Как на самом деле надо использовать механизмы цифровизации, можно ли сыграть музыку на нанотрубках, зачем устраивать лабораторию в КамАЗе и что не так с искусственным интеллектом в медицине — в репортаже Indicator.Ru.

Цифровизация против дурацких ошибок

21 год Ужинский проработал в США в АТК Aerospace Group, запуская в космос шаттлы, а на стене у него висит диплом от NASA за один из его лунных проектов. Компании выгодно было строить ракеты быстрее и дешевле, поменьше теряя на прототипах и пробных неудачных запусках. Для этого использовались «цифровые двойники» — точные модели устройств и деталей, на которых можно виртуально проводить испытания. В России исследователь стремится создать среду, чтобы проектировать настолько же сложные изделия, как в США. В его лаборатории стоят дисплеи с виртуальной реальностью, на которых «можно разобрать сердце на части или посмотреть, как вынуть ребро», а можно запустить в небо планер и посмотреть, как он поведет себя в полете. Программы могут масштабировать детали, которые вы хотите соединить, предусмотрят, чтобы все части механизма сошлись и оказались с нужных сторон, то есть «помогут избежать дурацких ошибок».

Пример из практики. Газотурбинная установка — единственный источник электроэнергии в сибирском поселке, для ремонта или осмотра придется ее выключать и обесточить всех жителей. Чтобы этого не случилось, ученые сделали цифровую модель, которая может предсказать поломку и провести диагностику, еще не разбирая установку, основываясь на косвенных данных датчиков (поскольку в саму камеру сгорания их поместить нельзя). Так цифровая экономика будет действенной и полезной. Отрасль не нужно путать с IT, подчеркнул Ужинский, хотя они и взаимосвязаны. Для таких решений мало быть хорошим программистом, ведь только взгляд инженера позволит понять, как механизм проявит себя в работе, какие условия продиктованы практическим опытом и как соединить детали, чтобы они не развалились.

Самолеты из пластика и каперские программы

В Центре проектирования, производственных технологий и материалов сейчас разрабатываются новые композитные материалы с интересными свойствами. Сделанные на основе керамики или пластика, они устойчивы к разным температурам и большим нагрузкам. Из таких композитов можно создавать самолеты, мосты и другие прочные сооружения. Сотрудники гордятся: производством станков для наматывания, всех комплектующих и программ к ним занимается российская компания из Новочеркасска.

Рядом — целый арсенал 3D-принтеров и станков. На них можно печатать сложнейшие фигуры, не соединяя их по частям, и даже делать протезы или модели для обучения студентов-медиков. В центре занимаются разными задачами — от сварки сплавов до композитов для энергосберегающих технологий и от напыления нитрида титана толщиной в несколько микронов до изучения деформации материалов. Здесь оборудование зарубежного производства — в России пока такого не делают, и из-за санкций инженеры должны проявлять чудеса изобретательности, просто чтобы начать работать. В одной ситуации купить станок удалось, а программное обеспечение к нему — уже нет, поэтому ученые написали его сами и сертифицировали у производителя. Теперь смеются: «ПО у нас не пиратское, а каперское».

Заботятся здесь и об обучении будущих высокотехнологичных специалистов. В созданной для будущих инженеров мастерской FabLab (от англ. fabrication laboratory — «производственная лаборатория») поражает масштаб. Студентам для индивидуальных и групповых проектов отданы огромные площади — две тысячи квадратных метров, где находятся станки с числовым программным управлением, 3D-принтеры и много чего еще. Пространство разделено на зоны, куда студенты допускаются последовательно — начиная с тех, где не нужно много навыков и знаний, и заканчивая зонами со сложным оборудованием. Студенты получают много самостоятельности и свободы и могут делать нужные им на практике предметы.

Нейросети, нанотрубки и КамАЗ

Старший преподаватель Сколтеха Алексей Фролов рассказал о работе над созданием сетей 5G и 6G. Сегодня для них существует три сценария, и один из самых редких — ultra-reliable low latency, с низкой задержкой и потерей данных. Такой способ позволяет работать со множеством автономных устройств, подключенных к базовой станции: датчиками парковок или пожаров, хирургическими роботами и другими сложными системами. Цели ученых Сколтеха здесь — найти способы сэкономить энергию на ее передаче, чтобы, к примеру, каждый пользователь на парковке не должен был совершать многоступенчатые действия для подключения к системе. Для этого они предложили новый алгоритм подключения к базовой станции без получения специального разрешения от самой станции (гранта). Такие технологии смогут довести срок жизни аккумулятора передатчиков до десяти лет, поддерживать до нескольких миллионов устройств на квадратный километр, улучшить покрытие и снизить потери при пересылке данных.

Профессор Сколтеха и завлабораторией наноматериалов Альберт Насибуллин рассказал об исследованиях совсем другой темы — одностенных углеродных нанотрубок, которые получаются, если сворачивать однослойные графеновые «листы» в цилиндры. Материалы на их основе в 25 раз прочнее стали и в два раза лучше алюминия, проводят тепло лучше алмаза и устойчивы к нагреванию до 1500 градусов. Поэтому углеродные нанотрубки находят применение в медицине, электронике и фотонике, энергетике и создании новых материалов. Ученый рассказал, что его группа разработала уникальный метод получения нанотрубок — аэрозольное напыление, при помощи которого можно получить нанотрубки нужного диаметра и морфологии, разлагая ферросеновые пары в присутствии угарного газа (СО). Это приводит к осаждению углерода в виде нанотрубок. Метод проложил дорогу и к другим достижениям: ученые создали гибридные материалы, придумали новый способ создания гибких тонких электродов.

Совсем недавно, в 2019 году, вышла статья в Nanoscale Horizons, где исследователи представили способ сделать из пленки с нанотрубками гибкий, тонкий и прозрачный динамик для музыки. Основан он на том, что нанотрубки «не чувствуют» механического воздействия, но зато распространяют акустические волны за счет нагрева и расширения воздуха. Похожие динамики уже создавались, но передавали звук неравномерно в разные стороны, и сотрудникам Сколтеха удалось преодолеть проблему.

Находят применения технологии Сколтеха и в сельском хозяйстве. Цифровизация потихоньку добирается и туда, и пример такого взаимодействия привел доцент Сколтеха математик Иван Оселедец, пришедший в отрасль в 2016 году. Он попытался провести анализ больших данных с полей, чтобы составить рекомендации, однако быстро понял, что все не так просто: фраза «у нас есть большие данные» в реальности означала «у нас есть распечатанные листочки с информацией по одной точке на 100 гектаров, половину из которых агрохимики выдумали или измерили на глаз». Так что волшебный черный ящик для любителей оптимизации и цифровизации не сработал, и ученым пришлось собрать собственную передвижную лабораторию на базе КамАЗа, чтобы самим делать измерения — оказывается, такую роскошь сотрудники Сколтеха могут себе позволить.

Поначалу агрономы возненавидели непрошеных гостей, которые ничего не смыслили в полевой работе, зато пытались научить всех жизни. Но ученые не остановились даже и тогда, когда поняли: рентабельность такого предприятия под вопросом, ведь сельское хозяйство в нашей стране держится на дешевой рабочей силе, а не на инновациях. В итоге они нашли решение: предлагать хозяйствам сервисы, помогающие создать цифровые двойники полей, чтобы понимать, когда начинать посадки и что нужно изменить для хорошего результата.

Помощь искусственного интеллекта — от нефти до опухолей

Доцент Сколтеха Дмитрий Коротеев рассказал о том, как ИИ решает проблемы нефтедобычи. По его словам, «легкого» (в плане доступности залежей) черного золота почти не осталось — в Сибири из многих скважин уже идет вода. К примеру, нефть может находиться в очень тонких пластах (от двух до десяти метров), которые трудно пробурить и не разрушить, поэтому нужно очень точно планировать аккуратную горизонтальную проводку перед тем, как до пласта удалось добраться. Иногда «оживить» старые скважины помогает технология гидроразрыва пласта, но она подойдет не для каждого случая и тоже должна быть очень четко спланирована. Поэтому искусственный интеллект и цифровые двойники очень помогают как в разведке, так и в разработке и добыче нефти: с их помощью можно планировать и прогнозировать, рассчитывать стоимость технологических операций и нагрузки.

Научный сотрудник Сколтеха и руководитель группы разработки алгоритмов в проекте «CoBrain-Аналитика» Максим Беляев для разнообразия рассказал, «как все плохо» с искусственным интеллектом. К примеру, нейросеть может принять за опухоль простую отметку маркером (которую делает врач, чтобы обратить внимание на выделенную область). Часто данные о победоносном появлении ИИ в медицине преувеличены, результаты искажены, а выборки нерепрезентативны, подчеркивает исследователь.

На удивление, даже выборка в 150 тысяч картинок (рентгенов, фотографий или изображений с другого медицинского оборудования) может не подходить для обучения нейросети, ведь все зависит от протоколов обследования, состояния и модели устройств, с помощью которых они получены, и массы других переменных. Но исключить врача из процесса было бы невозможно и при идеальной работе нейросетей, потому что тогда ответственность за ошибочный диагноз или рекомендацию будет некому нести. Сейчас ученые пытаются адаптировать искусственный интеллект под медицинские задачи, создавая алгоритмы, устойчивые к этим проблемам, и Сколтех активно работает в этом направлении.

Перелетные пчелы и цифра против бумаги

Под конец, во время вопросов, разговорились и о проблемах — неповоротливых компаниях, которые не хотят внедрять цифровые технологии, и оттоке талантливых ученых за рубеж — как юных, так и уже взрослых.

«Был у нас студент из Ганы, черный как ночь. Он придумал нам программу, позволяющую по скайпу следить, списываешь ты или нет. А потом уехал в Гану и сделал там Яндекс.Такси! <…> Человек, который сделал PhD в Стэнфорде или MIT, никогда не остается там, это закон. Они как пчелы — переносят пыльцу с цветка на цветок», — заметил ректор Сколтеха Александр Кулешов. При переезде надо учитывать множество факторов: в одних странах или регионах культурно не принято работать там же, где защищался, в других, как в Калифорнии, заоблачная зарплата едва покрывает еще более заоблачные цены, в третьих, как во Франции, зарплата ниже, но при наличии детей профессор может рассчитывать на бесплатное образование для них, медицинские льготы и целый набор других бонусов. Поэтому остается принять тот факт, что наука международна, и ничего тут не попишешь: приехали студенты или аспиранты, отучились, потом уехали, после них будут другие. Если создавать привлекательные для работы условия и извлекать максимальную выгоду из такой циркуляции и обмена, то этот фактор уже не покажется грустным.

А вот с цифровым «опылением» в стране не все гладко. В кулуарах сотрудники пожаловались, что трудно нести в массы высокие технологии из университетов и институтов, пока эти массы принимать их отказываются. На некоторых предприятиях не то что цифровых моделей — даже старых компьютеров нет, чтобы заносить туда результаты измерений: в ходу тетради и книги с таблицами, которые сотрудники заполняют вручную, изменениям сопротивляясь. В таких случаях переход на рельсы новых технологий надо начинать сейчас, потому что процесс это небыстрый, а потом будет уже не угнаться за конкурентами.