Что сейчас разрабатывают ученые
Это прорыв: десять самых важных технологий 2021 года
Аудиоверсия материала:
Теперь материалы РБК Трендов можно не только читать, но и слушать. Ищите и подписывайтесь на подкаст «Звучит как тренд» в Apple Podcasts, «Яндекс.Музыке», Castbox или на другой платформе, где вы слушаете подкасты.
1. Литий-металлические батареи
Литий-металлические аккумуляторы имеют все шансы изменить расстановку сил на авторынке. Их энергетическая плотность равна 1 кВт·ч на литр объема, что почти в два раза больше, чем у литий-ионных батарей. Как утверждают в MIT Technology Review, благодаря этому электрокары заряжаются гораздо быстрее, а главное — заряда хватает на 80% дольше, чем с литий-ионными аккумуляторами. Такие показатели сохраняются и после 800 циклов.
Американский стартап QuantumScape (среди его инвесторов — Билл Гейтс), который занимается разработкой литий-металлических батарей, провел первые тесты в декабре 2020-го. После успешных испытаний он уже заключил сделку с Volkswagen, который начнет выпускать электромобили с этими аккумуляторами в 2025 году.
Скептики утверждают, что результаты тестов пока рано считать успешными: их проводили на однослойных ячейках, тогда как в реальных аккумуляторах они должны быть многослойными. При массовом производстве это может привести к непредвиденным рискам.
2. Вакцины на основе матричной РНК
РНК-вакцина — одна из самых передовых разработок в медицине за последние 20 лет. Сейчас есть две вакцины, созданные по этой технологии: Pfizer и Moderna. Обе — против коронавируса.
Обычные — векторные — вакцины содержат ослабленный или неактивный возбудитель вируса. Вакцины на основе мРНК побуждают организм вырабатывать фрагмент белка, содержащийся в возбудителе COVID-19, который тут же атакует иммунная система. В результате возникает сильный иммунитет к вирусу, организм становится устойчивым к заражению.
Матричные (информационные) РНК хороши тем, что их легко модифицировать под любой новый штамм вируса. Их также можно использовать для борьбы с инфекциями (например, малярией), раком, серповидноклеточной анемией, ВИЧ и другими тяжелыми заболеваниями.
3. GPT-3
На сегодняшний день самая совершенная нейросеть на базе NLP (то есть, алгоритмов распознавания текста) — GPT-3. Это нейросеть-трансформер, которая способна генерировать связные ответы в диалоге с человеком. Объем используемых ей данных и параметров в 100 раз превосходит предыдущее поколение — GPT-2.
Однако даже самые продвинутые трансформеры, обученные на огромных массивах данных не понимают смысла слов и фраз, которые они генерируют. Для их обучения нужны огромные массивы данных и вычислительные ресурсы, которые, в свою очередь, оставляют большой углеродный след. Еще одна проблема — несовершенство датасетов для обучения нейронных сетей: тексты в интернете часто содержат искажения, манипуляции и откровенные фейки.
Одно из самых перспективных направлений в развитии ИИ и нейросетей — это расширение диапазона восприятия. Сейчас алгоритмы умеют распознавать изображения, лица, отпечатки пальцев, звуки и голос. Они также умеют говорить и генерировать изображения и видео, имитируя наше восприятие разных органов чувств. Ученые MIT отмечают: чтобы приблизиться к человеку ИИ не хватает эмоционального интеллекта и чувств. В отличие от ИИ, человек умеет не только обрабатывать информацию и выдавать готовые решения, но и учитывать контекст, множество внешних и внутренних факторов, а главное — действовать в условиях неопределенности и меняющейся среды. Например, алгоритм AlphaGo от компании DeepMind способен обыграть чемпиона мира по го и шахматам, но все еще не может расширить свою стратегию за пределы доски.
Пока что даже самые продвинутые алгоритмы, включая GPT-3, находятся лишь на пути к этому. Сейчас перед разработчиками стоит задача создать мультимодальные системы, которые бы объединили распознавание текста и сенсорное восприятие для обработки информации и поиска решений.
4. Защита данных по модели Data Trusts
По данным Accenture, за время пандемии количество кибератак заметно выросло. Только первой половине 2020 года было взломано 36 млрд учетных записей и аккаунтов. Мы стали хранить гораздо больше данных в Сети, работать онлайн и пользоваться корпоративными сервисами с личных устройств. В итоге многие компании пострадали от утечек и вынуждены были усилить кибербезопасность.
Но причина утечек может быть не только в слабой защите данных, но и в том, что сама модель их сбора и хранения устарела. Data Trusts — «доверительное хранение данных» — новый подход, который может все изменить. В этом случае создается особый доверительный фонд, который хранит и управляет данными людей по их поручению и от их имени.
По словам представителей Mozilla, принцип доверительного управления данных подразумевает, что вы передаете свои данные тому, кто распоряжается ими в ваших же интересах. При этом все данные хранятся в одном месте, а сервисы, которыми вы пользуетесь, получают к ним доступ на ваших условиях. Доверительный фонд несет полную юридическую ответственность за соблюдение ваших интересов и приватности.
5. Wi-Fi 6 и 5G
Новые стандарты связи и беспроводного интернета, с одной стороны, помогают работать удаленно из одной точки на высокой скорости, с другой — способствуют развитию интернета вещей и искусственного интеллекта, сделают передачу данных более безопасной.
Главные преимущества, которые обеспечивает 5G:
Новый стандарт Wi-Fi 6 добавит новую частоту 6 ГГц к двум уже имеющимся — 2,4 и 5 ГГц. Он преследует те же цели, что и 5G: помогает ускорить интернет-соединение (до 2 Гб/сек для мобильных устройств), сделать его более стабильным и широкополосным — к одной точке можно будет подключить еще больше устройств. При этом сеть сама будет распределять интернет-трафик между устройствами, в зависимости от их мощности.
Специалисты Cisco называют главные преимущества Wi-Fi 6 для бизнеса:
Согласно опросу Deloitte, 86% руководителей считают, что продвинутая беспроводная связь преобразит их организацию в течение трех лет, и 79% говорят то же самое о своей отрасли.
По данным The Verge, первые 316 млн мобильных устройств с поддержкой Wi-Fi 6E появятся уже в 2021 году. Ожидается, что 5G и Wi-Fi 6 будут не конкурировать, а взаимно дополнять друг друга — в зависимости от задач и типов устройств.
В России операторы потратят более 1,1 трлн руб. на развитие 5G с 2021 по 2027 год. Активное внедрение начнется с 2024 года, однако сроки могут быть сдвинуты из-за низкого спроса. А вот Wi-Fi 6 вряд ли заработает: частоты сети уже заняты фиксированной радиосвязью, а в будущем их могут передать под 5G.
6. Виртуальная и дополненная реальность
Сегодня эти технологии используют в здравоохранении — чтобы обучать хирургов или проводить операции с данными диагностики в виде голограмм и онлайн-консилиумом врачей. В начале февраля 2021 года Microsoft провела онлайн-трансляцию 12 операций, выполненных в MR — смешанной реальности. Хирурги из 13 стран смогли подключиться в режиме онлайн и видеть все данные диагностики в виде голограмм и консультировать друг друга.
В ретейле AR позволяет примерить товары, поместить мебель в интерьер перед покупкой, а также получать персонализированные предложения. К примеру, производитель игрушек Mattel (куклы Барби и др.) использует дополненную реальность для игрушечных машинок Hot Wheels. Покупатели могут направить свой смартфон на конкретную модель, чтобы поиграть с ней на любых поверхностях:
В IKEA с помощью VR-гарнитуры вы можете представить, как будет выглядеть ваша кухня с выбранной мебелью.
В образовании дополненная и виртуальная реальность помогают глубже вовлечь в процесс и в деталях смоделировать среду, которую изучают в классе. Технологию используют и в корпоративном обучении. Tyson Foods — международная корпорация по производству продуктов питания — применяет VR, чтобы обучать сотрудников технике безопасности на производстве. В результате производственных травм стало на 20% меньше.
Архитекторы и дизайнеры представляют проекты в масштабе 1:1 с помощью виртуальной и дополненной реальности вместо обычных 3D-рендеров:
ThyssenKrupp Elevator, поставщик транспортных систем, эскалаторов и лифтов, запустил в Азии и на Ближнем Востоке залы виртуальной реальности с демонстрацией городских транспортных решений.
В автомобильной промышленности VR позволяет инженерам экспериментировать с дизайном и конструкцией новых моделей на стадии разработки концепта. Такой подход используют, к примеру, в Hyundai:
Но главной сферой, где виртуальная и дополненная реальность особенно востребованы, остаются игры и развлечения. Помимо VR-игр и симуляций, в разных странах действуют целые парки развлечений с использованием виртуальной реальности: например, Europa-Park в Германии или VR Star в Китае.
Быстрее всего в ближайшие семь лет будет расти рынок устройств с распознаванием жестов — перчатки для VR и AR: по данным Grand View Research, с 2021 по 2028 года ежегодный рост рынка составит в среднем 18%.
7. 3D-печать
Во время пандемии COVID-19 аддитивные технологии стали выгодной альтернативой традиционному производству, требующему огромных инвестиций и ресурсов. Еще одно весомое преимущество — значительно меньший уровень отходов.
В медицине и здравоохранении на 3D-принтерах печатают кабели и другие детали для медицинского оборудования. Еще один удивительный эксперимент — 3D-печать фрагментов человеческих костей прямо в организме, вместо поврежденных или утраченных. Для этого используют специальные биосовместимые чернила.
Аддитивные технологии применяются в архитектуре: из отпечатанных деталей возводят целые каркасные дома, что делает их намного дешевле обычных аналогов. Как пишет The Guardian, в калифорнийской Коачелла Вэлли такими застроили целый микрорайон. Компания-застройщик Mighty Buildings утверждает, что это позволило сэкономить 95% рабочего времени строителей.
Сейчас мы в шаге от того, чтобы использовать 3D-печать для создания необходимых объектов на поверхности Луны, используя для этого лунную пыль. Это позволит значительно упростить колонизацию спутника: не придется доставлять туда тяжелые грузы и технику.
8. «Зеленый» водород
«Зеленый» водород сегодня является частью глобальной мировой стратегии по снижению углеродного следа и переходу на возобновляемые источники энергии. Вместе с электрокарами водородные двигатели призваны стать главной альтернативой транспорту на дизельном топливе.
«Зеленый» водород получают экологически чистым способом без применения атомной энергии и природного газа. Самый безвредный метод — электролиз, когда через воду пропускают электрический ток. Это позволит избавиться от 830 млн т вредных выбросов углекислого газа в год — последствия неэкологичного производства водорода.
Сейчас, когда стоимость солнечной и ветровой энергии стремительно падает, появился шанс на массовое внедрение еще и водородной энергетики. В связи с этим Европа начала создавать необходимую инфраструктуру и производство на базе электролиза.
IEA (Международное энергетическое агентство) отмечает рекордный рост электролиза для производства зеленого водорода. Оно прогнозирует, что к 2030 году цена на водородное топливо упадет, как минимум, на 30%, что сделает его таким же доступным, как и другие виды топлива.
Еще до COVID-19 ускорились продажи автомобилей с водородным двигателем, однако сейчас многие производственные мощности замедлились или вовсе остановлены. После пандемии именно водородные технологии могут помочь восстановлению экономики.
Автомобили на водородном двигателе уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler. В Калифорнии построят 100 водородных заправочных станций, а к 2025 году здесь планируют довести количество автомобилей с нулевым уровнем выбросов до 1,5 млн.
Airbus объявила о планах ускорить разработку коммерческих реактивных самолетов с водородным двигателем и полностью отказаться от использования гибридных двигателей. Это значит, что к 2035 году появятся первые самолеты с нулевым уровнем выбросов.
9. Вычисления как сервис
Модель «вычисления как услуга/сервис» (CaaS — Calculation As A Service) или периферийные вычисления — глобальный тренд, наряду с программным обеспечением как услуга (SaaS — Software As A Service), инфраструктурой как услуга (IaaS — Infrastructure As A Service) и платформой как услуга (PaaS — Platform As A Service). Типичный пример такой модели — онлайн-игры или онлайн-кинотеатры. Вы оплачиваете подписку, но сам контент не хранится у вас, а запускается онлайн на сервере поставщика услуг.
Компании приобретают доступ к облачным сервисам, чтобы экономить на ИТ-инфраструктуре и поддержке, а также не перегружать локальную сеть. Это позволяет быстро развернуть и протестировать новый онлайн-сервис или ПО, разместить виртуальную АТС и объемные базы данных. Пандемия заставила многих изменить бизнес-модель и перераспределить ИТ-ресурсы в сторону облачных сервисов.
IDC прогнозирует, что 25% компаний к 2024 году сделают бизнес гибче и устойчивее за счет интеграции периферийных данных с облачными приложениями. Развитию вычислений как услуги будут способствовать машинное обучение и искусственный интеллект. Они помогают распределять и оптимизировать мощности, чтобы обеспечить стабильную скорость обработки данных.
10. Голосовой поиск и голосовые помощники
Распознавание голоса и NLP (нейролингвистическое программирование) у нейросетей достигло той стадии, когда голосовые помощники вполне способны заменить реальных людей или текстовый поиск. Google, Apple и Amazon вкладывают все больше ресурсов в развитие этого направления.
Сегодня мы вполне можем обойтись без текстового поиска: умные колонки и голосовые помощники ищут нужную нам информацию, запускают треки и подкасты, ставят напоминания и набирают номера. Голосовую навигацию используют в управлении беспилотниками, а голосовые чат-боты приходят на смену живым консультантам и операторам колл-центров.
Согласно отчету Google, 27% людей в мире используют голосовые помощники на смартфонах. По данным Adobe Analytics, 47% владельцев умных колонок используют их для поиска, 46% — прослушивания новостей, 34% — чтобы спросить адрес или получить инструкции. Google утверждает, что 62% заказывают с помощью умных колонок товары в сети.
С каждым годом голосовые помощники благодаря ИИ становятся все умнее. В 2013 они могли распознавать 77% произносимых слов, а сегодня — уже 97%. К примеру, когда алгоритм RankBrain от Google встречает новую поисковую фразу, он сам догадывается, что мог искать конкретный пользователь, а затем выдает наиболее подходящие ответы.
В марте Европейский совет по защите данных (EDPB) опубликовал рекомендации по виртуальным голосовым помощникам. В организации обеспокоены тем, какой объем данных они используют и соответствует ли использование этих данных регламенту GDPR. В частности, голосовых помощников все чаще используют для машинного обучения алгоритмов по распознаванию голоса, биометрической идентификации и составления профилей для таргетированной рекламы.
Революционный год: главные научные открытия 2020-го
Сверхбыстрая разработка вакцины от ковида
Научный журнал Science считает самым важным научным достижением уходящего года сверхбыструю разработку вакцин для борьбы с главным ньюсмейкером 2020 — вирусом SARS-CoV-2. Вакцины, действительно, были разработаны и подведены к внедрению в рекордные сроки. Что еще более важно, разработка велась и ведется большим количество независимых групп. Они используют разные подходы, что позволяет «не класть все яйца в одну корзину» — даже если какая-то из методик окажется неуспешной, в масштабах мира и даже отдельных стран можно будет с относительно небольшими потерями перейти на другую.
Две самые нашумевшие вакцины — Moderna и Pfizer — это вакцины мРНК. Эта относительно новая технология одобрена для использования на людях. Она позволяет ввести в организм лишь часть генома коронавируса: таким образом, иммунитет вырабатывается в отсутствие вируса как такового. Самая коммерчески востребованная на сегодня вакцина в мире AstroZeneca использует более традиционную методику — аденовирусный вектор для доставки генетического материала коронавируса в организм (та же методика реализована в российской «Спутник V»). Китайская Sinovac — это инактивированная вакцина, она содержит «убитый» вирус, который способен вызывать иммунный ответ (по тому же принципу работает вакцина, которую создают в Центре им. Чумакова — ориентировочно она будет готова в феврале).
На борьбу с коронавирусом переключились все, кто чувствовал, что их опыт, знания и подходы могут быть полезными
Но одной вакциной революционность 2020 года для медицинской науки не заканчивается. Невиданный уровень мобилизации позволил в сверхкороткие сроки разворачивать для массового обращения то, что ранее использовалось только в лабораторных масштабах. Рекордно быстро были разработаны несколько вариантов ПЦР-тестов на коронавирус. Это вообще первый случай столь масштабного использования этой довольно молодой методики.
Биохимик Кэри Муллис предложил метод ПЦР в 1983 году и получил за эту работу Нобелевскую премию в 1993-м. Невероятная открытость информации и уровень международной кооперации позволили медикам тестировать протоколы лечения одновременно в разных точках Земли и тем самым гораздо быстрее получать данные об их эффективности или бесполезности. В целом же на борьбу с коронавирусом переключились все, кто чувствовал, что их опыт, знания и подходы могут быть полезными. Наука показала, что не зря пользуется организованной общественной поддержкой в последние полвека, и встала на службу общественным задачам.
Первая CRISPR-терапия
Метод редактирования генома CRISPR-Cas9 снова попал в первые строки газет в октябре, когда его создательницы Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье получили Нобелевскую премию, но на самом деле это не главная CRISPR-новость года. Важнее то, что генетическая CRISPR-терапия приходит в клиническую практику.
Экспериментальное лечение получили больные генетическим заболеванием крови — бета-талассемией. Их организм производит дефектную форму гемоглобина, которая не позволяет нормально переносить кислород, поэтому они постоянно чувствуют слабость и истощение, а нарушение структуры красных кровяных телец может вызвать поражение органов и инсульты. Эта болезнь была неизлечимой — пациентов лишь поддерживали переливаниями крови и другими способами. Генетическая терапия позволила участникам эксперимента отказаться от переливаний крови. «Она изменила мою жизнь», — сказала одна из участниц эксперимента. Пока эта методика слишком дорога для массового применения, но она работает — и это революция.
Ученые как инфлюенсеры и активисты
В 2020 году ученые ярко показали себя на общественно-политической арене. В США марши за науку продолжились выступлениями академической среды против дискриминации и за равный доступ в лаборатории всех категорий людей. В июне была инициирована однодневная забастовка в поддержку движения Black Lives Matter, ученые-афроамериканцы рассказывали о своем пути в академию и о возникающих сложностях. Но главной ареной общественной активности ученых стало информирование людей о пандемии коронавируса. Особенно важно это было в ее первые недели и месяцы, когда четких данных о вирусе было мало.
Энтони Фаучи приходилось выступать вслед за Дональдом Трампом и опровергать антинаучную позицию президента
Ученым приходилось не только давать рекомендации о том, как действовать в ситуации неопределенности, четко давать понять, какие данные уже есть и почему мы на них опираемся, и при этом не создать ложной ситуации уверенности, когда информация обновляется и уточняется каждый день.
Во многих странах ученые в короткий срок оказались в ранге звезд массовой культуры по уровню внимания СМИ и общества. Премию имени Джона Мэддокса за активную общественную позицию (вручается в партнерстве с журналом Nature) получили два исследователя — американец Энтони Фаучи и южноафриканец Салим Абдул Карим. Фаучи запомнился тем, что на совместных конференциях с администрацией Белого дома ему зачастую приходилось выступать вслед за Дональдом Трампом и опровергать антинаучную позицию президента, которую тот озвучивал минутой ранее.
Салим Абдул Карим — советник руководства ЮАР, который пользуется большим доверием властей, но что еще важнее — он помог выстроить доверие между властями, наукой и обществом. «Он заслуженно имеет репутацию ученого, способного говорить понятно и честно, и именно это позволило ему добиться общественного доверия к науке в постоянно меняющихся условиях», — отметили организаторы премии. Эта цитата выражает задачу-максимум научной коммуникации 2020 года — можно констатировать, что наука с ней справилась.
Климатическая точность
Наука давно не сомневается во влиянии человека на климат, но из-за комплексности и масштабности задачи моделирования климата планеты прогнозы его изменения были довольно неточными. Однако постоянное накопление данных и совершенствование методов работы с ними позволило добиться значительного прогресса.
Группа из 25 ученых из World Climate Research Programme в своей работе определила, что повышение выбросов углекислого газа вдвое по сравнению с предындустриальной эпохой вызовет рост температуры на 2,6-3,9 °C. Это исследование исключило считавшийся ранее реальным худший сценарий (повышение до 4,5 °C), но и меньших величин хватит, чтобы затопить прибрежные города, вызвать резкую жару и холод и потребовать переселения миллионов людей. Будем надеяться, что внесение определенности позволит правительствам перейти к более конкретным мерам стабилизации ситуации.
Искусственный интеллект против рентгена
Белки, из которых состоит практически все в нашем организме, — это очень большие и сложные макромолекулы, в которых цепочки аминокислот свернуты в причудливые трехмерные структуры. Их правильное функционирование определяется не только и не столько составом, сколько именно этой структурой — правильной сверткой в пространстве.
Чтобы изучить ее, традиционно использовался метод рентгеноструктурного анализа, сам по себе достаточно дорогой и сложный. Кроме того, как источник излучения нужно было использовать кольцевой ускоритель — синхротрон, потому что лабораторные источники не давали нужного уровня энергии. Для постановки эксперимента нужно было вырастить кристалл белка — совершенно неочевидная задача. Затем добиться того, чтобы он не разрушился под действием радиации, и наконец — долго расшифровывать результаты. Это все было настолько сложно, что расшифровка структуры рибосомы, например, удостоилась Нобелевской премии.
Теперь специалисты по искусственному интеллекту утверждают, что можно обойтись без рентгена. Британский проект DeepMind заявил, что их алгоритм справляется с определением структуры белка так же хорошо, как и рентгеновский эксперимент. Ожидается, что в течение нескольких месяцев и другие проекты смогут приблизиться к этой точности, потому что все данные об алгоритме открытые.
Радиовсплески из далекого космоса
Быстрые радиовсплески — это поразительно мощные радиосигналы из дальнего космоса (галактик, находящихся на расстоянии миллионов световых лет от Земли). Они очень короткие — всего доли секунды, но за это время успевают выпустить энергию на 500 млн Солнц. Еще более странно то, что большинство из них не повторяются. Поэтому их очень сложно изучать и тем более прогнозировать.
В 2020 году в этой области произошел совершенный прорыв — американские и канадские ученые обнаружили источник повторяющихся быстрых радиовсплесков в нашей галактике — им оказался магнетар, нейтронная звезда особого типа. Теперь наблюдать их можно будет более регулярно и систематически, а значит, можно получить гораздо более системные и подробные данные.
Самое древнее произведение искусства
Ученым удалось обнаружить и корректно датировать наскальное изображение возрастом более 40 тысяч лет. В пещере на индонезийском острове Сулавеси доисторический художник изобразил охоту людей с головами животных на бизонов и кабанов. Датировать изображение удалось по уровню распада радиоактивного урана, содержащегося в отложениях, покрывших рисунки за тысячи лет существования. Изображение оказалось самым древним известным на сегодня произведением изобразительного искусства.
Новые данные о ВИЧ
Сегодня носители ВИЧ могут вести полноценную жизнь и жить примерно столько же, сколько их обычные сверстники, при условии приема антиретровирусных препаратов. В этом году ученые завершили масштабное исследование особой группы людей — ВИЧ-положительных пациентов, у которых СПИД не развивается, несмотря на то, что препараты они не принимают.
Оказалось, что в их клетках ВИЧ связывается с хромосомами особым образом — это позволяет ему «прятаться» от иммунитета, как и у обычных людей, но не позволяет развиваться. Пока это не лечение, но собранные данные открывают новый подход к будущим терапиям.