наблюдают за изменением сигналов организма при различных состояниях и нагрузках, а затем применяют полученные данные для управления робототехническими моделями и другими исполнительными устройствами.

Такой подход позволяет соединить лабораторное исследование с инженерным проектированием: сначала учащиеся изучают физиологический процесс, затем обрабатывают данные и используют соответствующий биосигнал в работе технической системы.

Обучение способствует развитию научно-исследовательского мышления и знакомит учащихся с профессиями биоинженера, нейротехнолога, нейроинформатика, разработчика нейроинтерфейсов, проектировщика биотехнических систем и специалиста в области медицинских технологий. 

Кстати: 
Одним из наиболее значимых направлений для учащихся является профиль «Нейротехнологии и когнитивные науки» Национальной технологической олимпиады. Олимпиада входит в перечень Российского совета олимпиад школьников как олимпиада II уровня. Победители и призеры получают существенные преимущества при поступлении в ведущие вузы страны, включая возможность получения 100 баллов ЕГЭ по профильным предметам и дополнительные льготы при зачислении.

Образовательные возможности

Оснащение лаборатории позволяет:

• изучать основы нейрофизиологии;
• знакомиться с принципами работы нейроинтерфейсов;
• регистрировать и анализировать электроэнцефалографические сигналы;
• исследовать электрическую активность сердца и мышц;
• работать с другими физиологическими показателями человека;
• наблюдать изменение биосигналов при различных состояниях и нагрузках;
• изучать методы обработки и визуализации экспериментальных данных;
• осваивать основы электроники, программирования и образовательной робототехники;
• использовать биосигналы для управления роботами и исполнительными устройствами;
• создавать проекты на стыке биологии, инженерии и информатики;
• проводить практические и исследовательские работы;
• готовиться к олимпиадам, конкурсам и соревнованиям.

Оборудование направления

Состав оборудования определяется задачами образовательной организации и может включать следующие комплексы и модули.

Комплекс «Юный нейрофизиолог-инженер»

Образовательный комплекс предназначен для последовательного изучения физиологических процессов человека и их применения в инженерных проектах.

В состав комплекса могут входить нейрогарнитура и электрогарнитура.

Нейрогарнитура используется для регистрации поверхностной электроэнцефалограммы. Сухие электроды не требуют применения электропроводящего геля, что упрощает подготовку оборудования и проведение занятий.

Электрогарнитура позволяет регистрировать электрокардиограмму, электромиограмму и фотоплетизмограмму. Учащиеся могут исследовать работу сердца, мышц и системы кровообращения, сравнивать показатели при различных нагрузках и использовать полученные данные в проектной деятельности.

Комплекс сопровождается программным обеспечением, методическими материалами и образовательным курсом. LMS-система может включать теоретические материалы, практикумы, тестирование, учет результатов и статистику прохождения занятий.

Ресурсный набор «Нейротрек»

«Нейротрек» предназначен для первого знакомства с нейротехнологиями и использования сигналов активности головного мозга в образовательной робототехнике.

Нейрообруч регистрирует сигнал с помощью датчиков, соприкасающихся со лбом, и передает данные на компьютер по беспроводному каналу. Полученная информация может использоваться для наблюдения за изменениями активности мозга и управления робототехническими моделями.

Простота подключения и подготовки оборудования позволяет использовать набор для демонстрационных занятий, начального обучения и практических экспериментов с учащимися разного возраста.

Робототехнические конструкторы

Робототехнические комплексы используются для изучения механики, электроники, алгоритмики и программирования, а также для создания исполнительных устройств, управляемых с помощью биосигналов.

В состав решения могут входить:

• детский конструктор по образовательной робототехнике «Роботрек “Стажер А”»;
• робототехнический конструктор «Роботрек “Базовый Расширенный”»;
• дополнительные ресурсные наборы и исполнительные модули.

Конструкторы позволяют создавать модели различной сложности и последовательно переходить от базового программирования к реализации инженерных проектов.

Ресурсный набор «Аудиотрек»

Набор позволяет проводить эксперименты со звуковыми сигналами, изучать принципы их регистрации, передачи и обработки, а также использовать звук в робототехнических проектах.

Ресурсный набор «Энерджитрек»

Набор предназначен для изучения основ электротехники, энергетических процессов и принципов работы электрических систем. Он может использоваться при создании междисциплинарных проектов, объединяющих электронику, робототехнику и программирование.

Программное и методическое обеспечение

Для проведения занятий используются:

• специализированное программное обеспечение;
• LMS-система;
• методические рекомендации для педагогов;
• образовательные курсы;
• инструкции по проведению экспериментов;
• лабораторные и практические работы;
• задания для индивидуальной и командной проектной деятельности.

Направление «Искусственный интеллект»

Направление предназначено для изучения машинного обучения, нейронных сетей, компьютерного зрения и интеллектуальной обработки данных.

Учащиеся знакомятся с принципами работы современных ИИ-систем, учатся собирать и подготавливать данные, создавать и обучать модели, оценивать результаты их работы и применять разработанные алгоритмы в практических проектах.

Занятия могут быть связаны с распознаванием объектов, классификацией изображений, анализом видеопотоков, обработкой данных и интеллектуальным управлением техническими системами.

Направление способствует ранней профориентации и знакомит обучающихся с профессиями специалиста по искусственному интеллекту, инженера машинного обучения, дата-инженера, аналитика данных и разработчика систем компьютерного зрения.

Кстати: 

С 2025 года в России реализуется нацпроект «Экономика данных и цифровая трансформация государства». И важная его часть - федеральный проект «Искусственный интеллект». В 2027 году на его реализацию предполагается выделить 9,6 миллиарда рублей. Кроме того, предполагается создать единую цифровую платформу обработки больших данных, а также платформу для обучения старшеклассников и студентов информационным технологиям и технологиям ИИ.

Образовательные возможности

Оснащение направления позволяет:

• изучать основные понятия и методы искусственного интеллекта;
• знакомиться с архитектурой и принципами работы нейронных сетей;
• осваивать технологии машинного обучения;
• собирать, размечать и подготавливать данные;
• обучать и тестировать собственные модели;
• изучать инструменты компьютерного зрения;
• распознавать и классифицировать объекты на изображениях;
• анализировать изображения и видеопотоки;
• проводить эксперименты с различными параметрами нейронных сетей;
• оценивать точность работы обученных моделей;
• создавать проекты с применением искусственного интеллекта;
• использовать ИИ для интеллектуального управления техническими системами.

Оборудование направления

Высокопроизводительные рабочие станции

Для работы с искусственным интеллектом используются компьютеры, характеристики которых подбираются с учетом применяемого программного обеспечения, сложности образовательных задач и объема обрабатываемых данных.

Рабочие станции позволяют создавать, обучать и тестировать модели машинного обучения, работать с изображениями и видеопотоками, анализировать данные и разрабатывать собственные проекты.

При необходимости лаборатория может быть дополнена серверным оборудованием, локальной системой хранения данных и специализированной вычислительной инфраструктурой.

Neural Network Track

Neural Network Track представляет собой среду визуального моделирования архитектуры сверточной нейронной сети, ее обучения, проверки и экспорта.

Учащиеся могут последовательно создавать структуру нейронной сети, изменять ее параметры, загружать наборы данных, запускать обучение и анализировать полученные результаты. Визуальный формат помогает понять логику работы нейросетевых моделей без необходимости начинать обучение с написания большого объема программного кода.

Аппаратные модули «Артинтрек»

Модули «Артинтрек» предназначены для обработки изображений и видеопотоков с применением нейронных сетей и технологий компьютерного зрения.

С их помощью учащиеся могут реализовывать проекты по распознаванию и классификации объектов, анализу происходящего в кадре и интеллектуальному управлению внешними устройствами.

Программное обеспечение

Состав программного обеспечения определяется образовательными программами учреждения и может включать:

• среды разработки;
• платформы машинного обучения;
• инструменты визуального моделирования нейронных сетей;
• программы для обработки изображений и видео;
• инструменты анализа и визуализации данных;
• учебные материалы и практикумы;
• средства организации проектной работы.

Организация рабочих мест

Рабочие места учащихся комплектуются компьютерами, программным обеспечением и специализированным оборудованием, необходимым для проведения лабораторных исследований и проектных работ.

Характеристики компьютеров определяются направлением занятий. Для работы с биосигналами и программирования могут использоваться стандартные образовательные рабочие станции, а для обучения нейронных сетей, компьютерного зрения и обработки видеопотоков — более производительные конфигурации.

Автоматизированное рабочее место педагога может включать:

• производительный компьютер;
• специализированное программное обеспечение;
• средства отображения учебных материалов;
• оборудование для демонстрации экспериментов;
• систему управления мультимедийными устройствами;
• доступ к LMS-системе и методическим материалам;
• интерактивная панель;
• многофункциональные камеры;
• оборудование для конференций.

Проектирование пространства

Эффективность лаборатории зависит не только от состава оборудования, но и от правильной организации пространства.

При проектировании учитываются количество учащихся, сценарии занятий, требования к электроснабжению и локальной сети, размещение лабораторных комплексов, условия хранения оборудования и возможность последующего расширения.

Интерьер может быть дополнен современной навигацией, тематической графикой и демонстрационными материалами. Оформление поддерживает технологический характер пространства, но не перегружает помещение и не отвлекает учащихся от практической работы.

Комплексное оснащение лаборатории

Компания «ТЭКО» выполняет полный комплекс работ по созданию лаборатории нейротехнологий и искусственного интеллекта:

• анализ образовательных задач и исходных требований;
• разработка концепции лаборатории;
• подбор оборудования и программного обеспечения;
• подготовка технического задания;
• разработка проектной и технической документации;
• проектирование внутреннего пространства;
• подбор и поставка мебели;
• поставка компьютерного, серверного, лабораторного и мультимедийного оборудования;
• монтаж и подключение оборудования;
• установка и настройка программного обеспечения;
• интеграция оборудования в единую инфраструктуру;
• ввод лаборатории в эксплуатацию;
• обучение сотрудников образовательной организации;
• гарантийное и постгарантийное обслуживание;
• техническая поддержка в течение срока эксплуатации.

Комплектация разрабатывается индивидуально и может включать как одно образовательное направление, так и комплексное пространство, объединяющее нейротехнологии, робототехнику, искусственный интеллект и проектную деятельность.