Цифровой двойник озера Байкал. Технологии, позволяющие человеку видеть в реальном времени активность своего мозга и улучшать ее. Материалы, которые в скором времени придут на смену кремнию, и на их основе создадут квантовые компьютеры. Это лишь малая часть результатов, которые либо уже получили, либо только обещают получить сотрудники институтов, выигравших летом 2020 года конкурс, объявленный Российской академии наук и Минобрнауки на предоставление грантов по приоритетным направлениям научно-технологического развития.
По всей стране было отобрано 40 так называемых «проектов — 100-миллионников». Предполагается, что они должны повысить конкурентоспособность общества и государства. На качественный старт ученым выделен срок в три года, и каждый год им будут выделять от государства по 100 миллионов рублей. Организаторы же конкурса, в частности, Российская академия наук, будут зорко следить за тем, чтобы работа не превратилась в формальность.
Накануне Дня российской науки, который страна отмечает 8 февраля, президент РАН Александр Сергеев проинспектировал работу над проектами в Сибирском отделении РАН (СО РАН).
Землетрясение длиной в три месяца
Первый проект, с которым нам довелось познакомиться, курирует иркутский Институт динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова СО РАН. Он предполагает объединить на одной цифровой платформе данные об экологии озера от всех исследовательских институтов, работающих с этой тематикой. Причем, это будет не просто портал, а система, живущая по правилам нейронной сети, которая в зависимости от поступающих данных, способна сама выносить «диагноз» нашей уникальной акватории.
– У нас огромные объемы данных, которые хранятся в разных институтах у геологов, гидрогеологов, лимнологов (исследователей водоемов – прим. авт.), - рассказывал президенту РАН директор института, академик Игорь Бычков. - А мы хотим, чтобы информация была открыта для всех, как Википедия, чтобы она так же, как и популярная энциклопедия, могла жить своей жизнью, постоянно обновляясь.
Идеальную картинку того, как должен работать проект, Бычков описал следующим образом:
- Есть у нас на Байкале проблема — нерпы уже который год подряд выбрасываются на берег десятками. И пока причин этого мы не знаем: вода вроде чистая, с воздухом в месте выброса тоже все в порядке, а животные страдают. Если появится наша цифровая система, она сможет проанализировать много дополнительных данных, которые, возможно, мы сейчас не учитываем. Может, нерпам вредят какие-то инвазивные виды животных, изменившаяся толщина льда и пр.
Удивительно, но за последние полгода, которые прошли с момента выделения первого транша, иркутским ученым удалось совершить настоящее открытие. Установив на территории вокруг Байкала новые датчики деформации почвы, они изменили взгляд на землетрясения.
- Оказывается, декабрьское землетрясение возникло не само по себе, - поясняет Бычков, – оно стало следствием сентябрьского, мелкие колебания от которого мы наблюдали в течение трех месяцев. Раньше никто не измерял такие колебания в течение длительного времени в разных точках, а мы померили. И получили информацию о предвестниках землетрясения, которые, оказывается, можно получать за три месяца! Такого метода раньше не было, это серьезный результат, полученный нами в районе сдвига между Сибирской платформой и Хамар-Дабанским блоком.
В будущем, если накопить информацию о силе и характере колебаний, мы можем моделировать землетрясения задолго до серьезных толчков.
Экология Байкала неотделима от его жителей, а они часто страдают от лесных пожаров.
–Мало кто занимается оценкой влияния пожаров на популяционные системы, - поясняет Бычков. – Мы не говорим сейчас об острых отравлениях угарным газом - на это есть специальные препараты. А вот что происходит с жителями, получающими не очень большие дозы гари во время тушения пожаров возле своего поселка? Для того, чтобы понять это, мы провели эксперимент на самцах белых крыс, которых держали определенное время в камере, куда поступал угарный газ от горящего торфа. Помимо влияния на сердечно-сосудистую систему, легкие, генетику, мы определили, что у грызунов изрядно пострадала и нервная система: горящий торф произвел на них возбуждающий эффект, повысил тревожность.
На вопрос президента РАН о том, хватает ли ученым для «цифрового двойника» Байкала мощности компьютеров, Бычков скромно ответил:
- Сегодня самый крупный компьютер имеется у одного из ведущих банков, его мощность составляет 8 петафлопс. Нам хотя бы единичку.
- А сколько вы сегодня имеете?
- 0,3.
Ответная реакция мозга
Следующий проект представлял Институт под названием «Международный томографический центр» СО РАН. Название многим из вас, уверена, ничего не скажет:
«Фундаментальные основы спиновых технологий и направленного конструирования "умных" полифункциональных материалов для спинтроники и молекулярной электроники».
В общем, разговор шел в основном о спинах. Что такое спин ? Если очень упрощенно, это магнитный заряд у элементарных частиц. Он помогает моделировать их свойства, что очень важно для многих отраслей науки, и особенно для медицины.
Как рассказали исполнители проекта, их задача на три-четыре ближайших года - разработать технологии, которые в будущем помогут создавать современные магнитные сенсоры, термодачики, помогут увеличить чувствительность томографов.
Для того, чтобы наглядней продемонстрировать необходимость в спиновых технологиях, делегацию из академии и Минобра провели по лабораториям.
Например, в одной из них, с современным томографом, членам делегации продемонстрировали ноу-хау. Здесь помогают людям с нарушениями движений восстанавливаться после травм и инсультов. Ложится пациент в аппарат МРТ - и там его взору представляют телевизионную трансляцию работы его же мозга. В реальном времени! Больной сжимает в руке резиновый шарик - определенные отделы мозга, ответственные за силу и ритмичность сжатия, реагируют, освещаясь по мере сжатия.
- Когда пациент получает эту обратную связь, он вдохновляется зрелищем, у него появляется дополнительная мотивация, он работает еще активней, - говорит нам сотрудник центра Андрей Савелов.
Но новое слово науки не в этом. Сибирские специалисты пошли еще дальше: решили научиться визуализировать те же изменения, что получаются при помощи МРТ, при помощи электроэнцефалографа.
– Нам важно, – говорит Савелов, чтобы технология «обратной связи» с мозгом была доступна во всех районных поликлиниках, даже там, где нет дорогих аппаратов МРТ.
Что будет после кремния?
Сибирь славится своими исследованиями в области полупроводников. И было бы странно, если бы в число приоритетных направлений не включили Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. Его сотрудники представили проект «Квантовые структуры для посткремниевой электроники».
Директор Александр Латышев в качестве вводного слова произнес увлекательную лекцию о последних достижениях в области цифровых технологий:
– Нас с вами окружает цифровая трансформация. Мы уже настолько привыкли к Интернету, телефонам, уже никого не удивляет электронное правительство, криптовалюта. В основе всех этих достижений, связанных с цифровыми технологиями, лежит элементная база. На ней все выполнено. Основа этой базы — транзистор. Так вот, сейчас мы подошли к тому, что в 2020 году были созданы микросхемы, в которых содержится уже по 50 миллиардов(!) транзисторов. Если вдуматься, какова это величина, то можно понять, куда идет прогресс.
Он идет к еще большему уменьшению транзисторов и скоро достигнет своего теоретического предела — размера в один атом. А что дальше? Чтобы ответить на этот вопрос, мы работаем в трех направлениях: ищем иные материалы, которые могут прийти на смену или дополнить традиционный кремний, новые физические принципы, и готовим переход от двумерной к трехмерной технической инфраструктуре.
Латышев отчитался, что за полугодие сотрудники, работающие в проекте, написали 12 научных статей, подготовили 13 диссертаций. «Вот, правда, докторской за три месяца защитить не успели», - скромно посетовал он, словно извиняясь... Его юмор был оценен.
Александр Сергеев поинтересовался насчет новых материалов с заданными свойствами, которые могут прийти на смену кремнию.
– Сейчас идет поиск таких материалов, - ответил Латышев. – К примеру, перовскиты (титанат кальция – прим. авт.) дешевле кремния, они очень хорошо подходят для солнечных батарей, для трехмерной схемотехники — нанопереключатели из диоксида ванадия. Очень перспективен полуметалл теллурид ртути.
Кроме вышеописанных президенту РАН были представлены новые методы сварки для авиационной и космической промышленности от Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича, фундаментальные исследования процессов горения в Институте теплофизики. Здесь же, в Сибири, оказался единственный из всех избранных, проект экономического характера, направленный на разработку конкретных предложений развития Азиатской России. Его представлял Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН.
Здешних жителей давно беспокоит вопрос: является ли Сибирь сырьевым придатком России или это полноценный регион, который должен развивать свой экономический, а самое главное, человеческий потенциал наравне со столичным?
Президент РАН Александр Сергеев в связи с этим обозначил проблему: экономисты академических институтов не раз выступали с реальными предложениями по повышению уровня жизни населения, но, почему-то существенных сдвигов не видно.
- Либо ученые плохо советуют, либо власти нас не слышат, - подвел он итог. – Мы ведем сегодня речь о территории от Урала до Тихого океана. Ни в одной стране нет таких пространств с огромными неосвоенными месторождениями полезных ископаемых. Сырье продаем без переработки.
Нынешний проект, по его словам, теперь направлен на создание не просто разработки стратегии развития - это должны быть промышленно-финансовые группы, которые высказали готовность работать вместе.
Наталья Веденеева
