«Сейчас время искусственного интеллекта и нейротехнологий»

Александр Петров — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ и Института искусственного интеллекта МГУ, а также координатор центра коллективного пользования технологии и инжиниринга, на базе которого создан центр фотоники и аддитивных технологий МГУ. Центр занимается прикладными высокотехнологичными разработками на пересечении фотоники, аддитивных технологий, материаловедения и искусственного интеллекта. 

— Александр, расскажите о центре фотоники и аддитивных технологий МГУ. 

— Исходно центр создавался под аддитивные технологии, и мы много занимались 3D-печатью. У нас была большая совместная разработка с ОК «Русал». Мы разрабатывали для них порошки новых сплавов, подбирали режимы печати, все это тестировали, проводили испытания, разрывные, металлографические и так далее. В результате довольно плотно сработались с представителями химического факультета и факультета наук о материалах, потому как у них была большая материаловедческая экспертиза. По итогам было решено продолжить совместные разработки, и был сформирован центр.
Сегодня в МГУ реализуется большой междисциплинарный проект «Фундаментальные и прикладные нейротехнологии». В него вовлечены самые разные факультеты: инженерная компетенция сосредоточена на физическом факультете, материаловедческая — на химическом и факультете наук о материалах, биологическая — в Научно-исследовательском институте имени Белозерского. А в Институте искусственного интеллекта в рамках этого проекта ведется разработка инвазивных нейроинтерфейсов, в которой мы приняли участие наравне с механико-математическим факультетом, НИИФХБ, а также специалистами в области искусственного интеллекта, которые отвечают за алгоритмы обработки сигналов…

— Сигналов чего?

— Сигналов, которые мы снимаем при помощи нейроинтерфейсов с нервной системы. Под нейроинтерфейсами в данном контексте я понимаю в первую очередь электродную часть, которая накладывается либо на периферийную нервную систему, либо вводится в центральную. Для самых разных целей. Это и лечение различных нейродегенеративных болезней по типу Паркинсона, болевых синдромов, которые медикаментозно не лечатся, эпилепсий и прочего.

— То есть с помощью какого-то электрического воздействия?

— Да, это и электроды, которые имплантируют напрямую в мозг для гашения спонтанной активности, и электроды для очувствления протезов, например. Последние — это электроды для периферийной нервной системы. Они позволяют с датчиков искусственной руки принимать сигналы и передавать их через периферийную систему далее в мозг, для того чтобы можно было ощущать искусственной рукой свойства предметов мягкое — твердое или горячее — холодное. Это дает дополнительное измерение владения протезом. 

У нас в центре реализован широкий набор технологий и имеется необходимое оборудование для решения технических задач, для прототипирования и инжиниринга: это и литография, и напыление, и нанесение тонких пленок методом спин-коутинга, и лазерная абляция.

— Это что такое?

— Лазерная абляция — это взаимодействие лазерного излучения с веществом, которое приводит к испарению материала. Используется эффект для структурирования поверхности лазерным лучом.

 — То есть рисунок рисуется лучом?

— Да. Потом идет травление, и мы удаляем все лишнее. В результате получаются пленочные электроды. Этот электрод как раз устанавливается в контакте с нервной системой: либо обматывает нерв, либо выстилается на поверхность мозга.

— Это после какой-то операции?

— Конечно.

 — Я думал, что прямо прикладывается к черепу, такие бывают тоже…

— То, о чем вы говорите, это для ЭЭГ, а у нас именно инвазивный нейроинтерфейс. Бывают неинвазивные, выполненные в форме шапочки или провода вокруг головы, которые сквозь кости, кожу, сквозь соединительные ткани улавливают сигналы. У нас именно непосредственный контакт с нервной тканью. 

 — Это считывание или стимуляция?

— Это может быть и то, и другое. Нам интересно и картирование нервной деятельности, и непосредственное воздействие на нее. Форм-фактора электродов зависит от задачи.

 

— Лазерная абляция, о которой вы рассказали, чем-то напоминает фотолитографию, применяемую при изготовлении, например, процессоров… 

— Конечно. Сам процесс литографии используется в очень разных технологиях. Например, для маскирования подложки фотополимером, как в микроэлектронных процессах. Есть микростереолитография — 3D-микропечать методом послойной фотополимеризации светочувствительных смол. Есть лазерная интерференционная литография, когда на поверхности материала создаются периодические интерференционные картины для модуляции рельефа. Есть технология 3D-печати, которая называется двухфотонной лазерной литографией. Это фотополимеризация в фокальной области за счет нелинейного эффекта двухфотонного поглощения. То есть сам лазер светит на инфракрасной длине волны, а полимеризация происходит на удвоенной частоте, то есть в ультрафиолете. Этот метод даже позволяет печатать сквозь напечатанный фоторезист, что позволяет изготавливать изделия самой сложной геометрии. В частности, в рамках совместной работы центра фотоники и аддитивных технологий и БФУ имени Канта мы печатали рентгеновскую преломляющую оптику — массивы микролинз. Тема очень красивая, так как позволяет изготавливать при помощи 3D-печати микроразмерные трансфокаторы в формате lab-on-chip для синхротронов третьего поколения на замену массивных бериллиевых. Подобные трансфокаторы мы характеризовали на источнике ESRF в Гренобле и DESY в Гамбурге.

 — Но сейчас главное направление вашей работы — это разработка и изготовление вот этих нейроконтактов? Или более широкая задача?

— Задача, конечно, более широкая. Всем проектом «Фундаментальные и прикладные нейротехнологии» руководит Михаил Альбертович Лебедев, ученый с мировым именем, который в том числе стоял у истоков исследований, что впоследствии легли в основу технологий компании Нейралинк. В Центре фотоники и аддитивных технологий мы лишь изготавливаем электроды — выполняем инженерный подраздел работ, которыми я руковожу как сотрудник лаборатории инвазивных нейроинтерфейсов ИИИ МГУ. 

Изготовление электродов для нейроинтерфейсов — одно из направлений работ центра. Помимо этого здесь ведутся разработки по направлению 3D-печати из керамических материалов, в частности остеокондуктивной керамики на базе кальций-фосфатных соединений. Это пористая керамика, которая имплантируется на место утраченных костей, а затем перерабатывается организмом, так как она состоит из того же материала, что и наши кости. Подобные имплантатыы запускают регенеративные процессы по восстановлению костной ткани. То есть, условно, если у кого-то в результате была потеряна часть лица, сейчас на место травмы устанавливают титановые или пластиковые пластины, а в перспективе речь идет о том, чтобы потерянную часть замещать нативным костным материалом. Последнее значительно лучше с точки зрения здорового долголетия.

 — И это все 3D?

— Это все 3D. Также мы работаем над печатью оптических элементов. В частности, мы отработали технологию печати чистым кварцем. Сначала у вас идет предварительный отжиг, когда вся полимеризующая составляющая уходит из изделия. А затем при более высокой температуре происходит спекание материала, что дает уже оптическую прозрачность. Это важно при изготовлении изделий, где необходимо взаимодействие с ультрафиолетовым излучением. В частности, в микрофлюидных чипах для анализа жидких сред методами машинного обучения (хемометрика), ведь ультрафиолетовый диапазон спектра содержит очень много информации, и очень важно его не потерять. Эта компетенция дополняется нашими наработками в части печати микроканалов и микроизделий, и сейчас мы работаем над их совмещением. 

Печать с микронным разрешением выполняется на 3D-принтере собственной разработки, который собрал наш молодой сотрудник. Принтер печатает с разрешением 4 микрона. Это полностью самостоятельная разработка: проектирование, сборка, программирование, прошивка, отладка, отработка режимов печати и так далее.

 — А для чего, если говорить о конечной цели?

— Все это нужно для печати микроизделий. Сейчас ситуация следующая: есть 3D-принтеры с разрешением 200–600 нм, типа Nanoscribe и есть условно офисные 3D-принтеры, которые печатают с разрешением 25–50 мкм. Принтеров же с возможностью печатать с разрешением до единиц микрон пока что очень мало. При этом в диапазоне 1–10 мкм очень много интересной физики: это и микрогазодинамика, и микрофлюидика, и многие поверхностные процессы, и катализаторы. Нашей командой было принято решение в эту область инвестировать, ведь если мы сможем сформировать метод фабрикации в этом масштабе, то мы сможем исследовать новые эффекты и, как следствие, разработать новые продукты на их основе.

— Какие, например?

— У нас есть совместный проект РНФ с мехматом, с группой, которая занимается как раз моделированием течения многокомпонентных жидких и газовых сред. Задача — сделать газовый разделитель на базе каскадных температурных градиентов. Газоразделитель — это система для разделения газов по температуре или по массе. Например, для выделения аргона из воздуха. В идеале — для разделения изотопов. Не факт, что это возможно, но мы идем в эту сторону. 

Есть и другие 3D-принтеры, которые мы разрабатываем для решения своих задумок. Например, мы являемся участниками научно-образовательной школы «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект». В ее рамках у нас поддержан проект разработки многосопельного 3D-принтера для печати пленочных нейроинтерфейсов со сложной топологией. В перспективе это позволит печатать электроды с большей плотностью контактов, широким спектром материалов (включая биочернила) и передовым дизайном. Сейчас микроэлектронные процессы послойной фабрикации трудозатратны и недостаточно гибки для воплощения научной фантастики. Имея же многосопельный 3D-принтер, адаптированный для печати материалами с разной вязкостью и проводимостью, можно печатать все, что захочешь, и это очень интересно. Например, можно печатать клетками, скаффолдами или вносить гормоны роста, чтобы стимулировать взаимное прорастание материалов с нервной системой. Или покрывать лекарственными препаратами (Drug Delivery) с заданной кинетикой, например для снижения воспалительного процесса. То есть вы можете уже изобретать и усложнять устройства для того, чтобы повышать их имплантируемость. Там очень большой простор для развития.

 — Читал, что можно и человеческие органы печатать…

— Да. И их печатают. Какое-то время назад была проблема с печатью капилляров, потому как при печати органа большого объема важная проблема — это питание клеток внутри. Для этого нужна разветвленная сеть капилляров и кровеносных сосудов. Насколько я помню, эту проблему в отдельных направлениях уже решили, но сложностей еще много. Мы интересовались в свое время этим направлением, возможно когда-нибудь туда тоже пойдем. 

Также на базе центра проводится часть работ лаборатории нейроморфной фотоники физического факультета МГУ по таким направлениям, как нейроморфная фотоника и оптические вычисления на нейроподобной архитектуре. Это тоже значимый современный тренд, и мои коллеги давно этим направлением занимаются.

— То есть вы делаете сами эти нейроподобные устройства?

— Да. Их моделируют и собирают сотрудники лаборатории. Например, одна группа проводит исследования по направлению оптоэлектронных нейроморфных чипов. Это попытка смоделировать, как работает наша нервная система на искусственных оптоэлектронных синапсах. Для создания подобных синапсов используются нанокристаллиты оксидов металлов с эффектом памяти. 

— То есть это нейроны?

— Да, по сути, оптоэлектронные нейроны. Еще на базе центра проводятся работы по направлению хемометрики — применению методов машинного обучения для анализа оптических спектров различных материалов.

 — А почему нейроинтерфейсами занимается Институт искусственного интеллекта? 

— Таково стратегическое видение руководства, насколько я понимаю. Все понимают, что нейроинтерфейсы — одна из возможных технологий будущего. И компетенции в области искусственного интеллекта в этой области очень важны. 

— Все эти работы, о которых вы рассказали, имеют прикладной характер… Ваша задача — дойти до этого прикладного применения или, что называется, заложить основы и передать их дальше? 

— И то, и то. Научная сфера все-таки во многом опирается на фандрайзинг. Будучи ученым, вы одновременно работаете и как предприниматель — привлекаете гранты, заключаете хоздоговоры, вступаете в коллаборации, реинвестируете средства с контрактов в закупку дополнительного оборудования и реактивов, нанимаете новых сотрудников. Есть исследовательские группы, которым прикладное применение не очень интересно — значима публикация в высокорейтинговом журнале и высокие показатели цитирования. У нас мотивация немножко другая. Нам очень важно увидеть, как результаты наших трудов воплощаются и улучшают жизнь людей вокруг. Поэтому у нас такой прикладной вектор. Мы не столько про статьи, сколько про прикладные результаты. Потому у нас, помимо грантов РНФ, довольно высокая доля разработок связана с взаимодействием с коммерческими заказчиками и индустриальными партнерами. 

Поэтому, отвечая на ваш вопрос, важна ли нам продуктовая часть, отвечу: конечно, важна. Нам очень важно и с идеологической точки зрения, и с точки зрения сверки с реальностью. Если на вашу работу есть запрос со стороны индустрии, значит, мы делаем что-то нужное. Потому сверка всегда есть, и мы регулярно корректируем свой курс, чтобы он был не только интересен с точки зрения фундаментальной науки и новых знаний, но и с точки зрения воплощения.

— Студенты уже втянуты в текущую работу?

— Да, студенты работают, более того, мы очень активно поддерживаем их работу по прикладным проектам. Настоятельно рекомендуем студентам ходить в лабораторию по вечерам и по субботам. Говорим: сидите за установками, читайте литературу, — лучше растите профессионально в науке, чем будете подрабатывать репетиторством. Таким студентам мы доплачиваем из грантов, разработок и других источников. Многие наши студенты выигрывают именные стипендии. И в итоге студенты вовлекаются в разработки, выигрывают собственные гранты и мотивируются, потому как видят результаты своих трудов. Ведь если ты ходишь в лабораторию пять часов в неделю, ты не успеешь ничего сделать: только погрузился, как уже забыл. Потом снова погрузился и снова забыл. Когда же ребята приходят каждый вечер, у них формируется бэкграунд, появляется авторство над конечными прототипами или проверкой научной гипотезы. Они успевают разобраться в теме и написать полноценный обзор. Видя это, они испытывают гордость, что у них это получилось. Укрепляется вера в свои силы, хочется больше и дальше, и студенты втягиваются. Это приводит, безусловно, к их профессиональному росту и формированию той особенной атмосферы, которой мы так дорожим. Это одна из причин, на самом деле, почему я сам в свое время присоединился к команде центра и кафедры нанофотоники. Я сам трудоголик, и меня затянуло. 

У нас довольно большой конкурс, к нам активно приходят студенты. Также мы всячески привлекаем в коллаборацию внешних научных руководителей по смежным направлениям: и с других кафедр физического факультета, и даже с других факультетов. Кросс-дисциплинарная деятельность, с одной стороны, позволяет установить больше контактов и интересных коллабораций, а с другой стороны, удержать больше студентов на научной орбите. 

Важно, чтобы студенты выросли профессионалами, которые могут и сделать что-то руками, и поставить эксперимент и смоделировать какие-то эффекты. Работа в сотрудничестве со сторонними научными руководителями позволяет студенту приобрести научный бэкграунд в смежной области. В некоторых случаях мы отвечаем больше за инженерные разработки, а коллеги из лаборатории могут отвечать за научную актуальность и новизну. Считаю, что чем дальше, тем наука более междисциплинарна. В современных проектах нужны не только физики, но и люди, которые понимают химию, биологию, разбираются в алгоритмах искусственного интеллекта. Взаимное опыление совместными проектами и обмен студентами помогают расширить сферу научных интересов и список направления по прикладным проектам.

 — Можно ли просто в двух-трех словах обозначить общую тему ваших исследований? 

— В нашем деле очень важна диверсификация. Не только временная (краткосрочная и долгосрочная), но и отраслевая, и мы регулярно, каждые несколько лет, формируем научно-технологический форсайт о том, какие разработки изменят мир в ближайшие пять лет, что определяет наш курс и инвестиции в последующем. Сейчас, я бы сказал, время искусственного интеллекта и нейротехнологий.

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 (и всемерной поддержке Физтех-Союза).}