В 1964 году Нобелевской премии по физике удостоились сразу два русских ученых ― Александр Прохоров и Николай Басов. Награду исследователям присудили «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера — лазера».

Вместе Прохоров и Басов сформулировали основные принципы квантового усиления и сконструировали первый микроволновой квантовый генератор ― мазер ― на пучке молекул аммиака. Мазер ― аббревиатура от английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (то есть усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). Чарльз Таунс, ученый из Колумбийского университета, разделивший Нобелевку с российскими исследователями, проводил аналогичные эксперименты со светом, а не с микроволнами, поэтому его разработка называется лазер ― Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Стоит отметить, что физический принцип работы этого устройства ― поглощение и испускание излучения молекулами ― еще в 1917 году объяснил Эйнштейн. Но довольно долго оно существовало лишь в теории. Басов и Прохоров смогли перевести теорию в практику. Они обнаружили, что неоднородное магнитное поле усиливает это излучение, и добились увеличения количества атомов в излучении.

Сегодня трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Но ученые продолжают искать новые способы, как их можно применить, ― и в том числе на стыке наук.

Например, исследователи ИТМО вместе с индустриальным партнером уже вывели на рынок усовершенствованные дентальные имплантаты, обработанные по лазерной технологии, а еще показали, что с помощью лазерных технологий можно создавать настоящие предметы искусства. А технология, которую разрабатывает студентка ИТМО Екатерина Авилова, позволяет создавать самые разные приборы ― от химических сенсоров до устройств для гибкой электроники и противокражных систем.

― Суть проекта, которым я занимаюсь, заключается в том, что на основе лазерного воздействия мы формируем медные рисунки на различных диэлектрических подложках. Если говорить просто, то мы берем в качестве подложек разные материалы (например, стекло, пластик или композиты), обрабатываем лазером и наносим на них специальный эвтектический растворитель. Затем подложку накрываем стеклом и выжигаем лазером любые микрорисунки — круги, линии, квадраты. Такие микрорисунки широко используются в электронике. Так как медь хорошо проводит ток, их используют, например, для создания материнских и печатных плат компьютеров и смартфонов.

Наша технология экологична. А еще она достаточно быстрая по сравнению с аналогами и дает нам широкий спектр возможностей. Например, с ее помощью можно нарисовать рисунок любой формы, причем детали мы можем менять прямо в процессе. И для этого не понадобятся выполнять дополнительные технологические шаги или повторять уже проделанные действия.

В будущем мы сможем создавать противокражные RFID-метки с уникальными сложными рисунками. Проще говоря, по их узору мы сможем точно узнать, какой магазин обокрали. А еще микрорисунки будут полезны в гибкой электронике. Представьте, что диабетики смогут узнать уровень сахара в крови, не прокалывая палец, а коснувшись экрана сенсора, который приклеен к плечу?

Также в сотрудничестве с Институтом химии СПбГУ планируем создать простые химически стойкие сенсоры для детектирования органических элементов. Они могут помочь определить содержание и примерную количественную характеристику (массу, объем, количество штук) компонентов в среде. Например, содержание того или иного белка. В некоторых случаях этот показатель помогает определить, есть ли конкретная болезнь у человека.

Больше всего я люблю современную науку за возможность ее практического применения. Считаю себя человеком достаточно приземленным, поэтому мысль работать ради великой цели сама по себе меня никогда не мотивировала. Раньше я не понимала, как можно решать фундаментальные вопросы, но в процессе работы выяснила, что в науке очень много и вполне конкретных задач ― например, появился какой-то новый интересный материал или технология, но пока не понятно, как ее можно применить в реальной жизни. Мне нравится, что в лаборатории я создаю вещи, которые будут использоваться на практике. И лазеры во многом помогли мне войти в очень практическую научную область.

В 2000 году Нобелевскую премию по физике присудили еще одному выдающемуся российскому ученому ― Жоресу Алферову. Ученый удостоился награды «за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов». За сложной формулировкой стоят открытия, которые стали основой для создания современных электронных устройств, без которых уже немыслим современный мир: мобильных телефонов, проигрывателей компакт-дисков, оптоволоконной связи и многих других.

Сегодня ученые ищут и успешно находят новые пути для развития передовой электроники. Одно из таких направлений заключается в использовании гибридных перовскитов ― полупроводников, которые еще 20 лет назад были практически никому не интересны и уж точно не рассматривались как альтернатива кремниевым элементам. Но за последние годы эти материалы смогли совершить настоящую революцию ― особенно в разработке эффективных солнечных батарей. Этим направлением занимаются в том числе в ИТМО ― в Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники. О ключевых результатах, которых удалось добиться ученым, рассказывает Александра Фурасова.

― Мои исследования связаны с солнечной энергетикой — я создаю перовскитные солнечные элементы, без которых не могут существовать солнечные батареи. Оптимизацией таких перовскитных устройств сейчас занимается весь мир, ведь на их основе можно создать легкие портативные источники энергии для чего угодно: телефона, наушников и даже умного дома.

Перовскиты, из которых мы создаем солнечные элементы, — это полупроводники, которые обладают уникальными физическими свойствами. Например, они очень тонкие: достаточно использовать всего 300-600 нанометров пленки перовскитов, чтобы получить готовый преобразователь толщиной всего один микрон. Благодаря этому мы можем создавать из такого материала тонкие солнечные элементы с разной формой изгиба и малым весом.

Александра Фурасова,
кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник физического факультета, PhD в области электроники и инженерии

Сейчас появляется большое количество беспроводной маломощной электроники: различные сенсоры на опасных предприятиях, умные замки и этикетки.
К таким маленьким устройствам сложно и неудобно подключать провода — вместо этого можно использовать солнечные элементы. Полноценное развитие интернета вещей тоже невозможно без развития беспроводных источников питания.

В школе я интересовалась химией и биологией и какое-то время хотела стать пластическим хирургом. Но однажды на День науки в школе к нам приехал фонд «Династия» — тогда они собирали со всего мира русскоязычных исследователей, которые читали лекции школьникам. Я пообщалась с одним ученым, который, узнав, что я хочу поступать в медицинский, предложил мне заняться сначала наукой — так оно и сложилось.

Я занимаюсь физикой, потому что мне нравятся естественные науки. Как бы странно это ни звучало, но в них все просто — там есть своя логика и причинно-следственная связь. А мы, взрослые, нуждаемся в логическом понимании устройства мира.

Многие помнят про Джона Маккарти, который, помимо прочего, подарил миру термин «искусственный интеллект». Но мало кто знает, что в те годы, когда Маккарти занимался своими исследованиями, и в нашей стране была создана по сути целая школа искусственного интеллекта. Один из ее представителей ― Андрей Ершов, которого по праву называют одним из пионеров теоретического и системного программирования, а также в принципе одним из первых программистов СССР.

Его работы по технологии программирования заложили основы этого научного направления в нашей стране. В частности, он впервые предложил ряд понятий, подходов и методов, которые стали классическими в теории компиляции. А книга Ершова «Программирующая программа для электронной вычислительной машины БЭСМ», изданная в 1958 году, стала одной из первых в мире монографий по автоматизации программирования. Знаменитый американский учёный, почётный профессор Стэнфордского университета Дональд Кнут считает его изобретателем идеи хеширования.

Кажется, что сегодня искусственный интеллект умеет практически всё: нейросети рисуют, пишут музыку и тексты (привет ChatGPT, Midjourney и многим другим нашумевшим новинкам). Но, что еще важнее, ИИ помогает решать и вполне прикладные задачи, которые действительно могут на порядок облегчить нашу жизнь. Алгоритмы не спят, не устают и не отвлекаются, а поэтому оказываются чрезвычайно полезными помощниками на сложных производствах. Одним из таких проектов, который помогает решать промышленные задачи с помощью автоматического машинного обучения, занимается аспирантка ИТМО Анна Литвинцева.

― Я разрабатываю модуль компьютерного зрения для фреймворка автоматического машинного обучения. В своем проекте мы проверяем, используем и улучшаем ряд интересных концепций, предложенных учеными со всего мира. Одна из таких актуальных задач ― оптимизация структуры нейронных сетей. Сейчас мы экспериментируем с сингулярным разложением матриц весов и обучением моделей в декомпозированном виде. Этот подход сочетает в себе несколько преимуществ: уменьшение объема модели, устойчивость к переобучению и повышенная интерпретируемость.

На данный момент фреймворк может решать два типа задач компьютерного зрения: классификация изображений и обнаружение объектов на изображениях. Помимо этого мы реализовали два подхода к оптимизации структуры нейронных сетей, что позволяет уменьшить их объем и использовать на менее мощных компьютерах.

Анна Литвинцева,
аспирантка первого курса факультета цифровых трансформаций

Предупреждать аварии намного дешевле, чем устранять их последствия. К тому же, остановка производства всегда приносит серьезные убытки компаниям. С помощью автоматического анализа промышленных данных можно быстрее обнаружить неисправности и износ оборудования. А это, в свою очередь, позволяет своевременно устранить неполадки, не прибегая к аварийным остановкам производства.

Также развитие автоматического машинного обучения позволит компаниям использовать сложные технологии без привлечения в штат узкоспециализированных IT сотрудников.

Мы предполагаем, что проект поможет решать различные задачи в промышленности ― в частности, например, обнаруживать дефекты поверхностей или аномалии. Это могут быть царапины, загрязнения, коррозия, сажа или масляное пятно ― всего можно насчитать более 30 типов таких дефектов. Правильная классификация позволяет быстро определить причины их возникновения и отладить технологический процесс.

Меня восхищают текущие достижения в области искусственного интеллекта: программы мастерски обыгрывают людей в сложные игры, генерируют невероятные изображения, могут написать несложную программу не хуже программиста-любителя, и это не предел возможностей ИИ. И мне бы хотелось внести свой вклад в создание сильного искусственного интеллекта.

Основы протезирования были заложены еще в древности ― первые протезы можно увидеть еще в Древнем Египте. Тогда такие устройства были примитивными и имели тканевую основу. В Средневековье люди научились создавать более сложные конструкции протезов по сравнению с примитивным ручным крюком или ногой из дерева.

Изобретателем первого механического протеза в России можно считать Ивана Кулибина ― того самого, имя которого стало нарицательным для всех талантливых инженеров. В 1791 году он разработал конструкцию «механических ног» и сделал протез для героя Очаковского сражения, артиллерийского офицера Непейцына. Конечно, создать удобный и качественный протез, похожий на человеческую ногу, пытались и до Кулибина, но русскому механику удалось сделать нечто более совершенное.

Вот какое описание протеза Кулибина приводится в журнале «Москвитянин» 1854 года: «Сделал ногу из тонкого металла, в вид натуральной; обложил ее пробочною корою, обтянул замшею, привинтил к ней плоский из крепкого дерева костыль, досягающий до пазухи, на который бы можно было опираться; приставил её вместо безобразной деревяшки, а костыль пропустил под мундир, обвязал, где следует, широкими бинтами и утвердил так крепко, что г. Непейцын мог ходить очень легко без палки, садиться и вставать, не касаясь до нее руками. Эта машинная нога сама собою в плюсне и колене сгибалась и разгибалась, согласно с движением другой ноги его натуральной. Он мог надевать шелковые чулки, башмаки и даже танцевать польский».

Сегодня, чтобы не только восстановить вид утраченной конечности, но и ее функции, применяются протезы двух видов: тяговые и бионические. Тяговые или активные протезы управляются с помощью тяг (специальных нитей) внутри. Они полностью контролируются усилиями самого человека без какой-либо электроники за счет сгибания и разгибания сохраненного сустава. Бионические протезы — роботизированы. И именно за ними будущее.

Бионические протезы разрабатывает в том числе компания «Моторика», которую основал выпускник ИТМО Илья Чех. А вот студент ИТМО Артём Меинов разработал другой протез ― реабилитационный. Его функция ― не заменить людям утраченную конечность, а дополнить занятия с врачом и помочь им восстановить мышечную активность при ДЦП и после инсульта.

― Я разрабатываю протез-тренажер для людей с двигательными расстройствами — например, полученными в результате инсульта или последствий детского церебрального паралича. Тренажер предназначен для того, чтобы развивать подвижность суставов и бороться с мышечной дистрофией. Он может использоваться в комплексе физиотерапии под наблюдением врача-реабилитолога или самостоятельно. Протез надевается на руку, а встроенный сервомотор приводит механизм в движение — сгибает руку в локтевом суставе с заданной скоростью до достижения заданного угла. Причем все параметры врач может настраивать индивидуально под каждого пациента.

Артём Меинов,
аспирант третьего курса факультета программной инженерии и компьютерной техники ИТМО

Несмотря на то, что подобные протезы уже производят несколько иностранных компаний, у них есть ряд недостатков. Во-первых, не все они доступны в России. Во-вторых, у них очень высокая цена. В-третьих, как правило, они громоздкие, неудобные и обычно стационарные. Разработанный мной прибор, наоборот, компактный и удобен в том числе для личного пользования — при этом человек может самостоятельно настраивать основные параметры: время и скорость упражнения, максимальный уровень разгибания. Плюс ко всему он задействует только руку, а не все тело, и поэтому более эффективен.

Сейчас разработана уже третья версия тренажера, параллельно я занимаюсь аналогичным прибором для запястья и пальцев рук. В будущем его также можно будет адаптировать под мышцы и суставы ног. Пока что я экспериментирую с компонентами и материалами — в том числе чтобы снизить стоимость и повысить эффективность прибора. Так что о выходе на массовое производство еще говорить рановато. Но я уже показывал его на нескольких конференциях, и несколько компаний уже выразили интерес к разработке. В будущем я хотел бы зарегистрировать тренажер не только как инструмент реабилитации, но и как медицинское устройство — чтобы при производстве лучше контролировалось его качество (например, чтобы использовались строго гипоаллергенные материалы).

Я занимаюсь наукой, так как хочу видеть результат — не только теоретический, но и практический, видеть, как разработки реально улучшают качество жизни. Я сам живу с ДЦП и хорошо понимаю потребности людей с ограниченными двигательными возможностями. И создаю свой проект, чтобы он был полезен людям и помогал им преодолевать трудности. А если говорить о примерах, то самый яркий для меня ― Стивен Хокинг, он всегда вдохновлял меня на действие.

Рак сегодня ― одна из самых распространенных причин смерти в мире. Только в 2020 году онкологические заболевания, по данным ООН, унесли жизни почти 10 млн человек, или почти каждого шестого умершего на Земле. Ученые уже давно пытаются опередить точные причины развития рака и главное ― найти эффективные способы его лечения. Значительный вклад в эту область внесли и российские исследователи. Например, выдающиеся хирурги Петр Герцен и Николай Блохин, а также Илья Мечников, Николай Гамалея и Лев Зильбер, которые большое внимание уделяли развитию экспериментальной онкологии и вирусной концепции опухоли.

А еще раньше в результате исследований ученым удалось привить клетки опухоли животным и протестировать различные подходы к лечению. Например, ветеринар Мстислав Новинский еще в 19 веке первым в мире осуществил серию прививок злокачественных опухолей от собак к щенкам и выявил опухолевый штамм (вирус, вызывающий злокачественные образования), заложив тем самым основы мировой экспериментальной онкологии.

— Мы работаем на генетическом уровне и хотим решить проблему некоторых существующих технологий генной терапии. Сегодня такие технологии используются для снижения активности нежелательных генов в клетках. Однако в онкотерапии в качестве мишени ученые стараются выбирать только те гены, которые тесно связаны с развитием заболевания, чтобы прицельно разрушать именно клетки опухоли. Но есть проблема: чаще всего такие гены уже поломаны и неконтролируемо умножаются в клетках в больших количествах. Чтобы управлять такими генами, требуются огромные ресурсы.

Наша цель — предложить миру такое решение в генной терапии рака, с помощью которого можно воздействовать на любые гены. Причем эти гены должны быть активны в любой клетке организма и ответственны за ее нормальное функционирование. Если эти гены выключить, клетка погибнет. Такой подход позволит снизить лекарственную нагрузку на пациента и минимальными ресурсами привести раковые клетки к гибели.

Однако такие гены непременно будут повреждаться и в нормальных клетках. Чтобы минимизировать риски для здоровых тканей, мы разрабатываем технологию ДНК-наноробота. Он самостоятельно активирует терапию в ответ на распознавание биомаркеров рака — тех самых поломанных генов с мутациями. Таким образом, на здоровые клетки процесс распространяться не будет, а в поврежденных, где есть биомаркеры рака, терапия подействует.

Медленными, но уверенными шагами мы уже подходим к положительным результатам в тестировании технологии на раковых клеточных линиях. Проекту уже около пяти лет, я участвую в нем последние полтора года. Совместными усилиями нашей команды нам удалось значительно приблизить подтверждение нашей гипотезы на клеточном уровне.

В будущем наш проект позволит персонифицировать лечение рака. Можно будет взять клетки конкретного пациента и оценить их генетический профиль, характерные мутации и восприимчивость к лечению. А затем сделать для пациента его личного ДНК-наноробота. Технология будет эффективно работать для конкретного пациента на генетическом уровне, устраняя генетически измененные клетки без вреда для нормальных.

Валерия Дрозд и Ахмед Эльдиб,
руководитель фронтирной лаборатории «Передовые технологии на основе нуклеиновых кислот в генной терапии рака».

С детства я занималась творчеством, у меня было много увлечений. Но в старших классах, непосредственно перед поступлением в университет, я стала интересоваться, как устроен человеческий организм. Мне хотелось больше узнать, как мы можем влиять на состояние своего здоровья, какие законы нельзя нарушать, какие привычки помогут чувствовать себя максимально хорошо. В интернете на этот счет всегда было много противоречивой информации. В итоге я решила пойти на биологический факультет и разобраться во всем сама. И в итоге ни разу не пожалела, что связала свою жизнь с биологией.

Эта наука дает особое мировоззрение, она помогает составить целостный и системный взгляд, раскрыть глубокие взаимосвязи того, что происходит в мире. А еще, в конце концов, моим счастливым откровением стало то, что наука по своей сути ― и есть творчество и мне не придется жертвовать моими стремлениями и искать вечный баланс между работой и хобби. Мне удалось привнести мои творческие способности в научную деятельность и заниматься тем, что нравится.

В истории медицины можно насчитать тысячи попыток пересадки органов и тканей. Упоминания об этом встречаются еще в античности. Но сама возможность трансплантации органов с сохранением кровоснабжения была доказана гораздо позже ― это сделал французский хирург Алексис Каррель, получивший в 1912 году за разработку метода сосудистого шва Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. Одним из основоположников мировой трансплантологии по праву считается и выдающийся российский ученый Владимир Демихов.

В 1960 году вышла книга Демихова «Пересадка жизненно важных органов в эксперименте», которая стала первой в мире монографией по трансплантологии. А вот отцом трансплантологии его назвал другой ученый ― Кристиан Барнард, который выполнил первую в мире операцию по пересадке сердца от человека человеку.

Сегодня в мире проводят десятки тысяч трансплантаций органов в год. В то же время тысячи пациентов так и не могут дождаться донорских органов. Их не хватает, поэтому большие надежды ученые по всему миру возлагают на биопринтинг. 3D-биопринтеры уже широко используются для протезирования. Например, в Испании с помощью новых технологий пациенту с саркомой заменили всю поврежденную грудную клетку. Занимаются биопринтингом и ученые ИТМО. Каких результатов уже удалось достичь в этом направлении, рассказывает Виктория Егорова.

― Мой проект посвящен созданию гидрогелевого импланта для регенерации дефектов гиалинового хряща. Такие повреждения возникают из-за травм, лишнего веса и других причин. Для замещения этих дефектов мы печатаем импланты с помощью 3D-биопринтера — он позволяет создавать особые структуры, которые можно использовать в различных областях медицины и тканевой инженерии ― например, для регенерации и пересадки костей, кожи, сосудов и других тканей и органов.

Виктория Егорова,
магистрантка химико-биологического кластера, инженер-исследователь

Для печати имплантов мы используем биочернила, которые состоят из стандартизированной культуры клеток человека, смешанной смешанной с гелем, который имитирует внеклеточный матрикс (естественное окружение клеток). Наш подход к созданию имплантов позволяет автоматизировать процесс (а значит, сделать производство имплантов массовым), обеспечивает стерильность, а также открывает путь к персонализированной медицине — мы можем менять механические свойства импланта и адаптировать его структуру под конкретного пациента.

Исследование проводится в коллаборации с НМИЦ травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена. Научным руководителем проекта выступает заведующая лабораторией прикладных материалов для энергетики доктор химических наук Елена Кривошапкина.

― Сегодня в лаборатории 3D-печати функциональных наноматериалов ИТМО мы уже научились получать материал с оптимальными свойствами и напечатали импланты, в которых выживают клетки. Дальше мы планируем проводить эксперименты на кроликах по вживлению напечатанного импланта в заранее смоделированный дефект гиалинового хряща.

В будущем такие импланты можно будет широко использовать для восстановления поврежденной суставной поверхности у людей. Если смотреть шире, то в перспективе технология биопечати может помочь решить проблему нехватки органов и тканей для трансплантации — предполагается, что в будущем на биопринтере можно будет напечатать даже сердце, почки и печень.

Я выбрала направление 3D-биопечати, потому что мне интересно работать со сложными живыми объектами (эукариотическими клетками), а также сочетать вещи, симбиоз которых, на первый взгляд, представить сложно — согласитесь, сама идея, что мы можем объединить трехмерную печать и живые клетки, звучит довольно необычно. А еще очень мотивирует, что в результате нашей работы мы можем получать воспроизводимую и перспективную технологию.

Заниматься наукой меня с детства вдохновляла Мария Кюри — первая женщина-лауреат Нобелевской премии по физике и химии. Я брала с нее пример еще в бакалавриате, когда только начинала заниматься наукой. Также я восхищаюсь Николаем Вавиловым — советским ученым-генетиком, добившимся выдающихся успехов в ботанике. Вопреки обвинениям, арестам, запретам на выезд из страны на научные конгрессы, Вавилов продолжал заниматься наукой и уже после смерти доказал миру важность систематизации знаний о генетике.