Без проб и ошибок. Как цифра решает проблему неудачных экспериментов при создании новых материалов ― в интервью с Александром Павловым

Новые материалы незаметно, но широко проникли во многие отрасли экономики. Из одних получаются легкие баллоны, выдерживающие большое давление, другие можно раз за разом перерабатывать в новые изделия, сокращая таким образом количество мусора, на основе третьих создаются элементы микроэлектроники. Раньше для создания материалов с заданными свойствами требовались эксперименты, зачастую ошибочные и безрезультатные, — лишние траты времени и ресурсов.

Решить проблему быстрого и точного синтеза новых материалов теперь помогают цифровые технологии: смоделировать структуру материала и его свойства возможно в виртуальном мире. Этим, в частности, занимаются ученые Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Какие задачи ученые поручают цифровым технологиям и насколько точны решения? Какие области наиболее заинтересованы в новых материалах? Когда в системе образования появится новое направление и какие компетенции объединит? Об этом ― в интервью с кандидатом химических наук, директором Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Александром Александровичем Павловым.

― Цифровые технологии сегодня широко применяются во многих сферах. В центре НТИ вы занимаетесь цифровым материаловедением. В чем роль цифровизации этой области науки? Чего вы ждете от применения таких технологий?

― Действительно, цифровые технологии плотно вошли в нашу жизнь, в том числе в финансовую сферу и логистику. Наука в целом и в частности материаловедение ― более консервативные области, поэтому новые технологии проникают в них с определенным трудом. Но тем не менее сейчас есть все условия и предпосылки для их внедрения. Наш центр этим и занимается.

― Какие задачи вы поручаете искусственному интеллекту?

― Цифровое материаловедение ― это не только ИИ, но и значительные объемы различного моделирования, в том числе основанного на физических принципах. Подход, который мы пропагандируем в разработке новых материалов, основан на двух частях. В первую очередь это физическое моделирование, в какой-то степени его основоположником можно назвать такой университетский предмет, как сопромат. А ИИ ― это только вторая часть системы, помогающая физическому моделированию получать более точные расчеты. 

Когда говорят о задачах цифрового материаловедения, в основном подразумевают моделирование структуры материалов и предсказание их свойств. Конечно, это важная, но далеко не единственная часть науки. В том числе методы цифрового материаловедения позволяют оптимизировать технологические процессы: например, на производстве возникли определенные неполадки, которые нужно решить. Чтобы разобраться, как протекает технологический процесс, возможно создать его цифровой двойник, в основе которого лежат методы ИИ и физического моделирования. Таким образом мы в цифровом мире воссоздаем процессы производства, до деталей разбираем его, находим проблемные участки и получаем возможность в реальном мире оптимизировать или корректировать то, что необходимо. В этом суть цифрового материаловедения: перевести некоторые этапы разработки, возможно, неудачные попытки и эксперименты в цифровой мир.

Сегодня есть все предпосылки для того, чтобы это действительно работало и приносило пользу. Во-первых, это бурное развитие методов ИИ. Во-вторых, экспоненциальный рост вычислительных мощностей: с их увеличением мы можем использовать более сложные и, соответственно, более точные модели. Кроме того, активно развиваются теории строения материалов. Все это привело к тому, что цифровой подход в разработке материалов начал приносить реальную пользу. Раньше наши предки строили дома без предварительных расчетов, по наитию. Если бы кто-то пришел к ним и сказал: «Давайте строить иначе, я посчитал…», ему, возможно, и не поверили бы. Или была традиция, когда конструктор моста при сдаче объекта вставал под него, принимая таким образом прямую ответственность. Сейчас это не нужно. Мосты и дома строятся на основе предварительных расчетов, и мы абсолютно убеждены, что они выполнены точно и достоверно. Теперь пришло время расширить этот подход и на материалы, из которых изготавливаются конструкции.

― Насколько точны сегодня цифровые технологии в области материаловедения? Цифра может обмануть?

― Конечно, в настоящий момент существуют неточности и погрешности, пока от этого не уйти. И главное в этом вопросе ― контролировать такие погрешности: в такой ситуации мы, применяя эти материалы в конструкциях, можем заложить определенные допуски.

Развиваются теория строения материалов и информационные технологии: одна из актуальных задач ― сделать расчеты более точными. При этом их достоверность различается: существует огромное многообразие видов материалов и их свойств, поэтому точно сказать, что сегодня мы видим погрешность в 5% или 10%, нельзя. Все это зависит от материала, его свойств и типа расчета.

― В России до сих пор существует барьер между бизнесом и наукой. И термин «долина смерти» — область, в которой остается значительная часть разработок, — тоже актуален. Насколько эти сложности заметны в вашей работе?

― Да, эта проблема актуальна и для нас, хотя мы видим, что правительство делает многое для того, чтобы ликвидировать этот барьер. Существуют меры поддержки от Министерства промышленности и торговли, Министерства науки и высшего образования, видна поддержка фундаментальных и прикладных проектов. Но пока барьер остается, и, если сделать его менее ощутимым, в реальную жизнь было бы внедрено гораздо больше научных разработок, в том числе нашего центра.

Основная проблема в том, что частный бизнес не готов делать рискованные инвестиции. Мы общаемся с представителями компаний, показываем свои разработки, но часто все сводится к тому, что они говорят: «Очень интересно и перспективно, но для нас это слишком большие риски. А что, если продукт не получится?»

Действительно, это наука и результат всегда неизвестен, он может быть даже отрицательным. Поэтому внедрить что-то удается не так часто, хотя у нас есть и успешные примеры. Гораздо эффективнее этот процесс происходит при государственной поддержке. Это не значит, что нам или компаниям просто выделяют средства на проект, в основном это выражается в том, чтобы обеспечить первоначальное финансирование, сформировать «бюджетный рычаг». А в будущем использование нашей технологии позволит компаниям заработать больше и показать эффект от вложенных государством средств.

― От каких отраслей экономики вы видите наибольший отклик: от авиакосмической промышленности, медицины, строительства, станкостроения?.. Где востребованы новые материалы?

― Мы занимаемся не всеми материалами, их слишком много. И контакты с отраслями, разумеется, зависят от области нашего интереса.

Значительная часть нашей работы ― это конструкционные материалы. Поэтому исследованиями интересуются компании, работающие в области автомобилестроения, авиастроения, судостроения. Новые материалы в этих отраслях могут, например, облегчить конструкцию самолета, сделать более прочной конструкцию кузова автомобиля или защитить корпус корабля от обрастания водорослями.

Критичная ситуация складывается в области материалов для микроэлектроники. Мы раньше в основном пользовались импортными технологиями, которые из-за санкций стали недоступны. Поэтому сегодня так важно развивать микроэлектронику, а в ее основе опять же лежат материалы. Мы отчасти занимаемся этим направлением. Очень перспективный проект в этой области ― создание электрооптических материалов, на основе которых уже к концу года мы планируем выпустить серию модуляторов для средств связи. Наверняка многие заметили, что с введением санкций качество мобильной связи ухудшилось. Это связано с тем, что компоненты для вышек связи стало тяжелее закупать за границей. Мы надеемся решить эту проблему совместно с партнерами.

― Какие еще перспективные исследования вы проводите?

― Достаточно большая область работы ― это термопластичные полимеры: во многих странах они уже пришли на замену реактопластам. Реактопласты ― это материалы, из которых формируются определенные изделия, например эпоксидная смола. Но если эпоксидная смола затвердевает и после этого с ней ничего сделать не получится, то термопласты возможно второй и третий раз переработать в другие материалы. Они более экологичны в силу того, что после использования не отправятся на помойку, а по конструкционным и физико-механическим свойствам превосходят многие известные материалы. Кроме того, с помощью цифрового подхода мы можем обеспечить на уровне молекул итоговые свойства материала, которые необходимы для конкретной конструкции.

― Возможно ли прогнозировать сроки создания нового материала с заданными свойствами?

― Что-то можно создать за несколько месяцев, что-то за год, а иные проекты растягиваются на много лет, все зависит от сложности конкретной задачи. Но наука тем и хороша, и потому много молодых людей выбирают это направление работы: здесь интересно, потому что заранее непонятно, какой будет результат и будет ли он вообще.

― Гордитесь какой-то конкретной разработкой?

― Самый яркий пример ― это внедрение технологии изготовления композитных баллонов для газа. Для того чтобы баллоны выдерживали высокое давление, их обычно изготавливают из металла. Они тяжелые. Наши композитные баллоны гораздо легче металлических и выдерживают до 1 тыс. атмосфер, что сравнимо с традиционными аналогами, а иногда и превосходит их. Сейчас такие баллоны на предприятии выпускаются серийно, используются в различных сферах, в том числе в космической.

― Где-то на МКС плавает ваш баллон?

― С большой вероятностью.

― Известная сложность всей отечественной науки ― молодые кадры. Как складывается ситуация у вас?

― Сейчас даже по сравнению с недавним периодом, когда в науку шел я, стало модно развиваться в этом направлении. Ведь не всегда ученых уважали в обществе, а профессия считалась престижной. Более успешным казался путь экономиста, юриста, политика… Но теперь ситуация во многом изменилась, и очень много молодых ребят идут на технические специальности и планируют связать жизнь с наукой. Поэтому проблем с привлечением молодых ребят в наш центр НТИ со студенческой скамьи по большому счету нет. Они приходят с энтузиазмом и действительно хотят создавать и внедрять полезные вещи.

Но одновременно появилась сопутствующая проблема: когда формируется новое направление науки, в нашем случае цифровое материаловедение, оказывается, что ранее никто не готовил студентов такой специальности. У нас в команде есть программисты, специалисты по искусственному интеллекту, по квантово-химическому моделированию, по инженерным расчетам и т.д. Но каждый из этих специалистов ― профессионал в чем-то одном, а специалист в области цифрового материаловедения должен знать хотя бы чуть-чуть все эти области.

Понимая эту проблему, мы работаем над созданием магистратуры по специальности «Цифровое материаловедение» и со следующего сентября начнем набор студентов. Программа составлена так, чтобы дать ребятам все необходимые междисциплинарные навыки и компетенции. Конечно, мы рассчитываем, что после обучения выпускники продолжат работу в нашем центре, поступят в аспирантуру, начнут защищать диссертации. Поэтому в создании новой квалификации у нас есть свой интерес.

― Центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» не единственный, работающий в этой области науки. Чем ваша работа отличается от исследований других институтов?

― Цифровое материаловедение — очень широкая и, конечно, не абсолютно новая область науки. Подобными исследованиями занимается множество разрозненных команд, и мы поставили себе цель объединить разработки. Основной проект, которым мы сегодня занимаемся, ― это создание единой платформы цифрового материаловедения: проект выполняется в рамках дорожной карты высокотехнологичного направления «Новые материалы и вещества», четвертое поднаправление ― «Цифровое материаловедение и перспективные материалы». Наша задача ― консолидировать все разработки в этой области в России и дополнить их недостающими исследованиями.

Кроме того, наш центр отличается от многих тем, что мы не теоретики, а практики, поэтому наши разработки не уходят «в стол». Мы делаем то, что сами же и будем применять. В центре сформировался союз между разработчиками цифровых инструментов, химиками, которые будут применять эти инструменты, материаловедами, которые будут использовать новые химические вещества, и конструкторами, которые из этих материалов будут создавать конкретные детали. Так мы создали полный цикл разработки материалов от идеи и моделирования до создания и внедрения.

― Какие перспективы у цифрового материаловедения в России?

― Мы уже видим, что многие конструкции и изделия проектируются и создаются с первого раза, неудачных попыток и тупиковых шагов практически нет. Наша цель в том, чтобы новые материалы также создавались с первого раза. Необходимо избавиться от лишних этапов в разработке, неудачных синтезов и ошибочного молекулярного дизайна материалов ― все это должно уйти в цифровой мир и таким образом сэкономить ресурсы и время.