CC BY
19
УДК 004.94: 661.124: 681.518 Шишов НО., Василенко В.А.
Разработка 3D-моделей вспомогательного оборудования для виртуальной лаборатории
Шишов Никита Олегович - бакалавр 4 курса кафедры информационных компьютерных технологий Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская пл., д. 9.
Данная работа является составной частью проекта по созданию цифрового двойника химической лаборатории. С помощью профессионального свободного и открытого программного обеспечения для создания трёхмерной компьютерной графики Blender создана SD-модель лабораторного помещения, включающая множество SD-моделей специализированного вспомогательного оборудования (шейкер инкубатор, лабораторная посуда, мебель).
Ключевые слова: цифровой двойник, виртуальная химическая лаборатория, специализированное оборудование, 3D-модель, трехмерная графика
Development of 3d Models of Auxiliary Equipment for Virtual Laboratory
Shishov N.O., Vasilenko V.A.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow
This work is an integral part of the project on creation of a digital twin of a chemical laboratory. 3D model of a laboratory, including a set of 3D models of specialized auxiliary equipment (shaker-incubator, laboratory glassware, furniture) were created with the help of professional free and open source software for creating three-dimensional computer graphics Blender.
Keywords: digital twin, virtual chemical laboratory, specialized equipment, 3D model, 3D graphics
Введение
В настоящее время практические реализации цифровых двойников все чаще используются в самых разных областях, включая, образование, строительство, здравоохранение, промышленное производство, судостроение, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, в энергетическом секторе и т.д.
Трехмерное моделирование является одним из первых этапов для создания цифровых двойников. Оно позволяет создавать точные и реалистичные модели различных объектов и систем. Это может быть полезно во многих областях, включая:
1. проектирование и производство: 3D моделирование позволяет создавать точные модели оборудования, машин и других объектов, что помогает ускорить процесс проектирования и снизить количество ошибок в производстве;
2. архитектура и строительство;
3. медицина, в том числе судебная [1];
4. игровая индустрия: 3D моделирование используется для создания реалистичных персонажей, мира и объектов в компьютерных играх.
5. образование: 3D моделирование может быть использовано в образовании для создания интерактивных учебных материалов и визуализации сложных концепций.
В целом, 3D моделирование имеет огромный потенциал во многих областях и может помочь ускорить процессы проектирования, улучшить качество продукции и улучшить понимание сложных концепций [2].
3D моделирование оборудования в химии также имеет большую актуальность, так как позволяет
проектировать и оптимизировать химические процессы и установки. С помощью 3D моделирования можно создавать виртуальные прототипы оборудования, проводить тестирование и анализировать его работу в различных условиях. Это позволяет сократить время и затраты на разработку и производство оборудования, а также повысить его эффективность и безопасность. Кроме того, 3D моделирование позволяет визуализировать и анализировать сложные процессы, которые невозможно наблюдать невооруженным глазом, что помогает улучшить понимание и оптимизировать работу химических установок.
Одним из перспективных примеров решения этой задачи является создание виртуальной химической лаборатории. Она имеет ряд преимуществ:
1. безопасность: виртуальная лаборатория позволяет изучать опасные химические реакции без риска для здоровья и жизни;
2. экономия времени и ресурсов: виртуальная лаборатория позволяет экономить время и ресурсы, которые могут быть затрачены на подготовку и проведение реальных экспериментов;
3. Доступность: виртуальная лаборатория доступна в любое время и из любого места, где есть доступ в Интернет;
4. удобство: виртуальная лаборатория позволяет изучать химические реакции в удобной форме, без необходимости перемещаться в реальную лабораторию;
5. возможность повторения: виртуальная лаборатория позволяет повторять эксперименты неограниченное количество раз, что позволяет лучше
понять процессы, происходящие в химических реакциях.
6. Возможность обучения студентов: виртуальная лаборатория позволяет студентам проходить обучение или стажировку без каких-либо трудностей, а главное эта возможность включает в себя пункт безопасности [3].
Экспериментальная часть
В настоящее время проводятся работы по созданию цифрового двойника химической лаборатории. Цифровое дублирование является важной и новой тенденцией во многих приложениях. Согласно международным стандартам цифровая модель изделия - это системы математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла. Системой компьютерной поддержки было выбрано программное обеспечение Blender и Unreal Engine (UE5). Blender включает в себя в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), а также создания 2D-анимаций. В настоящее время пользуется большой популярностью среди бесплатных 3D-редакторов в связи с его быстрым стабильным развитием и технической поддержкой [4].
Первоначальной задачей было создание 3D-модели шейкера инкубатора (рис. 1). Это биохимический прибор с регулируемой температурой, совмещающий функцию инкубации и перемешивания, широко используемый при работах с клетками, ферментации, гибридизации, биохимии; исследованиях ферментов и клеточных тканей и т. д. Данное устройство совмещает в себе два прибора: инкубатор и шейкер. Обладает компактным дизайном, низким уровнем шума, имеет простой и удобный сенсорный светодиодный дисплей для отображения скорости, температуры и таймер. Крышка открывается под широким углом, что обеспечивает удобство при работе с исследуемыми образцами. При открытии крышки циркуляция воздуха, нагрев и перемешивание автоматически прекращаются. Скорость вращения циркуляционного вентилятора можно регулировать для избежания высокой скорости вращения циркуляционного вентилятора, вызывающего улетучивание образца. Уникальная схема управления скоростью обеспечивает плавный запуск шейкера во избежание проливания жидкости. Бесщеточный двигатель постоянного тока имеет длительный срок службы и не требует технического обслуживания [5].
ЭБ-модель шейкера инкубатора была создана с помощью программного обеспечения Blender и его стандартных модификаторов.
Следующая задача заключалась в создании 3D-модели помещения виртуальной лаборатории (рис. 2).
Рис. 1 Фото и SD-модель шейкера инкубатора.
I
Рис. 2 SD-модель помещения виртуальной лаборатории.
Для создания 3D лабораторного помещения в среде разработки виртуальной реальности UE5 использовались стандартные инструменты Resize (изменение размера), Rotate (поворот), Move (перемещение). Так же использовались стандартные 3D объекты, такие как куб. Для текстурирования были применены базовые текстуры UE 5, для пола была наложена текстура плитки, для стен и потолка применялись стандартные в UE5 текстуры красок. Следующим этапом было создание плинтуса и применение к нему стандартной текстуры, также добавление света, эти компоненты создавались с помощью стандартных фигур и функций, лампочки размещались равномерно по помещению и настраивалась их мощность и площадь освещения.
Созданные 3D модели рамы и двери экспортированы в файлы формата *.fbx и импортированы в лабораторное помещение, так же была применена стандартная текстура UE5.
Для создания 3D моделей вспомогательного оборудования виртуальной лаборатории (колбы, бутыли, баночки и стола для шейкера инкубатора) (рис. 3) использовались стандартные инструменты Blender, такие как: Resize (изменение размера), Rotate (поворот), Extrude (выдавливание), Bevel (скругление граней), Move (перемещение). Так же использовались модификаторы Subdivision Surface (скругление и смягчение вссех граней и округлостей),
Модификатор Screw использовался для создания резьбы, которая выдавливается из заданных рёбер вокруг выбранного объекта, параметром Iterations определяется количество витков, а Angle расстояние между ними, Solidify использовался для придания модели толщины, которую можно настроить в данном модификаторе параметром Thickness.
Рис. 3 3D модели вспомогательного оборудования виртуальной лаборатории.
Заключение
Разработанные 3D-модели виртуальной химической лаборатории имеет большую перспективу в дальнейшей разработке, следующим этапом будет интеграция моделей в среду разработки
UE5, который обладает широкими возможностями визуализации и графики. На его основе будет производиться создание анимаций и обеспечения динамики объектов для виртуальной реальности.
Разрабатываемый проект виртуальной лаборатории может выступать в качестве тренажера для обучения студентов или персонала для работы с дорогостоящим оборудованием или в дистанционном, заочном образовании.
Список литературы
1. Леонов С.В., Шакирьянова Ю.П., Пинчук П.В. Перспективы развития трехмерного моделирования для решения судебно-медицинских экспертных задач: BIM-технология и 4D-моделирование // Судебная медицина. 2020. Т. 6. № 1. С. 4-13.
2. Сайт CadMaster, раздел Magazin/articles, [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.cadmaster.ru/magazin/articles/cm_54_i nfo_model_build.html (дата обращения: 16.05.2023).
3. Егоркина А.А., Васецкий А.М., Филиппова Е.Б. Разработка динамических элементов виртуального лабораторного практикума// Успехи в химии и химической технологии. Т. 33. 2019. № 11, с. 32-34.
4. Ковалев А.Д., Киселев Д.А. Использование виртуальных средств 3d графики в программе 3d моделирования blender. // 3D технологии в решении научно-практических задач. Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Красноярск, 2021. С. 63-66
5. Сайт компании Элтемикс, раздел Каталог, [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://eltemiks-lab.ru/product/shejker-inkubator-es-60c-orbita-20-mm-s-oxlazhdeniem(дата обращения: 17.05.2023).
