СПЕЦПРОЕКТ ITMO.NEWS
2020 в науке:
ученые ИТМО ― о главных событиях года

Кажется, что уходящий год запомнится только локдауном, пандемией и отменой планов. Но это не так. В науке жизнь не прекращалась: велись исследования, совершались открытия и строились планы.
О самых важных открытиях 2020 и ожиданиях от 2021 года ITMO.NEWS рассказали пять ученых Университета ИТМО.

руководитель лаборатории «Гибридной нанофотоники и оптоэлектроники» Университета ИТМО, лауреат Премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых
руководитель международной лаборатории «Биомехатроники и энергоэффективной робототехники» Университета ИТМО


директор научно-образовательного центра геномного разнообразия Университета ИТМО, победитель Skoltech Systems Biology Fellowship 2017
Сергей Макаров
Сергей Колюбин
Алексей Сергушичев
руководитель международного научного центра «Биотехнологии третьего тысячелетия» Университета ИТМО
директор Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО, работала в Институте Макса Планка и в Гарвардском университете


Денис Бараненко
Екатерина Скорб
Физика
СЕРГЕЙ МАКАРОВ о главных достижениях в физике

В мире
Наиболее впечатляющий результат в области физики для меня ― обнаружение комнатной сверхпроводимости в относительно простом веществе на основе сероводорода. Исследование об этом было опубликовано недавно.

Конечно, пока этого удалось достичь лишь при давлении больше одного миллиона атмосфер в алмазных наковальнях, но, тем не менее, это значит, что крайне важный технологический рубеж преодолен. Этот пример войдет в учебники по физике. Далее ученым необходимо лишь работать над понижением давления.

В случае успеха массовое внедрение получат не только линии передач электрической энергии с минимальными потерями, но и аккумуляторы на циркулирующем токе, а также левитирующие высокоскоростные поезда.


Как физик-экспериментатор осмелюсь лишь судить о тех экспериментальных исследованиях, которые были проведены полностью в стенах Университета ИТМО. Хотя, безусловно, в современной экспериментальной науке довольно сложно локализовать всю цепочку исследований в одном университете.
В этом смысле крайне интересной получилась работа про рекордно компактный полупроводниковый нанолазер, работающий при комнатной температуре. Его размер по всем направлениям составил всего 310 нм, что почти вдвое меньше длины волны света, которую он излучает!
Это в том числе показывает, что у нас в университете есть технологии, которых нет больше нигде в мире. Эта работа будет развиваться: Министерство науки и высшего образования выделило один из мегагрантов в этом году под дальнейшее развитие именно этого направления.



Что сделали в ИТМО
Установка для лазерного скрабинга и процесс выжигания токопроводящих дорожек на полупрозрачных транспортных слоях для современных тонкопленочных солнечных элементов и светодиодов
Планы на 2021 год
В последние годы физики Университета ИТМО успешно формировали молодую команду исследователей как в теоретической, так и в экспериментальной областях. Прежде всего эта работа была связана с фотоникой, оптическими материалами и наноматериалами. На мой взгляд, уже можно констатировать, что такая команда создана и демонстрирует превосходное взаимодействие не только между отдельными группами или лабораториями, но и целыми мегафакультетами. Такое взаимодействие уникально. Я не встречал ничего подобного нигде в России.
В следующем году физики Университета ИТМО продолжат ориентировать свою работу в сторону сложных междисциплинарных исследований, результаты которых будут просты и понятны, а самое главное ― полезны людям вне науки.
Есть надежда на прорывные разработки в области квантовой оптики, оптических чипов, магнитно-резонансной томографии, беспроводной передачи энергии, а также в солнечной энергетике. У наших физиков уже сложилась превосходная репутация и огромный потенциал в этих направлениях.

Робототехника
СЕРГЕЙ колюбин О ГЛАВНЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ В робототехнике
Источник: https://youtu.be/x4O8pojMF0w
В мире
Во-первых, можно отметить достижение, которое на самом деле произошло в конце 2019. В сообществе разработчиков OpenAI, нацеленном на создание сильного искусственного интеллекта (AGI — artificial general intelligence) робототехническую руку научили собирать кубик Рубика и, что важно, делать это в условиях, с которыми непросто справиться и человеку.

Несмотря на кажущуюся «игрушечность», этот результат примечателен несколькими вещами. С одной стороны, это попытка приблизиться к уникальным возможностям человеческой руки в смысле сенсомоторной координации и ловкой манипуляции физическими объектами ― а это является одним из наиболее активных направлений современной робототехники.

А с другой — проект демонстрирует синергию робототехники и ИИ, когда сложные задачи планирования и управления движением находят решения благодаря методам ИИ, а сам ИИ делает шаг вперед в преодолении известного парадокса Моравека. По мнению авторитетных экспертов, без физического воплощения ИИ принципиально ограничен в возможностях своего развития.
Также интересно, что в статье, посвященной разработке и размещенной на сайте arxiv.org, в качестве первого автора указан не конкретный исследователь, а целое сообщество OpenAI. И действительно, когда решение появляется в результате работы алгоритмов ИИ, в развитие и обучение которых вложились многие участники, выделить значимость вклада каждого сродни ответу на вопрос: «Кого ты больше любишь — папу или маму?».
Второе явление не связано напрямую с научным результатом, но важно потому, что развитие современной науки немыслимо без свободного распространения знаний. Оно стало ответом робототехнического сообщества на пандемию коронавируса, по сути, положительным сдвигом, спровоцированным ковидом.
Раньше участие в крупнейших робототехнических конференциях ICRA или IROS, помимо достаточно жесткого отбора, было сопряжено с необходимостью оплаты внушительного регистрационного взноса. В 2020 году оба флагманских мероприятия прошли в онлайн-формате VOD (video-on-demand) и практически бесплатно (студенческий взнос на ICRA был $25, а IROS вовсе сделали бесплатным для всех).

И наконец, про актуальные научные результаты. Замечательным примером использования роботов по классике 3D (dull-dirty-dangerous) в этом году стал мобильный робот-химик, позволивший ученым найти новые соединения для фотокатализа в реальных лабораторных испытаниях, а не только в симуляциях. Но я заострю внимание на разработке, важной для развития технологий робототехники как таковых.

Современные роботы, во-первых, мягкие, а во-вторых, чувствительные (да-да, совсем не жесткие и холодные). Только при наличии таких качеств робот способен работать в неструктурированном окружении и тем более в тесном контакте с человеком.
Ученые из Гарварда, EPFL, Smith College и Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering разработали эластичный и одновременно точный и устойчивый к износу сенсор из нескольких слоев углеволокна, который может быть встроен в мягкие механизмы роботов, в том числе в интеллектуальные экзокостюмы и «умный» текстиль для промышленных и медицинских применений.

При толщине в 150 мкм датчик обладает высокой чувствительностью, линейностью выходных характеристик и стойкостью к действию высоких механических напряжений, температуры и влажности. Это пример того, как маленькие компоненты открывают большие перспективы.

На фоне многих событий для себя я отмечаю начало тесного сотрудничества с Центром робототехники Сбера. В первую очередь, потому, что для нас эта новая волна в исследованиях и образовании на стыке робототехники и ИИ.
Весной и осенью мы провели два отбора магистрантов-робототехников и запустили ряд интересных проектов по преодолению научно-технологических барьеров, над которыми бьются команды исследователей по всему миру: развитие семантических методов в машинном обучении, борьба с катастрофическим забыванием в дообучаемых сверточных нейронных сетях, оптимизация планировщиков траекторий, понимание контекста при построении голосовых человеко-машинных интерфейсов, генеративный дизайн «умных» механизмов антропоморфных роботов.

Что сделали в ИТМО
Робот-блинопёк, разработанный в рамках интердисциплинарного проекта сотрудниками МНЦ "Нелинейные адаптивные системы"


Мы должны достойно провести направление «Робототехника» Олимпиады «Я-Профессионал» и международные интердисциплинарные школы в рамках консорциума WeCoRD (в этом году мы хотим опробовать новые инструменты для онлайн-соревнований и обучения по робототехнике), выйти на новый уровень с претерпевшей значительную модернизацию магистерской программой «Робототехника и искусственный интеллект» и усилить вклад нашей лаборатории в закрепление ИТМО в топе Шанхайского рейтинга по категории Automation and Control.
Планы на 2021 год
Биоинформатика
Алексей сергушичев О ГЛАВНЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ В биоинформатике
CHM13 HiFi string graph (источник: genomeinformatics.github.io)
В мире
Обычно в биоинформатике сложно выделить какое-то главное научное событие за год. Основные прорывы относятся скорее к экспериментальным методам, а влияние биоинформатических методов на область в целом обычно становится ясно только через какое-то время, когда эти методы начинают использовать повсеместно.

Однако в этом году, как мне кажется, такое важное событие произошло ― это выход (почти) полной сборки генома человека. Многие думают, что геном человека уже давно известен, ведь международный проект «Геном человека» завершился давно, а сам геном был опубликован еще в 2001 году ― почти 20 лет назад.

Но до 10% последовательности генома в этих начальных версиях отсутствовали, и до сих пор версия генома, которая используется для большинства биоинформатических и биомедицинских приложений, содержит до 5% «неизвестной» последовательности.
И вот, в конце этого года, консорциум T2T (telomere-to-telomere, от теломеры до теломеры) опубликовал полную сборку человеческого генома, которой они присвоили номер версии v1.0. В этой версии наконец закрыты все «дыры» за небольшим исключением.
Сам же прорыв произошел как благодаря развитию технологий секвенирования, так и алгоритмам их анализа. Особо приятен факт, что одним из главных авторов этого исследования является Сергей Нурк ― наш друг и коллега, сотрудник Национального института здоровья США.
Безусловно, этот результат окажет большое значение как на биоинформатику и биомедицину, области, которые связаны с изучением человека, но также это открывает путь и к более качественному исследованию и других организмов ― уже сейчас формируется множество подобных проектов по полной сборке геномов других организмов.
Что сделали в ИТМО

Мне сложно выделить какой-то один прорыв. Одним из больших событий стало открытие центра Геномного разнообразия под научным руководством Стивена О’Брайена, целью которого является как раз изучение геномов разных организмов, с особым фокусом на вымирающие виды. Также стоит отметить первый выпуск магистратуры по биоинформатике и системной биологии, явно опровергающий поговорку про «первый блин комом». С третьей стороны, была победа на конкурсе MEDIC по предсказанию типа воспалительного заболевания кишечника по анализу микробиоты.

С научной точки зрения вышло несколько знаковых статей, красиво объединяющих разнообразные компетенции сотрудников лаборатории: про алгоритм, позволяющий легче и точнее строить историю популяций людей и животных, и про метод для оценки вовлеченности генов в биологические процессы.
Планы на 2021 год
Одной из основных задач на 2021 год для нас будет налаживание внутренней коммуникации. Сейчас у нас уже довольно много сотрудников, они успешно занимаются разными тематиками. Хочется добиться некоторого синергетического эффекта. Причем, это касается не только коммуникации внутри лаборатории, но и в рамках всего ИТМО.
Биотехнологии
Денис Бараненко О ГЛАВНЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ В биотехнологиях
В мире

Здесь я бы, конечно, назвал достижения в области создания вакцин от коронавируса (вируса SARS-CoV-2). За рекордно короткие сроки в этом году в условиях пандемии были разработаны и протестированы векторные вакцины и вообще впервые в истории вакцины на базе матричной РНК (мРНК вакцины). Всё это стало возможным благодаря достижениям в биотехнологии.


Стоит также отметить, что Нобелевская премия по химии в этом году была присуждена за разработку метода редактирования генома через механизм CRISPR/Cas9. В этом году метод делали более точным и применяли в разных разработках, в том числе в экспресс-тестах на коронавирус.
Наши аспиранты предложили отметить еще две разработки этого года ― биокомпозитное покрытие для скоропортящихся фруктов и строительный утеплитель из пищевых отходов. Покрытие на основе яичного белка, сухого желтка, глицерина, куркумина и нанокристаллов целлюлозы безопасно для человека, а обработанные им продукты превосходят по сроку хранения фрукты, покрытые воском или хитозаном, что позволяет сократить объемы порчи продуктов, которые на сегодняшний день составляют 30% всей плодоовощной продукции.
Утеплитель из вторичного пищевого сырья тоже решает задачу ресурсосбережения для той части сырья, которое уже не может быть задействовано в пищевой отрасли, а сам продукт отличается экологической безопасностью по сравнению с синтетическими аналогами. Задачи ресурсосбережения и устойчивого развития входят в основные приоритеты этого столетия.
Что сделали в ИТМО
Сложно выделить в качестве главного одно открытие или разработку — большинство важны и имеют значительный потенциал. Наши молодые ученые тоже разрабатывают современные высокотехнологичные экспрессные тест-системы — в этом году они создали оригинальную иммуноферментную тест-систему на глиадине для контроля качества безглютеновой продукции.

Наши аспиранты предложили отметить еще одну разработку ученых факультета — кормовую добавку для снижения развития основных групп возбудителей инфекционных заболеваний медоносной пчелы. В составе разработанных кормовых добавок используются иммуномодуляторы на основе природных β-глюканов и хитозанового комплекса, которые повышают иммунокомпетентность. У предложенного подхода не только очевидна практическая значимость для сельского хозяйства, но и большой потенциал к развитию для других видов организмов.
Планы на 2021 год

У нас в плане организовать и провести крутую международную конференцию. Уже сейчас мы активно занимаемся подготовкой, привлекли топовых зарубежных ученых, ведем переписку с большим числом потенциальных участников со всего мира, а сама конференция Food BioTech пройдет в августе 2021 года и будет новой знаковой площадкой для обмена опытом и знаниями в области биотехнологий и пищевых технологий.

В научных планах у нас много близких к реализации новаторских идей и предложений ― безопасные биоконсерванты, новые натуральные вкусоароматические добавки, ресурсосберегающие системы увеличения сроков годности продукции на основе комбинированных физических принципов, а также разработка интердисциплинарных решений с учеными других мегафакультетов ― с использованием искусственного интеллекта и достижений в области фотоники.
Инфохимия
Екатерина скорб О ГЛАВНЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ В химии
В мире

Для всего научного сообщества и нашей области в том числе 2020 принес глобальный вызов борьбы с пандемией. Важным достоинством научных лабораторий является то, что у нас есть понимание основ технологий. В частности, селективного распознавания молекул и ионов, принципы создания антимикробных материалов. Наука оказалась готова ответить на вызов: появились новые материалы, вакцина (кстати, первая в России), тест-системы, нашлись лекарства для эффективного лечения.

Хочу отметить одну из работ наших коллег из Сингапура по созданию умных материалов. Кроме того, что там были показаны их антимикробные свойства, удалось разобраться, как селективно регулировать ионные потоки через мембраны на основе полиэлектролитов и графена. Статья принята к печати в Nature Nanotechnology.

Безусловно, принципы формирования таких материалов очень важны для широкого круга применений. Думаю, что создание таких программируемых систем принесет еще не одну Нобелевскую премию.


Мембраны широко распространены в природе с первичными функциями, которые включают адаптивную фильтрацию и селективный перенос химического вещества/молекул. Будучи критически важными для клеточных функций, они также имеют фундаментальное значение во многих областях науки и техники.

Особое значение имеют адаптивные и программируемые мембраны, которые могут изменять их проницаемость или избирательность в зависимости от условий в окружающей среде.
Проницаемость мембран может быть настроена изменением рН или присутствием определенных ионов. Перспективны системы с обратными связями и откликами от взаимодействия с биологическими объектами.

Механизм регулирования умных мембран опирается на взаимодействия между внутренними компонентами мембран и ионами. В статье описано, как изготавливать мембраны с программируемой проницаемостью и селективностью.
Что сделали в ИТМО
В начале года наша работа переключилась с исследований по созданию логических ворот на основе фоторегулируемых ионных потоков на наноструктурированном диоксиде титана и химического перцептрона в инфохимии на использование наших знаний в электрохимии и аналитике, что важно для систем диагностики вирусов и антител к ним.

Например, был предложен способ селективного распознавания антител, антигенов и их комплекса при анализе формы кривых, их площади и положения пиков на кривых зависимости тока от потенциала. Этот метод перспективен для анализа широкого круга вирусов, в том числе и возбудителя COVID-19, и антител к ним с электрохимическим детектированием.

Была предложена электрохимическая сенсорная платформа (ЭСП) для определения вирусных возбудителей инфекций человека и животных. ЭСП перспективен и для анализа в биоэлементологии. В состав ЭСП входит портативный аппаратно-программный комплекс экспресс-диагностики, наноструктурированные электроды и диагностические наборы реагентов. Была проведена программа и средства обработки информации с помощью машинного обучения и анализа «больших данных».

Разработанные системы детектирования позволяют проводить анализ в условиях медицинского стационара без предъявления строгих требований к квалификации персонала. Более того, ЭСП перспективна для проведения экспресс-анализа в домашних условиях.
Планы на 2021 год
В 2021 мы продолжим работать над большими вызовами как в направлении фундаментальных исследований по самоорганизации супрамолекулярных и полиэлектролитных структур для концентрирования аналитов, создания химического перцептрона, так и в создании многоэлектродных систем диагностики.
Мы продолжим развивать проекты на междисциплинарном стыке компьютерного моделирования и анализа сложных систем химии и биологии, биотехнологии. Также мы будем работать над созданием адаптивных биоматериалов и разработкой систем диагностики, моделирования и анализа персонализированного трекинга в медицине и питании.
Над проектом работали:

Текст: Константин Крылов
Фото и видео: Маргарита Ерукова
Оформление: Екатерина Шевырёва
Редактор: Елена Меньшикова