IoT-разработка для медтех-стартапа: за что можно получить $15 млн в США

Вы когда-нибудь задумывались, какие технологии стоят за фармакологическими разработками и медицинскими открытиями? Digital-агентство «Атвинта» рассказывает, какое оборудование нужно современной медицине и за что стартап в США может получить $15 млн.

В прошлом году команда digital-агентства «Атвинта» сотрудничала с американским стартапом, который поставляет оборудование в медицинские лаборатории для микробиологических исследований.

В США у таких стартапов высокий шанс получить государственный грант и даже значительную сумму в первом раунде финансирования от инвесторов. Так что если смотрите в сторону инновационного бизнеса в Америке, рекомендуем обратить внимание на сферы медицины, химии и биотехнологий.

В основе стартапа идея «умной» лаборатории: единого ИТ-пространства для лабораторного оборудования с возможностью удаленного управления, дистанционного проведения исследований и обмена полученными данными. Мы разрабатывали программное обеспечение для микробиологического инкубатора и консультировали заказчика по электронике.

К нам обратилась американская компания-поставщик медицинского оборудования: от пробирок до морозильных установок.

Эта компания решила выйти на рынок с инновационной концепцией: создать микробиологический инкубатор, которым можно удаленно управлять, собирать и передавать данные, а в перспективе — обрабатывать результаты исследований с помощью технологий machine learning.

Инкубационный шкаф нужен для тестирования препаратов, изучения поведения микробиологических образцов под воздействием физической среды: температуры, влажности, состава воздуха. Когда заказчик пришел к нам, у них были блупринты устройства и идея, как все в идеале должно работать.

Потенциальные покупатели — медицинские и фармакологические исследовательские лаборатории, что-то вроде наших НИИ.

Для первых заказов нужно было показать инвесторам и покупателям рабочий экземпляр. В США этого достаточно, чтобы заключить контракты на поставку: для лабораторий государство предоставляет гранты на покупку нового оборудования. Причем система устроена так, что этим НИИ выгодно покупать новые разработки: в случае, если поставка не случится, лаборатории не теряют деньги.

Основатель стартапа вырос в семье врачей и получил медицинское образование. Он понимал потребности в оборудовании для исследований и знал, как можно улучшить то, что есть на рынке.

Сейчас оборудование в лабораториях не имеет удобных интерфейсов, для управления необходимо присутствовать в лаборатории, отслеживать показатели можно только не отходя от прибора. Данные экспериментов нигде не сохранялись автоматически, собирать их можно только в момент наблюдения: записывать в тетрадь или в компьютер.

Отсюда родилась идея доработать прибор так, чтобы можно было управлять с телефона, удаленно получать данные о ходе эксперимента, а в дальнейшем собирать и анализировать данные с помощью технологий машинного обучения.

Компания-заказчик создала чертежи инкубатора и описание идеи для потенциальных инвесторов и покупателей. С железом они могли разобраться сами, а вот для создания программной часть управления оборудованием нужен был софтверный разработчик.

В общем виде прибор должен работать так:

• В металлическую камеру встроен модуль для управления температурой внутри него.
• Дополнительно к камере подключают модули для управления концентрацией газов: кислорода, азота и углекислого газа.
• Исследователь настраивает параметры для модулей и отслеживает, как изменение факторов среды влияет на поведение исследуемого образца.
• Пользователи управляют оборудованием в самой лаборатории или дистанционно. В лаборатории параметры задают через дисплей микробиологического инкубатора, дистанционно — через веб-сервис или мобильное приложение.

По сути это интернет вещей: электронный прибор, который связан с интернетом. Задача команды «Атвинты» — разработать программу для управления оборудованием, сбора и хранения данных об исследованиях в памяти самого устройства и реалтайм-синхронизацию с веб-сервером, чтобы пользователь взаимодействовал с устройством через смартфон и веб-сервис: управлял ходом эксперимента, отслеживал показатели в реальном времени и выгружать отчеты.

Изначально договоренности были такие: заказчики у себя собирают и тестируют электронику реального устройства, мы у себя в России собираем только прототип устройства по их чертежам. Основная работа: создать программное обеспечение для управление устройства и интерфейс, который точно передает картину экспериментов и позволяет интуитивно управлять устройством. Плюс разработать веб-сервис и приложение для смартфонов.

После подписания договора выяснилось, что у заказчиков не было полного понимания, как должны взаимодействовать элементы электроники. Мы поняли, что придется прикидывать и собирать всю электронику самостоятельно. Так в нашей команде появился специалист по электронике и автоматизации управления.

Наш специалист по электронике консультировал заказчика в США и дистанционно помог собрать продукта, а мы у себя создали эмулятор: к компьютеру Raspberry Pi с экраном подключили микроконтроллер, имитирующий работу реального оборудования.

Зато мы узнали, что легенды о том, как основатели стартапов в Америке собирают первые образцы у себя в гараже — не миф. Технический директор заказчика первое время именно так собирал оборудование по консультациям с нашего специалиста. Когда стало понятно, что электроника работает, как задумывалось, отдали на производство.

Перед нами стояла задача сделать так, чтобы железная камера со всей электроникой управлялась несколькими командами человека. То есть разработать программное обеспечение, которое свяжет между собой каждый элемент.

Основная функциональность заложена в компьютер самого девайса: запуск эксперимента, отслеживание показателей, сохранение и накопление результатов.

Инкубатор работает как автономно, так и онлайн. Если нет выхода в сеть, вся информация записывается в память устройства. Как только устройство ловит интернет, оно автоматически выгружает сохраненные данные в зашифрованном виде в облачное хранилище. Пользователь под своей учетной записью зайдет через веб-портал или мобильное приложение и сразу увидит всю информацию.

Для такой синхронизации пришлось перебрать несколько вариантов, пока разработали подходящее решение. Стандартные протоколы не подходили: они либо не хранили данные, либо только передавали команды устройству, но не собирали показания с датчиков.

Мы предусмотрели настройки, которые разграничивают права, и добавили авторизацию по пин-коду с привязкой к пользователю, чтобы защитить информацию. Как только исследователь авторизуется, система автоматически показывает информацию по доступному для него оборудованию и загружает отчеты только по его экспериментам.

Все функции основного прибора доступны через веб-портал и мобильное приложение.

Веб-портал — это закрытый сервис, авторизоваться в нем можно только по специальному логину и паролю. Личный кабинет пользователя создает поставщик устройства. Когда девайс доставлен покупателю, техподдержка заводит аккаунт и привязывает к нему устройство с определенным серийным номером. Сам покупатель заполняет информацию о пользователях, генерирует логин и пароль для каждого.

Мобильное приложение полностью повторяет функциональность инкубатора и веб-портала.

В IIoT повышенные требования к безопасности. Сбой оборудования в потребительской сфере не приведет к фатальным сложностям, а поломка на производстве грозит значительными финансовыми потерями или даже угрозой здоровью людей.

Поэтому девайс синхронизируется не только с учетной записью конкретного пользователя, но и передает отчет об исправности работы техподдержке производителя. Администраторы техподдержки увидят устройство в сети и сообщат клиенту, если в работе прибора возникнут ошибки. Так компания обеспечивает дополнительный сервис своим покупателям и формируют репутацию надежного производителя.

Большинство производители промышленного оборудования не уделяют внимания интерфейсам своих продуктов. Обычно это выглядит как-то так:

Команда дизайнеров Digital-агентства «Атвинта» сделали UI прибора таким, что он автоматически выделял девайс среди аналогов.

Главный принцип интерфейса — сделать не только красиво, но и удобно. Это касается и разработок для массового пользователя, и для промышленного оборудования.

Нужно было понять, как исследователи будет взаимодействовать с устройством, какие шаги нужно совершить при запуске эксперимента, к чему приведет то или иное взаимодействие, как оно отразится на работе электроники.

Мы построили сценарии: через какие экраны пользователь проходит, чтобы попасть в нужный раздел. Получился сториборд со всеми экранами, которые понадобятся для управления оборудованием.

В сториборд отражены основные потребности пользователей:

• Создавать сессии — отрезок эксперимента с заданными параметрами среды;
• Отслеживать текущее состояние эксперимента и прогноз по ближайшим изменениям параметров настройки;
• Смотреть подробные данные по каждому отдельному параметру;
• Авторизоваться разным пользователям.

После сторибордов перешли к проектированию интерфейса.

Диагональ экрана микробиологического инкубатора — всего 7 дюймов, или 17,8 см. Для сравнения — это размер мобильного телефона. Например, у iPhone Xs Plus экран 6,5 дюймов. И на этом экране необходимо показать все данные по каждому модулю: как менялись за время эксперимента показатели температуры, содержания азота, кислорода, углекислого газа. А ведь эксперимент может длиться неделями! И на экране нужны отчеты с данными за все время. Кроме того, каждый показатель имеет свои единицы измерения: температура — в градусах Цельсия или Фаренгейта, содержание газов — в процентах.

Только с третьего раза нам удалось создать прототипы, которые учитывали все потребности пользователей. Мы компоновали разные варианты экрана, каждый раз дополняя важными для пользователя параметрами, но сохраняя визуальную простоту.

На экране мониторинга мы свели графики по каждому параметру в одну систему координат. По горизонтальной оси показывается время длительности эксперимента, по вертикальной — значение параметра. При этом вертикальная ось для каждого параметра со своей шкалой.

Для большего упрощения восприятия сделали для каждого модуля свой цвет графика. На шкале флажком соответствующего цвета отмечено текущее значение параметра.

Еще одна специфика интерфейса для IoT — в способе ввода информации пользователем. Как спроектировать взаимодействия для браузера и мобильных, было понятно: для веба, iOS и Android есть стандартные решения. Для интерфейса основного устройства пришлось придумывать логику и элементы ввода информации с нуля.

Например, для настройки параметров эксперимента мы создали конструктор в виде кирпичиков-кнопок.

Длина кирпичика визуально показывает, сколько времени поддерживается целевое значение каждого показателя: температуры, влажности или концентрации газа. Ширина блока спроектирована исходя из средней площади нажатия пальцем. При нажатии на кнопку-кирпичик открывается окно настройки.

Получился конструктор эксперимента, где параметры сессии складываются в диаграмму для удобного восприятия структуры и последовательности опыта.

Последний штрих к проекту — перенести логику работы интерфейса в веб-портал и мобильное приложение для удаленного управления устройства.

Десктоп-версия визуально полностью соответствует интерфейсу основного девайса. Отличие только в вводе данных через клавиатуру и мышь. Для мобильной версии мы еще больше упростили некоторые элементы, чтобы легко они читались на вертикальном экране.

Например, в графиках убрали шкалы показателей в вертикальной ориентации. В горизонтальной ориентации мобильного устройства эти шкалы отображаются так же, как и на остальных устройствах. В верхнем углу в поставили иконку-подсказку, что нужно перевернуть экран.

В общей сложности проект длился 7 месяцев. Со стороны Атвинты в команде было 14 человек: специалист по автоматизации систем управления, аналитик, архитектор, 6 разработчиков, 4 дизайнера и проджект.

Для нас этот проект был интересен разнообразием задействованных технологий. При разработке для промышленного интернета вещей помимо веба и UI/UX-дизайна команда должна разбираться, что такое теория автоматического управления, что такое ПИД-регуляторы, как работают электронные модули, как запрограммировать микроконтроллеры на разных платформах.

Зато в результате наш заказчик презентовал проект и заключил контракты с несколькими лабораториями еще до официального запуска производства.

Такие проекты в Америке могут рассчитывать не только на гранты научных лабораторий. Частные инвесторы тоже заинтересованы вкладывать деньги в стартапы, ведь возврат инвестиций гарантирован за счет государственной поддержки. После того, как проект был готов, заказчик презентовал его инвесторам. В раунде А стартап получил 15 миллионов долларов для перехода на серийное производство.

В штатах стартапы в сфере медицины, химии и фармакологии понимают, что на этом рынке есть деньги и стремятся создавать все более и более крутое оборудование.

Прошивка для инкубатора, которую разработали в Атвинте, была модифицирована для другого оборудования, которое наши заказчики поставляли ранее. Например, ее интегрируют на холодильные установки для хранения образцов в медицинских лабораториях.

В ближайших планах — внедрение машинного обучения и переход к системе умной лаборатории.