Облачные сервисы, размещенные на платформе iOk, избавят исследователей в сфере микроскопии, материаловедения, фармакологии от рутинной работы по подсчету и определению параметров объектов на изображениях. Также они найдут применение в промышленности и строительстве.

Платформа iOk включает набор облачных цифровых сервисов для автоматического анализа изображений с применением методов глубокого машинного обучения и искусственного интеллекта. На платформе размещены три сервиса. Универсальный телеграмм-сервис No Code ML предназначен для классического обучения нейронной сети на датасетах пользователя. Другой сервис — DLgram — разработан для распознавания многочисленных однородных объектов различного характера. Включает обучение нейронной сети пользователем по размеченному участку с этого же изображения. Онлайн-сервис ParticlesNN разработан для автоматического распознавания наночастиц на изображениях сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и электронной микроскопии (ЭМ) обученной нейронной сетью.

Все сервисы предусматривают обучение нейронной сети на объектах пользователя, автоматическое распознавание объектов на изображениях и возможность корректировки результатов распознавания пользователем. Также они производят анализ обнаруженных объектов и определение их параметров, таких как количество, размеры, площадь и концентрация. Сервисы способны работать с различными изображениями — снимками с электронных микроскопов, фотоснимками с цифровых камер (в том числе со смартфонов), видеозаписями. Они распознают различные объекты: наночастицы, микроорганизмы, клетки, семена растений, а также более крупные объекты — животных, растения, различные детали, транспортные средства и многое другое. При этом для работы с сервисами от пользователя не требуется владеть никакими специальными навыками программирования или разбираться в нейронных сетях. Не нужна и предварительная обработка изображения. Результаты предоставляются в виде информации обо всех обнаруженных объектах, и при необходимости пользователь может их корректировать.

— Идея создания первого онлайн-сервиса ParticlesNN поступила к нам от нашего преподавателя из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Анны Нартовой в 2019 году. Преследовалось две цели — избавить научных работников от рутинной работы и сэкономить их время. Мы начали с изображений сканирующей зондовой микроскопии, которая в настоящее время является золотым стандартом при изучении и создании новых материалов. При этом довольно часто стоит задача характеризации изображений, полученных с микроскопа: необходимо определить, например, средний размер объектов или их количество. Ученым приходилось производить эти манипуляции вручную, затрачивая массу усилий и времени. Существовали автоматические методы обработки изображений, основанные на так называемых пороговых подходах, но они давали хорошие результаты только на изображениях высокого качества, а шумы и области засветки воспринимались как отдельные объекты и результаты оказывались недостоверными. В создании наших сервисов мы решили использовать современные методы компьютерного зрения, основанные на методах искусственного интеллекта, — рассказал заведующий лабораторией глубокого машинного обучения в физических методах Института интеллектуальной робототехники НГУ Андрей Матвеев.

Ученые пошли стандартным для глубокого машинного обучения путем — разметили более 5 тысяч объектов и на них обучили нейронную сеть Cascade Mask-RCNN, работающую на сервере Института интеллектуальной робототехники НГУ. Программа выдавала некоторые погрешности, но в целом результаты оказались неплохими: в количестве объектов встречались ошибки, но средний размер объектов определялся довольно точно. Подход был распространен и на анализ данных электронной микроскопии — самого распространенного семейства методов в современном материаловедении. Результаты работы были опубликованы в научных журналах и получили позитивные оценки.

— Мы решили сделать эту нейронную сеть доступной для пользователей других лабораторий и научных институтов и создали веб-сервис ParticlesNN. Пользователь может загрузить свое изображение, получать статистические результаты его обработки и корректировать их. Но у этого сервиса имеются и недостатки — он может работать только с теми типами объектов, на которых обучалась нейросеть. Мы поняли, что каждый раз обучать ее работе с новыми типами объектов — задача довольно трудоемкая, поэтому решили разработать сервис, который позволял бы пользователю самому обучать нейронную сеть на нужных ему объектах. Так возник онлайн-сервис DLgram, а вскоре и No Code ML. Теперь же для удобства пользователей мы объединили их на одной платформе iOk. Уже сейчас суммарное количество ее пользователей составляет более 500 специалистов, — пояснил Андрей Матвеев.

Пресс-служба Новосибирского государственного университета

Кто из сибиряков не мечтал о жизни на побережье Черного моря? Для многих из нас – это прямо-таки идиллическая картинка. Однако в реальности за всё хорошее приходится платить. Периодически черноморское побережье сотрясают сильнейшие ветра, незнакомые жителям Западной Сибири. Так, в конце ноября этого года на Черном море бушевал «шторм века» - невиданной силы циклон, пришедший с юга. Но это еще полбеды, поскольку эти места подвергаются нападению стихий не только с юга, но и севера. Причем, с севера даже чаще. Печально знаменитая бора (норд-ост) регулярно обрушивается на побережье возле Новороссийска, неся потоки ледяного ветра со скоростью 40, а то и 60 метров в секунду!

Для самого Новороссийска данное стихийное бедствие по своим последствиям равносильно вражеской бомбардировке: ветер вырывает с корнями деревья, рвет линии электропередач, срывает с домов шифер и кровлю, и порой переворачивает грузовые и легковые автомобили. В сфере коммунальных услуг начинается хаос. Множество людей остаются без тепла и электричества. Всё это может длиться несколько суток подряд.

Норд-ост причинял большие неудобства еще с дореволюционных времен. Вот некоторые цифры. В период с 1901 по 1954 годы в Новороссийске зарегистрировано 637 периодов боры различной длительности. За это время на каждый год (!) в среднем приходилось по 32 дня ледяного шторма. В целом за полвека на город обрушивалось около сорока особо сильных бор, несущих катастрофические разрушения. Чем, скажите, не военное вторжение?

Понятно, что уже в царские времена приходили мысли о необходимости укрощения норд-оста. Идея кажется безумной, но ее рассматривали. Есть сведения, что такой проект царскому правительству предлагали англичане. Конечно, не «за так», а за конкретную выгоду.  Англичан сильно интересовало сырье для получения цемента, находившееся в изобилии в здешней скальной породе. Реализация проекта предполагала извлечение этого сырья в больших количествах. То есть в укрощении ветра была двойная польза. Правда, дальше идеи продвинуться не удалось.

Однако идея не умерла. К ней после войны вернулись советские ученые, рассчитывая даже не на двойную, а на тройную пользу. Чтобы понять, в чем суть такой идеи, рассмотрим сам механизм зарождения ледяного шквала в этих краях. В холодный период года к северу от Черного моря формируется зона высокого давления (антициклон), в то время как над самим морем формируется область низкого давления (циклон). Это связано с разностью температур над поверхностью суши и над поверхностью воды. На пути холодных воздушных масс, идущих с Кубанской низменности к Черному морю, встает горная преграда высотой до 650 метров, являющаяся частью Кавказского горного хребта. В ее центральной части – как раз над Цемесской бухтой - находится перевал, играющий роль ворот для прохода норд-оста в сторону Новороссийска. Высота перевала – примерно 430 метров над уровнем моря. Зимой в северной части, за горами, происходит накопление холодного воздуха. Вначале это процесс развивается плавно и почти незаметно. Но постепенно циклон над Черным морем «отсасывает» воздух из Цемесской бухты, и в результате наступает момент, когда равновесие воздушных масс по обе стороны хребта нарушается. И вот, через какое-то время, холодный ветер ураганной силы обрушивается на город и на побережье.

Данное явление изучено досконально и очень хорошо прогнозируется. Но можно ли отнять у норд-оста его разрушительную энергию? Причем, обернув часть этой энергии на пользу человеку. Эти вопросы поставили наши ученые в далекие 1960-е годы, вспомнив и о том, что такие идеи высказывались еще до революции. Как мы неоднократно отмечали, в те времена люди мыслили масштабно, и проекты по «преображению» природы были в ходу.

Суть проекта по укрощению норд-оста была проста. Ученые исходили из того, что необходимо разрушить сам механизм зарождения холодного урагана. Для этого предлагалось в районе упомянутого перевала, через который хлещет холодный воздух, вырыть три наклонные гладкоствольные шахты, идущие по диагонали сверху вниз, к морю. Диаметр шахт должен быть достаточно большим для того, чтобы не дать холодной воздушной массе переполниться. Это, скажем так, базовая, принципиально важная задача. Однако энергию ветра можно использовать с пользой, скажем, для выработки электроэнергии. Ее должно было хватить хотя бы для эксплуатации и обслуживания данного сооружения.

Согласно проекту, необходимо было вырыть три таких шахты. Примерно на высоте 150 метров над уровнем моря, у выхода из-под земли, шахты должны сойтись, образуя сопло с плавными обводами. Через воздухозаборники (сверху) потоки воздуха устремляются вниз и в районе сопла они должны передать энергию турбине. Расположенный на одном валу с турбиной электрогенератор начнет вырабатывать электрический ток. Зимой такая подземная воздушная электростанция может работать непрерывно в течение нескольких дней. При необходимости она могла бы взять на себя часть базисной нагрузки от местной энергосистемы, увеличив ее запасы.

Такова принципиальная схема. По расчетам инженеров, во время норд-оста вблизи сопла шахт будет постоянно поддерживаться зона «подсоса» воздушного потока. Ввиду резкого перепада давления воздух в шахтах получает скорость, достаточно высокую для вращения турбины. С инженерной точки зрения подобное сооружение является обычным инжектором (то есть струйным насосом), широко распространенным в технике. У советских ученых не было сомнений в чисто технической возможности реализации подобного замысла. Отсюда следовали смелые заявления о том, что в недалеком будущем бора будет укрощена!

Разумеется, в таком смелом проекте было много чего нового и необычного, однако на фоне других проектов по преображению природы он выглядел не столь уж грандиозно (вспомним, что когда-то в нашей стране всерьез рассуждали об улучшении климата Арктики, о растапливании полярных льдов и т.д.). А если учесть, что в те годы мечтали о покорении Марса, то укрощение норд-оста в районе Новороссийска не выглядело сверхсложной задачей. И, еще раз повторим, чисто технически такое казалось по силам даже в те времена.

Как всегда и бывает в таких случаях, вопрос упирался в экономику. Насколько оправданны затраты? Станет ли этот проект успешным в плане материальной отдачи? Как ни странно, но вопрос материальной отдачи ставился и в советские годы. Ведь в целом речь шла о создании весьма необычной ветряной электростанции, попутно выполняющей и такую полезную функцию, как предотвращение катастрофического ураганного явления. Поэтому вопрос об эффективности работы этой «футуристической» электростанции не мог не выйти на первый план.

Но была и еще одна проблема. Регулярное «стравливание» холодного воздуха в район Цемесской бухты могло сильно отразиться на здешнем микроклимате. Ветряная электростанция стала бы играть роль гигантского охладителя, понижая среднюю температуру обращенных к югу склонов.  Безусловно, здесь стало бы прохладнее, но зато – без ледяного зимнего экстрима.

Мы привели этот пример, чтобы еще раз показать оптимистичный настрой прошлых времен, когда вера в безграничные возможности науки и техники была необычайно высока. Возможно, в наши дни подобные проекты вызовут саркастическую ухмылку, однако обращение к идеям тех лет весьма продуктивно само по себе. Ведь как мы уже неоднократно убеждались, те вопросы, которые считаются особо актуальными именно сегодня, рассматривались учеными задолго до наших дней.

Николай Нестеров

В 2023 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили за открытие модифицированных нуклеотидов — структурных единиц нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), которые впоследствии послужили основой для получения мРНК-вакцин против коронавирусной инфекции. Один из нуклеотидов, который изучали исследователи-лауреаты Каталин Карико (Венгрия) и Дрю Вайсман (США) в своей работе, — N1-метилпсевдоуридин, в будущем его применили при создании двух мРНК-вакцин против COVID-19, в частности Pfizer/BioNTech и Moderna. Компонент показал улучшенную трансляцию в клетках человека и животных, эффективно задействуется в терапии вирусных заболеваний, а также на его основе сегодня разрабатываются мРНК-вакцины против вируса иммунодефицита человека.

«Мы решили изучить влияние природной модификации N1-метилпсевдоуридина на CRISPR/Cas9. Главной проблемой этой системы можно назвать баланс между точностью и эффективностью — сложно добиться хорошего уровня в обоих показателях. Одним из вариантов решения этой задачи считается создание модифицированных РНК. Мы вводили N1-метилпсевдоуридин в направляющие РНК системы CRISPR/Cas9. Этот компонент обладает нужными для нас свойствами: низкой токсичностью и обеспечивает высокую стабильность РНК. В системе геномного редактирования модификация показала себя более точной в сравнении с исследуемыми ранее. Полученный инструмент можно использовать в клетках человека. Зарубежные ученые уже разработали и применяют препарат на основе генетических ножниц, который позволяет лечить серьезное генетическое заболевание — серповидноклеточную анемию. Движение в этом научном направлении позволит усовершенствовать диагностику и лечение некоторых генетических заболеваний», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории геномного редактирования ИХБФМ СО РАН Дарья Вадимовна Прохорова.

Новосибирские биохимики синтезируют модифицированные направляющие РНК с помощью фермента Т7 РНК-полимеразы, которая способна по матрице ДНК строить РНК. В качестве строительного материала для нее и используется нуклеозидтрифосфат N1-метилпсевдоуридин. Присутствие изменений в направляющих РНК позволяет увеличить точность редактирования генома, расщепляя только нужные ДНК-субстраты, таким образом снижая побочные эффекты CRISPR/Cas9.

«В прошлой работе мы выбирали самые часто встречающиеся природные модификации. N1-метилпсевдоуридин, который мы сегодня исследуем, показал наилучшие свойства. В дальнейших экспериментах мы планируем комбинировать его с нуклеотидами из предыдущей статьи. N1-метилпсевдоуридин позволит увеличить точность, а 5-метилцетидин — эффективность. Главная задача заключается в том, чтобы обеспечить баланс этих параметров для всей системы и в будущем разработать новые препараты на ее основе», — отметила Дарья Прохорова.

Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-64-00017) и при поддержке Госзадания (проект № 122022100238-7).

Кирилл Сергеевич

 Прошлой осенью правительство РФ одобрило производство муки из мух, выпустив соответствующее распоряжение. Россиян повергло в шок, что продукция может появиться на прилавках магазинов. Замдиректора по инновационной деятельности института цитологии и генетики СО РАН Пётр Куценогий считает, что внедрения такого продукта в наш рацион пока не предвидится. Производство вызвано другими причинами. Какими — расскажем вместе с экспертом. Также вы узнаете, опасна ли такая мука для человеческого организма, что может произойти, если начать употреблять её в пищу.

По словам Петра Куценогого, в России действительно могли выпустить на рынок муку из насекомых. Это нужно было для поддержания торговых отношений с Европой. Однако после 2022 года, когда ЕС перестал быть нашим основным торговым партнёром, правительство РФ решило отказаться от намеченных планов.

«Евросоюз уже много лет борется с выбросами парниковых газов, которые, как там считают, причастны к глобальному потеплению. Эти страны пытаются выйти на «нулевой» выброс СО2 и метана в атмосферу. По их мнению, крупнорогатый скот выделяет слишком много метана во время пищеварения. Чтобы снизить загрязнение, европейцы, в частности, начали производить белок из насекомых», — рассказал Пётр Куценогий.

Иностранные специалисты пришли к выводу, что, снизив употребление продуктов животноводства и употребляя больше пищи из насекомых либо другую более «здоровую» продукцию, люди смогут уменьшить количество выбросов в атмосферу.

Ко всему этому, Евросоюз заявил, чтобы будет взимать углеродный налог с продукции, ввозимой из-за рубежа. Поэтому Россия, когда у неё были торговые отношения с ЕС, была вынуждена начать рассматривать меры по снижению выбросов парниковых газов на своей территории, чтобы не платить за экспорт в партнёрские страны повышенные пошлины.

«Поскольку Россия недавно сменила основного торгового партнёра, им стал Китай, то теперь голова у нас не особо болит по поводу резкого снижения выбросов СО2 и метана. Поэтому-то планы правительства и поменялись: появления муки из насекомых на наших прилавках не предвидится», — отметил собеседник.

Эксперт во время беседы с нашим обозревателем также порассуждал о том, что будет, если продукция из насекомых всё же появится в российских магазинах. По его словам, от такой муки никто точно не умрёт, но резкий переход на неё невозможен.

«Есть множество стран, где едят насекомых, никто там от этого не умер. Вопрос в традиционных предпочтениях. Если поколения людей на территории одной страны питаются насекомыми, то их организм приспосабливается, — считает Куценогий. — Индусам, к примеру, была бы привычна еда из насекомых, нам — нет. Однако им вряд ли бы подошёл наш рацион, в котором много мяса. Резкие перемены ни к чему хорошему не приводят».

Специалист также считает, что мука из насекомых при условии применения качественной технологии производства будет безвредна для человеческого организма. При этом её вкус будет отличаться от обычной муки. Но его можно скорректировать, применив вкусовые добавки.

«Каждое насекомое, думаю, не нужно проверять на наличие болезней при производстве. Мы же не всех животных проверяем во время массового производства. Если мясо идёт на стейк с кровью, то оно проверяется, а если идёт массовый забой, то изучается только партия. После туши подвергаются термической, ферментативной обработке», — подытожил собеседник.

Отметим, что недавно зампред правительства Виктория Абрамченко в ответе на запрос депутата ГД Сергея Обухова заверила, что внедрение муки из насекомых в рацион россиян официально не планируется. Правительственное постановление легализовало продукцию исключительно для развития рыбоводства.

Можно ли переместиться километров триста на юг, не меняя своего местоположения? Вроде бы, сказанное звучит нелепо, но это именно то, о чем мечтают многие сибирские садоводы: как сделать свой участок теплее, создав условия, приближенные к югу?

Интересно, что в Европе таким приемом владели, начиная уже с Нового времени. Это была эпоха становления рыночных отношений, когда горожанам умеренных широт хотелось южных фруктов, но везти их с юга было еще слишком накладно ввиду отсутствия надлежащих путей сообщения (вроде железных дорог). И вот тогда сметливые садоводы придумали, как создать «южные широты» (в климатическом смысле) у себя под боком – вплотную к большим городам как к крупным рынкам сбыта такой продукции.

Фактически, речь идет о городском фермерстве того времени. Примерно с шестнадцатого по двадцатый век средиземноморские фрукты и овощи спокойно выращивались в местах их непосредственного потребления – вплоть от Великобритании до Нидерландов. Причем, делалось это без всякого использования ископаемого топлива – исключительно за счет солнечной энергии.

Для организации таких «средиземноморских» садов сооружались массивные каменные или кирпичные стены, рядом с которыми располагались растения. В течение дня стены накапливали солнечное тепло, отдавая его растениям ночью. Благодаря столь несложному (хотя и капиталоемкому) способу, температура внутри «средиземноморского» сада в среднем была на 10 градусов Целься выше, чем на открытом пространстве. Кстати, данный способ был научно обоснован еще в 1561 году швейцарским натуралистом Конрадом Гесснером. В одном из своих трудов он описал влияние нагретых солнцем стен на созревание инжира и смородины. По его словам, плоды созревают гораздо быстрее, когда их высаживают вдоль таких стен.

Этот эффект стал затем намеренно применяться при создании «средиземноморских» садов. Именно благодаря наблюдениям Гесснера в Северной Европе появилась первая «фруктовая» стена. Высокие массивные стены, обращенные одной стороной на юг, создают микроклимат, позволяющий выращивать средиземноморские фрукты на севере Франции, в Англии, в Бельгии и в Нидерландах.

Особенно преуспели в этом деле французы, придумав специальные способы формировки деревьев, когда их крона фактически проецировалась на всю плоскость стены, получая максимум дополнительного тепла. Так удавалось спасти растение от зимних морозов и от холодных северных ветров. При устройстве козырька растение защищалось от дождя и града. А в случае сильного понижения температуры применялось покрытие из соломенных циновок.

Изначально «фруктовые» стены появились в садах вельмож и королевских особ. Например, в Версальском дворце. Но чуть позже, по мере развития городских хозяйств, их стали создавать в коммерческих целях. Самым ярким примером тому является парижский пригород Монтрей, где в огромных количествах выращивались персики. Он был образован еще в XVII веке. К концу XIX века, на пике промышленного производства, общая протяженность «фруктовых» стен составила здесь порядка 600 километров, а совокупная площадь земли, отведенной под посадки, составляла примерно 300 га. В этом огромном лабиринте можно было легко запутаться без проводника. Недаром прусская армия во время осады Парижа в 1870 году просто обошла Монтрей стороной.

Несмотря на то, что персики могли нормально плодоносить только в средиземноморском климате, здесь, под Парижем, получали вполне приличные урожаи. Во всяком случае, персики из Монтрея славились своим высоким качеством. Внутри лабиринта из «фруктовых» стен температура была на 8 – 12 градусов выше, чем снаружи. Высота стены составляла 2,5 – 3 метра, толщина – до полуметра. Поверхность покрывалась известняковой штукатуркой. Кроме персиков, в этих садах выращивались яблоки, груши, малина, овощи и цветы.

В 1730 году аналогичное сооружение появилось в 60 км к юго-востоку от Парижа, в Томери. Здесь «фруктовые» стены возводились для выращивания столового винограда. К началу прошлого века их протяженность составила 300 км, а площадь земли - 150 га. Что касается производительности, то на пике она составляла более 800 тонн винограда в год. Стены имели высоту 3 метра, и располагались параллельными рядами длиной до 100 метров с интервалом 9 – 10 метров. Лучшие сорта винограда выращивались вдоль стен, обращенных на юго-восток. Менее ценные сорта выращивались на западной и юго-западной экспозиции. Стены были покрыты плиткой, имели соломенный навес, а некоторые дополнительно снабжались остекленными рамами для лучшего удержания тепла.

В аналогичных сооружениях выращивался столовый виноград в Бельгии и в Нидерландах, начиная с 1850-х годов. Именно здесь было сосредоточено основное производство столового винограда для этих стран. Так, в Вестленде (Нидерланды) к 1881 году протяженность «фруктовых» стен составляла 178 км. Правда, в отличие от французов, голландцы использовали не линейную, а волнообразную («змеиную») форму. Такая форма позволяла, с одной стороны, экономить материалы за счет большей прочности волнообразной конструкции, с другой стороны, выпуклые и вогнутые поверхности создавали еще более теплый микроклимат. Такие же стены возводились и на территории Англии. Причем, эту форму принесли туда голландцы, которые продвинули данную технологию вплоть до Гронингена (53 градуса с. ш.).

Еще одним изобретением была наклонная стена, описание которой появилось еще в конце XVII века. Такая стена, обращенная плоскостью к югу, имела уклон 45 градусов к северу. Так она получала больше солнечной радиации, поскольку полностью освещалась в течение всего дня, с утра до вечера. 

Со временем для «фруктовых» стен стали все чаще и чаще применять остекленные рамы. Это позволило увеличить урожайность, не используя специального подогрева – только за счет эффективного использования солнечной энергии. Впервые этот эффект оценили голландцы, создав к 1881 году дополнительное остекление для 22 км «фруктовых» стен в Вестленде. В принципе, именно так возник прообраз энергоэффективной солнечной теплицы, более известной в наше время как «китайская теплица». «Китайской» она стала потому, что именно китайцы сделали подобную конструкцию массовой уже в наше время. Европейцы же, начиная с прошлого века, двинулись другим путем, создав полностью остекленную конструкцию с искусственным подогревом. Современная голландская теплица (несмотря на то, что именно голландцы были изобретателями «китайской» модели) – это цельностеклянное сооружение, энергоемкость которого в 10-20 раз превышает энергоемкость энергоэффективной «китайской» теплицы.

Почему так произошло, вопрос отдельный. В настоящее время, когда вопросы энергоэффективности включаются в стратегии развития, мы вполне можем ожидать обращение к прошлому опыту. Это, кстати, касается не только европейцев, но и россиян. Ведь как мы уже неоднократно писали, в нашей стране на протяжении многих лет велись поиски наиболее эффективных способов выращивания теплолюбивых растений в различных искусственных условиях.

Кстати, в свое время на солнечных склонах Черноморского побережья для выращивания цитрусовых культур устраивались так называемые «лимонарии» - полукруглые теплицы, построенные вокруг хорошо освещенных открытых холмов с террасами.  В наши дни подобный опыт, когда во главу угла ставится вопрос продовольственной безопасности и импортозамещения, может оказаться особо полезным. Особенно для жителей Сибири, крайне зависимых от южных поставок. Возможно, сибирская наука здесь также скажет свое слово. Во всяком случае, сибирские ученые не снимают с повестки тему интродукции теплолюбивых растений.

Николай Нестеров

Российский научный фонд поддержал грантом исследование вклада молекулярно-генетических маркёров в развитие ожирения у женщин в городской европеоидной популяции, проводимые учеными Института цитологии и генетики СО РАН.

Не отрицая вклад в развитие ожирения факторов внешней среды (характер питания и т.п.), надо помнить, что свою роль играет и наследственность: в одних и тех же условиях и при сходном рационе люди набирают вес по-разному. На сегодняшний день мировой науке известно несколько десятков мутаций в отдельных генах (маркеров), которые так или иначе связаны с риском развития ожирения.

Используя банк ДНК, который был сформирован ранее в ходе большого популяционного исследования HAPIPEE (Health, Alcohol and Psychosocial factors In Eastern Europe), в ходе которого было обследовано около 10 тысяч жителей Новосибирска, авторы проекта намерены проверить, насколько эти маркеры актуальны для жителей Сибири.

«Дело в том, что в разных популяциях эти маркеры проявляют себя по-разному, известны факты, когда мутации в гене у жителей одних стран имеют очевидную связь с риском развития какого-то заболевания или состояния, но в других регионах эти же мутации никак с ним не связаны или эта связь весьма не очевидна», - пояснил цель исследования старший научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, профессор Владимир Максимов.

Ученые отобрали геномы нескольких сотен сибирячек, которые разбиты на несколько подгрупп, в зависимости от индекса массы тела, от нормального (20-25 кг/м²) до морбидного ожирения (более 40 кг/м²). «На протяжении двух лет мы проверим на этой выборке порядка 30-40 наиболее достоверных генетических маркеров, как они себя проявляют в нашей популяции», - рассказал Владимир Максимов. Исследования будут проводиться на протяжении двух лет на средства гранта РНФ.

В дальнейшем, результаты исследования могут быть использованы в качестве рекомендаций при составлении отечественного рискометра ожирения. Ученые отмечают, что это работа на перспективу: пока еще разработка полногеномных рискометров тех или иных заболеваний находится в стадии разработки. В то же время, внедрение достижений генетики в практическое здравоохранение с каждым годом только набирает темпы. «В создание таких рискометров во всем мире вкладываются очень большие ресурсы и это говорит в пользу относительно скорого их появления. Так что, вполне возможно, что результаты нашей работы станут востребованы медициной уже в ближайшие годы», - выразил надежду Максимов.

Пресс-служба ИЦиГ СО РАН

Летом — то засуха, то ураган, то тропический ливень. Зимой на территории всей России — то аномальный снегопад, то оттепель, то мегашторм на Чёрном море. В Москве суточные колебания температуры воздуха достигают 20-30 °С.

Всё это — последствия глобальных изменений климата, которые не имеют границ. Мировая проблема, волнующая всех. Споры идут лишь о том, виноват ли человек в происходящем или это естественные процессы, вызванные природными явлениями. А может быть, и то и другое вместе.

В декабре 2023 года российские учёные завершили беспрецедентное исследование в морях Дальнего Востока и Тихоокеанского сектора Арктики. Оно может изменить отношение к теории глобального потепления, считающей виновником всех климатических бед исключительно человека.

Об этом aif.ru поговорил с доктором географических наук, членом-корреспондентом РАН, заведующим лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (ТОИ) Игорем Семилетовым.

Источник огромных выбросов

– Игорь Петрович, что это было за исследование?

– Это было совместное исследование учёных Тихоокеанского океанологического института и лаборатории комплексных исследований арктической системы «суша-шельф» Томского государственного университета. Оно стало продолжением климатического мониторинга арктических и субарктических морей России, начатого ещё в 1990-е.

Исследования проводились в рамках двух экспедиций на борту научно-исследовательского судна «Академик Опарин». Было пройдено более 18 тысяч километров с непрерывными высокоточными измерениями концентрации углекислого газа (СО2), метана (СН4), водяного пара (Н2О) в приводном слое атмосферы и растворённого в воде метана. Новые технологии позволили выполнить более 3,5 миллионов измерений СО2 и СН4 в воздухе и около 3 миллионов измерений растворённого метана в поверхностном слое морской воды. Это больше, чем было измерено за все годы во всём Мировом океане.

– Что удалось выяснить?

– Выбросы метана (и других парниковых газов) в атмосферу увеличились в разы, что связано со штормовой вентиляцией растворённых в водной толще парниковых газов. Эти ранее неучтённые процессы приведут к значительному изменению оценок по вкладу природных факторов в баланс парниковых газов. Сейчас идёт обработка данных.

– Почему это важно? Какое это отношение имеет к большинству населения России, которое живёт за пределами арктической зоны?

– Мерзлота существует на двух третях территории нашей страны, а при её таянии (говоря научным языком — деградации) в атмосферу попадает гигантское количество углекислого газа и метана. Это напрямую влияет на усиление парникового эффекта и приводит не только к росту температуры воздуха (пресловутому глобальному потеплению), но и к увеличению частоты и силы циклонов, количества тайфунов, смерчей, других экстремальных погодных явлений. Снегопады этой зимы, вызывающие коллапс в городах — тоже последствия усиления парникового эффекта.

В начале 2000-х мы доказали, что подводная мерзлота на шельфе морей Восточной Арктики (самого широкого и мелководного шельфа Мирового океана, где сосредоточены гигантские запасы углеводородов в виде гидратов, природного газа, и нефти) — это источник массированных выбросов метана. И этот природный источник потенциально может стать более значимым для изменений климата, чем антропогенные выбросы.

Ещё недавно, лет 15 назад, считалось, что подводная мерзлота стабильна. Но мы доказали, что это не так. Нами документировано более 2 тысяч крупных районов разгрузки метана в водную толщу-атмосферу, включая пять мега-районов с мощностью выбросов от граммов до десятков килограммов с квадратного метра в сутки. В 2022 году мы обнаружили два «свежих» кратера в Карском море, их размеры — 200 метров в диаметре и 30 метров в глубину.

Там, где бегали мамонты

– Как эти кратеры образуются?

– Предположительно они образовались в результате фазового перехода — взрыва дестабилизированных гидратов, когда один объём твердого гидрата превращается в 150-200 объёмов газа.

Помните воронки, которые в последние годы в изобилии появляются на полуострове Ямал? Подземные скопления гидратов-газов нагреваются и взрываются — будто пробка из бутылки шампанского вылетает. Такой взрыв имеет огромную силу: при образовании одной воронки диаметром 100-200 метров выделяется энергия, сопоставимая с энергией тактического ядерного заряда.

На шельфе арктических морей происходит нечто похожее. Там залегают твёрдые газогидраты — молекулярные соединения воды и метана, существующие при низких температурах и высоком давлении. Они появились ещё в эпоху оледенения Земли, когда шельф был сушей и там бегали мамонты. Потом потеплело, ледники стали таять, уровень моря поднялся на 100 метров, и мерзлота оказалась затоплена. Так она стала подводной мерзлотой арктического шельфа. Теперь эти газогидраты разрушаются, что приводит к усилению массированных выбросов метана в атмосферу. А метан — это парниковый газ, который значительно активнее двуокиси углерода, СО2. И его там очень много.

– Сколько? С чем это количество можно сравнить?

– Подводная мерзлота занимает огромную территорию — примерно 2 миллиона квадратных километров. Метановый потенциал шельфа арктических морей России оценивается в более тысячи миллиардов тонн. Для сравнения: в атмосфере Земли содержится 5-6 миллиардов тонн этого газа. Это значит, что при дестабилизации и попадании в атмосферу метана из всего лишь 1-2% арктических шельфовых гидратов концентрация этого парникового газа может вырасти в 2-3 раза.

Есть расчёты, что если будет выброшено 5% предполагаемых запасов метана, температура воздуха на планете за 10 лет повысится на 2-3 °С. Это может привести к экономическому ущербу в размере 65 триллионов долларов, что соизмеримо с валовым доходом всех стран.

Напомню, что в рамках Парижского соглашения потепление планируют удержать в пределах 1,5 °С, сокращая антропогенные выбросы СО2. Но в Арктике этот порог уже давно превышен, что вызывает большую тревогу у многих учёных, которые видят многочисленные недостатки в современной теории климата.

Нельзя всё сваливать на человека

– То есть человек не виноват в потеплении? А разве нельзя предположить, что эти природные процессы как раз и были спровоцированы антропогенными выбросами? То есть деятельность человека стала триггером таяния мерзлоты.

– Я не противопоставляю результаты наших исследований антропогенному фактору. Я говорю о том, что климатическая система Земли очень сложна и надо складывать всю мозаику, а не зацикливаться исключительно на вине человека.

Это очень удобно — свалить всё на антропогенный фактор и не задумываться, а есть ли у потепления какие-то ещё причины. Тогда можно не проводить сложные и дорогие наблюдения в экстремальных условиях Арктики, а можно всё замоделировать в тёплом кабинете, не понимая, как сложны многочисленные обратные связи в климатической системе. Те модели, которые сегодня доминируют в науке о климате, не способны адекватно описать все основные источники выбросов парниковых газов, все триггеры.

Например, ещё в начале 1990-х дальневосточные учёные показали, что арктические почвы способны за одну зиму выделять до одного миллиарда тонн СО2. Этот объём был соизмерим с антропогенными выбросами всего СССР за год. Эти природные выбросы тогда никем не учитывались и сейчас не учитываются. Вот о чём мы говорим. Мощность этих источников до конца не известна. Что-то мы знаем, а что-то нет. К антропогенным источникам надо добавлять природные, чем и занимается наша научная группа.

– А западные учёные к этому прислушаются? Ведь там привыкли ориентироваться на антропогенную теорию, навязывая её другим странам и мировому научному сообществу.

– Западные исследователи тоже постепенно приходят к выводу, что существующие модели имеют перекос. Одного антропогенного фактора не хватает, чтобы объяснить все климатические изменения. Иногда видны откровенные противоречия: если взглянуть на кривые антропогенных выбросов парниковых газов и повышения температуры, можно заметить не просто несовпадения, но даже противофазу. То есть кривые идут в разные стороны на протяжении десятков, и даже тысяч лет — например, в конце прошлого межледникового периода. Температура растёт, а выбросы СО2 падают. Или наоборот.

И никто объяснить это не может. Однако такие вопросы просто не принято задавать, чтобы не получить многочисленные проблемы. Например, нашему научному консорциуму, объединяющему ведущих учёных из топовых институтов РАН и университетов (МГУ, ТГУ, ТПУ, МФТИ, ВШЭ и других), на протяжении последних трёх лет не дают возможность продолжить 20-летние комплексные исследования состояния подводной мерзлоты на акватории Северного морского пути. И это в то время, когда нарастающие выбросы метана из шельфа морей Восточной Арктики уже начали рассматриваться мировым сообществом как наиболее реалистичная причина быстрых климатических изменений.

– В самом деле? На Западе начинают отказываться от антропогенной версии?

– До сих пор не сформировано единое мнение о роли парниковых газов (и их основных источниках) в изменении климата Земли. Но научное сообщество всё больше склоняется к мнению о том, что климатические изменения, связанные с парниковым эффектом, проявляются не только в повышении среднепланетарной температуры. Более интенсивной становится атмосферная циркуляция, особенно в высоких и умеренных широтах Северного полушария.

Более того, ещё 15 лет назад модельные эксперименты показали, что даже при полном прекращении выбросов антропогенного СО2 в атмосферу потепление будет продолжаться не менее 1000 лет.

Теперь и многие иностранные учёные признают, что в процессе потепления важнейшую роль играет такой фактор, как таяние вечной мерзлоты. Она является кладовой гигантского количества органического углерода, который, высвобождаясь, ещё больше усиливает парниковый эффект.

В Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения СО РАН (КТИ НП СО РАН) завершили работу над первыми фронтендами для научных станций Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).

Фронтенды – это комплексы оборудования, которые используются для вывода синхротронного излучения из основного накопителя на экспериментальную станцию. Именно они формируют пучок синхротронного излучения и отвечают за его качество, что в конечном итоге влияет на проводимые исследования на станциях.

Проектированием и изготовлением фронтендов для всех шести экспериментальных станций в рамках первой очереди ЦКП «СКИФ» в КТИ НП СО РАН занимаются по контракту с Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Институт является единственным исполнителем комплекса работ, связанных с изготовлением, сборкой, поставкой и вводом в эксплуатацию этого сложного оборудования для ускорительного комплекса синхротрона.

Поскольку у станций будут свои задачи, фронтенд для каждой из них обладает индивидуальными характеристиками.

«Это не серийное производство, хоть речь идет об одном типе оборудования, при создании каждого комплекса пришлось решать уникальные конструкторские задачи, в том числе научного характера», – рассказал и. о. директора КТИ НП СО РАН Станислав Шакиров.

В постсоветский период комплексы такого типа в нашей стране еще не изготавливались. Да и когда в 2021 году готовились эскизные проекты этих фронтендов, доля иностранных комплектующих предполагалась порядка 50%. «После введения санкционных ограничений мы стали активно развивать собственное производство и искали российских поставщиков. Теперь вакуумные насосы для нас делают два новосибирских предприятия – «Катод» и «Призма», быстрые шиберы или по-другому затворы для сохранения вакуума во фронтендах – еще одна новосибирская компания «Эпос Инжиниринг», синтетические алмазы — Институт геологии и минералогии СО РАН и предприятие из Троицка, и таких примеров еще очень много», – отметил помощник директора КТИ НП СО РАН по научно-техническим проектам Петр Завьялов.

В итоге, сегодня доля отечественных комплектующих в каждом комплексе превышает 80 %, причем значительная часть из них изготовлена в самом КТИ НП СО РАН. «Мы модернизировали собственное производство: на сумму порядка 45 млн рублей обновили парк станков и провели цифровизацию – внедрили системы хранения данных, автоматизировали рабочие места. Также мы постепенно расширяем штат сотрудников; возобновили использование утраченных технологий на производстве и усилили входной контроль качества материалов и комплектующих. Так, теперь мы активно используем вакуумные технологии – обезгаживание и вакуумную пайку, а также в обязательном порядке проводим химический анализ металлов, используемых в производстве», – подчеркнул Станислав Шакиров.

Он также отметил, что благодаря участию в столь амбициозном проекте, удалось привлечь в коллектив института опытных рабочих и инженеров из других организаций. Главной мотивацией для тех стали не уровень зарплаты (которая и на прежних местах была немалой), а возможность решать нестандартные задачи и быть причастным к строительству уникального научного объекта. Кстати, о схожих мотивах говорят и многие члены студенческих стройотрядов, участвующих в строительстве непосредственно ЦКП «СКИФ».

Сейчас три первых комплекса уже готовы для опытной эксплуатации, работа еще над тремя завершится этой весной, тем самым, все научные станции первой очереди будут укомплектованы этими комплексами. Но на этом перспективы работы в данном направлении для института не заканчиваются.

«Учитывая, что впереди еще предстоит создание новых источников синхротронного излучения в Протвино, на острове Русский, в Москве в Курчатовском Институте, нет сомнения, что опыт и компетенции, приобретенные КТИ НП, будут востребованы», – выразил уверенность директор ЦКП «СКИФ» Евгений Левичев.

Да и сам ЦКП «СКИФ» рассчитан на куда большее число станций, чем те, что вошли в перечень объектов первой очереди строительства. «До конца этого года мы должны запустить пучок, а в следующем году начнут работать собственно научные станции. Успешное прохождение этих этапов станет обоснованием для финансирования проектирования и строительства научных станций второй очереди, ведь мы докажем, что в состоянии реализовать столь масштабный проект даже в нынешних условиях», - подчеркнул директор Института катализа СО РАН Валерий Бухтияров. И для новых станций также потребуются фронтенды, опыт создания которых теперь есть у Конструкторско-технологического института.

Сергей Исаев

Авторы MIT Technology Review рассматривают четыре тренда, за которыми стоит следить в наступившем году.

В прошлом году мы поступили несколько безрассудно. В индустрии, где ничто не стоит на месте, мы попробовали предсказать будущее. Мы делали четыре большие ставки на 2023 год: 

• Следующий большой шаг в развитии чат-ботов будет связан с мультимодальностью (мы оказались правы: самые мощные большие языковые модели — GPT-4 от OpenAI и Gemini от Google DeepMind — работают с текстом, изображениями и аудио). 

• Политики разработают новые жесткие правила (мы оказались правы: в октябре вышел указ Байдена, а в декабре был окончательно согласован закон Европейского союза об искусственном интеллекте). 

• Крупнейшие технологические компании почувствуют давление со стороны опенсорс-стартапов (наполовину верно: бум опенсорса продолжается, но компании, занимающиеся разработкой искусственного интеллекта, такие как OpenAI и Google DeepMind, по-прежнему в центре внимания).

• Искусственный интеллект навсегда изменит отрасль фармацевтики (слишком рано говорить: революция искусственного интеллекта в разработке лекарств идет полным ходом, но до появления первых препаратов, разработанных с использованием искусственного интеллекта, еще несколько лет).

Теперь мы делаем это снова.

Мы решили проигнорировать очевидное. Мы знаем, что большие языковые модели будут продолжать доминировать. Регуляторы будут становиться все смелее. Проблемы искусственного интеллекта — от предвзятости (bias) до авторских прав и думерства — будут определять повестку дня для исследователей, законодателей и общественности не только в 2024 году, но и на долгие годы вперед. 

Вместо этого мы выбрали несколько более конкретных тенденций. (В 2025 году узнаем, удалось ли нам угадать)

1. Индивидуальные чат-боты

Всем по чат-боту! В 2024 году технологические компании, вложившие значительные средства в генеративный искусственный интеллект, будут вынуждены доказывать, что они могут зарабатывать на своих продуктах. Для этого гиганты ИИ Google и OpenAI делают большую ставку на на продукты для более узкой ниши: обе компании разрабатывают удобные платформы, позволяющие людям настраивать мощные языковые модели и создавать собственные мини чат-боты, которые отвечают их специфическим потребностям — и для этого не требуется никаких навыков кодирования. Обе компании запустили веб-инструменты, позволяющие любому желающему стать разработчиком приложений для генеративного искусственного интеллекта. 

В 2024 году генеративный искусственный интеллект может стать по-настоящему полезным для обычных людей, профессионально не связанных с технологиями. И скорее всего еще больше людей будут экспериментировать с миллионом маленьких моделей искусственного интеллекта. Современные ИИ-модели, такие как GPT-4 и Gemini, являются мультимодальными, то есть они могут обрабатывать не только текст, но и изображения и даже видео. Эта новая возможность может привести к появлению целого ряда новых приложений. Например, риелтор может загрузить текст из предыдущих объявлений, настроить мощную модель на генерацию аналогичного текста одним нажатием кнопки, загрузить видео и фотографии новых объявлений и просто попросить настроенный искусственный интеллект сгенерировать описание объекта. 

Но, конечно, успех этого плана зависит от того, насколько надежно будут работать эти модели. Языковые модели часто ошибаются, а генеративные подвержены предвзятости. Кроме того, их легко взломать, особенно если разрешить им просматривать веб-страницы. Технологические компании пока не решили ни одну из этих проблем. Когда новизна пройдет, им придется предложить своим клиентам способы решения этих проблем.

2. Второй волной генеративного искусственного интеллекта станет видео

Удивительно, как быстро фантастика становится реальностью. Первые генеративные модели для создания фотореалистичных изображений появились в 2022 году и вскоре стали обыденностью. Такие инструменты, как DALL-E от OpenAI, Stable Diffusion от Stability AI и Firefly от Adobe, наводнили интернет потрясающими изображениями всего — от Папы Римского в Balenciaga до произведений искусства, получивших награды. Но не все так радужно: на каждого мопса, размахивающего помпонами, найдется еще один поддельный фэнтези-арт или проявление сексистских сексуальных стереотипов.

Новый рубеж — генерация видео по текстовому описанию. Мы ожидаем, что оно возьмет всё, что было хорошего, плохого или уродливого в превращении текста в изображение, и увеличит это многократно.

Год назад мы впервые увидели, на что способны генеративные модели, когда они были научены сшивать несколько статических изображений в клипы длиной в несколько секунд. Результаты получились искаженными и рваными. Но технология быстро совершенствовалась.

Runway — стартап, создающий генеративные видеомодели (и компания, которая стала одним из создателей Stable Diffusion), выпускает новые версии своих инструментов каждые несколько месяцев. Последняя модель под названием Gen-2 по-прежнему генерирует видео длиной всего в несколько секунд, но их качество поражает. Лучшие ролики недалеко ушли от того, что выпускает Pixar.

Компания Runway организовала ежегодный ИИ-инофестиваль, на котором демонстрируются экспериментальные фильмы, снятые с помощью различных инструментов искусственного интеллекта. В этом году призовой фонд фестиваля составляет 60 000 долларов, а 10 лучших фильмов будут показаны в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе.

Неудивительно, что на это обратили внимание ведущие студии. Гиганты киноиндустрии, включая Paramount и Disney, сейчас изучают возможности использования генеративного искусственного интеллекта на всех этапах производства. Технология используется для синхронизации выступлений актеров с многочисленными дублированиями на иностранных языках. А также для создания новых спецэффектов. В 2023 году в фильме «Индиана Джонс и колесо судьбы» (“Indiana Jones and the Dial of Destiny”) будет использоваться дипфейк молодого Харрисона Форда. И это только начало.  

Также технологии дипфейков набирают обороты в сферах маркетинга и обучения. Например, британская компания Synthesia создает инструменты, которые могут превратить «одноразовое» выступление актера в бесконечный поток дипфейк-аватаров, декламирующих любой скрипт, который им будет задан одним нажатием кнопки. По данным компании, эту технологию сейчас используют 44% компаний из списка Fortune 100.

Способность делать так много, имея так мало, вызывает серьезные вопросы у актеров. Из-за озабоченности по поводу использования и злоупотребления студиями искусственного интеллекта в прошлом году прошла забастовка SAG-AFTRA. Но истинное влияние технологии становится очевидным только сейчас. «Ремесло кинематографа в корне меняется», — говорит Соуки Мехдауи, независимый режиссер и соучредитель консалтинговой компании Bell & Whistle, специализирующейся на креативных технологиях.

3. Объем дезинформации на выборах, генерируемой искусственным интеллектом, будет расти

Если судить по последним выборам, дезинформация и фальсификации, генерируемые искусственным интеллектом, станут огромной проблемой, когда в 2024 году на избирательные участки придет рекордное количество людей. Мы уже видим, как политики используют эти инструменты. В Аргентине два кандидата в президенты создали сгенерированные искусственным интеллектом изображения и видеоролики своих оппонентов с целью их дискредитации. В Словакии во время выборов в стране распространились дипфейки с изображением лидера либеральной проевропейской партии, угрожающего поднять цены на пиво и шутящего о детской порнографии. А в США Дональд Трамп поддержал группу, которая использует искусственный интеллект для создания мемов с расистскими и сексистскими сюжетами. 

Трудно сказать, насколько эти примеры повлияли на исход выборов, но их распространение — тревожная тенденция. Распознать, что в сети реально, а что нет, станет сложнее, чем когда-либо. В политическом климате, который и без того накален и поляризован, это может иметь серьезные последствия.

Всего несколько лет назад для создания дипфейков требовались сильные технические навыки, но генеративный искусственный интеллект сделал это до глупости простым и доступным, а результаты выглядят все более реалистично. Даже авторитетные источники могут быть обмануты таким контентом. Например, изображения, сгенерированные искусственным интеллектом с помощью пользователей, якобы изображающие израильско-палестинский кризис, заполнили рынки стоковых изображений, такие как Adobe. 

Наступающий год станет решающим для тех, кто борется с распространением такого контента. Методы отслеживания и борьбы с таким контентом пока находятся на ранней стадии разработки. Водяные знаки, такие как SynthID от Google DeepMind, все еще остаются в основном добровольными и не совсем надежными. А социальные медиа-платформы, как известно, медленно отсеивают дезинформацию. Приготовьтесь к масштабному эксперименту в реальном времени по уничтожению фейковых новостей, сгенерированных искусственным интеллектом. 

4. Многозадачные роботы

Вдохновленные некоторыми из ключевых техник, стоящих за нынешним бумом генеративного искусственного интеллекта, робототехники начинают создавать более универсальных роботов, способных выполнять широкий спектр задач.

За последние несколько лет в области искусственного интеллекта произошел отход от использования множества небольших моделей, каждая из которых обучена выполнять различные задачи — распознавать изображения, рисовать их, создавать подписи к ним — в сторону единых монолитных моделей, обученных выполнять все эти и другие задачи. Показав OpenAI GPT-3 несколько дополнительных примеров (это называется тонкой настройкой), исследователи могут обучить ее решать задачи по написанию кода, писать сценарии фильмов, сдавать экзамены по биологии в средней школе и так далее. Мультимодальные модели, такие как GPT-4 и Gemini от Google DeepMind, могут решать как визуальные задачи, так и лингвистические.

Тот же подход может работать и с роботами, поэтому не нужно будет обучать одного переворачивать блины, а другого — открывать двери: универсальная модель может дать роботам способность к многозадачности. В 2023 году появилось несколько примеров работы в этой области.

В июне DeepMind выпустила Robocat (обновление прошлогоднего Gato), который на основе проб и ошибок генерирует собственные данные, чтобы научиться управлять множеством различных рук робота (а не одной конкретной рукой, что более типично). 

В октябре компания в сотрудничестве с 33 университетскими лабораториями выпустила еще одну модель для роботов общего назначения под названием RT-X и новый большой набор обучающих данных общего назначения. Другие ведущие исследовательские группы, такие как RAIL (Robotic Artificial Intelligence and Learning) из Калифорнийского университета в Беркли, рассматривают подобные технологии.

Проблема заключается в недостатке данных. Генеративный искусственный интеллект опирается на набор данных из текста и изображений размером с интернет. Для сравнения, у роботов очень мало хороших источников данных, которые помогли бы им научиться выполнять многие промышленные или бытовые задачи, которые мы хотим от них получить.

Леррел Пинто из Нью-Йоркского университета возглавляет группу, занимающуюся этой проблемой. Он совместно с коллегами разрабатывает методы, которые позволят роботам обучаться методом проб и ошибок, создавая собственные обучающие данные на ходу. В рамках еще более скромного проекта Пинто набрал добровольцев для сбора видеоданных вокруг их домов с помощью камеры iPhone, установленной на мусоросборнике. В последние пару лет крупные компании также начали выпускать большие наборы данных для обучения роботов, например Ego4D от Meta.

Этот подход уже показывает себя в беспилотных автомобилях. Такие стартапы, как Wayve, Waabi и Ghost, являются пионерами новой волны ИИ для автономного управления, который использует одну большую модель для управления транспортным средством, вместо нескольких маленьких моделей для управления конкретными задачами вождения. Это позволило небольшим компаниям догнать таких гигантов, как Cruise и Waymo. Сейчас Wayve тестирует свои беспилотные автомобили на узких и оживленных улицах Лондона. Роботы повсюду получат аналогичный толчок к развитию.

На сегодняшний день в мире реализуется достаточно много проектов, посвященных управляемому термоядерному синтезу (УТС): от масштабных, класса мегасайенс, в которых принимают участие все промышленно развитые страны мира, до более маленьких, развернутых на территории одного института. Компетенции Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) позволяют специалистам развивать как собственные проекты по физике плазмы и УТС, так и выступать экспертами в большинстве других. Один из российских экспериментов, в котором ИЯФ СО РАН принимает участие – сферический токамак Глобус-М2 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург). Для петербургских коллег новосибирские физики разработали, создали и установили дисперсионный интерферометр – редкий тип диагностической системы для измерения плотности плазмы путем зондирования на двух длинах волн. Благодаря уникальным характеристикам устройства физики получают точные данные о концентрации электронов в плазме каждые 20 микросекунд. Последние результаты работы приняты к публикации в журнал Fusion Engineering and Design. Исследования проводятся при поддержке гранта РНФ.

Большинство исследований в области УТС проводятся на экспериментальных установках, в основе которых лежат различные системы магнитного удержания – магнитные ловушки либо замкнутого типа (токамаки и стеллараторы), либо открытого типа (пробкотроны). ИЯФ СО РАН является мировым лидером в разработке и исследованиях открытых магнитных ловушек. В инфраструктуру института входят четыре экспериментальные установки данного типа. Но компетенции специалистов ИЯФ СО РАН позволяют им работать и с проектами по изучению УТС, в основе которых замкнутые магнитные системы – токамаки. Институт принимает участие в одном из наиболее известных мегасайенс проектов в области УТС – Международном экспериментальном термоядерном реакторе (ИТЭР, Франция), а также в ряде российских исследований, например, сферическом токамаке Глобус-М2 в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Россия, г. Санкт-Петербург).

«Программа уникальной научной установки Глобус-М2, расположенной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, посвящена изучению высокотемпературной плазмы для создания термоядерного источника нейтронов для гибридной ядерной энергетики, – рассказывает младший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Владимир Солоха. – На нашем сферическом токамаке мы успешно решаем ряд задач УТС, таких как: разработка методов нагрева плазмы до субтермоядерных температур и эффективных схем непрерывного поддержания тока в прототипе генератора нейтронов, исследование материалов первой стенки компактного токамака и их взаимодействия с плазмой. Благодаря высокой компетенции сотрудников ФТИ им. А.Ф. Иоффе, выполняющих ряд задач в рамках проекта ИТЭР, в институте разрабатываются три диагностических комплекса: диагностика нейтральных атомов, гамма-спектроскопия и диагностика томсоновского рассеяния в диверторе. Каждая из описанных диагностических систем проходит отладку на Глобус-М2, так как некоторые параметры плазмы, ожидаемые в ИТЭР и наблюдаемые в Глобус-М2, совпадают или имеют один порядок величины».

Независимо от масштабов экспериментов в области УТС, цель у них одна – добиться нужных для термоядерного синтеза температуры, плотности и времени удержания плазмы.

«Плотность и температура плазмы – два важных параметра, от которых во многом зависит успех экспериментов по УТС. Диагностические системы для их измерения, соответственно, также очень важны. Надежным инструментом измерения электронной плотности плазмы является интерферометрия. В основе метода интерферометрии лежит принцип суперпозиции, то есть слияния, двух электромагнитных волн, вышедших из одного источника, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко. – В классических схемах интерферометров (например, Майкельсона) одна из волн перед слиянием проходит через исследуемый объект (плазму), а другая – огибает его. В результате в выходном сигнале появляется набег фазы, связанный с плазмой, который прямо пропорционален ее плотности. Но у классической схемы интерферометра есть недостатки – ее оптические элементы очень чувствительны к вибрациям, которые во время работы установки неизбежны. Например, когда работает наша Газодинамическая ловушка (ГДЛ), все вокруг дрожит и вибрирует, даже пол трясется. Если в этот момент одно зеркало немного сдвинется, то луч уже будет идти не совсем так, как задумано. Длина пути у обоих лучей не должна меняться – только в этом случае мы будем знать, что возникающий набег фазы связан только с плазмой. Если же длина поменяется, то это тоже приведет к набегу фазы, но он никак не будет связан с плазмой, а будет определяться вибрациями, мы же никак не сможем отличить один от другого».

Чтобы избежать сдвигов оптических элементов от вибраций, в классических схемах интерферометров используют громоздкие станины с различными фиксирующими устройствами. Схема дисперсионного интерферометра, разработанного в ИЯФ СО РАН, отличается от классической, в том числе минимальной чувствительностью к любого рода колебаниям. Дисперсионный интерферометр на основе СО2-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон, которая по ряду причин оказывается оптимальной для зондирования плазмы в современных установках для термоядерных исследований, был впервые разработан в ИЯФ СО РАН. Позитивный опыт, полученный на установке ГДЛ, а затем на токамаке TEXTOR (Tokamak Experiment for Technology Oriented Research, Германия, Юлих), мотивировал ряд передовых лабораторий мира пойти по проложенному нами пути. Среди них: японский токамак JT-60AS, германский стелларатор Wendelstein 7-X и другие. Таким образом, ИЯФ СО РАН является не только создателем диагностики для Глобус-М2, но и законодателем моды по этому направлению в мире.

«Те или иные виды интерферометров используются практически на всех установках для экспериментов в области УТС, но дисперсионный интерферометр является большой редкостью, –поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Соломахин. – Дисперсионный интерферометр – это прибор для измерения оптического размера среды, обладающей дисперсией, что означает зависимость оптических свойств среды от длины волны излучения. Наш дисперсионный интерферометр предназначен для измерения плотности плазмы, а точнее произведения плотности на размер плазмы. Основное отличие нашего устройства в том, что он зондирует плазму на двух длинах волн, причем вторая волна получается из первой с помощью метода удвоения частоты в нелинейном кристалле. Главное преимущество такого типа интерферометра – это слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов, которые неизбежны при работе больших установок. Так получается потому, что дисперсия плазмы намного больше дисперсии воздуха, в котором установлены элементы интерферометра. Стоит отметить, что оптическая схема интерферометра – это синтез наиболее удачных решений, примененных в наших прошлых разработках».

В составе штатных диагностик дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН работает на исследовательском комплексе Глобус-М2 с сентября 2022 г. Следующим этапом сотрудничества станет проверка дополнительного функционала, которым специалисты ИЯФ СО РАН снабдили свой дисперсионный интерферометр.

«Наша диагностическая система измеряет плотность плазмы в режиме реального времени с высокой точностью (с разрешением ≤ 6·1016 м–2). Но мы хотим, чтобы она могла еще и поддерживать плотность на заданном уровне, – объясняет Светлана Иваненко. – Оператор будет задавать некоторую желаемую функцию поведения плотности плазмы во времени. Реальная плотность, измеренная при помощи интерферометра, будет сравниваться со значениями этой функции в каждый конкретный момент времени. По результатам такого сравнения будет вычисляться сигнал ошибки, который в свою очередь будет использоваться для формирования сигнала управления клапаном напуска газа для подстройки плотности под заданный уровень. Такую схему возможно реализовать только в том случае, если аппаратура регистрации и обработки данных интерферометра позволяет производить вычисления плотности плазмы с очень высокой скоростью, по сути в режиме реального времени. Для дисперсионного интерферометра такая аппаратура создавалась специально, и на сегодняшний день является еще одной его отличительной чертой».

По словам специалиста, в основе реализованного алгоритма вычисления плотности плазмы лежит преобразование Фурье, что позволяет измерять сигнал с хорошей точностью, даже если присутствуют сильные шумы. «До этого мы работали с другим алгоритмом, который при высоком уровне шума входного сигнала мог давать сбои, приводить к некорректным результатам или вовсе быть неработоспособным. Также мы добавили возможность учета изменения в процессе эксперимента одной из компонент регистрируемого сигнала (глубины модуляции), чего до нас никто не делал. Это еще больше повысило точность вычисляемого значения плотности плазмы», – добавляет Светлана Иваненко.

Предварительные эксперименты с системой обратной связи проходили на измерительном стенде в ИЯФ СО РАН. Теперь задача специалистов проверить работу дисперсионного интерферометра с возможностью управления плотностью плазмы в реальном эксперименте на токамаке Глобус-М2.

«Приобретённый ФТИ им. А.Ф. Иоффе дисперсионный интерферометр позволяет нам в режиме реального времени получать надёжные данные об абсолютной величине концентрации электронов плазмы во всех режимах работы установки. Использование дисперсионного интерферометра вместе с диагностикой томсоновского рассеяния снижает систематическую ошибку измерения концентрации электронов до значений менее 3%, – добавляет Владимир Солоха. – Объединение дисперсионного интерферометра с управляющим устройством и газовым клапаном позволит реализовать систему контроля плотности электронов плазмы. Достижение постоянной плотности в ходе плазменного разряда необходимо для улучшения контроля за плазменными параметрами который уменьшит среднее количество плазменных разрядов, необходимых для достижения требуемых параметров. Тем самым мы повысим эффективность работы токамака».

Пресс-служба Института ядерной физики