Объединяя технику с природой
НБИК-конвергенция — это соединение четырех глобальных научных и технологических направлений: нано-, биотехнологических, информационных и когнитивных. В России конвергентными НБИК-исследованиями (к этой аббревиатуре наши ученые добавили еще С — социогуманитарную составляющую) заняты ученые уникального Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий.
Он был создан по инициативе и под научным руководством Михаила Ковальчука. Здесь ведутся исследования и разработки в области конвергенции современных технологий с «конструкциями» живой природы. В Курчатовском НБИКС-центре нанотехнологии соединяются с достижениями молекулярной технологии, био- и генной инженерии, микроэлектроники и др. Здесь же идут исследования по когнитивной тематике — изучение природы мышления, процессов памяти и их моделирование.
Какие тайны от нас скрывают древнеегипетские мумии, зачем обучать мини-роботов искусству общения в социуме и как современные природоподобные технологии помогут в лечении различных заболеваний — от кардиологии до ортопедии. «Известия» ознакомились лишь с некоторыми интересными разработками комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт».
Как полимеры приобретают новые свойства
Специалисты отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий создают материалы с необходимыми свойствами. Полимеры могут быть твердыми, как сталь, или гибкими, как человеческая кожа, могут сохраняться практически вечно или разлагаться с течением времени.
— В гипермаркетах уже появляются пакеты, которые под действием солнечного света превращаются в труху, в почвенный субстрат, — рассказал «Известиям» руководитель отдела кандидат физико-математических наук Тимофей Григорьев. — Это полиэтилен, в который добавили разлагаемые компоненты, чаще всего крахмал. А если мы сумеем сделать пакет, скажем, из полилактида и полигликолида, он сможет разлагаться до углекислого газа и воды.
Композиты используются для создания легких и одновременно прочных конструкций, которые не поддаются коррозии — например, из них можно изготовлять опоры для линий электропередачи. Для достижения высокой прочности стекловолокно, базальтовое или углеродное волокно связываются полимером. Эта смесь формуется, вытягивается в условиях непрерывного контроля структуры, термостойкости, прочности и стабильности. Сегодня такая арматура дороже стальной — но при значительных объемах производства цена различается всего в 2–3 раза.
В других случаях ключевое значение приобретают иные свойства полимеров.
— Металлический сердечник силового провода сильно расширяется при нагреве, провода провисают. А у композита коэффициент температурного расширения значительно ниже, чем у металла, — привел пример Тимофей Григорьев. — Другой пример — гибкие связи при строительстве, скажем, небоскребов. Под действием ветра гигантские здания качаются очень сильно. И необходимо абсолютно контролируемо возвращать конструкцию в прежнее положение без усталостных напряжений.
Полимеры применяются и в медицине. Здесь для ученых важнее всего добиться биосовместимости. Но есть и много других требований к материалам, используемым для лечения людей.
— Если у полиэтилена молекулярная масса низкая, цепочки молекул короткие, из него можно изготовить обычный пакет. Но если цепочки сделать очень длинными, молекулярная масса станет значительно выше и свойства полиэтилена кардинально изменятся, — пояснил Тимофей Григорьев. — Материал становится удивительно устойчивым к истиранию. Из него можно будет сделать, например, вкладку в искусственный сустав. Трубчатый каркас с нужной структурой — искусственная трахея, желчный проток, сосуд — приживется в организме. Через какое-то время врач посмотрит и не поймет: это соединительная ткань или имплант, который при этом не разлагается и не воспаляется. Трахея, кстати, один из самых нагруженных органов в организме. Когда мы кашляем, то подвергаем ее огромным механическим напряжениям. Если это имплант, то он, помимо биосовместимости, должен обладать колоссальным набором дополнительных свойств — механической прочностью, исключительной гибкостью.
Внешность древних египтян изучают с помощью рентгеновского сканирования
Лаборатория естественно-научных методов в гуманитарных науках комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» совместно с Государственным музеем изобразительных искусств (ГМИИ) им. А.С. Пушкина изучила девять древнеегипетских мумий. Подобное комплексное исследование этих объектов проводилось в нашей стране впервые.
Руководитель лаборатории кандидат философских наук Екатерина Яцишина рассказала «Известиям», что в Курчатовском институте уже был опыт похожего исследования: здесь несколько лет назад делали томограмму знаменитому мамонтенку Юке — самке шерстистого мамонта, жившей в Якутии около 40 тыс. лет назад, а затем создали стереолитографическую копию мозга, которая позволила исследовать его структуру.
Но с египетскими мумиями задача была на порядок сложнее и интереснее. Сначала ученые попробовали использовать магнитно-резонансную томографию (МРТ). Эта технология широко применяется для изучения внутренних органов и тканей в медицине. Однако качество изображения в МРТ зависит от количества молекул водорода в исследуемых тканях. При мумификации в Древнем Египте тело высушивали, поэтому метод МРТ здесь оказался неэффективен. Тогда исследователи сделали древнему «пациенту» рентгеновское компьютерное сканирование, которое позволило определить характерные параметры скелета мумии и целый ряд важных параметров, необходимых для реставраторов и музейных хранителей. Выяснилось, что это женщина ростом чуть выше 159 см. Египтянка умерла в довольно преклонном для того времени возрасте — около 50 лет. Об этом косвенно свидетельствует наличие всего четырех зубов и возможные признаки пародонтоза. Не избежала жительница первого тысячелетия до нашей эры и незначительных изменений в шейном и поясничном отделах позвоночника. Однако в целом у нее не было заметно серьезных проблем со здоровьем, кроме артроза ступни. Это подтвердили и заключения врачей-рентгенологов одной из московских больниц.
Судя по мышечному рельефу, женщина много ходила и занималась каким-то ремеслом, связанным с вращательными движениями в правом предплечье.
Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» создали 3D-реконструкцию черепа древней египтянки. Представители Института этнологии и антропологии РАН сейчас по этим данным реконструируют ее внешность.
Работы продолжаются, впереди еще много интересных находок.
Мини-роботов учат создавать коллектив
В лаборатории робототехники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий создали крупнейшую в России группировку мобильных мини-роботов. Она насчитывает более 20 особей с различными характеристиками. Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» учат роботов действовать сообща — подобно модели биосоциума — «муравьям в муравейнике». Кто-то занимается разведкой территорий, кто-то добывает ресурсы. Есть среди мини-роботов и свой вожак — альфа-самец — «механические муравьи» выбирают его самостоятельно. Программисты изучают работу таких коллективов при разном характере лидера — его делают то холериком, то флегматиком.
— Групповая робототехника крайне перспективна. Она объединяет множество научно-технологических направлений: человеко-машинные интерфейсы, принципы интеллектуального управления и, собственно, задачи группового управления. Суть наших исследований в том, чтобы перенести на технические устройства модели социального поведения. Фактически мы хотим создать социум роботов, — рассказал «Известиям» руководитель отделения нейрокогнитивных наук и интеллектуальных систем Курчатовского НБИКС-центра Валерий Карпов.
Социум роботов можно использовать для решения самых разных задач — например, мониторинга и патрулирования больших территорий. Более сложная задача — территориальный гомеостаз, когда роботы должны поддерживать природное равновесие в определенном районе. При этом для ученых очень важно определить механизмы управления социумом роботов, заставить их решать задачи, поставленные человеком.
В групповой робототехнике специалисты используют знания о свойствах самоорганизованных сообществ в живой природе. Во-первых, в группе обязательно должен выявиться лидер. Во-вторых, члены коллектива должны постоянно обучаться, причем не только на собственных ошибках, но и наблюдая за окружающим миром и, что самое сложное, за поведением «сородичей». В-третьих, изучаемых «существ» необходимо наделить подражательным поведением, которое свойственно «социальным» животным, а также возможностями общения.
Испытания ведутся на специальном полигоне, который расположен рядом с лабораторией. Здесь ученые разрабатывают алгоритмы выбора лидера и формирования групп.
Из крови человека добудут электричество
Специалисты отдела биотехнологий и биоэнергетики комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» научились получать электрический ток из глюкозы, которая содержится в крови и других физиологических жидкостях человека. Предполагается, что это позволит людям с кардиостимуляторами обойтись без повторной операции (замены батареек), а значит, и улучшить качество жизни, избежать повторного хирургического вмешательства.
— Электроэнергия генерируется за счет прямого химического преобразования. В кровотоке размещается биотопливный элемент. Это система с двумя электродами, на одном из них или на обоих расположены биокатализаторы. При этом на аноде происходит разложение органических соединений (в данном случае — глюкозы), в результате чего образуются свободные электроны. Они по цепи движутся к катоду. А положительно заряженные атомы водорода через расположенную между электродами специальную мембрану (она проницаема практически только для них) направляются к катоду, где и получают утерянные электроны. Затем они вступают в реакцию с кислородом, образуя обычную воду, — пояснил «Известиям» замруководителя отдела Павел Готовцев.
Для отработки новой технологии ученые создали в лабораторных условиях модели фрагментов кровеносной системы. В них был внедрен небольшой (размером около 5 см) биотопливный элемент. При этом удалось получить электрический ток мощностью от 15 до 40 микроватт.
— Этого достаточно для работы современного кардиостимулятора. Человек при этом не будет ощущать никакого дискомфорта, — подчеркнул Павел Готовцев.
Сейчас ученые планируют протестировать новую технологию на животных. В случае успешного прохождения доклинических испытаний на ее внедрение в клиническую практику потребуется порядка 10 лет.
Химики создали растворяющиеся в организме костные импланты
Ученые отдела нанобиоматериалов и структур НИЦ «Курчатовский институт» разработали биодеградирующие (рассасывающиеся внутри организма) костные импланты и медицинские изделия для остеосинтеза — восстановления костей. При их использовании пациентам после курса лечения не нужно будет вновь ложиться в клинику на операцию для извлечения имплантов или их замены на новые.
Как рассказал «Известиям» научный сотрудник Курчатовского института Никита Седуш, многие ученые во всем мире предпринимали попытки создать растворимые в организме конструкции для нужд травматологии. Но полученными результатами врачи были недовольны: костные импланты вызывали воспаление или обладали недостаточной прочностью. Ученые НИЦ справились с этими проблемами. Их изделия сформированы из композиционных полимерных материалов на основе полилактида с добавлением наполнителя, исключающего воспаление.
— В состав этих имплантов можно ввести дополнительные вещества, лекарства. Например, гидроксиапатит. Это натуральный компонент наших костей, что повышает биосовместимость. Гидроксиапатит распределен в материале в виде частиц размером не более 500 нанометров. Это значительно повышает прочность конструкции и решает проблему воспалений. Со временем эти импланты полностью рассасываются, — рассказал Никита Седуш.
Образцы растворимых в организме конструкций для остеосинтеза уже прошли доклинические испытания на животных. Теперь предстоит доработать технологический дизайн изделий и выбрать оптимальную структуру материала. После этого продукция пройдет регистрацию в Минздраве — и ученые смогут приступить ко второму этапу клинических испытаний.
Пол человека определяют по постам в интернете
Математики Курчатовского института научились определять пол интернет-пользователя по опубликованным им в Сети текстам. С помощью лингвистов Воронежского государственного педагогического университета (ВГПУ) они разработали методы машинного обучения и компьютерного моделирования, позволяющие решать такую нетривиальную задачу. Это удается сделать даже в случае, когда автор текста пытается представиться читателю не тем, кто он есть на самом деле.
— Давно назрела необходимость глубокого анализа информации, которая циркулирует в социальных сетях, — рассказал «Известиям» руководитель проекта Александр Сбоев. — Полученные нами результаты и методики будут использованы в том числе для защиты детей от вредной информации и борьбы с террористическими угрозами.
Исследование проводится с использованием курчатовского суперкомпьютера. С помощью нейросетей и методов искусственного интеллекта система анализирует авторские тексты по ряду грамматических и стилистических признаков. Определяются закономерности, позволяющие установить пол автора.
По словам руководителя проекта, при обнаружении источников вредоносной информации соответствующие службы проводят ее комплексный анализ. Важный компонент этой работы — достоверная идентификация пола автора. То же касается и задачи установления личностей террористов по их переписке. Поэтому силовые структуры — один из потенциальных пользователей результатов исследования. Другое возможное применение связано с бизнесом: достоверное распознавание пола участника интернет-коммуникации поможет провести маркетинговое исследование и таргетировать рекламу.
Следующая цель проекта, по словам Александра Сбоева, — научить компьютер определять по текстам возраст автора. Это куда более сложная задача: вариантов здесь куда больше, чем в случае определения пола.
