Александр Родин, исполнительный директор НТЦ мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ
Безусловный прорыв 2023 года — это массовый запуск производства высокоманевренных FPV-дронов — компактных, дешевых беспилотных летательных аппаратов. Важно, что это производство запущено не каким-нибудь высокотехнологичным предприятием военно-промышленного комплекса, а студенческими стартапами и волонтерскими командами, которые буквально «в гараже» создали технологию, перевернувшую современную картину ведения боевых действий. Значимый вклад в этот прорыв внесла «дочка» Физтеха — Центр комплексных беспилотных решений.
Следующий этап: найдем широкое применение беспилотникам и в гражданской сфере, что мы осуществляем, в частности, в задаче оперативной ледовой разведки. В этом году МФТИ совместно с ГК «Росатом» осуществил первый запуск среднего БПЛА с вертолетной площадки дрейфующего атомного ледокола «Таймыр» за 70-й параллелью северной широты. В начале следующего года мы планируем приступить к финальным испытаниям и затем выйти на полноценную штатную эксплуатацию комплекса на Северном морском пути. Главная задача беспилотника в данном проекте — получение радиолокационных и оптических изображений морской поверхности, в том числе ледяных образований.
В космической отрасли можно отметить новые снимки космического телескопа James Webb и удачно стартовавшие серьезные миссии. Индийская миссия «Чандраян-3» достигла поверхности Луны и планирует провести анализ реголита и определить содержание водяного льда и летучих компонентов нашего спутника. К Юпитеру направилась миссия Европейского космического агентства Juice с целью исследования атмосферы и спутников планеты.
Пожалуй, упомяну самый крупный космический телескоп с самым большим сегментированным зеркалом, James Webb, — это полноценная орбитальная обсерватория, расположенная в точке либрации на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Это позволяет ему наблюдать ранее недоступные объекты Вселенной. Ожидается, что телескопу будет под силу обнаружить и свет первых звезд и галактик.
James Webb был запущен в декабре 2021 года, и в 2023 году были получены уникальные снимки сверхновой звезды. Это открытие позволит наконец решить старый вопрос расхождения между двумя способами определения скорости расширения Вселенной. Также телескопу удалось сделать четкие снимки Урана и его спутников, ярко «осветив» даже весьма тусклые кольца. По заявлению команды миссии, исключительная чувствительность телескопа позволила запечатлеть неуловимое ранее чрезвычайно слабое кольцо дзета, ближайшего к планете.
Также заслуживает внимание открытие, которое имеет не просто научное значение, но и вносит вклад в философское представление о нашем происхождении. До сих пор считалось, что элементы тяжелее железа в обычных процессах термоядерного синтеза в звездах «не варятся». Считается, что основой нуклеосинтеза является углеродный цикл, который нам хорошо известен еще с середины прошлого века, он заканчивается железом, а более тяжелые элементы синтезируются только во взрывах сверхновых звезд. Это достаточно редкие события даже по астрономическим меркам. Именно поэтому считалось, что солнечная система несёт в себе остатки вещества от взрыва сверхновой, и эта гипотеза довольно долго обсуждалась и считалась безальтернативной. Но в этом году американским ученым удалось доказать, что в недрах старых звезд могут синтезироваться и тяжелые элементы. Это снимает очередную завесу с тайны нашего происхождения.
Иван Шуклов, ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой фотосенсорики МФТИ
В области фотоники, на стыке химии и физики, в текущем году можно выделить многообещающие разработки на основе квантовых точек — полупроводниковых нанометровых частиц, оптические свойства которых подчиняются законам квантовой механики. Их преимущество — яркость и высокая фотостабильность, изменение спектральных свойств в зависимости от размера. Они более эффективны и долговечны, чем классические флуоресцентные красители.
Впервые квантовые точки были описаны Алексеем Екимовым еще в 1981 году. Это были нанокристаллы хлорида меди в стеклянной матрице размерами от 5 до 30 нанометров. Но только в последние годы квантовые точки стали успешно использовать на производстве — в современных дисплеях, телевизорах и светодиодах.
В этом году технология нашла свое успешное применение в SWIR-сенсорах (SWIR — short wave infrared), использующих коллоидные квантовые точки для значительного расширения возможностей визуализации в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Эти датчики могут устанавливаться на множестве товаров: в видеокамерах, транспортных средствах, аппаратах для контроля качества пищевых продуктов.
В чем их преимущества? SWIR-фотоны меньше рассеиваются пылью или туманом, что позволяет камерам легче обнаруживать объекты в плохих погодных условиях, обеспечивать лучшие снимки. Также высокие перспективы открывает их применение в области контроля качества продуктов. С помощью камеры мы можем проверить зрелость урожая, действуя наподобие тепловизора, что позволяет определить вариации температуры и содержание влаги.
Таким образом, благодаря применению коллоидных квантовых точек в сенсорах уже сейчас возможно удешевить SWIR-камеры без серьезного пересмотра технологии. Осталось лишь значительно оптимизировать их стоимость, но это дело времени. Эти разработки вполне сравнимы с заменой дорогих и недоступных в 70–80-е годы радиотелефонов на сотовые в 90-е годы. Технически это примерно такая же связь, но удобство применения и удешевление производства позволили сделать их общедоступными.
Более того, в этом году столь успешные результаты были оценены Нобелевской премией в области химии. Премия были присуждена за открытие и синтез квантовых точек американским разработчикам Мунги Бавенди, Луису Брусу и Алексею Екимову. Именно это открытие посчитали «фундаментальным в сфере нанотехнологий»: установление эффекта и его объяснение, разработка и описание метода получения этого материала позволили запустить его в массовое производство.
Глеб Федоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ
Это год был успешен для развития квантовых систем. Были проведены первые эксперименты, демонстрирующие успешное масштабирование кубитных систем с квантовой коррекцией ошибок. Это очень важная веха для нашей области, так как реализация универсальных квантовых компьютеров без системы исправления ошибок невозможна из-за чрезвычайно высокой чувствительности квантовых систем к шумам. Ученые впервые на нескольких платформах экспериментально продемонстрировали, что увеличение числа физических кубитов в составе логического действительно улучшает его стабильность.
Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ
Чуть более двадцати лет назад рынок двумерных материалов имел просто взрывной старт. Графен, впервые полученный Андреем Геймом и Константином Новоселовым (оба они выпускники МФТИ, напомню), открыл фактически новую отрасль с огромным потенциалом наномира. Используя ван-дер-ваальсовы материалы, комбинируя их, мы создаем совершенно новые, которых ранее не существовало в природе, добиваясь лучших свойств на уровне взаимодействия нанослоев.
Но в этом году я бы скорее выделил наномагнитную оптику, где были зафиксированы резонансные разработки, связанные с магнитными свойствами материалов. Так, значимого открытия добились наши коллеги, впервые создав устройство на основе 2D-магнитного материала при комнатной температуре. До этого двумерные магниты работали только при чрезвычайно низких температурах в лабораторных условиях, что делало невозможным их применение в широком производстве. Эта разработка с большим потенциалом дает возможность использовать 2D-магниты для создания сверхкомпактных и быстрых устройств памяти, а также для производства высокочувствительных магнитных датчиков в области медицины, экологического мониторинга, навигации и в других отраслях.
Игорь Пивоваров, главный аналитик Исследовательского центра прикладных систем искусственного интеллекта МФТИ
В текущем году технологии искусственного интеллекта стали настоящими Superstar, было много интересного, скандального, позитивного и даже таинственного. Обсуждение технологий, угроз и возможностей вышло не только на первые полосы ведущих СМИ, но и в социальные сети — оживленные дебаты вели непосредственно пользователи. Этому способствовало внедрение очень успешных разработок, что вывело искусственный интеллект на новый уровень и рекордный охват. Одной из новых звезд года стали мультимодальные модели — вначале Chat GPT4V от OpenAI и позже Gemini от Google. Их отличие — способность воспринимать не только текст, но и картинки, видео. Таким образом, их возможности существенно расширились, но при этом сохранился простой и удобный интерфейс. Это, безусловно, следующий шаг в ИИ, приближающий модели к возможностям человека.
Усиление логических возможностей моделей ИИ является новым уровнем моделирования способностей человеческого мозга и следующим большим шагом к настоящему Сильному ИИ. Первый удачный опыт показал DeepMind по FunSearch с работой, опубликованной в журнале Nature. В этой модели был добавлен специальный поиск оптимальной функции для решения заданной математической задачи, благодаря чему модель ИИ впервые в истории решила математическую задачу, ранее не решенную человеком. Похоже, что и скандальное увольнение Сэма Альтмана из OpenAI связано с новыми продвижениями в разработке таких моделей. Речь идет о неопубликованной новой модели Q*, в которой к LLM добавлено обучение с подкреплением, которое обычно применяют для ИИ в компьютерных играх. Для успешной игры система запоминает оптимальную траекторию ходов, а поверх этого разработчики добавили еще один полезный алгоритм для поиска кратчайших путей. В итоге этих полезных обновлений модель стала демонстрировать недоступную ранее логическую связность рассуждений. Но эта информация осталась на уровне слухов, ждем публикаций.
Стоит отметить, что этот год не только стал для нашей области годом крупных побед, но и обострил обсуждения рисков у пользователей и ведущих игроков. Было написано открытое письмо с призывом о моратории на шесть месяцев на разработку больших моделей ИИ. Однако крупнейшие компании-разработчики не присоединились к этому письму, и мораторий не был принят. Позже на свет появились целых две ассоциации больших компаний-разработчиков ИИ, одну из которых создали Google и OpenAI, а другую — Meta и IBM. Обе ассоциации говорят о необходимости саморегулирования, но у них разный подход. А регуляторы основных стран (США, Китай и Европа) выпустили первые акты о регулировании ИИ, причем в Европе, как обычно, регулирование сильно строже. Но это можно понять: столь мощное развитие технологий, способных изменить основы основ нашего общества, ожидаемо вызывает опасения регуляторов. Но похоже, что индустрия ИИ сама справится с саморегулированием лучше и быстрее, чем государства.
Сергей Леонов, заместитель заведующего лабораторией персонализированной химиолучевой терапии МФТИ
В 2023 году на рынке фармацевтики появились весьма перспективные лекарства от трех очень важных социально-значимых заболеваний: диабета второго типа, диабета первого типа и болезни Альцгеймера. К сожалению, пока эти весьма распространенные заболевания полностью излечить не представляется возможным, но эти препараты облегчают течение болезни, а в ряде случаев имеют другие положительные эффекты.
Препарат от диабета второго типа можно назвать настоящим блокбастером рынка фармацевтики. Именно это лекарство стали активно использовать для снижения веса. В препарате используется семаглутид, который стимулируют секрецию инсулина и снижает уровень глюкозы в крови, а заодно способствует значительному снижению массы жировой ткани.
Стимулирование снижения веса редко обходится без последствий, а семаглутид позволяет бороться и с диабетом второго типа, и с ожирением с наименьшими побочными явлениями, являясь препаратом двойного назначения. Стоит отметить, что диабет второго типа — очень распространенное последствие перенесенной инфекции COVID-19. Во время этой болезни наступает очень серьезный метаболический дисбаланс, что способствует развитию различных, в том числе и скрытых, не обнаруженных ранее заболеваний. У людей с диабетом в целом коронавирусная инфекция протекает намного тяжелее. В случае предрасположенности к диабету перенесенная вирусная инфекция значительно повышает вероятность его возникновения, так как происходит дисбаланс между выработкой инсулина и уровнем сахара в крови. Таким образом, диабет второго типа стал одной из основных проблем современности.
Также в 2023 году был представлен уникальный лекарственный препарат Tzield, который способен изменить течение диабета первого типа, замедлить или отсрочить его начало. Значение этого лекарства подчеркивает и тот факт, что раньше, кроме инсулина, при диабете первого типа ничего не использовали. Новый препарат представляет собой гуманизированное, то есть человеческое моноклональное антитело, которое связывается с CD3-рецепторами на T-клетках. Его создала компания Provention Bio, они получили одобрение FDA, и этому препарату предрекают очень большой успех на рынке. В первичных клинических исследованиях он был очень эффективен, но насколько это серьезно и есть ли у него какие-то скрытые побочные явления, покажет только время клинической практики. Сейчас Tzield — номер один на рынке терапии диабета первого типа.
Третий, весьма ожидаемый на рынке препарат — это новое антитело для борьбы с болезнью Альцгеймера, которое выпустила компания Biogen. Антитело дает команду организму уменьшить накопление в мозгу амилоидных бляшек, которые и оказывают негативное влияние на когнитивные способности пациентов. В ходе испытаний это лекарство дало гораздо большее число пациентов, у которых наблюдалось замедление развития когнитивных нарушений во время протекания болезни. Если раньше речь шла о 10–15 %, и статистически это было на пороге достоверности, то сейчас новый препарат дает уверенные 27%, и это очень хороший показатель. Препарат прошел последнюю, третью фазу клинических испытаний, и ожидается его выход на рынок в июле 2024 года с предполагаемым доходом около 12, 910 миллиардов долларов в год к 2028 году.
И последнее, не менее важное: на фармрынок вышла первая в мире вакцина для насекомых от компании Dalan Animal Health! Речь идет о вакцине против очень распространенной болезни пчел — американского гнильца (American foulbrood disease). Это инфекционная болезнь пчелиного расплода, вызываемая спорообразующей Paenibacillus larvae larvae. Это заболевание проявляется в основном летом, но бывает, что и весной. Название полностью оправданное: больные личинки погибают в запечатанных ячейках сотов и превращаются в гнилостную массу. Вакцина не вводится инъекционно, а смешивается со сладким кормом для пчелиной матки, и защитные элементы вакцины переносятся в ее яйцеклетки. Таким образом, вакцина обеспечивает защиту улья, поскольку яйца вакцинированной матки превращаются в личинок, которые от природы уже приспособлены для борьбы с бактериями гнильца, вызывающими эту заразную и часто смертельную болезнь. Учитывая, что пчелы опыляют большую часть сельскохозяйственных культур и что это заболевание часто поражает до 25% всех ульев на пасеках, широкое внедрение вакцины может способствовать как общему оздоровлению сельского хозяйства, так и повышению устойчивости методов пчеловодства.
Денис Кузьмин, директор Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ
Основным драйвером развития медицинской отрасли в уходящем году являлась биотехнология. Об этом свидетельствуют весьма объективные показатели: высокая публикационная активность, а также существенный рост объема государственного и коммерческого финансирования исследований в данной области.
Одним из ключевых технологических прорывов последних лет стали разработка и внедрение в клиническую практику мРНК-вакцин. В отличие от классических вакцин, представляющих собой ослабленный возбудитель или его белок, мРНК-вакцины не содержат никаких фрагментов патогена. Они предоставляют человеческим клеткам «шаблон» для самостоятельного синтеза белков возбудителя, что позволяет иммунной системе быстрее и эффективнее выработать ответ на угрозу. За разработку мРНК-вакцин в 2023 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Также можно выделить один из самых современных методов персонализированной онкотерапии на основе CAR T-клеток. Из крови пациента выделяют его собственные иммунные клетки — T-лимфоциты, которые затем совершенствуют методами геномного редактирования для синтеза белка CAR, что позволяет этим лимфоцитам эффективно распознавать и уничтожать опухолевые клетки. Затем полученные CAR T-лимфоциты многократно размножают и вводят обратно пациенту в качестве терапевтического агента. Данный метод поможет полностью избежать применения токсичной химиотерапии и победить опухоль силами собственной иммунной системы пациента. Стоит отметить, что эта технология уже сегодня позволила достичь значительных результатов в лечении лейкемии.
Виктор Иванов, директор Института квантовых технологий МФТИ
В текущем году мы получили и представили реальные результаты по программе развития научного приборостроения, запущенной в 2022 году в целях обеспечения технологического суверенитета отечественной сферы исследований и разработок. Наша команда ИКТ выполнила и сдала работы по второму этапу проектов создания четырех приборов. Их назначение: прототипирование элементов микроэлектроники и фотоники, анализ состава веществ и материалов.
В первую очередь это машины для прототипирования: литограф на основе двухфотонной фотополимеризации и принтер для 3D-печати микроструктур в микроэлектронике и фотонике. Третий прибор — масс-спектрометр высокого разрешения для анализа газовых смесей с ловушкой Кингдона — высокочувствительный прибор, который позволяет видеть очень малые концентрации веществ. И в четвертую очередь — рамановские спектрометры ИК-диапазона с длинами волн возбуждающего лазерного излучения 785 и 1064 нм, что позволяет получать рамановские спектры органических и биоорганических веществ и идентифицировать их состав, поскольку в этом диапазоне возбуждения паразитный эффект люминесценции незначителен. Это одна из распространенных проблем спектроскопии комбинационного рассеяния — при возбуждении коротковолновым лазерным излучением, например в диапазоне длин волн 400–600 нанометров, кроме спектров комбинационного рассеяния, возникает и сильная люминесценция изучаемого объекта, в результате чего полезный сигнал тонет в сигнале люминесценции. При переходе к длинноволновому возбуждающему лазеру с длиной волны порядка 1 микрон этот эффект исключается.
Первый опытной образец такого эксклюзивного прибора был создан в этом году, подготовлена конструкторская документация для будущего производства. В 2024 году будут созданы еще четыре опытных образца вышеуказанных приборов. Эти опытные образцы являются прототипами для производства, дальше нам предстоит сдача государственной комиссии и передача приборов непосредственно на производство. В этом направлении мы уверенно движемся.
Кроме того, благодаря эффективности научной команды МФТИ нам поручают разрабатывать еще два прибора. Один из них — терагерцовый источник на основе квантово-каскадных лазеров. Это очень востребованный и популярный в спектроскопии и визуализации объектов прибор терагерцового диапазона. Многие потребители также ждут еще один прибор — мультифункциональный фемтосекундный спектрометр, предназначенный для биоимиджинга, 2D-, 3D-спектрально-химического картирования сложных по структуре природных и искусственных объектов методами линейной и нелинейно-оптической спектроскопии, с очень коротким временем возбуждения объектов в фемтосекундном диапазоне. За столь короткое время возбуждения световая волна проходит от десятков до сотен микрон. Это очень маленькие размеры, а такой метод позволяет видеть спектральные характеристики локальных объектов и раскрывать их спектр не только во времени, но и в пространстве. Это очень интересный метод, который особенно информативен в таких актуальных направлениях, как исследования биологических и медицинских объектов.
Важно отметить, что мы создаем отечественные образцы оборудования, беря за основу лучшие мировые аналоги, в чем-то их усовершенствуя, согласно новейшим разработкам. Но также есть исключительно наши уникальные приборы, в которых мы не импортозамещаем, а импортоопережаем, и сейчас такими приборами в определенной степени являются наш новый масс-спектрометр и принтер плазмонных наноструктур. Таких машин в продаже на мировом рынке нет, их никто еще не разработал, и здесь мы первые.
Наталья Завьялова, заведующая лабораторией моделирования механических систем и процессов МФТИ
2023 год был продуктивен для космической отрасли.
Илон Маск дважды запускал сверхтяжелый корабль StarShip, который может вывести 150 тонн полезного груза на орбиту. Оба запуска имели лишь частичный успех: удачно стартовали, но через несколько десятков секунд корабль взрывался. В случае полного успеха этого проекта межпланетные перелеты и спутниковые технологии станут значительно более доступными.
В уходящем году в России поставлен рекорд — еще в феврале ГК Роскосмос отчитался, что было произведено 100 удачных запусков подряд, и дальше в течение года запуски были также только успешными.
Постепенно начинают «просыпаться» и реализовываться новые направления. После долгого перерыва запустили радиолокационный спутник Кондор-ФКА и доставили радиолокатор для малого аппарата на отработку на МКС. А еще после определенного перерыва был проведен запуск миссии на Луну, корабль успешно достиг орбиты естественного спутника — правда, потом, к сожалению, связь была утеряна.
Президент России одобрил проект Российской орбитальной станции, и в следующем году начнутся работы по наполнению направления проектами и экспериментами.
Для МФТИ этот год также стал значимым — университет встал во главе консорциума вузов, который совместно с соисполнителями будет осуществлять разработку перспективных технологий в рамках Дорожной карты «Перспективные космические системы и сервисы». В июне прошедшего года к нам приезжал глава Роскосмоса Юрий Борисов, ознакомился с нашими результатами и высоко их оценил.
МФТИ успешно выполнил основополагающую НИР по направлению создания системы космического мониторинга «Млечный путь» в кооперации с АО ЦНИИмаш и представил макет моделирующего стенда. Да и вообще мы выполнили за год множество значимых проектов. А впереди — не менее большая и интересная работа!
