ИИ-разработка лекарств и наблюдение за посевами из космоса: достижения российской науки в сентябре

В первый месяц осени российские учёные занимались разработкой первого в стране имплантируемого нейростимулятора с биологической обратной связью, поиском альтернатив антибиотикам, оснащали суперкомпьютеры жидкостным охлаждением. Об этих и других не менее важных достижениях отечественной науки в сентябре далее в статье.

Нашли альтернативу антибиотикам с помощью искусственного интеллекта

💡 Простыми словами

Ученые Национального исследовательского университета ИТМО разработали систему, использующую мощности искусственного интеллекта, для поиска наночастиц, которые могут быть эффективными в борьбе с патогенными бактериями, при этом оставаясь безопасными для полезных микроорганизмов. Это поможет разработать новые лекарственные препараты на замену антибиотикам, которые теряют эффективность при частом употреблении из-за появления резистентных бактерий. При этом новая методика менее трудоёмкая и более эффективная, чем традиционные методы поиска новых веществ. Альтернативой для антибиотиков уже давно могли бы стать наночастицы на основе оксидов металлов. Они способны уничтожать бактерии, выработавшие резистентность, однако при этом они также вредят полезным микроорганизмам.

👨‍🔬 Детально

Алгоритм, созданный учеными, анализирует токсичность наночастиц в отношении разных бактерий и подбирает те, которые воздействуют исключительно на патогены, что позволяет минимизировать вред для организма в целом и убирает необходимость ручного экспериментального подбора. Далее программа меняет состав наночастицы так, чтобы она по прогнозам стала минимально токсичной для полезных бактерий, и более опасной для патогенных бактерий, варьируя размеры и составы и пытаясь максимально увеличить разницу в выживаемости между двумя бактериями.

В ходе исследований было выявлено, что наночастицы на основе оксидов меди и цинка могут избирательно уничтожать вредные бактерии золотистого стафилококка и клебсиеллы пневмонии соответственно, не нанося вред полезным микроорганизмам. Исследование открывает новые возможности для применения наночастиц в медицине и сельском хозяйстве, что особенно актуально в условиях растущей устойчивости бактерий к антибиотикам.

Создали электрический нейростимулятор для подавления болей 

💡 Простыми словами

На десятом юбилейном форуме «Микроэлектроника» Национальный исследовательский университет «МИЭТ» представил электрический нейростимулятор для борьбы с болями. Эта экспериментальная технология вживляется в спинной мозг и управляется с носимого устройства. Основная цель — облегчение неконтролируемых болей, включая фантомные боли после ампутаций. Это первый отечественный имплантируемый нейростимулятор с биологической обратной связью.

Нейростимуляция — это метод лечения, основанный на подаче низковольтных электрических импульсов, которые блокируют болевые сигналы и восстанавливают двигательные функции.

👨‍🔬 Детально

Технология, представленная «МИЭТ», включает в себя электрод, вживляемый вдоль спинного мозга, и управляющее устройство, размещаемое на поясе. Система взаимодействует через 16 каналов и может использовать до двух электродов. Диапазон напряжения — около 25 мВ. Электроды помещаются чрескожно в эпидуральной области спинного мозга, где они оказывают воздействие на нервные окончания. Это позволяет пациентам с ампутациями или повреждениями нервной системы уменьшить болевые ощущения, в том числе фантомные боли. Имплантация стимулятора обходится самому пациенту и содержащему его государству в сотни раз дешевле, чем многократное стационарное или амбулаторное лечение (либо их комбинация).

Научились следить за посевами с помощью дронов и спутников из космоса

💡 Простыми словами

Эффективность сельского хозяйства строится на двух главных параметрах: урожайность и качество сырья. Чтобы получить высокие показатели в обеих категориях, необходимо соблюсти много условий, некоторые из которых связаны с характеристиками сельскохозяйственных земель и климатического состояния региона. Традиционно такие данные получаются в поле при непосредственном присутствии человека. Однако использование методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) открывает новые возможности для аграриев. Красноярские ученые предложили алгоритмы, которые обрабатывают спутниковые данные по вегетационным индексам, температуре и осадкам, что позволяет оперативно отслеживать состояние сельскохозяйственных посевов и принимать решения на основе актуальной информации. Это значительно улучшает эффективность агропроизводства, помогая агрономам своевременно реагировать на изменения в условиях выращивания культур.

Главное преимущество использования ДЗЗ — это оперативность и точность предоставляемой информации. В отличие от традиционных методов, требующих постоянного физического присутствия в поле, спутниковые данные и беспилотные аппараты позволяют мониторить сельскохозяйственные земли в режиме реального времени. Оперативный спутниковый мониторинг позволяет выявлять неоднородность растительного покрова, отслеживать изменение температур и количества выпавших осадков в течение вегетационного сезона. Интерактивные карты и веб-сервисы, разработанные учеными, позволяют получать данные о среднесуточной температуре почвы, осадках и индексе вегетации. Это помогает аграриям планировать подкормки, укосы и другие технологические операции в нужные моменты индивидуально по каждому полю.

👨‍🔬 Детально

Основными показателями, отражающими состояние сельскохозяйственных посевов, являются значения вегетационных индексов NDVI, ClGreen и MSAVI2. Вегетационный индекс NDVI характеризует состояние растительности на протяжении всего вегетационного сезона. Индекс ClGreen используется для оценки общего содержания хлорофилла в листьях. Данные ClGreen позволяют рассчитывать необходимое количество удобрений. Индекс MSAVI2 отображает неоднородность пространственного распределения посевов на почве.

Учёные также работают над созданием программно-технологической платформы, которая будет собирать в единое целое различные базы данных о хозяйстве и позволит строить динамические графики для мониторинга вегетации на сельскохозяйственных угодьях. Такая информационная система предоставит возможность анализировать информацию с разных сторон и послужит инструментом для принятия решений. Специалисты также подчеркнули значимость беспилотников в ситуациях, когда спутниковая информация ограничена, например, при облачности. В отличие от спутниковых данных, беспилотники также обеспечивают сантиметровую точность и позволяют создавать трёхмерные модели рельефа.

Улучшили компактность и шумоподавление суперкомпьютеров благодаря жидкостному охлаждению

Российские разработчики из группы компаний РСК, основанной сотрудниками Института программных систем РАН, создали компактные и энергоэффективные суперкомпьютеры для научных учреждений Академии наук. Одной из ключевых технологий, применяемых в этих системах, является жидкостное охлаждение. Оно обеспечивает существенные преимущества по сравнению с традиционными воздушными системами охлаждения, включая компактность, низкий уровень шума и высокую энергоэффективность.

Это позволяет устанавливать такие суперкомпьютеры в обычных помещениях, без необходимости создания специальных дата-центров с климатическим оборудованием. Жидкостное охлаждение также повышает надежность и долговечность суперкомпьютеров благодаря эффективному термальному контролю. РСК задействована на всех этапах создания супер-ЭВМ — от проектирования и моделирования до выбора оборудования, установки серверов, хранилищ данных и монтажных систем.

Примером реализации таких проектов является суперкомпьютер для Института математики Сибирского отделения РАН в Новосибирске, где была построена система производительностью около 100 терафлопс. Это решение позволяет институту эффективно решать задачи, требующие больших объемов вычислений и работы с большими данными. Кроме того, проекты на базе жидкостного охлаждения внедрены в вычислительном центре Росгидромета и Лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины и фармакологии МФТИ.

Создали композит для гибких датчиков при помощи лазера

💡 Простыми словами

Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Китая разработали инновационную технологию создания материалов для гибких и долговечных датчиков на основе металлоорганических каркасов (MOF). Основой технологии является лазерная обработка MOF, что приводит к их преобразованию в люминесцентные наноуглероды. Эти наноуглероды обладают повышенной механической прочностью и могут быть использованы для создания датчиков температуры и изгиба.

Создание мультифункциональных гибких датчиков, таких как датчики температуры и давления, открывает широкие перспективы для их применения в различных сферах — от транспорта и энергетики до медицины. Но в часто используемых датчиках, где регистрируется электрический сигнал, зачастую сложно зафиксировать изменения, связанные с температурой, давлением или деформацией. Ключевое преимущество нового подхода заключается в значительном увеличении сигнала люминесценции (вплоть до 70 раз), что позволяет с высокой точностью регистрировать изменения вышеуказанных параметров.

👨‍🔬 Детально

Исследования проводились на основе металлоорганических каркасов ZIF-8, состоящих из цинка и органических молекул. Лазерная обработка ZIF-8 привела к образованию высоколюминесцентных N-легированных наноуглеродов и наноструктур оксида цинка. В процессе использовалась гибкая полиуретановая подложка, что позволило интегрировать углерод в подложку и придать материалу электропроводящие свойства, что делает его пригодным для гибкой электроники. Это открытие предлагает простую и эффективную технологию для улучшения люминесцентных свойств MOF, что ранее требовало сложных и затратных методов.

Ученые отмечают, что полученный композит сочетает в себе такие свойства, как биомеханическая податливость, чувствительность люминесценции к температуре, стойкость к многократным изгибам. Также в рамках исследования политехники изучили возможность использования композита для датчиков температуры и деформации. При этом материал остается стабильным в течение 10 тысяч циклов сгиба, что подтверждает долговечность электродов. Этот подход может в дальнейшем использоваться для изготовления датчиков температуры и изгиба, где оба сигнала могут измеряться независимо.