Достижение технологического лидерства подразумевает эффективное создание собственных технологий, которые критично необходимы в промышленности и инфраструктуре. В обзоре российских технологических трендов мы коснемся робототехники и роботизации, технологий искусственного интеллекта, квантовых и нейротехнологий, фотоники, современной электроники и новых материалов. Это те высокотехнологичные области, в которых российские ученые и отечественные научные школы уверенно занимают места среди мировых лидеров или в которых в последние годы был замечен значительно прогресс.
Роботы на завод и в каждый дом
Важнейшие драйверы развития робототехники в России — спрос на БПЛА гражданского и военного назначения, рост рынка беспилотных автомобилей, промышленное производство, роботы-помощники для дома и медицинская робототехника. Наша страна имеет собственные высокотехнологичные решения для обрабатывающей и горнодобывающей промышленности, для строительства, сельского хозяйства, сервиса, клининга, логистики, инспекции и технического обслуживания, аварийно-спасательных и охранных систем и для киноиндустрии. Нельзя не упомянуть разработку высококлассного отечественного программного обеспечения для роботов — область, в которой мы неизменно лидируем.
В развитии рынка участвуют университеты, частные компании, министерства, госкорпорации и такие фонды, как Фонд развития промышленности, Московский инновационный кластер, фонд «Сколково» и другие. Крупнейшие российские компании — производители промышленных роботов растут на десятки процентов каждый год. В их число прежде всего входят «Артех», «ТОЗ-робототехника», «Вектор-групп», «ВР-Мастер», SPS.
В России реализуется правительственная программа развития станкоинструментальной промышленности и робототехники. Благодаря ей в 2023 году выпуск изделий в сфере робототехники увеличился более чем на 50%. В стране открываются новые роботизированные производства печатных плат, силовой электрики и прочего. Роботы самостоятельно занимаются сваркой, работают с деревом и на складах. Ожидают, что через несколько лет число работающих в РФ роботов приблизится к 100 тысячам. Сейчас их примерно 12 500.
Такое число «трудящихся» роботов и их взаимодействие с людьми требуют отдельных глубоких исследований не только систем «робот — робот», но и систем «робот — человек».
В 2024 году на базе Университета Иннополис в Казани открылся первый Центр развития промышленной робототехники. Выделены деньги на открытие еще двух центров, целью которых станет развитие и внедрение робототехнических решений на промышленных предприятиях страны. Разрабатывается национальный проект «Средства производства и автоматизации». Согласно плану, до 2030 года Россия должна войти в топ-25 стран по роботизации промышленных производств. Для этого планируется ввести в эксплуатацию 85 тысяч новых промышленных роботов. Сейчас, если сравнивать между собой различные отрасли, по масштабам роботизации в стране на первом месте производство лекарственных препаратов.
Потребности подготовки кадров для этой области привели к взрывному развитию образовательной робототехники, причем в движении участвуют не только университеты и колледжи STEM-образования (STEM = Science, Technology, Engineering, Mathematics), но и школы и кружки — детей вовлекают в эту область буквально с младых ногтей. RoboCup, Робофинист, Робофест, Российская робототехническая олимпиада для школьников — вот лишь несколько примеров соревнований, в которых участвуют не только студенческие команды, но и команды школьников.
Искусственный интеллект захватывает экономику
Искусственный интеллект (ИИ) — одно из самых значимых направлений развития в научных и технологических кругах. Россия входит в десятку стран — лидеров по объему совокупных вычислительных мощностей с использованием ИИ. К 2030 году внутренний валовый продукт РФ должен дополнительно получить более 11 трлн рублей благодаря массовому внедрению технологий ИИ. Российские компании тратят около 15% из своих ИТ-расходов на искусственный интеллект.
Указом президента Российской Федерации от 10 октября 2019 года №490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации» была утверждена Национальная стратегия развития искусственного интеллекта на период до 2030 года. Ее приоритетные направления — поддержка ИИ-стартапов и действующих научных лабораторий, внедрение ИИ, выделение грантов на создание новых образовательных программ в вузах и организация учебных мероприятий и олимпиад для школьников в этой области.
Разрабатываются системы, способные анализировать большие объемы данных, распознавать изображения и обрабатывать естественный язык. Российские ученые активно работают над созданием инновационных ИИ-решений для медицины, финансов и безопасности. Развитию направления способствуют такие государственные инициативы, как «Цифровая экономика», а множество стартапов внедряют ИИ в свои продукты и услуги, что создает новые возможности и рабочие места.
В стране создана открытая библиотека AI Russia, в которой выкладываются лучшие российские ИИ-проекты с доказанной бизнес-эффективностью. Проект создан компаниями — участниками Альянса в сфере искусственного интеллекта: VK, МТС, «Яндексом», «Сбером», «Газпром нефтью», РФПИ. Существует Национальный портал в сфере Искусственного интеллекта. Это государственная инициатива. На портале размещается актуальная информация о внедрении ИИ в стране и регулярно обновляется обзор импортозамещения, связанного с внедрением ИИ-технологий в промышленность, сельское хозяйство и транспорт.
Исследования в области ИИ в России ведутся по всем направлениям, и многие из них на самом передовом научном уровне. Очень активно развиваются исследования в области нейросетевых методов сжатия видео и восстановления высокой четкости, обработки данных спутниковой съемки, защиты видео от состязательных атак.
В 2024 году создан Центр технологий искусственного интеллекта (ЦТИИ) «Нейролаб», с целью помочь малому и среднему бизнесу освоить и эффективно использовать технологии искусственного интеллекта. Еще одна важная задача центра — глобальное развитие ИИ в России, которое возможно только при активном участии широкого круга предпринимателей. Предполагается, что «Нейролаб» свяжет мощности российских криптомайнеров с ресурсоемкими проектами в сфере больших языковых моделей (LLM).
Россия — одна из немногих стран, у которой есть собственные наработки в сфере генеративного ИИ — систем искусственного интеллекта, способных синтезировать текст, изображение или комбинированный медиаконтент в ответ на запрос пользователя. Наиболее известные нейросети — GigaChat и Kandinsky от «Сбера», YaLM и YandexGPT 4 от «Яндекса».
Нейроинтерфейсы соединят мозг с искусственным разумом, или Что сказала крыса?
Создание нейроинтерфейсов, безусловно, одно из наиболее захватывающих направлений в области технологий XXI века. Российские ученые и стартапы активно ведут исследования, направленные на создание устройств, позволяющих вести коммуникацию между человеческим мозгом и компьютером. Такие технологии имеют огромный потенциал как в плане взаимодействия человека с цифровыми устройствами, так и в области медицины. В России немало уникальных лабораторий и исследовательских групп, которые развивают передовые концепции. Среди первых, которые приходят на ум, — биотех-лаборатория Neiry, чья продукция запатентована в 85 странах, в Санкт-Петербурге совместно с Институтом физиологии им. И.П. Павлова работает компания Neuroiconica. Есть лаборатории в МГУ, МФТИ, ВШЭ, Южном федеральном и Воронежском технологическом университетах, Научный центр когнитивных исследований университета «Сириус».
В 2018 году правительство утвердило «дорожную карту» по совершенствованию законодательства и устранению административных барьеров для реализации Национальной технологической инициативы по направлению «Нейронет» — коммуникаций, основанных на передовых разработках в нейротехнологиях и повышающих продуктивность человеко-машинных систем.
В ноябре 2024 года ученые МГУ представили первые результаты уникального эксперимента — впервые в мире мозг крысы, которую зовут Пифия, был подключен к искусственному интеллекту. Электроды нейроинтерфейса стимулировали определенным способом некоторые зоны мозга крысы. В ходе эксперимента ученые задавали вопрос, а ИИ подсказывал крысе верный ответ с помощью электрической стимуляции мозга. За правильный ответ Пифия получала вознаграждение.
Исследователи справедливо считают, что мы на пороге новой революции в области нейротехнологий, в ходе которой произойдет интеграция естественного интеллекта человека с машинным.
Мобильная связь соединяет людей
Казалось бы, мобильной связью сегодня никого не удивишь, однако исследования в этой области продолжаются, так как используемые сейчас стандарты и оборудование нуждаются в модернизации.
Сегодня отечественные операторы связи в основном используют стандарт 4G. Внедрение технологий 5G, а также развитие спутниковой связи, повсеместно будет способствовать улучшению коммуникации и доступа к информации. Телекоммуникационные компании ведут активную подготовку к переходу на стандарт 5G в экономически активных регионах страны. Это обеспечит скорость передачи данных в 10 раз выше, чем скорость предыдущего поколения, и значительно снизит время отклика (пинга).
Одновременно отечественные ученые ведут разработку технологических решений для подключения к 5G через спутники без развертывания на местности полноценной инфраструктуры сотовых операторов, что сделает связь более доступной для малонаселенных и отдаленных регионов.
Импортозамещение электроники
Сектор электроники в России активно развивается. Эта отрасль имеет критическое значение для достижения технологического суверенитета. Всего в стране насчитывается около 3 тысяч компаний, из которых более двух третей находятся в частных руках. Российские корпорации и стартапы занимаются разработкой собственных интегральных схем, микропроцессоров и датчиков, чтобы сократить зависимость от импорта. Импортозамещение и развитие происходит и в области компьютерных архитектур.
Минпромторг России и Международный научно-технологический центр МИЭТ разработали программу импортозамещения оборудования для производства электроники к 2030 году. Она содержит четыре направления: технологическое оборудование, материалы и химические вещества, системы автоматизированного проектирования (САПР). Планируется запустить 110 проектов опытно-конструкторских работ и вложить более 240 млрд рублей в программу развития электронного машиностроения. Предусматривается импортозамещение около 70% оборудования и материалов для производства микроэлектроники.
Также планируется разработать отечественное оборудование для производства 20 технологических маршрутов, включая микроэлектронику (от 180 до 28 нм), СВЧ-электронику, фотонику, силовую электронику, производство фотошаблонов и сборку электронно-компонентной базы и модулей, производство пассивной электроники и т.д.
К концу 2026 года на российском оборудовании планируется выращивать монокристаллы, резать их, шлифовать и полировать, отмывать и сушить, наносить элементы и контролировать выходные изделия (рентгеновский дифрактометр, контроль дефектов). А еще должны быть созданы литографы с УФ-диапазоном для производства процессоров по топологическим нормам 350 нм и 130 нм, и установка для электронно-лучевой литографии для 150 нм.
Также к 2026 году должна быть освоена эпитаксия — процесс, при котором на одной подложке выращивается несколько слоев полупроводниковых материалов. Всего будет создано 15 типов контрольно-измерительного оборудования, 13 типов плазмохимических установок, 10 установок для литографии, девять для корпусирования, по восемь типов для производства фотошаблонов и эпитаксии и т.д.
К 2030 году планируется создать производство сканеров для чипов топологии 90–65 нм.
Россия больше чем на десятилетие отстала в развитии электроники. Наиболее отработанная топологическая норма на ключевых предприятиях страны сейчас 180 нм. Отдельные позиции делают на 90 нм. Для многих задач этого более чем достаточно. Но на тайваньской TSMC сейчас делают чипы по пятинанометровому техпроцессу. Это колоссальный разрыв, и его нелегко будет сократить.
Но электроника в целом — не только кремниевая. Это огромный набор направлений, и в других областях у России больше возможностей, есть серьезные заделы. Это, к примеру, формирование полупроводниковых приборов без использования монокристальной или эпитаксиальной вакуумной технологии, за счет новых технологических принципов, в том числе методами печатной электроники — в этом направлении все в мире только начали развивать технологии. Разработками в данном направлении, например, занимаются в Институте квантовых технологий МФТИ.
В квантовое будущее
В России активно ведутся исследования в области квантовых технологий. Можно сказать, что страна вошла в число мировых лидеров в области квантовых технологий. Вот несколько фактов.
Алферовский университет разработал первые в России высококачественные кристаллы нитрида индия на кремнии, которые можно использовать в создании устройств квантовых телекоммуникаций и фотонных интегральных схем. Об этом в начале марта 2024 года сообщили в Центре компетенций НТИ «Фотоника».
МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова в марте 2024 года сообщили о пуске первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров. Ожидается, что это позволит удовлетворить растущую потребность России в суперкомпьютерах следующего поколения.
Ученые ФИАН, МИСИС, Российского квантового центра и МФТИ продемонстрировали работоспособность трехуровневых квантовых систем — кутритов сразу на двух типах отечественных квантовых процессоров: сверхпроводниковом и ионном. С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии четности и времени.
Ученые ИТМО придумали, как создавать долгоживущие квантовые состояния для обработки, стабильной записи и надежного хранения информации. В основе решения — искусственный интеллект. В перспективе результаты исследования помогут в создании квантовых компьютеров.
Исследователи МФТИ впервые показали считывание сверхпроводникового кубита компактным резонатором, площадь которого составляет около 200 х 200 мкм2, что в 10–20 раз меньше размеров повсеместно используемых для этой цели копланарных резонаторов. Этот размер соответствует стандартному размеру сверхпроводникового атома. Результат может быть использован при масштабировании сверхпроводящих квантовых схем.
Российские специалисты из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова разработали крупномасштабный восьмиканальный программируемый интерферометр для квантовых вычислений. Это изделие не имеет аналогов в мире.
В сентябре 2024-го года российские ученые создали 50-кубитный ионный квантовый компьютер. Работа проведена научной группой Российского квантового центра и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Координатором этой программы выступает «Росатом». На данный момент универсальный квантовый вычислитель на ионной платформе с 50 кубитами — самый мощный квантовый компьютер в России.
Россия — родина фотоники
Именно российские ученые стали основоположниками фундамента фотоники: Басов и Прохоров создали первые мазеры и получили Нобелевскую премию, а другой Нобелевский лауреат Жорес Алферов изобрел светодиоды на полупроводниковых гетероструктурах. Несмотря на последовавшее отставание, сегодня фотоника в нашей стране стремительно развивается и можно утверждать, что в целом эта сфера на очень высоком уровне и не только в национальном контексте.
Мощный научный потенциал в части фотоники и большой опыт разработок сегодня реализуется почти в тысяче организаций и академических институтов, работающих в этой области, а кадры готовят 140 вузов и научно-технических центров при вузах.
По территории страны разработчики технологий и оборудования фотоники распределены неравномерно. Центрами максимальной концентрации организаций и предприятий отрасли являются Москва (40%), С.-Петербург (14%), Новосибирск (6%), Московская область (5%) и Поволжье (Нижегородская, Самарская, Саратовская области и Татарстан — вместе около 8%), а в общей сложности такие предприятия и организации имеются в 57 регионах.
В 2023 году МФТИ, Университет ИТМО и Сколтех запустили программу «Клевер»: совместные научно-исследовательские проекты МФТИ, ИТМО и Сколтеха в области фотоники. Программа «Клевер» нацелена на развитие кооперации между тремя сильнейшими университетами в области фотоники.
Новые материалы
Правительство РФ утвердило в 2023 году комплексную программу «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства». В срок до 2027 года ее участники должны разработать и внедрить не менее 42 технологий, соответствующих актуальным тенденциям мирового рынка. Так, например, одна из задач — снижение стоимости углеродного волокна для увеличения его потребления в реальном секторе экономики. Кроме того, специалистам нужно будет найти оптимальные решения по утилизации композитных отходов и производству материалов на основе вторично переработанного углеродного волокна.
Разработкой новых технологий займутся ведущие российские научные и производственные центры, среди которых МГУ им. М.В. Ломоносова, ООО «Завод углеродных и композиционных материалов», Институт физики твердого тела РАН, Научно-производственный центр «Углеродные волокна и композиты», Московский авиационный институт, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского.
Приведем только несколько примеров отечественных разработок.
Российские ученые разработали новые композиционные материалы на основе недорогих и биосовместимых цеолитов, которые могут использоваться в качестве адсорбентов, полностью извлекающих из водных систем ионы фосфора и мышьяка, фотокатализаторов для разложения органических красителей, а также для создания антимикробных препаратов универсального применения. Над циклом работ, посвященных получению и характеризации новых цеолитов и композиционных материалов на их основе, работали ученые и специалисты МИРЭА, МГУ, НИЦ «Курчатовский институт», Института органической химии им. Н.Д. Зелинского, Института хирургии им. А.В. Вишневского.
В 2020 году в МГТУ им. Н.Э. Баумана был создан центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества». Он формирует национальный банк данных и знаний по материалам и их «цифровым двойникам», обеспечивающий получение «цифровых паспортов» и ускоренную сертификацию новых материалов. Осенью 2024 года в этом центре в рамках конгресса «Русский инженер» состоялась научно-практическая конференция «Цифровое материаловедение — 2024». На ней главным трендом была цифровая платформа материаловедения. Ученые показали, какой функционал уже удалось реализовать. Им удалось создать возможность использования моделей машинного обучения для предсказания свойств как полимерных, так и композиционных материалов. В части физического моделирования реализован конструктор материалов на молекулярном уровне с возможностью визуализировать полученный результат, а также разработаны алгоритмы расчета ряда свойств — на данный момент это плотность, температура стеклования полимера и модуль Юнга.
В 2021 году сотрудники НИИ онкологии Томского НИМЦ, совместно с коллегами из Томского государственного университета, разработали и впервые в России успешно применили методику одномоментного с удалением опухоли восстановления челюстно-лицевой области с использованием биокерамических имплантатов на основе оксида циркония, который обладает выраженным сродством с костной тканью, лишен токсического и канцерогенного воздействия на организм. Технология уникальна тем, что при ее использовании получаются максимально анатомически точные реконструктивные имплантаты, воспроизведенные методом 3D-печати.
Ученые Крымского федерального университета разработали способ создания строительных материалов из отхода, образующегося в результате комплексной переработки нефелиновой руды на глинозем при производстве алюминия, — нефелинового шлама. Этот метод ко всему прочему позволит резко снизить выбросы углекислого газа.
В 2023 году группа химиков и материаловедов НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ МИСИС разработали новые материалы на базе гафния, циркония, углерода и азота, которые уже сейчас могут применяться в качестве основы для тепловой защиты космических аппаратов, а также могут стать компонентом ядерного топлива.
В 2024 году в России появились новые композитные материалы, повышающие живучесть военных дронов на поле боя. Они были разработаны и внедрены в производство предприятиями ВПК Удмуртии.
Научное приборостроение в России выходит на новые рубежи
Осенью 2022 года передовые инженерно-технические университеты и партнеры подписали консорциальное соглашение. МФТИ, МГТУ, НИЯУ МИФИ, МИЭТ, Сколтех, ВНИИ ОФИ и АНО «Агентство по технологическому развитию» приняли решение о формировании консорциума «Научное приборостроение». Инициатором проекта стал МФТИ. Программа предусматривает создание 92 новых научных приборов.
В 2023 году были продемонстрированы первые результаты проекта. В МФТИ было разработано четыре новых прибора: однолучевой оптический литограф с превышением дифракционного предела, рамановские спектрометры ИК-диапазона с длинами волн возбуждающего лазерного излучения 785 нм и 1064 нм, принтер плазмонных наноструктур и масс-спектрометрический комплекс высокого разрешения для анализа газовых смесей. Их промышленное производство планируется начать в 2025 году.
В 2024 году в рамках этой программы МГТУ представил линейку бессеточных источников ионов для генерации сильно расходящихся ускоренных пучков ионов в условиях вакуума.
Существенных результатов добились и другие участники консорциума, хотя инновационные приборы разрабатываются и за пределами этой программы. Например, в мае 2024 года созданный в МФТИ в рамках реализации космического эксперимента «Ураган» гиперспектрометр для мониторинга катастроф отправился на МКС.
Заключение
В нашем обзоре мы рассказали лишь о нескольких областях из тех, которые в стране на подъеме. Мы лишь обозначили тему, а далее — читайте интервью с отечественными учеными, которым удалось достичь выдающихся результатов в упомянутых областях.
Надеемся, что вы разделите с нами, командой журналистов Центра научной коммуникации МФТИ и их друзьями и коллегами из крупных российских СМИ, которые брали эти интервью, чувство воодушевления и гордости, которое мы испытали во время записи бесед с учеными.
