Инициаторами проведения и организаторами воркшопа выступили профессор химико-биологического кластера Университета ИТМО, лидер научной группы Инфохимии самоорганизующихся систем Екатерина Скорб и профессор Ливерпульского университета Дмитрий Щукин. Совместная работа ученых над рядом проектов началась еще в 2007 году, тогда они вместе участвовали в исследовании, связанном с разработкой функциональных покрытий.
Целью нового проекта в этом году стал обмен опытом между Великобританией и Россией в области разработки новых материалов для устойчивой энергетики. Организовать совместный воркшоп помогла поддержка Британского совета. Согласно правилам программы, организаторам необходимо было объединить по три профессора с российской и британской стороны, которые выступили менторами, а также выбрать по 15 молодых ученых (преимущественно кандидатов наук и аспирантов) из различных университетов Великобритании и России. Так, участниками воркшопа с российской стороны стали ученые из ИТМО, Университета имени Н.Э. Баумана, СПбГУ, РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН и других вузов.
Программа
В течение насыщенной программы, которая продолжалась три дня, участники воркшопа не только представляли собственные проекты, но и могли пообщаться в неформальной обстановке и обсудить общие научные интересы и перспективы дальнейшего сотрудничества. Главными темами стали вопросы самоорганизации в химии, биологии и математике, программирование биологических систем, «мягкая материя», создание систем для «мягкой робототехники» (soft robotics), математические алгоритмы и модельные химические системы.
Как отмечает Екатерина Скорб, одной из главных особенностей воркшопа стал его междисциплинарный характер.
«На мой взгляд, Британский совет поддержал именно нашу заявку прежде всего потому, что воркшоп был очень междисциплинарным. И мы сделали на этом дополнительный акцент. Например, среди менторов воркшопа — не только эксперты в области химии, но и математики и физики. Кроме того, мы прописали в программе необходимость обсуждения различных математических подходов в химии, темы, связанные с программированием биологии, и многое другое. Фактически это все то, что является будущим создаваемого у нас научного центра Инфохимии, который мы сейчас развиваем. В этом центре мы хотим собрать специалистов, которые работают с химическими системами, далекими от равновесия, модельными биологическими системами», — рассказывает Екатерина Скорб.
Помимо докладов и представления проектов, программа воркшопа включала ежедневные экскурсии по различным лабораториям Ливерпульского университета. В частности, участники познакомились с индустриальными проектами ученых, связанными с разработкой и производством функциональных капсул для энергетики, а также робототехническими системами, предназначенными для проведения полного цикла работ в области исследования фотокаталитических систем. Последнее фактически представляет собой полностью автоматизированную лабораторию, где робот берет на себя всю рутинную работу — от химического синтеза, фотокатализатора до его прогрева, характеризации в динамике.
Кроме того, как подчеркивает Екатерина Скорб, участниками воркшопа стали представители коммерческих компаний, которые работают в области солнечной энергетики и разработки функциональных покрытий. Они подробно рассказали участникам о процессе перехода научной разработки из лаборатории в индустрию.
Проекты
Каждый участник воркшопа приехал в Ливерпуль с собственными проектами. Например, молодой ученый Константин Николаев, научный сотрудник химико-биологического кластера ИТМО, кандидат химических наук, рассказал о своих исследованиях в области химического персептрона.
Персептрон — это фактически простейший вид искусственных нейронных сетей. Понятие появилось еще в 60-х годах прошлого века: тогда нейрофизиолог Фрэнк Розенблатт предложил схему устройства, моделирующего процесс человеческого восприятия, и назвал его «персептроном» (от латинского perceptio — восприятие).
«Сама идея персептрона и нейронных сетей, безусловно, не нова. В основном она строилась на том, что, получая некоторые данные, мы можем проанализировать их и найти эмпирическими путями что-то общее. В нашем же случае химический персептрон, как и в идеале химические нейросети, представляют собой осознанные данные, которые можно оценить, обсчитать и благодаря этому предсказать исход. Это большой ансамбль определенных химических реакций, которые мы можем классифицировать и ответить на главный вопрос: почему так происходит», — рассказывает Константин Николаев.
Сейчас ученый исследует систему жидкого сплава галлий-индий, который сегодня повсеместно применяется в гибкой электронике, и пытается сформировать на его поверхности различные интерфейсы. Так как в этом сплаве галлий способен окисляться, он может формировать различные диодные или мемристорные интерфейсы. Это происходит в зависимости от условий — например, от того, какое напряжение подает исследователь, а также от изменения других параметров. Таким образом, как объясняет молодой ученый, можно создать систему электродов, получить от нее определенный отклик, классифицировать данные и впоследствии найти объяснение, за счет изменения каких параметров произошел определенный процесс.
Как подчеркивает Константин Николаев, несмотря на то, что исследование призвано ответить на фундаментальные вопросы, оно чрезвычайно актуально и для прикладных задач.
«В индустриальных задачах есть очень много примеров, которые показывают актуальность таких исследований. Например, в химической промышленности, где у нас очень много входных параметров. Мы знаем эти параметры, можем их проконтролировать и определенным образом их связать. Сейчас в основном их пытаются связать случайным образом. Здесь можно провести аналогию с медициной, где мы можем сделать очень много анализов, но делаем их только раз в год. Но если мы сможем создать такую дешевую сенсорную систему, которая также сможет делать очень много анализов, но при этом постоянно, это позволит нам более точно говорить о причинах болезни, о значениях, которые мы получаем. В промышленности точно так же: если мы научимся объяснять сложные системы с фундаментальной точки зрения, тогда мы сможем ими эффективно управлять», — объясняет он.
Кроме того, с отдельными проектами на стыке химии, IT, систем управления и робототехники выступили представители других факультетов Университета ИТМО, а также компании Airalab Rus. Все проекты посвящены общей теме: как программировать химические процессы в динамике и фактически симулировать биологические системы.
Результаты и перспективы
В ходе воркшопа молодые ученые не только получили поддержку менторов, но и обменялись контактами для дальнейшего научного сотрудничества. Например, Константин Николаев договорился о поддержке с исследователями из IT-департамента Ливерпульского университета.
«Воркшоп дал очень много полезных знакомств, кроме того, удалось более предметно пообщаться с теми коллегами, с которыми я был знаком заочно. Кроме моего текущего исследования, я также смог обсудить с ними и ряд смежных проектов, — говорит он. — Сегодня очень важно налаживать работу с нашими коллегами-математиками, IT-специалистами. Также для меня была очень полезна работа с менторами, которые детально рассказали, как наладить эту работу. Для научных сотрудников важно ответить на вопрос, как именно нужно взаимодействовать в междисциплинарных командах».
Семинар стал хорошей возможностью обсудить с коллегами перспективные подходы в современной науке, вопросы в области самоорганизующихся систем, а также возможности применения математических подходов в химии, говорит Наталья Мамчик, сотрудница лаборатории «Инфохимия самоорганизующихся систем».
«Я занимаюсь изучением роста дендритных структур в плоскости. Такие структуры интересны прежде всего тем, что в живой природе наблюдается сходное поведение. На простой химической системе мы стараемся объяснить, как происходят в природе такие сложные процессы. Недавно, уже в процессе исследования, нам удалось обнаружить очень интересное явление, которое теперь необходимо объяснить с точки зрения математики, понять, с чем это связано. Участие в воркшопе было очень продуктивным, мы послушали различные доклады наших коллег, со многими удалось познакомиться лично. Кроме того, у нас прошел очень интересный мини-воркшоп, где мы отдельно обсудили проблемы нашего проекта», — рассказывает она.
Помимо кандидатов наук и выпускников вузов, в воркшопе приняли участие и студенты, которые только начинают научную работу. Для них этот опыт также стал возможностью получить новые контакты в сфере.
«На мой взгляд, в контексте таких воркшопов полезнее всего находить проекты, схожие с твоими научными интересами, и людей, которые работают с тобой на одной волне, в одной области. С ними можно обсудить новые идеи, получить отклик, ведь всегда важно, чтобы на твою работу посмотрели с другой стороны», — говорит Варвара Алабушева, студентка первого курса химико-биологического кластера и сотрудница лаборатории «Инфохимия самоорганизующихся систем».
Екатерина Скорб подчеркивает, что проект Университета ИТМО и Ливерпульского университета нацелен на долговременное сотрудничество. В планах ученых — провести подобный воркшоп и в следующем году, но уже на площадке ИТМО.
«В сегодняшней науке один в поле — не воин. И эта программа прежде всего рассчитана на то, что вы находите общие интересы, контакты и общие проекты. К счастью, нам удалось собрать команду единомышленников, с которыми есть что обсудить и сделать это далеко не один раз. Я смогла познакомиться со специалистами, с которыми давно планировала начать сотрудничество. Мы договорились, что ряд наших коллег приедут в Петербург, чтобы в том числе встретиться с нашими молодыми учеными. Это может стать возможностью для начала нового большого проекта», — прокомментировала результаты воркшопа профессор Университета ИТМО.
