XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-нутрициолог по базе конструктора Spike Prime
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ты то, что ты ешь. Эта знакомая всем с раннего детства фраза стала набирать сегодня обороты.
Ни для кого не секрет, что крепкий иммунитет, красивая кожа, крепкие кости, волосы и ногти, и даже настроение зависят от рациона человека.
На сегодняшний день очень популярными стали такие профессии как диетолог, нутрициолог, консультант по питанию.
Однако многие не могут себе позволить услуги квалифицированного специалиста или не успевают пользоваться его советами, так как у многих людей очень высокий ритм будничной жизни, который включает в себя работу, заботу о детях, родителях, себе, семье и быте, который зачастую не позволяет углубленно разобраться в вопросах здорового питания и подбора продуктов. Выбирая приоритетом сократить время, затрачиваемое на прием пищи, человек выбирает полуфабрикаты, покупает готовые обеды, лапшу и пюре быстрого приготовления или обращается к сетям фаст-фуда. Все это, игнорируя полезные продукты: фрукты, овощи, зелень, молочные и кисломолочные продукты, рыбу и мясо, орехи.
Правильное питание необходимо не только людям с уже имеющимися проблемами с весом, желудочно-кишечным трактом, но и всем, кто желает сохранить свое здоровье. От здоровья каждого из нас зависит здоровье будущих поколений.
Мы решили разобраться в вопросах грамотного питания и создать робота-помощника, который прямо в магазине смог бы увидеть физическое состояние человека и подсказать какой именно продукт стоит выбрать. Данная технология гармонизировала бы систему питания человека и сократила бы время, затрачиваемое на поход в магазин.
Наиболее подходящей для изучения мы посчитали нутрициологию, так как она, в отличии от диетологии не правит питание людей с различными патологиями, а выявляет воздействия определенных продуктов на системы организма, работу метаболизма, укрепление иммунитета и создает гармоничную систему потребления различных продуктов, устанавливая необходимое количество их потребления.
Цель- исследование возможностей робота в качестве общедоступного консультанта-нутрициолога в продуктовом магазине.
Задачи:
-изучить основные принципы правильного питания в рамках нутрициологии;
-рассмотреть использование существующих роботов-помощников в пищевой промышленности;
-создать модель робота-нутрициолога на базе конструктора Spike Prime, позволяющего определять необходимые для покупки фрукты и овощи;
-провести эксперимент по запуску робота-нутрициолога используя программное обеспечение Education SPIKE;
-продемонстрировать возможности робота на примере рабочего дняв продуктовом магазине;
- проанализировать эффективность применения робота-нутрициолога.
При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:
- Lego удивительные творения [2];
-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов [3];
-Курс «Машины и механизмы», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн» [1].
Для получения информации о современных роботах в пищевой промышленности и информацию о нутрициологии мы получили из различных интернет источников:
-он-лайн журнал Агропортал (http://agroportal.ua/) [4];
-статья коммерческого форума «Зерно России» (https://www.agbz.ru/) [5];
-интернет-журнал о робототехнике (https://robogeek.ru/) [6];
-данные из свободной энцикловедии (https://ru.wikipedia.org/) [7];
-он-лайн учебник по нурициологии (https://aldebaran.ru/) [8].
Глава 1. Теоретическое обоснование необходимости создания робота-нутрициолога.
1.1 Принципы правильного питания в рамках нутрициологии.
Нутрициология-современная популярная наука, которая находит комплексный подход в изучении проблем питания, мотивов выбора продуктов и их влияния на организм [8].
Одной из задач нутрициологии является подбор системы питания. Нутрициологи комплексно выбирают пищу, оценивают ее питательность, изучают механизмы ее усвоения и переваривания с целью повлиять на организм условно-здорового человека, обеспечить профилактику болезней и улучшить общее состояние здоровья[7].
Существует несколько теорий, на которых базируется нутрициология, так как для разных людей подходят различные системы питания:
-сбалансированное питание, при котором полученные организмом полезные вещества должны компенсировать их расход;
-вегетерианство, при котором в пищу не используются продукты животного происхождения;
-сыроедение, при котором в пищу используются продукты не имеющие термической обработки;
-редуцированное питание, которое ограничивает питание таким образом, что количество затрачиваемой энергии больше, чем получаемая энергия из пищи;
-интервальное голодание;
-раздельное питание, при котором во время приема пищи не употребляются несовместимые продукты, такие как белки и крахмалы, белки и жиры [7].
Такое разнообразие теорий питания обусловлено тем, что основной принцип нутрициологии-подобрать каждому человеку индивидуальную систему питания, которая восполнит дефициты в его организме. Так как человеческий организм постоянно меняется, обновляется, то и питание корректируется в зависимости от его возраста, веса, настроений, хронических и сезонных заболеваний.
Нутрициологу необходимо знать о свойствах той-или иной пищи. И на помощь к ним приходит цвет продуктов.
Необходимыми для сбалансированного и грамотного питания являются овощи, фрукты, зелень. Все фрукты и овощи содержать в своем составе воду, витамины, микроэлементы, сахара, клетчатку [8].
Цвет плода говорит нам о том сколько полезных веществ он в себе хранит. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН отмечает, ежедневный набор продуктов является наиболее полезным если включает в себя большое разнообразие цветных натуральных продуктов[4].
Например красные плоды, такие как вишня, свекла, помидоры, красный перец, богаты ликопином, кверцетином, и геспередином. Они помогают снимать отечность, являются хорошими антиоксидантами, предотвращают онкологические заболевания, благотворно влияют на тонус сердечно-сосудистой системы, улучшают память и кожу, стимулируют нервную систему.
Оранжевый цвет продуктов, таких как морковь, дыня, тыква, персик, абрикос говорит о содержании в них бета-каротина. В организме человека он превращается в витамин А, нормализует функцию половых желез, улучшает зрение. Геспередин, содержащийся в большой концентрации в кожуре цитрусовых тонизирует вены, микроциркуляцию крови и укрепляет стенки сосудов [7].
Лимон, ананас, нектарин, груша и другие продукты желтого цвета богаты фолиевой кислотой и витамином С. Он повышает иммунитет, нормализует работу нервной системы, участвует в образовании коллагена, и помогает усваивать железо. Так же благотворно влияют на настроение человека [8].
Синие и фиолетовые фрукты, овощи и ягоды, такие как сливы, голубика, черника содержать элаговую кислоту и антоцианы. Благодаря им под защиту попадает иммунная система, сердце, организм менее подвержен развитию онкологических заболеваний. Так же они успокаивают нервную систему, снижают уровень стресса [4].
Фолиевая кислота и клетчатка содержатся в продуктах зеленого цвета-шпинат, яблоки, листья салата, фейхоа. Клетчатка улучшает работу желудочно-кишечного тракта, а фолиевая кислота незаменима для беременных женщин, так какуменьшает риск врожденных пороков у эмбриона, а саму будущую мать оберегает от анемии [4].
Каждый продукт является уникальным по набору полезных веществ, витаминов, минералов, сахаров, микроэлементов. При грамотном их соединении, и организации индивидуальной системы питания они способны поддерживать и улучшать работу человеческого организма. Главное выбирать качественные продукты.
1.2 Роботы-помощники в пищевой промышленности.
Многие предприятия стремятся к автоматизации производственных процессов. Пищевые предприятие не исключение.
Производство продуктов условно делят на два этапа: первичная обработка сырья и вторичная переработка.
При первичной обработке продукты готовят в продажу, их моют, сортируют, очищают и нарезают.
Вторичная переработка включает в себя работу с уже готовой, первично обработанной продукцией. Это может быть ее упаковка, транспортировка по конвейеру, приготовление выпечки, ее украшение и гигиеническая уборка места готовки и самих роботов, в ней участвующих [6].
Примерами первичной обработки продуктов можно считать роботов в сборе и в сортировке овощей и фруктов. Долгое время на производствах работали исключительно люди, так как фрукты и овощи легко повредить, они имеют разные размеры. Однако с недавних пор компания Soft robotics придумала гибкий захват, который аккуратен в работе не только с фруктами, но и безопасно может разделять листья салата и зелени. Примером может служить система «Vegebot». Это робот, размещенный на мобильной платформе, имеющий «руку», способную настраиваться под размер овощей [6]. (Приложение, Рисунок 1.2.1)
Многие знакомы с домашним помощником-кухонным комбайном. Он способен разрезать на кусочки различного размера и даже формы многие овощи и фрукты, однако для резки сложных продуктов, например-разделка рыбы требовались люди. Сейчас на рыбных производствах пользуются специальными слайсерами, позволяющими резать не только стейки, но и обрабатывать рыбное филе [5]. (Приложение, Рисунок 1.2.2)
Примером вторичной обработки могут служить роботы для украшения тортов. Робо-руки компании Unifiller может декорировать торты, движущиеся прямо по конвейеру, робот Katana способен вырезать различные сложные формы в выпечке [5]. (Приложение, Рисунок 1.2.3)
Для того, что бы продукты, выходящие из производств были безопасны для человека, необходимо обеспечить чистоту роботов. Система JMP Automation позволяет очищать столы, рабочие поверхности и могут мыть других роботов используя мощные струи воды[6]. (Приложение, Рисунок 1.2.4)
Несмотря на то, что все эти роботы позволяют автоматизировать приготовление сортировку и отправку еды, оне не гарантируют ее свежесть, пользу и вкус.
Для того, чтобы проверить фрукты и овощи так же существуют специальные приборы.
Свежесть овощей зависит от их меры влаги. Мякоть огурцов, кабачков, моркови, свеклы, редиса и тыквы должна быть плотной и сочной, равномерного окраса. Определить меру влаги позволяют Российские приборы ML-50, прибор FD-610 или влагомер «Эвлас-2М». В данные приборы помещается небольшой кусочек овоща или фрукта, он взвешивается, затем высушивается при высокой температуре, после чего пробу вновь взвешивают и вычисляют уровень концентрации влаги в нем [4]. (Приложение, Рисунок 1.2.5)
Ценность овощей и фруктов в количестве витаминов, сахаров, кислот, каратиноидом и минеральных солей в них. Так же немаловажным фактором выбора того или иного овоща является его питательность и вкус, за которые отвечают углеводы: фруктоза, глюкоза и сахароза. Измерить уровень растворимых углеводов позволяют рефрактомеры. Этот прибор используют, когда овощ или фрукт еще только растет и зреет. На призму рефрактомера наносят вещество, которое необходимо изучить, затем поворачивают прибор к солнцу, луч должен попасть на линзу, на которую помещено вещество, свет, преломляясь, попадает на систему линз и отображается на специальной шкале. Показатели считываются в определенном диапазоне, а полученные результаты позволят грамотно сбалансировать уход за овощами и фруктами, чтобы скорректировать их вкус [5]. (Приложение, Рисунок 1.2.6)
Что бы продукт был безопасен, так же проверяют содержание токсикантов: тяжелые металлы, пестициды, нитраты. Их количество не должно превышать допустимых концентраций. Измерить концентрацию вредных для организма токсинов позволяют нитратомеры. Он исследует электропроводимость овощей и фруктов, за которые отвечают металлы и соли, находящиеся в их соке. Чем их больше, тем выше показатель электропроводимости. Прибор измеряет электропроводимость электричества через соки плода и в результате вычислений выдает количество нитратов в мг/кг [5]. (Приложение, Рисунок 1.2.7)
Не смотря на разнообразие приборов-помощников в пищевой промышленности, они малоприменимы в повседневной жизни каждого человека и не помогают выяснить необходимость человека в том или ином продукте, улучшающем его здоровье. Что делает нашу идею не только полезной, но и инновационной.
Глава 2. Модель робота-нутрициолога на базе конструктора Spike Prime
2.1 Конструкция и функции модели робота-нутрициолога Spike Prime.
Робот нутрициолог состоит из программируемого хаба, трех моторов, высокоточного датчика цвета, датчика расстояния и датчика нажатия. Дополнительно к роботу прилагаются две продуктовые цветные карты, последовательность цветов в которых обусловлена потребностями покупателя [1]. (Приложение, Рисунок 2.1.1)
Карта 1, в которой на первом месте красный и желтый цвета нужно людям ослабленным, которым необходимо усилить иммунитет и общий тонус. Карта 2, в который на первом месте синий и зеленые цвета сообщают покупателю, то ему нужны продукты, которые успокоят его и помогут расслабиться, при этом так же положительно повлияют на иммунитет, ведь в синих и зеленых продуктах много витамина С. (Приложение, Рисунок 2.1.2)
Хаб находится внизу робота, к нему подключены все моторы и датчики. Передвигается робот на двух колесах и шарнире. За его передвижение отвечают малые моторы «А+В», они обеспечивают робота мобильностью и он самостоятельно может передвигаться в пределах торговой точки [3]. (Приложение, Рисунок 2.1.3)
На крайней фронтальной точке расположен датчик расстояния «Е». (Приложение, Рисунок 2.1.4)
Большой мотор «F» отвечает за прием продуктовой цветной карты, и ее возвращение при помощи реечного механизма [2]. (Приложение, Рисунок 2.1.5)
Начинает работу Мотор «F» после сигнала датчика нажатия. Когда покупатель хочет убедиться в правильности подобранных продуктов, он отмечает на карте цвета фруктов или овощей, которые он выбрал, при этом те продукты, которых больше должны стоять впереди, затем вставляет ее в специальное отверстие. После чего нажимает датчик нажатия, если датчик нажат с усилием, то робот должен определить необходимость в карте 2, если наоборот на датчик просто нажали, без усилия, то покупателю необходимо восполнить энергию, и ему подойдет карта 1. (Приложение, Рисунок 2.1.6)
Внутри робота находится датчик цвета «С», он считывает массив данных и передает информацию в компьютер, в зависимости от положения цветов компьютер будет издавать различные звуки, которые сообщат покупателю о правильности их выбора [1]. (Приложение, Рисунок 2.1.7)
2.2 Управление роботом-нутрициологом при помощи программного обеспечения Education SPIKE.
Проект робота-нутрициолога управляется при помощи нового программного обеспечения Education SPIKE.
Передача задач между моторами передается при помощи датчиков и сообщений.(Приложение, Рисунок 2.2.1)
Благодаря хабу, к которому подключены все моторы и датчики они могут легко сообщаться между собой, даже без подключения к компьютеру. Программа загружается и сохраняется на хабе и управляет всеми необходимыми нам задачами робота. Помимо передвижения по торговому залу к покупателям, роботу необходимо считывать и сравнивать различные продуктовые карты. Перед началом работы в робота записаны два основных массива данных, настроенные на подбор продуктов для покупателей с излишней нервозностью, и на покупателей с дефицитом энергии. Робот сравнивает различные массивы данных опираясь на силу воздействия на датчик нажатия.
2.3 Демонстрация возможностей робота-нутрициолога на примере рабочего дня в продуктовом магазине.
Перед рабочим днем робота-нутрициолога заряжают, и заносят в его массив данных список продуктов, которые необходимо посоветовать напряженным людям и людям, имеющим дефицит энергии.
К покупателю, выбирающему овощи и фрукты в торговом зале подъезжает миловидный робот-нутрициолог, предлагая свои услуги. Остановку перед человеком или стеллажом робот осуществляет благодаря датчику расстояния. (Приложение, Рисунок 2.3.1)
Человек, отмечает на специальной карте свой список покупок, начиная с цветов, которые чаще встречаются в его продуктовой корзине и помещает его в робота и нажимает на датчик нажатия. Робот, при помощи реечного механизма поглощает список, издавая забавный звук «Bite» и реагирует еще двумя звуками на правильный и ошибочный выбор продуктов. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
Так же, при нажатии на датчик нажатия, у датчика расстояния загорается подсветка, сообщающая о том, что идет обработка продуктовой карты. Так же подсветка демонстрирует силу нажатия. Если она больше 5 ньютон, то загораются верхние доли, если меньше, то нижние. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
При нажатии с усилием робот позитивно реагирует на продуктовую карту, в которой на первом месте стоят продукты синего цвета. Они должны успокоить человека, увеличить уровень витамина С, и поднять ему настроение. Робот издаст звук «Applause 2». Если человек сделает неправильный выбор, то робот издаст звук «Oops».
При слабом нажатии робот посчитает необходимым посоветовать человеку красные и желтые продукты, так как он нуждается в тонусе, Витамине С и заряде энергией. Принцип действия аналогичен предыдущему. При правильном выборе продуктов робот поаплодирует покупателю, при ошибочном издаст звук «Oops». Силу нажатия датчик определяет в ньютонах. (Приложение, Рисунок 2.3.4)
При этом человеку не надо ходить и каждый раз набирать продуктовую корзину заново, он может просканировать с помощью робота несколько карт и подобрать свой рацион на ближайшие дни, так как проверять свою систему питания необходимо регулярно.
Заключение.
На сегодняшний день люди больше внимания стали уделять здоровому образу жизни, а особенно своему питанию.
Не смотря на разнообразие теорий, диет и научных исследований вкруг построения грамотной системы питания, наш выбор пал на нутрициологию.
Нутрициология, на наш взгляд рациональнее многих наук, посвященных изучению влияния различной пищи на организм, так как находит индивидуальный подход к каждому человеку и выстраивает эксклюзивную систему питания, которая занимается профилактикой заболеваний и улучшением общего состояния здоровья человека.
Основа нутрициологии-грамотный подбор продуктов. Ни для кого не секрет, что в овощах и фруктах различного цвета находится разное количество сахаров, минеральных веществ и витаминов. Для составления эффективного рациона необходимо знать какой продукт в какой момент времени и при каких обстоятельствах необходимо употребить в пищу.
Не смотря на множество роботов, которые автоматизируют производство и готовку еды, определяют ее безопасность и даже вкусовые качества, еще нет робота способного посоветовать выбрать тот или иной продукт.
Наш робот выбирает необходимую для человека продуктовую корзину, опираясь на прилагаемую человеком силу в отношении датчика нажатия.
Так как, такой робот может беспрепятственно передвигаться по залу он может охватить большее количество покупателей, его советы улучшат их состояние здоровья и заполнят дефициты полезных веществ.
Так же робот прост в использовании, а забавные звуки, которые он издает при работе улучшат настроение даже взрослого человека.
Все эти функции позволяют считать робота эффективным в использовании в продуктовых магазинах. На данном этапе его можно использовать на уроках информатики и робототехники.
Список использованной литературы:
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
«LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
«LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Интернет-источники:
http://agroportal.ua/;
https://www.agbz.ru/;
https://robogeek.ru/;
https://ru.wikipedia.org/;
https://aldebaran.ru/.
Приложение
|
Рисунок 1.2.1 |
Рисунок 1.2.2 |
|
Рисунок 1.2.3 |
Рисунок 1.2.4 |
|
Рисунок 1.2.5 |
Рисунок 1.2.6 |
|
Рисунок 1.2.7 |
Рисунок 2.1.1. |
|
Рисунок 2.1.2 |
Рисунок 2.1.3 |
|
Рисунок 2.1.4 |
Рисунок 2.1.5 |
|
Рисунок 2.1.6 |
Рисунок 2.1.7 |
|
Рисунок 2.2.1 |
|
|
Рисунок 2.3.1 |
Рисунок 2.3.2 |
|
Рисунок 2.3.3 |
|
|
Рисунок 2.3.4 |
|