Фото: Евгений Пелевин
В канун Нового года принято подводить итоги и строить планы на будущее. Одним из итогов уходящего года на Физтехе стало открытие пятнадцати новых лабораторий. Редакция журнала «За науку» расспросила ученых о планах на будущее и узнала, каких прорывов нам ждать от лабораторий в ближайшие 5–7 лет.
В Физтех-школе прикладной математики и информатики открылось сразу шесть новых лабораторий.
Основной целью двух лабораторий — лаборатории когнитивных динамических систем и лаборатории интеллектуального транспорта НКБ ВС, которые входят в Центр когнитивного моделирования, — является создание интеллектуальных систем управления для робототехнических платформ. Это могут быть как мобильные, небольшие тележки или манипуляторы, так и полноценные беспилотные автомобили или работающие в группе роботы, дроны. Сотрудники лабораторий хотят преодолеть технологический барьер, связанный с современными беспилотными технологиями.
Руководитель лаборатории интеллектуального транспорта НКБ ВС Дмитрий Юдин уверен: «Наша молодая команда готова к серьезным исследованиям и разработкам, она “рвется в бой” и хочет внести свой вклад в создание и внедрение новых методов искусственного интеллекта. Мы ожидаем больших результатов. Сейчас именно то время, и Физтех — именно то место, где удастся сделать что-то реально работающее!».
В лаборатории Яндекса будут заниматься самыми разными задачами из области Data Science, связанными с Natural Language Processing и с компьютерным зрением, с поисковыми технологиями в целом и с общими вопросами машинного обучения. В частности, в лаборатории рассчитывают получить более робастные модели машинного перевода, продвинутые алгоритмы градиентного бустинга, новые результаты в теории аукционов.
В лаборатории искусственного интеллекта ВКонтакте планируют создать методы машинного интеллекта, которые будут решать большой класс задач: от высокоэффективных языковых моделей автоподдержки до нейросетевых рекомендаций.
Лаборатория комбинаторных и геометрических структур открылась в рамках мегагранта и в результате жесточайшего конкурса. Ее руководитель Янош Пах — выдающийся специалист в области современной комбинаторики, а в самой лаборатории будут работать как лучшие наши математики, так и известные зарубежные ученые. Андрей Купавский, заместитель руководителя лаборатории, рассказал: «Наш проект посвящен изучению структур, возникающих в задачах вычислительной геометрии и комбинаторики, в приложениях к машинному обучению, статистической физике, компьютерному зрению и поиску. В различных задачах из этих областей мы зачастую оказываемся в ситуации, в которой нам необходимо анализировать огромные наборы однотипных объектов. Самые перспективные методы для решения подобных задач находятся на стыке экстремальной комбинаторики, теории вероятностей и вычислительной геометрии. Однако, например, в задачах о больших данных многие из наиболее эффективных на практике методов не имеют под собой теоретического обоснования. Наш проект нацелен на развитие математического аппарата для этого направления исследований».
Фото: Евгений Пелевин
В ABBYY Lab нам рассказали, что в области глубокого машинного обучения в задачах анализа языка (NLP) и изображений (CV) изменения происходят столь быстро, что 5–7 лет — это целая «геологическая» эпоха. Для лаборатории очень важно добиться того, чтобы новые замечательные методы и технологии работали не только в идеальных условиях академических соревнований, но и при решении реальных задач. Большие данные, от количества которых напрямую зависит успех работы алгоритма, в реальной жизни часто оказываются не очень большими, а иногда и вовсе малыми. Поэтому важнейшая мета-задача и в области CV, и в области NLP — это борьба с нехваткой обучающих данных: либо за счет автоматической генерации новых данных, либо за счет переноса моделей, обученных на больших данных, на те области и задачи, где их недостаточно.
Алексей Журавлев, руководитель лаборатории, пояснил: «Мы также ожидаем новых интересных результатов в области анализа языка социальных медиа. Основная задача, которую тут предстоит решить, — невероятная степень загрязнения данных в интернете. Надежных данных достаточно для работы современных методов классификации текстов, но их нужно еще извлечь из кучи мусора, возникшего в результате действий ботов, практики репостов, скрытого и явного цитирования — иначе полученным результатам нельзя доверять. Одна из наших задач — создание чистых размеченных мегакорпусов текстов интернета в десятки миллиардов слов для задач компьютерных исследований».
В Физтех-школе биологической и медицинской физики начали работу четыре новые лаборатории.
Лаборатория молекулярной онкологии приступает к изучению молекулярных механизмов регуляции судеб клеток и тканей в норме и при злокачественной трансформации. В качестве фокуса избран мастер-регулятор генома, белок p73, привлекший внимание широкой научной общественности в последние годы в связи с рядом онкологических заболеваний. Сложность в изучении этого белка заключается как в многообразии его форм и различных их функций в разных типах клеток, так и в отсутствии адекватных молекулярных инструментов и инновационных подходов к получению подробной информации.
В течение ближайших нескольких лет лаборатория нацелена на выяснение вклада различных изоформ белка p73 в организацию и регуляцию генома, а также нарушений этих функций при наиболее распространенных онкозаболеваниях. Сотрудники лаборатории в ближайшие 5–7 лет рассчитывают внести существенный вклад в диагностические и терапевтические решения для помощи онкологам и их пациентам, такие как новые средства для ранней диагностики, таргеты для онкотерапии, а также прототипы противораковых лекарственных средств.
В лаборатории биоинформатики клеточных технологий планируют заниматься индуцированной трансдифференцировкой клеток (или клеточной конверсией) — процессом превращения одного типа клеток в другой. Она имеет большие перспективы для тестирования лекарств и регенеративной медицины. Ученые думают разработать систему, которая будет эффективно подбирать агенты-индукторы клеточных конверсий и повышать эффективность и надежность имеющихся протоколов. Особый акцент будет сделан на получение редких и малодоступных типов клеток, например, специфических нейронов.
Лаборатория анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения планирует в течение ближайших лет провести комплексную оценку ситуации с распространенностью таких социально-значимых заболеваний, как алкоголизм, наркомания, курение табака и ВИЧ, разработать и запустить систему мониторинга ситуации по этим заболеваниям. Заместитель заведующего Станислав Отставнов сказал: «Главная задача — обеспечивать исследовательские лаборатории информацией о том, в каких областях медицины есть особая необходимость в прорывах».
Лаборатория химического и биотехнологического синтеза через 5–7 лет собирается выпустить в продажу несколько инновационных ветеринарных препаратов на основе пептидов стволовых клеток. Значительная их часть будет направлена на лечение и профилактику болезней оленей. Руководитель лаборатории Сергей Успенский пояснил: «Рассчитываем, что наши препараты сократят использование антибиотиков в животноводстве и гибель животных в результате инфекционных и паразитарных заболеваний. Наша основная цель — получение экологически чистых и безопасных для здоровья препаратов». С научной стороны планируется исследовать аспекты доставки пептидных препаратов к месту заражения без потери их биологической активности, что со временем приведет к расширению товарного ряда, предлагаемого лабораторией: появятся ветеринарные средства в виде таблеток, капсул, инъекций, повязок и т. д.
В Физтех-школе физики и исследований им. Ландау открылись три новых лаборатории: две — в Центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний и одна — в Центре фотоники и двумерных материалов.
Работа лаборатории теоретических и компьютерных исследований биологических макромолекул и геномов будет сосредоточена на детальном метагеномном анализе образцов, собранных в уникальных местообитаниях (озеро Байкал, Российская Арктика и др.). Будут созданы новые метагеномные базы данных и биоинформатические инструменты для выявления биологических индикаторов минеральных ресурсов и экологического состояния среды, а также разработаны методы поиска перспективных биотехнологических ресурсов, скрытых в биоразнообразии микроорганизмов. В частности, совместно с другими лабораториями центра изучения молекулярных механизмов старения это позволит разработать новые инструменты для задач оптогенетики.
В лаборатории структурной электронной микроскопии биологических систем будут решены структуры белков нейротрансмиттеров семейства SLC1A в различных конформационных состояниях. Это поможет более точно охарактеризовать транспортный механизм этих белков, что, в свою очередь, позволит более детально описать их вклад в заболевания ЦНС и создаст необходимый базис для новых ингибиторов этих белков (особенно актуально для белков, вовлеченных в транспорт аминокислоты глютамина в раковых клетках). Ученые планируют решить также первую структуру транспортного белка витамина В12 из важного патогена микобактерии туберкулеза, поскольку это первый и необходимый шаг для понимания того, как вирулентность данного патогена завязана на транспорт этого витамина.
Будут получены структуры высокого разрешения и определены механизмы передачи сигнала в трансмембранных белках. На основе полученных структур и определенного механизма действия данных белков планируется поиск возможностей нарушения их работы с целью борьбы с микробными и бактериальными патогенами и, в конечном счете, разработки новых классов антибиотиков. Будут разработаны протоколы для очистки и структурного анализа рибосомы и ее субъединиц, клонирования основных факторов трансляции для формирования функциональных комплексов рибосом in vitro. Полученные экспериментальные модели будут использованы для исследования ингибиторов функции рибосом при разработке антибактериальных и противогрибковых препаратов.
Лаборатория радиофотоники ведет разработки в области инновационных технологий беспроводной передачи данных, таких как всемирный интернет, коммуникации 5G, автономные автомобили и многие другие. Данные сферы требуют внедрения инновационных инженерных решений в области сантиметровых и миллиметровых электромагнитных волн. Сочетание необычных электромагнитных характеристик метаматериальных электромагнитных структур с оптическими линиями связи позволит разработать новое поколение антенных и волноведущих устройств.
В течение ближайших нескольких лет лаборатория нацелена на разработку новых технологических решений для достижения высокоэффективных перестраиваемых антенных устройств, которые позволят создавать беспроводные линии связи с одним и несколькими пользователями. В частности, будут разработаны быстродействующие антенны 5G, дальняя связь с пассивными устройствами IoT и автомобильные радары высокого разрешения.
В Физтех-школе радиотехники и компьютерных технологий открылась лаборатория морских инженерно-геофизических исследований континентального шельфа. В ней планируют создать единый комплекс методов и средств для определения несущей способности донных грунтов и устойчивости возводимых на шельфе сооружений (буровых платформ, причальных стенок, подводных добычных комплексов и продуктопроводов и др.). Использование этого комплекса позволит решить многие проблемы освоения континентального шельфа: будут снижены техногенные и экологические риски, уменьшены затраты на создание и поддержание качественной инфраструктуры, необходимой для освоения шельфовых месторождений углеводородов. Кроме того, в ходе работы над обозначенными задачами будет решен ряд фундаментальных задач геомеханики и физики микронеоднородных горных пород и грунтов.
В лаборатории физико-химических процессов в постлитий-ионных источниках тока, которая открылась в Институте арктических технологий, рассказали, что будут заниматься разработкой аккумуляторов нового поколения со значительно улучшенными техническими характеристиками: повышенной энергоемкостью — более 500 Вт·ч/кг (сегодняшний уровень — менее 250 Вт·ч/кг) и повышенной мощностью, обеспечивающей токи разряда более 1000 А/кг и такую же быструю зарядку. При этом одним из ключевых критериев является значительное удешевление процесса производства. Также одной из первостепенных задач является расширение рабочих температур от –60 до 200°С, в том числе для применения в Арктике. Разрабатываются и аккумуляторы стойкие к механическим воздействиям, таким как прокол, смятие, короткое замыкание, это отражает современные требования к изделиями, применяемым в технике специального назначения. По заданию космической отрасли создаются технологии накопителей энергии для сверхнизких температур — ниже –100°С.
