Ученые в День российской науки – о самых значимых открытиях и проблемах популяризации исследований

Сегодня, 8 февраля, отмечается День российской науки. Почти 300 лет назад в этот день указом Петра I была основана Российская академия наук. Инновации и исследования – без них уже невозможно представить будущее, и главную роль в этом играют ученые и разработчики, а также популяризаторы науки, благодаря которым наука становится модной. В честь праздника ITMO.NEWS расспросил ученых и популяризаторов науки о том, какие отечественные и зарубежные исследования в своей области они считают наиболее значимыми, применимыми и перспективными для развития в будущем, а также как правильно доносить науку до общества и при чем тут вау-эффект.

Ученые Университета ИТМО

Илья Викснин, ассистент кафедры проектирования и безопасности компьютерных систем Университета ИТМО

Чтобы говорить о «прорывных», «знакомых» открытиях за последние годы в моей области интересов, то есть в сфере искусственного интеллекта, да и в науке в целом, надо помнить важную вещь: все, что сейчас кажется новым для людей, которые не занимаются наукой, на самом деле было придумано уже достаточно давно. Одна из причин, почему это вызывает вау-эффект в широких кругах – отсутствие коммуникации между учеными и обществом. Решаемые практические задачи в современном мире – это обычно достаточно старые задачи, выдвинутые в большинстве случаев в XX веке. Поэтому, я думаю, правильнее делать акцент именно на прикладных прорывах, то есть на том, как существующие идеи и наработки использовались в реализации различных проектов.

Илья Викснин
Илья Викснин

Например, очень важный проект разрабатывается в рамках министерства обороны США (управление перспективных исследовательских проектов DARPA). Там создают рой беспилотных летательных аппаратов. Это один из проектов, показывающий перспективы применения роевого интеллекта в сверхсложных проектах. К сожалению, подобный проект реализуется, в первую очередь, в рамках военного дела (проект «Гремлины»), но оставляет надежду на реализацию и в мирных целях. Применение роевого интеллекта позволит решить множество самых различных задача, используя малое количество вычислительных мощностей, то есть требования к ресурсам будут сокращены при росте производительности систем.

Помимо этого, особой популярностью сейчас пользуются технологии блокчейна, и они тоже находят применение сегодня. Множество валют, проектов и так далее. Радует, что в условиях перманентного отставания российской промышленности в сфере внедрения инноваций в технологический процесс, сейчас начинаются некоторые изменения в этом тренде. Так, Сбербанк, ВТБ, ВЭБ и другие организации обратились к блокчейну в рамках покрытия некоторых своих процессов. Но общие решения в этой области достаточно условно можно отнести к научным – в первую очередь, это инженерные (программные) решения. Однако с точки зрения науки самым интересным является, на мой взгляд, проект zCash. Он появился в конце 2016 года, но основной его рост пришелся на 2017. Научная задача, решенная в рамках данной валюты, была сформулирована еще в 1986 году (доказательство с нулевым разглашением), но это одна из немногих валют, которая в полной мере его реализует, что гарантирует практически полную анонимность, в отличие от других валют.

Алёна Щёлокова, аспирант кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО

Алёна Щёлокова
Алёна Щёлокова

Мне приятно осознавать, что прорывные отечественные исследования происходят в стенах нашего родного Университета ИТМО. Одной из таких тематик является исследование и разработка топологических изоляторов для электромагнитных волн, которые в перспективе позволят создать новое поколение оптических волноводов. Здесь стоит отметить, что в 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена ученым-теоретикам за вклад именно в это направление. Мои коллеги значительно продвинулись в данной области за последние три года.  В 2015 году ребята совместно с коллегами из Австралийского национального университета первыми в мире экспериментально реализовали компактную топологическую структуру, в которой можно полностью контролировать локализацию света на очень маленьких масштабах. В прошедшем году они продвинулись еще дальше, предложив концепцию трехмерного топологического изолятора. Данная работа вошла в число самых перспективных работ в области фотоники в 2017 году по версии журнала Optics and Photonics News – одного из самых престижных в этой области науки.

Еще одним новым интересным направлением является разработка новых гибридных материалов на основе перовскитов. По данному направлению в 2017 году была создана отдельная лаборатория в Университете ИТМО под руководством Сергея Макарова и Анвара Захидова. К слову, в 2013 году журнал Science включил новые гибридные перовскиты в список прорывных технологий в качестве перспективного элемента для солнечных батарей. Далее их стали использовать в фотовольтаике, светодиодах. В настоящее время гибридные (органо-неорганические) перовскиты становятся идеальными кандидатами для создания эффективных наноразмерных источников света. В прошедшем году аспирантам Сергея Макарова Кате Тигунцевой и Гоше Зографу удалось получить резонансные наночастицы, которые к тому же еще и генерируют свет, используя относительно простые методы изготовления сначала пленки перовскита (химический синтез), а затем формируя из нее наночастицы. Результаты данного исследования уже приняты к публикации в высокорейтинговый журнал NanoLetters.

Также хотелось бы упомянуть о работе коллег физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, посвященной исследованию гибридных оптических метаповерхностей, свойства которых можно изменять при приложении внешнего магнитного поля. Структура представляет собой кремниевые нанодиски, покрытые тонким слоем никеля. Это дает, с одной стороны, возможность работать в режиме на пропускание, так как потери малы, с другой стороны, структура обладает магнитооптическим откликом, что позволяет управлять ее свойствами за счет внешнего магнитного поля. Это актуально для создания активных устройств с толщиной всего в несколько сотен нанометров, которые могут быть использованы, например, в потребительской электронике или для чувствительных сенсоров. Результаты исследований были опубликованы в журнале ACS Photonics.

Сергей Марков, директор по информационным технологиям компании «Активбизнесколлекшн», специалист по машинному обучению и искусственному интеллекту, популяризатор науки, основатель портала 22century.ru

Сергей Марков
Сергей Марков

Могу выделить сразу несколько проектов, которые только за последний 2017 год стали прорывом или оказали большое влияние на развитие искусственного интеллекта и машинного обучения. Во-первых, проект AlphaZero, в разработке которого была взята очередная вершина в развитии обучения с подкреплением, реализована система, построенная на основе сверточных сетей и метода Монте-Карло для поиска в дереве. Алгоритм в процессе самостоятельного обучения «с нуля» смог превзойти уровень сильнейших в мире систем для игры в го, шахматы и сеги. Во-вторых, большое значение имеет появление систем для преобразования изображений и перевода текстов на основе «обучения без учителя». Это существенный прогресс в развитии систем машинного обучения, которые не требуют на этапе тренировки разметки обучающих данных. В-третьих, сейчас наблюдается большой прогресс в области AutoML, систем для автоматического проектирования нейронных сетей. Вышло сразу три ключевых работы исследователей из Google (1, 2, 3). Это важный шаг к тому, чтобы создание нейронных сетей для каждой конкретной задачи происходило без участия человека.

Если же анализировать период в три года, то список прорывных работ окажется уже совершенно неприличным по длине. Это и проект DeepDream (2015), и выросшее из него направление под названием «Перенос художественного стиля» (artistic style transfer), и множество работ в области генеративных состязательных сетей (синтез нейронными сетями изображений, видео, музыки), и AlphaGo, и достижение машинами условного паритета с людьми в задачах распознавания изображений и речи, и многое другое.

Отдельно стоит также выделить прогресс в области распознавания речи, ее синтеза и определения смысла сказанного. Это открывает путь для полной автоматизации голосовых взаимодействий, например, для замены операторов колл-центров. Важны и разработки в области AutoML и методов обучения с подкреплением и обучения без учителя, он приводит к снижению трудозатрат для построения систем машинного обучения, открывает дорогу их более широкому применению. Также важный прогресс наблюдается в области создания специализированного оборудования для обучения нейронных сетей. Через несколько лет устройство, подобные TPU, скорее всего станут широкодоступными, что станет новым акселератором развития пользовательского применения глубоких нейронных сетей.

Что касается машинного обучения в будущем, я бы сделал ставку на развитие моделей, основанных на обучении без учителя и обучении с подкреплением, поскольку трудозатраты на ручную разметку массивов данных вряд ли будут существенно сокращаться, а вот вычислительные мощности постоянно дешевеют, поэтому такого рода модели будут все более и более востребованы. Также важное направление – это поиск новых нейросетевых моделей, подобных капсульным нейронным сетям Хинтона, а также разработки дифференциальных нейронных компьютеров (DNC), лишенных недостатков и ограничений классических моделей.

Елена Кипрушкина, заведующая кафедрой технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом Университета ИТМО.

В области биотехнологий и разработок для пищевой промышленности очень актуален вопрос создания функциональных продуктов питания, то есть таких, которые обладают как широким спектром применения, так и действуют точечно на конкретный орган, биотип, систему, заболевание. Почему это важно? Так мы можем восстанавливать баланс микроорганизмов, которые проживают в теле каждого человека. Ведь сегодня с нарушением этого баланса связывают многие болезни. Многие микроорганизмы помогают нам усваивать пищу, укрепляют иммунную систему, «включают» и «выключают» наши гены, словом, помогают нам жить. Кроме того, сообщество микроорганизмов, проживающее в человеческом теле, очень сильно влияет на образ жизни и мышления человека, его восприятие. Около 20% того, что употребляет в пищу человек, идет на их кормление.

То есть качество жизни и ее продолжительность зависит от микробов, которые живут в нас. Ученые называют его микробиом. Как сказал доктор Хироми Шинья, известный японский врач, гастроэнтеролог и хирург, автор нескольких бестселлеров, посвященных здоровому образу жизни: «Войну с плохими бактериями, которую мы вели весь 20 век, мы проиграли! И единственный способ оздоровить свой организм – правильно кормить дружественных нам бактерий собственного микробиома!». Истина старой пословицы «ты – то, что ты ешь» становится все очевиднее. Именно поэтому сегодня набирают обороты исследования микробиома человека, взаимосвязи функций кишечной микрофлоры и головного мозга, влияния рационов на настроение и функциональные возможности человека.

Исследованием микробиома сегодня занялись ученые в разных областях. В Университете ИТМО, на кафедрах факультета пищевых биотехнологий и инженерии формируются новые направления-концепции функционального питания. Это диетические, лечебно-профилактические, геродиетические продукты, продукты питания для детей, спортсменов, космонавтов, людей, работающих в экстремальных условиях, многое другое. На кафедре технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом разрабатывается ассортимент мясных продуктов, снижающих риск возникновения ожирения, сердечно-сосудистой патологии, заболеваний органов пищеварения.  Также создаются продукты для людей, которые работают или проживают в зонах сильного загрязнения окружающей среды, в суровых условиях арктического климата и многие другие продукты.

Денис Бараненко, руководитель международного научного центра «Биотехнологии третьего тысячелетия» Университета ИТМО

Денис Бараненко
Денис Бараненко

В 2017 году в науках о пище развивалось достаточно много направлений. Одно из самых перспективных связано с идеями персонализированного питания через понимание «омов» (геном, протеом, метаболом и другие). С этим связано широкое применение микробиомов для устойчивых систем питания и поиск альтернативных источников белка для пищевых продуктов и кормов. Также активно разрабатываются новые средства хранения и контроля качества продуктов за счет новых способов упаковки, обработки, экспресс-анализа и «индекса свежести». Появляются системные инновации в переработке вторичного биологического сырья и отходов, включая пищевые.

Наиболее ориентированы на практику исследования, которые обеспечат управление здоровьем населения, связанное с переходом к повсеместным пищевым рационам с низким содержанием сахара, жиров, соли, но с привычными вкусами. Получат развитие и «суперингредиенты», а также цифровые технологии для индивидуализированного питания.

В будущем, я думаю, будут востребованы исследования в области инкапсулирования пищевых ингредиентов и биологически активных веществ, а также в области поиска ингредиентов, снижающих риск возникновения отдельных заболеваний. В то же время растет запрос на подлинно натуральные продукты. Люди хотят, чтобы в продуктах питания было сырье определенного происхождения, чтобы они готовились по традиционным рецептам, были минимально обработаны. Отдельно стоит отметить, что растет область использования наноматериалов и экспресс-методов спектрального анализа безопасности пищевой и сельскохозяйственной продукции.

Юрий Баулин, ведущий инженер Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, аспирант Университета ИТМО

Юрий Баулин
Юрий Баулин

На мой взгляд, самым значимым открытием в сфере моих интересов несомненно стала тактильная чувствительность бионического протеза руки. Обратная связь говорит о больших возможностях для развития прямого интерфейса человек-машина, а кроме того, это позволит реализовать полное погружение в виртуальную реальность. Прорыв поможет лучше понять биомеханику и процессы живого организма и усовершенствовать электронную и программную базы в этом направлении. Но по-прежнему остается проблема источников питания, точнее соотношения их технических характеристик и цены. Именно этот пункт серьезно сдерживает развитие многих областей науки на данный момент. Хотя, несомненно, LiPo источники удачны, но, к сожалению, не везде применимы.

Елена Кошель, доцент кафедры химии и молекулярной биологии Университета ИТМО

Елена Кошель
Елена Кошель

Прошедший 2017 год оказался действительно революционным для мировой биомедицины. В этот период произошли важнейшие открытия, подводящие человечество к решению самых актуальных вопросов биологии и медицины: от успешного испытания искусственной матки до редактирования генома эмбриона человека. В этом же году закончилась первая фаза проекта «Микробиом Земли» (The Earth Microbiome Project, EMP), в результате завершения которого мы должны получить наиболее полную картину биоразнообразия микроорганизмов на нашей планете.

Если говорить более узко о моей области научных интересов – микробиологии, то мне приятно отметить, что именно российские разработки внесли существенный вклад в развитие этой области, начиная с фундаментальных эволюционных аспектов до разработки информационных платформ для международного использования.

Изменить современные представления об эволюции может открытие наших исследователей из Института биологии внутренних вод РАН. Совместно с зарубежными коллегами российские ученые описали нового хищного жгутиконосца – Ancoracysta twista. Генетический анализ показал, что новый вид представляет собой отдельную, рано ответвившуюся группу эукариот, заслуживающую ранга царства, а также выявил новые аспекты эволюции митохондриального генома эукариот. Это открытие может изменить фундаментальные основы наших представлений о молекулярной филогенетике и об эволюции организмов в целом.

Важное для медицины открытие удалось совершить группе исследователей из Института биофизики клетки РАН, Института молекулярной биологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и больницы Пущинского научного центра. Ученые обнаружили, что инъекции белка теплового шока 70 (БШТ70) активизируют работу иммунных клеток. Это может быть использовано для повышения защитных функций организма при инфицировании патогенными микроорганизмами, что может значительно повысить эффективность терапии.

Также лично для меня имело существенное значение подтверждение полученных мною в составе коллектива РосНИПЧИ «Микроб» результатов по сохранению возбудителя чумы в клетках свободноживущих амеб. Бубонная чума (Yersinia pestis)  до сих пор является серьезной угрозой для человечества, подтверждением чего была эпидемия на Мадагаскаре в этом году. При этом вопрос о ее резервуаре в окружающей среде остается открытым. В начале этого года группа ученых из США получила данные, аналогичные тем, что я опубликовала в 2015 году, что подтверждает возможность длительного сохранения возбудителя внутри почвенных амеб.

И, наконец, важнейшую разработку для медицинской микробиологии создали ученые из Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины, Московского физико-технического института и Лаборатории данных (Брянск). Они разработали интерактивную мировую карту резистентности микробиоты кишечника к антибиотикам – ResistoMap. Платформа поможет выявить национальные особенности в потреблении антибиотиков и контролировать лекарственную устойчивость в глобальном масштабе. Это становится самой острой проблемой в медицине. В 2017 году появилось официальное сообщение о случае смерти американки от штамма бактерии (Klebsiella pneumoniae), устойчивого практически ко всем имеющимся в стране антибиотикам. В этом ключе особое значение сейчас имеют разработки новых антимикробных агентов, не вызывающих развития устойчивости у бактерий. Эти разработки являются одним из основных направлений исследований в Химико-биологическом кластере Университета ИТМО, наряду с изучением в нашей микробиологической лаборатории новых аспектов функционирования бактериальных биопленок – тканеподобных структур, устойчивых к воздействию агрессивных факторов.

Екатерина Ломерт, аспирант Института цитологии РАН

Екатерина Ломерт
Екатерина Ломерт

Мне часто запоминаются исследования, которые позволяют заглянуть во внутреннюю жизнь клетки, визуализировать ее компоненты. Так, например, сотрудники лаборатории Сергея Разина из Института биологии гена РАН в сотрудничестве с иностранными коллегами модифицировали метод изучения трехмерной организации ДНК. Новый метод был использован для изучения организации ДНК в яйцеклетках до и после оплодотворения сперматозоидом.

Технологией, которая может очень быстро принести практические результаты, можно назвать использование бактериальной «иммунной» системы CRISPR для лечения болезней человека и для научных исследований.  К этому ответу сложно что-то добавить, потому что технология CRISPR ворвалась в исследования молекулярных биологов стремительно, и еще долго будет тревожить умы ученых. С каждым днем все больше болезней предлагают лечить с помощью новой технологии. Хотя редактирование генов человека и эмбрионов человека не одобряется биоэтическими комитетами многих стран, применение CRISPR в медицине остается только вопросом времени.

Я думаю, что наиболее перспективна сегодня научная работа по поиску новых антибиотиков и их синтетических аналогов, а также в области использования геномного редактирования для получения моделей заболеваний человека на животных. Большое значение имеет и поиск новых противоопухолевых агентов. Перспективность этих направлений связана не только с актуальностью, но и с тем, что данные направления будут получать финансирование, от которого во многом зависит эффективность научного процесса. Кроме того, биология сейчас находится на стадии анализа огромного количества накопившихся данных, поэтому биоинформатика также является одним из наиболее перспективных направлений.

Беда в области популяризации науки и донесения научного знания заключается в том, что СМИ плохо освещают исследования, если они не связаны «с универсальными лекарствами от рака» или чем-то с приставкой нано-. Так, например, недавняя попытка кристаллизовать белок теплового шока Hsp70 в космосе превратилась в фарс в связи с неверным толкованием этого исследования на новостных каналах и появления таких провокационных и неверных заголовков: «Космическое российское лекарство от всех видов рака будет доступным».

Никита Жуков, медицинский директор Medical Investment Group, врач невролог-эпилептолог, популяризатор науки

Никита Жуков
Никита Жуков

На самом деле, в медицине очень сложно однозначно говорить о том, какие технологии важны, а какие – нет. Потому что от разработки нового средства или препарата до его внедрения может пройти очень много времени и все может измениться. Поэтому нередко случается такое, что вчера новую технологию принимали с возгласами: «Открытие! Всем шампанского!», а сегодня ее попытались внедрить и оказалось, что от побочных эффектов лекарства умереть проще, чем от основного заболевания. Или что новый препарат стоит как крыло самолета, а значит, вылечить он сможет лишь полпроцента наиболее богатых людей. Со всей ответственностью заявляю, что меня куда больше интересует то, что работает здесь и сейчас, а не послезавтра. Если в научно-популярных пабликах пишут про новый прорывной вариант таргетной терапии опухолей, а в нашей стране еще 10 лет широко доступен будет только метотрексат, то последний для меня куда важнее и интереснее.

Но как популяризатор науки могу подчеркнуть, что в последние годы в России очень развивается популярная наука, и в лучшую сторону. Есть огромное количество авторов, лекториев, блогов и, что самое главное, заинтересованных слушателей, зрителей и читателей – уже практически модно быть гиком. Но для еще большего распространения научного знания среди людей необходима куда большая поддержка, поскольку организация почти везде страдает, а лекторам не всегда оплачивают билеты и обед, не говоря уже про гонорар. Во-вторых, продолжая уже высказанную мысль, на научно-популярных мероприятиях очень мало говорят про практику – 90% контента занимают прорывные нанотехнологии, которые еще никто в руках не держал, и совсем не факт, что кто-то будет. А поглощают этот контент те, кто умножает-то только с помощью калькуляторов на смартфоне.

Получается огромный разрыв между знаниями, поэтому вся потенциальная польза от популяризаторства сходит на нет, поскольку люди просто завороженно смотрят на красивые картинки про науку, не понимая базовых вещей. Населению надо рассказывать о том, как работает смартфон, как строится завод для выпуска смартфона, как добываются необходимые для этого всего материалы – попробуйте это популяризовать, а не писать про очередной полет Маска! Это куда сложнее, поскольку вау-эффект придется еще продумать, а не тупо сыграть на хайпе. Нужно быть ближе к земле.

Владимир Борисов, аспирант кафедры фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО

Владимир Борисов
Владимир Борисов

Среди всех последних научных исследований в области оптики наиболее «влиятельной» с точки зрения современной науки, бесспорно, является работа Артура Глейма по разработке систем квантовой связи, который (приятное совпадение) работает в Университете ИТМО на кафедре фотоники и оптоинформатики. Системы квантовой связи, разработанные на Кадетской линии, обеспечивают максимальную защиту для обмена данными, такие системы невозможно взломать. Уже сейчас эти системы могут передавать квантовые сигналы на расстояние более 250 км со скоростью более 1 Мбит/с, что является мировым достижением в области квантовых коммуникаций. В прошлом году его команда Артура Глейма совместно с коллегами из Казанского технического университета запустили сегмент первой многоузловой квантовой сети. Отдельно хотелось бы отметить, что Артур – один из немногих молодых ученых, которые внесли существенный вклад в развитие современной оптики. С такими учеными за развитие российской оптики можно не переживать.

Как мне кажется, наиболее перспективным направлением в современной оптике является разработка квантовых компьютеров. И в данной области российские ученые также находятся на переднем крае науки. Летом 2017 года Михаил Лукин – сооснователь Российского квантового центра, рассказал о создании его научной группой программируемого квантового вычислителя мощностью в 51 квантовый бит (кубит). Это означает, что научная группа имеет возможность создавать состояние квантовой запутанности для 51 элементарной частицы, что на данный момент является абсолютным мировым рекордом.

Сегодня оптика имеет широкий ряд практических применений и способствует технологическому развитию общества практически в каждом его сегменте. За последние годы особую значимость для общества приобретают исследования терагерцового (ТГц) излучения. Ввиду низкоэнергетичности ТГц излучения, а также благодаря его уникальным свойствам, разработки в этой области будут востребованы в наиболее социально-значимых областях: медицина, оптические коммуникации и системы контроля. При помощи ТГц излучения становится возможным диагностировать некоторые виды рака и других клеточных заболеваний на ранних стадиях их развития. Оптические линии коммуникации, использующие ТГц излучение, способны увеличить пропускную способность канала связи на несколько порядков. Наконец, поскольку большинство сложных молекулярных соединений имеют характерные «сигнатурные» спектры в ТГц диапазоне, ТГц системы контроля багажа обеспечивают 100% надежность обнаружения взрывчатых веществ, неметаллического оружия, а также наркотических средств. И особенно приятно, что большинство разработок в ТГц области проводятся либо в России, либо с непосредственным участием российских ученых.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба