Фото: Евгений Пелевин
Под занавес уходящего года публикуем вторую часть нашего материала, который мы сделали совместно с 15 лабораториями, открытыми в МФТИ в 2019 году. Ведущие ученые рассказывают, какие тенденции в их областях существуют в настоящее время и являются наиболее значимыми.
Заместитель заведующего лабораторией морских инженерно-геофизических исследований континентального шельфа Никита Дубиня выделил как особенно важную тенденцию к сближению фундаментальной и прикладной науки: «С одной стороны, современные технологические вызовы, встающие, например, в областях топливно-энергетического комплекса, приводят к необходимости внедрения технологий, базирующихся на передовых результатах фундаментальной науки, включая механику прочности (расчет устойчивости сооружений и скважин), оптику (оптоволоконные датчики колебаний), методы искусственного интеллекта (решение обратных задач геофизики и оценки рисков) и другие разделы знания. С другой стороны, благодаря развитию технологий значительно растет количество получаемой геофизической информации. Наряду с развитием методов работы с большими массивами данных, включая методы машинного обучения, это позволяет получить качественно новые знания, необходимые для апробации и верификации многих теоретических построений».
Станислав Отставнов, заместитель заведующего лабораторией анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения, считает основными тенденции, определяющие принципы организации научной деятельности в современном мире: «Это повышение открытости, массовое сотрудничество ученых и взаимодействие равных: когда исследователи из разных стран, разделенные тысячами километров, часовыми поясами и разными культурами, практически независимо от формальных должностей, степеней, званий и членства в различных академиях дружно работают над решением глобальных научных проблем. А открытость — это не только открытый доступ к статьям, но и умение донести свои результаты до широкого круга лиц».
Руководитель лаборатории химического и биотехнологического синтеза Сергей Успенский перечислил все главные тенденции, способствующие повышению качества и срока жизни: «В XXI веке человечество борется с сердечно-сосудистыми и онкологическими заболеваниями, старостью и плохой наследственностью. С первой проблемой способно помочь развитие биоинженерии. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки, благодаря 3D-печати: первое в мире трехмерное васкуляризованное искусственное сердце напечатали, используя собственные клетки пациента. Но до внедрения таких органов в медицинскую практику необходимо пройти еще долгий путь: орган или сосуд мало создать, его нужно приживить в ткани человека. С плохой наследственностью разберется генная инженерия. В этой сфере у России хороший задел: расшифровка полного генома человека русской национальности в Курчатовском институте была проведена еще в 2009 году. Мировая практика уже включает в себя возможность инвазивно на раннем сроке беременности определять свободные фрагменты ДНК из клеток плода в крови матери, а значит — диагностировать наследственные болезни. Другое, не менее важное направление генной инженерии — создание лекарств для борьбы с масштабными вирусными инфекциями, не поддающимися классической вакцинации (гриппом, ВИЧ-инфекцией), и новыми, экзотическими — такими, как ТОРС, Эбола, Зика. Определенные успехи достигнуты в ФИЦ биотехнологии РАН в части создания вещества, которое должно уничтожать вирус ВИЧ во всем организме, в том числе и в нейронах. Согласно прогнозу Всемирной организации здравоохранения, к 2025 году онкология выйдет на первое место среди причин смертности. Ученые всего мира работают над определением оптимальных и эффективных методов борьбы с раковыми заболеваниями. Одним из таких методов является бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ). БНЗТ — избирательное уничтожение клеток злокачественных опухолей путем накопления в них стабильного изотопа бор-10 и последующего облучения эпитепловыми нейтронами. БНЗТ позволяет производить точечное поклеточное уничтожение некоторых злокачественных опухолей, в том числе и тех, что считаются неизлечимыми (например, глиобластомы головного мозга), а кроме того, борется с заболеванием на терминальной стадии. БНЗТ — терапия “одного дня”: после процедуры, занимающей около часа, пациент может идти домой, в то время как при стандартной лучевой терапии человек получает облучение дозами в течение месяца. Благодаря работам новосибирского Института ядерной физики СО РАН, где был создан компактный ускорительный источник нейтронов нового типа, у нашей страны есть все шансы стать мировым лидером в этой перспективной области терапии наиболее агрессивных раковых опухолей. В то же время во всем мире продолжаются работы по созданию эффективных препаратов для БНЗТ.
На фоне озвученных направлений исследований кажется, что борьба со старостью малозначима. Это не так. Достаточно вспомнить количество пластических и эстетических процедур, а также их популярность. И сейчас, и в будущем люди желают сохранить качество жизни в пожилом возрасте. На наш взгляд, наиболее интересное направление здесь — внутреннее омоложение органов и тканей путем стимуляции иммунной системы человека.
Кроме фармацевтического направления, биотехнологии интересны сельское хозяйство, экология, энергетика (биотопливо) и прочее. Достижения последних лет позволят сделать рывок в области прикладного их применения в практической медицине. Рождаясь на стыке наук, медицинские биотехнологии в ближайшие 20 лет могут удивить человечество не меньше, чем информационные технологии».
Александр Каганский, заместитель заведующего лабораторией молекулярной онкологии, выделил прежде всего иммуно-онкотерапию, генную инженерию, фенотипический скрининг природного молекулярного разнообразия для поиска лекарств, метаболо-эпигенетику, изучение и коррекцию микробиоты, экспресс-диагностику различных заболеваний, использование искусственного интеллекта для создания и оптимизации персонифицированных программ для диеты и лечения, а также таргетную доставку и регуляцию активности лекарственных средств. А руководитель лаборатории биоинформатики клеточных технологий Юлия Медведева наиболее значимой тенденцией назвала применение методов искусственного интеллекта для решения биологических и медицинских задач на основе массовых данных.
Заместитель заведующего лабораторией теоретических и компьютерных исследований биологических макромолекул и геномов Филипп Орехов отметил, что главной тенденцией в микробиологии в ближайшее время будет разработка и внедрение технологий высокопроизводительного секвенирования генома третьего поколения (Oxford Nanopore и т. п.). Это позволит существенно снизить издержки на осуществление экспериментов и их трудоемкость, а также на порядки увеличить объемы доступных геномных данных. Все это должно привести к принципиально новому уровню понимания как биологии и экологии свободноживущих микроорганизмов, так и микробиоты человека и животных.
Андрей Рогачев, заместитель заведующего лабораторией структурной электронной микроскопии биологических систем, основной тенденцией называет использование криоэлектронной микроскопии — современного и динамично развивающегося экспериментального метода, активно набирающего популярность для исследований в области структурной биологии. Она позволяет определять структуру макромолекулярных комплексов с разрешением, близким к атомарному. В 2017 году за развитие методов криоэлектронной микроскопии Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон были удостоены Нобелевской премии. Сильными сторонами метода являются возможности исследования образца in vivo (томография) и определения структур высокого разрешения макромолекул без необходимости их кристаллизации (анализ отдельных частиц). Становится возможным определение таких конформаций белков, которые по каким-либо причинам были запрещены кристаллической решеткой. Активное развитие математического аппарата обработки данных и аппаратной части позволяет с каждым годом получать структуры все с более высоким разрешением.
В лаборатории радиофотоники заместитель заведующего Дмитрий Филонов рассказал нам, что существующие технологии электромагнитных компонентов для беспроводной связи достигли своих «узких мест» в производительности и, к сожалению, не могут удовлетворить все современные потребности, задаваемые требованиями прикладных программ. «Будущее развитие в этой области основано на внедрении новых материалов (например, метаматериалов и других композитов) на уровне аппаратных устройств. Постоянно растущие вычислительные возможности позволят выполнять сложные расчеты и оптимизации, основанные на множестве элементов и генетическом алгоритме. Подходы машинного обучения к проектированию антенн могут вскоре преодолеть возможности, предоставляемые стандартными конструкциями, и привлечь внимание к концептуально новым архитектурам. Эта новая платформа, поддерживаемая необычайными возможностями новых материалов, является очень перспективным кандидатом для того, чтобы занять нишу аппаратных компонентов в беспроводной связи».
Дмитрий Семененко из лаборатории физико-химических процессов в постлитий-ионных источниках тока главной тенденцией в своей области назвал удешевление и увеличение энергоемкости аккумуляторов для улучшения технико-экономических показателей электромобилей. Это должно увеличить пробег более 1000 км и позволить снижение стоимости электромобилей по сравнению с традиционными автомобилями, а в перспективе — даже сделать их более выгодными, в том числе и с точки зрения инфраструктуры, например, скорости и стоимости зарядки, затрат на обслуживание и т. д.
Руководитель лаборатории ВКонтакте Павел Калайдин рассказал: «Важный челленж на ближайшие годы — unsupervised learning, обучение без размеченных данных или их использование для предобучения. Также считаю, что поиск эффективных архитектур глубокого обучения еще только начался, и нас ждет много открытий, с учетом острой нужды запуска ML-моделей на мобильных устройствах и встроенных системах».
Алексей Журавлев, руководитель ABBYY Lab, сказал: «Одна из областей, которыми мы занимаемся, — применение глубоких сверточных сетей в различных задачах компьютерного зрения, таких как классификация изображений, поиск объектов и т. д. На наш взгляд, одна из важных тенденций состоит в том, что исследовательское сообщество постепенно уходит от вопроса решения той или иной задачи с максимальным качеством в сторону более рационального подхода: поиска баланса между качеством и скоростью. Это позволяет сделать шаг от академического исследования к реальной задаче, например, к поиску текста на изображениях сразу на мобильном телефоне. И мы уже говорили выше о проблеме нехватки данных: часто у вас есть не 10 миллионов размеченных изображений, а всего 5–10 штук. Так что основная тенденция сегодняшнего дня — переход от идеальных постановок задач к реальным».
Артём Бабенко, руководитель лаборатории Яндекс, выделил три основных вызова в области Data Science: первое — масштабирование (данных много, и нужны большие модели), второе — обучение на шумных и неразмеченных данных (хорошая разметка — дорогая) и третье — интерпретируемость моделей глубинного обучения (все устали от черных ящиков).
Руководитель лаборатории когнитивных динамических систем Александр Панов в разговоре о тенденциях в области искусственного интеллекта заявил: «Прежде всего надо назвать увеличение производительности существующих методов машинного обучения. Проблема в низкой эффективности. Во-первых, на это влияет дороговизна по потребляемой энергии, во-вторых — по времени вычислений и по количеству дополнительных данных, которые готовит специально подготовленный человек — разметчик. Второй тренд — это универсализация. Мы хотим, чтобы существующие методы не применялись в узкоспециализированной задаче, чтобы у нас была некоторая универсальность и высокая обобщающая способность. Третий тренд — это междисциплинарность. Прорывные идеи появляются на стыке разных областей. В искусственном интеллекте — на стыке компьютерных наук с психологией и с нейрофизиологией. В качестве примера мы могли бы предложить новые варианты архитектур нейронных сетей, которые являются более биологически правдоподобными, а не те архитектуры, которые сейчас очень далеки от того, как реально работают нейронные сети мозга человека. Еще их называют кортикоморфными алгоритмами обучения. Или, например, можно использовать представления психологов о том, как работает мышление человека и что такое инсайт. Эти идеи могут быть использованы и для того, чтобы увеличить эффективность и повысить универсальность».
Руководитель лаборатории интеллектуального транспорта НКБ ВС Дмитрий Юдин сказал: «В первую очередь, для интеллектуального транспорта, роботов, беспилотных машин сейчас требуются продвинутые системы компьютерного зрения, а также навигации. Допустим, как роботу в реальном времени анализировать окружающую обстановку, как построить карту, как найти себя на ней, как спланировать свою траекторию движения в неизвестной среде? Здесь большие планы, большие перспективы. Еще задача — как обучить систему распознавания изображений по маленькому количеству изображений? Это очень сложно для современных нейронных сетей, потому что им нужны тысячи картинок, чтобы они запомнили образ, ситуацию. И вот здесь новые решения и технологии очень нужны — новые архитектуры и модели, в том числе, нейросетевые. И еще, сейчас идет большой переход на распознавание, анализ и синтез 3D-изображений. То есть если большой успех уже достигнут в области распознавания и анализа двумерных изображений, то чтобы эффективно строить 3D-модели, трехмерные образы и как-то их распознавать, требуются другие технологии. Вот дрон пролетел и пытается построить точную 3D-модель здания или наблюдаемой сцены — сейчас это происходит очень долго. Ну и проблемы локализации внутри замкнутых пространств. Сегодня большинство беспилотных автомобилей работают на основе глобальной системы позиционирования (GPS, ГЛОНАСС и т. п.) со специальными дополнительными сигналами (так называемыми RTK-поправками). Это дорого и надежно работает только на открытой территории в условиях хорошего сигнала от базовой станции. Идет поиск и совершенствование подходов, которые позволят с тем же качеством получать текущие координаты машины или робота без данных спутниковых систем. Требуются большие исследования — а мы такие работы сейчас активно проводим и ключевым трендам следуем».
