Тензорный поезд, микронасекомые в робототехнике и меняющий цивилизацию химический катализ
12 декабря состоялась церемония награждения лауреатов второй ежегодной Научной премии, учреждённой Сбером, с общим призовым фондом 60 млн рублей. Это самая крупная отечественная научная премия, которая претендует на звание «русской нобелевки».
Цель премии – поддержка учёных, работающих в России и ведущих активную исследовательскую деятельность. В прошлом году победителями стали академики Александр Габибов, Александр Холево и Юрий Оганесян. Объявления новых лауреатов все ждали с большим волнением. Их имён не раскрывали до самого последнего момента.
Успеть на тензорный поезд
Вечер был праздничным, гостям подливали шампанское, но никто не хотел его пить, пока не прозвучало первое имя – в номинации «Цифровая вселенная» победил академик Евгений Тыртышников, директор Института вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН.
Правда, формулировка, за что присуждена премия, нам показалась немного запутанной: «За создание новых матричных и тензорных методов моделирования и сжатия данных для решения сверхбольших задач высокой размерности, что открывает широкие возможности ускорения вычислений в естественных науках, машинном обучении и других областях». Мы попросили Евгения Евгеньевича пояснить, в чём состоит суть этих исследований.
Евгений Тыртышников, академик РАН, директор Института вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН. Фото: пресс-служба Сбера.
— Евгений Евгеньевич, что для вас значит эта премия?
— То, чем я занимаюсь всю жизнь, приносит мне огромное удовольствие, особенно когда удаётся что-то понять и придумать. И вот за это ещё и премию дают! Это важное событие и для меня лично, и в широком плане, если говорить об отношении к академической науке вообще и конкретно к математике. То, что Сбер учредил научную премию и поддерживает не только сугубо прикладные, но и фундаментальные исследования, это чрезвычайно важный и яркий сигнал для общества и мудрый взгляд на его развитие.
— Про вас говорят, что вы занимаетесь борьбой с суперкомпьютерами. Это действительно так?
— Это, конечно, метафора. Суперкомпьютеры очень нужны, в нашей стране их должно быть намного больше и большей мощности. Смысл того, что мы делаем – помочь суперкомпьютерам решать задачи, которые находятся на грани их возможностей, а часто за гранью. Такие задачи есть в физике, химии, науках о Земле и, кроме того, их можно встретить в обыденной жизни.
— Например?
— Представьте себе, что у вас есть небольшое число признаков – скажем, 80. И каждый из них принимает всего лишь десять значений. В итоге мы получаем 10 в 83-й степени вариантов. Понятно, что такая задача непосильна даже самому мощному суперкомпьютеру. Чтобы ему помочь, нужно сделать три вещи. Первое: найти для данных модель представления через малое множество параметров. Второе: придумать эффективные алгоритмы, которые работают только с малыми множествами. Третье – построить процесс обучения, определяющий параметры по какой-то части данных. Всё это – именно то, чем мы занимаемся в нашем институте вычислительной математики имени Г. И. Марчука.
Одна из наших моделей, тензорный поезд, оказалась наиболее успешной, а процесс её обучения поразительно эффективным, потому что мы точно знаем, как выбирать данные для обучения. А что касается суперкомпьютеров – всё более мощные машины, конечно, нужны, но математика новых моделей может усилить их мощность на порядки. Поэтому инвестиции в математику более чем оправданы.
А ещё важны инвестиции в подготовку научной смены. Перед нами стоят задачи очень трудные. А тут есть два пути. Первый – искать решения самому, второй – вырастить более способных молодых исследователей, которые найдут решения.
— Вам больше импонирует второй путь?
— Он более перспективный. Сам я выпускник МГУ, факультета вычислительной математики и кибернетики. Окончил физико-математическую школу имени Колмогорова при МГУ. Замечу, что директора трёх ведущих математических институтов нашей страны – выпускники этой школы. А недавно я услышал на Общем собрании РАН, что наша школа дала более трёх тысяч кандидатов и докторов наук.
Я очень благодарен всем тем, у кого учился. Это очень важно – суметь вырастить преемников, учеников. Поэтому я благодарен не только своим родителям и учителям, но и своим ученикам, у которых постоянно учусь сам. Забота и поддержка – это именно то, что мы должны дать нашим ученикам. А ещё уверенность в том, что можно получать удовольствие от интересной, любимой работы и знать, что эта работа признаётся обществом и вознаграждается.
Маленькие, да удаленькие
В номинации «Науки о жизни» лауреатом стал Алексей Полилов, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Премия присуждена «за фундаментальные исследования в области миниатюризации животных и введение в науку модельных объектов, открывающих новые перспективы в нейробиологии, микроробототехнике и искусственном интеллекте». Нас окружает мир крошечных, невидимых невооруженным глазом организмов, которые при этом невероятно разнообразны и сложно организованы, а мы их даже не видим!
Алексей Полилов, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Фото: пресс-служба Сбера.
— Алексей Алексеевич, как вы пришли в науку?
— Я мечтал стать учёным с детства и, ещё учась в школе, хотел поступить на биофак МГУ, стать энтомологом и изучать насекомых, – рассказал нам лауреат. – Многие меня отговаривали: какое, мол, будущее может ждать человека, который посвятил свою жизнь каким-то букашкам! Но я верил в свою мечту. Со мной рядом всегда была моя мама Татьяна Степановна Полилова, которая долгие годы работала на трёх работах, но поддерживала любые мои начинания. Если бы не она, я бы не стал учёным.
— Поступив в МГУ, вы сразу пошли на кафедру энтомологии?
— Да, и заведующий кафедрой предложил мне задачу исследования микронасекомых. Как мне казалось, передо мной стояла простая задача – сравнить строение самых маленьких и самых крупных насекомых. Но за этой простотой скрывалось множество трудностей. В первую очередь, об этих объектах ничего не было известно. У нас не было ни оборудования, ни материалов, и стандартные методы, как оказалось, ничего не позволяли сделать с этими крошечными, но очень сложными объектами, невидимыми невооруженным глазом.
— Получаться стало не сразу?
— Далеко не сразу. Шли годы, годы неудач, и даже курсовую работу мне пришлось делать на совсем другую тему, потому что я не успел получить никаких результатов. Зато за эти годы я понял, что наука не даётся без колоссального труда. И уже перед защитой диплома я получил первые осмысленные результаты. Тогда же стало понятно, что изучение принципов и пределов миниатюризации животных – это огромная тема, и вместе с их строением необходимо изучать их физиологию, механику, локомоцию, когнитивные способности, которые у них тоже есть, и очень быстро мы пришли к тому, что сейчас принято называть междисциплинарными исследованиями. Для нас это было просто всестороннее исследование наших маленьких насекомых, которые, как теперь понятно, могут быть не просто интересны с фундаментальной точки зрения, но и, например, быть моделями для робототехники.
– Что сейчас представляет собой ваш коллектив?
– Моя команда – коллеги, ученики, которые продолжали работать над задачами, многим казавшимися неразрешимыми. В том, что эта премия случилась, есть и их заслуга, и я благодарен всем, кто со мной сотрудничает. В 30 с небольшим лет я стал заведующим кафедрой, хотя ещё совсем не был к этому готов, но это заставляло меня развиваться, двигаться вперед. Если честно, я и сейчас не могу до конца поверить в то, что получил эту награду. Очень лестна и приятна столь высокая оценка моей научной деятельности, но это и огромная ответственность, которую я должен оправдать.
Катализ решает всё
В номинации «Физический мир» победил… химик Валентин Анаников, академик РАН, доктор химических наук, заведующий Лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. Премия присуждена «за открытие явления динамического катализа и исследования механизмов химических реакций, позволяющих создавать универсальные каталитические системы, ускорять разработку и запуск нового поколения эффективных и экологичных химических технологий».
Валентин Анаников, академик РАН, доктор химических наук, заведующий Лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. Фото: пресс-служба Сбера.
«Катализ – это одно из самых передовых достижений человечества за всю его историю, – сказал по этому поводу Валентин Павлович. – В химической промышленности подавляющее большинство всех процессов основано на каталитических реакциях. Примерно одна треть валового продукта производится с использованием веществ, полученных каталитическим путем. Важность катализа осознана не только в человеческой деятельности – о его важности говорит сама природа. Каталитический процесс фотосинтеза – основа для всего сельского хозяйства, и вместе с тем он даёт жизнь всей нашей планете».
Куда бы ни упал взгляд современного человека, везде вы увидите вещества, полученные с помощью каталитических технологий. Материал для дисплеев, гаджеты, компоненты батарей и аккумуляторов, синтез топлива, производство лекарственных препаратов, ткани и красители, органические вещества для современной электроники… Всей этой и другой жизненно важной для человечества продукцией мы обязаны катализу.
— Валентин Павлович, можете объясните в двух словах, в чём суть катализа?
— Суть катализа заключается в ускорении химических реакций, но сами катализаторы при этом остаются неизменными. Катализаторы не входят ни в исходное вещество, ни в продукты реакции. С помощью одной молекулы катализатора можно синтезировать миллионы и даже миллиарды молекул других химических соединений.
Безусловно, катализ нашёл своё использование в человеческой практике. К примеру, в процессе нефтепереработки с использованием сравнительно небольшого количества катализаторов можно синтезировать десятки тысяч тонн бензина. Или производство лекарственных веществ, где количество вещества гораздо меньше, но формулы там намного сложнее. В этих многостадийных реакциях синтеза использование катализаторов просто незаменимо.
— Какой вклад во все эти процессы внёс ваш коллектив?
— Предметом наших исследований стали каталитические системы. Мы стараемся понять, как контролировать химические реакции, управлять ими. В наших исследованиях были открыты динамические каталитические системы, когда катализатор может подстраиваться под реакцию, выбирая наиболее эффективный вариант реализации каталитического процесса. Мы получили также «коктейлевые» каталитические системы, которые позволяют переключаться между различными типами катализа и выбирать наиболее эффективный для данной реакции маршрут.
— Всегда ли вашим исследованиям сопутствовала удача?
— Далеко не всегда. Я начал свою деятельность в 1996 году, это было совершенно другое время. Не было ни реактивов, ни оборудования. В те годы я освоил дополнительную профессию. По ночам я подрабатывал программистом, а днем на заработанные деньги покупал реактивы и продолжал свою работу. Зимой мы работали в ватниках, потому что отопления в институте тоже не было.
В начале 2000-х ситуация начала меняться к лучшему. Мне казалось: наступает время, когда можно взяться за изучение каталитических систем и понять, как на самом деле устроена природа. Окружающие скептически относились к этой идее, говорили, что дело это гиблое, за него даже браться не стоит, потому что тут огромное количество переменных, все их невозможно учесть. Эта задача относилась к категории невозможных.
— Но вы не отступили?
— В течение 20 лет мы продолжали эти попытки, и нам удалось получить целый ряд интереснейших результатов. Ключевое значение в этой истории, особенно в последние годы, имело применение алгоритмов ИИ. Основная сложность в изучении каталитических реакций – это необходимость обработки довольно большого объёма данных. Примерно за неделю эксперимента накапливается такой объём данных, для ручной обработки которых требуется примерно сто лет. Для изучения механизма одной каталитической реакции нужно примерно тысяча лет ручной работы. Однако с использованием нейросетевой обработки данных это время можно существенно сократить до нескольких месяцев или даже дней.
— Вы сказали о разработанной вами концепции динамического катализа. Что это такое?
— Обычную каталитическую реакцию можно представить себе как тонкий ручеёк. Это путь, по которому исходное вещество движется к продуктам реакции. При попытке адаптировать это для какого-нибудь другого процесса траектория ручейка может измениться – ручеек пересохнет, и потом надо затрачивать огромное количество времени, сил и средств для того чтобы оптимизировать эту траекторию.
С помощью динамического катализа мы запустили реакцию одновременно и параллельно по множеству «ручейков». Даже если искривится траектория одного из них, даже если «пересохнут» какие-то ручейки – другие всё равно дойдут до желаемой точки, и мы получим трансформацию исходных веществ в продукты реакции: ручейки сольются в полноводную реку.
— Как вы думаете, сейчас условия для научной работы изменились к лучшему?
— Безусловно, изменились. В нашей стране сейчас можно и нужно заниматься научными исследованиями. Российский научный фонд уже в течение десяти лет на конкурсной основе финансирует наши исследования с привлечением экспертизы очень высокого уровня, и я испытываю по этому поводу огромную благодарность. Безгранично признателен Сберу за эту беспрецедентную премию. Это самая крупная научная премия в нашей стране. Более того – хочу выразить признательность Сберу за то, что привносит цифровые технологии в нашу жизнь. Именно за ними, за новыми способами и скоростью обработки данных будущее научных исследований.
— Что ваши исследования дают в практическом смысле?
— Практическое приложение каталитических систем позволяет сократить количество катализатора и время, необходимое на разработку таких систем. Вместо 10–15 лет, которые требовались на создание нового каталитического процесса, сейчас достаточно двух-трёх лет. Вместе с тем, и это немаловажный фактор, происходит уменьшение экологической нагрузки. Мы сокращаем количество токсических выбросов в окружающую среду.
— Можно ли сказать, что вопросов для вас не осталось?
— Так сказать нельзя. Несмотря на то, что нас всех окружают молекулы, которые созданы путём каталитических
систем, мы очень мало знаем о том, как на самом деле устроена каталитическая химия. Уверен, что эти работы будут продолжаться. Катализ эволюционирует, и вместе с изменением катализа изменяется облик человеческой цивилизации.
