Первый месяц весны принёс много хороших вестей в различных сферах науки. Так, отечественная квантовая нейросеть уже решила первые простые задачи, была разработана методика создания прочных прозрачных экранирующих покрытий, создан биосовместимый материал для создания электродов для медицинских устройств. Об этих и некоторых других достижениях далее в статье.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
Отечественная квантовая нейросеть решила первые задачи
💡 Простыми словами
Квантовое машинное обучение — это новый подход к классическим алгоритмам, который объединяет собственно квантовые системы и классическое машинное обучение. Эти алгоритмы и без того с каждым годом становятся всё сложнее и требуют больших вычислительных ресурсов. При этом темп роста вычислительной мощности компьютеров постепенно уменьшается. Поэтому учёные стремятся внедрять квантовые системы, которые могут решать многие задачи гораздо быстрее классических компьютеров. Так, в Москве реализовали фундаментально новый тип нейросети, который включает в себя цепочку сверхпроводящих кубитов. Получившаяся квантовая нейросеть смогла решить задачи многоклассовой классификации и распознавания рукописных изображений с точностью более 90 %.
👨🔬 Детально
Группа физиков МФТИ провела ряд экспериментов, используя модель гибридного классификатора, ускоренную квантовым симулятором. Они использовали цепочку сверхпроводящих кубитов для решения задач классификации и распознавания изображений. С помощью нейросети они решали разные типы задач, включая задачу четности (чет/нечет), обнаружения меток рака молочной железы (есть/нет) и классификации вин (многозначная типология по десятку параметров). Они также продемонстрировали эффективность своего подхода в задаче распознавания рукописных изображений цифр.
Квантовая модель, созданная учёными, достигла точности 94 % в стандартных задачах классификации с несколькими метками и точности 90 % при распознавании рукописных десятичных цифр. Это было подтверждено методом перекрестной проверки. Благодаря необычным свойствам квантовых операций, обучение модели происходило довольно быстро и эффективно. Теперь учёные хотят увеличить количество кубитов в квантовом симуляторе, чтобы перейти к решению задач посложнее (например, задачи регрессии), а также перейти от классических данных к квантовым.
Разработали технологию создания компонентов для первого отечественного водородного двигателя
💡 Простыми словами
Водородные топливные элементы применяются в системах аварийного энергоснабжения, авиастроении, космической отрасли и так далее. В России эти области были хорошо развиты, однако для производства использовалось в основном зарубежное сырьё. Сейчас учёные активно трудятся, чтобы как можно больше технологий и материалов в схеме производства заменить на отечественные аналоги. Одним из компонентов, для которого в марте разработали собственную технологию создания, стал материал для газодиффузионных слоёв для первых в России водородных топливных элементов. Его решили делать из углеродных тканей, нетканых материалов и бумаг — сырья, имеющегося в стране в огромном количестве. Технология также требует меньше стадий производства в сравнении с зарубежными аналогами, что делает её ещё более экономически выгодной.
👨🔬 Детально
Для создания газодиффузионных слоев учёные из Санкт-Петербурга взяли специальный углеродный волокнистый материал, а затем обработали его гидрофобизирующими добавками. Таким образом они улучшили водоотталкивающие свойства исходного материала. Затем для образования гидрофобного покрытия материал проходит несколько стадий термической обработки. Благодаря пористой углеродной структуре, которая сохраняется даже после всех описанных манипуляций, у учёных остаётся возможность простого подвода реагентов и отвода продуктов реакции. Кроме того, материал отвечает стандартам качества по электропроводности и теплопроводности для высокого КПД и отвода тепла. Образцы газодиффузионных слоёв из нового материала уже проходят испытания на стендовых установках водородных топливных элементов.
Создали «активную» самоорганизованную защиту для электронных устройств
💡 Простыми словами
В наше время окружающее нас пространство буквально перенасыщено различными электромагнитными волнами, которые могут негативно влиять на работу систем связи, точных измерительных устройств и даже на здоровье человека (например, на работу кардиостимуляторов). Чтобы предотвратить эти воздействия, материаловеды занимаются созданием радиоэкранирующих материалов, которые в подавляющем большинстве являются непрозрачными. Однако прозрачные объекты в некоторых случаях также нуждаются в экранировании.
Например, защита данных электронных устройств за счёт экранирования электромагнитного излучения от дисплеев — одна из самых актуальных задач информационной безопасности. Российские исследователи разработали концепцию «активного» самоорганизованного шаблона, который может сам адаптироваться под напыление толстых слоев металла, что позволяет создавать покрытия с отличными оптоэлектрическими свойствами и эффективным экранированием в широком диапазоне частот.
👨🔬 Детально
В качестве прозрачных экранирующих покрытий чаще всего используют плёнки металлических микро- и наноструктур, которые производят при помощи литографии. Однако получаемые шаблоны имеют ограничения по толщине напыляемого металла не более 300 нанометров. Это очень низкий показатель, поэтому эффективность экранирования оставляет желать лучшего. Отечественные прозрачные радиоэкранирующие покрытия созданы на основе самоорганизованных шаблонов из яичного белка. Методика основана на циклическом попеременном воздействии влажного и сухого горячего воздуха.
Такой подход позволил увеличить толщину металла, напыляемого на самоорганизованный шаблон, более чем в 5 раз. В итоге было получено микросетчатое проводящее покрытие толщиной более 1 микрометра с прозрачностью около 90 %, высокой химической и механической стабильностью, а также рекордными оптоэлектрическими характеристиками. На основе этого материала была создана модель двухкамерного радиоэкранирующего стеклопакета с высокими параметрами оптической прозрачности (80 %) и эффективности экранирования (71 дБ).
Придумали биоэлектрический материал для быстрого заживления ран
Учёные уже давно доказали, что процессы, протекающие при заживлении ран, можно эффективно контролировать при помощи электрических импульсов. Интересно, что электрическое поле также оказывает антимикробное воздействие и препятствует образованию рубцовой ткани. Соответственно, устройств, которые использовали бы электростимуляцию, придумали уже достаточно много. Однако у всех них существует один существенный недостаток — низкая биосовместимость. То есть электрод, который соприкасается с кожей, отторгается тканями человека, что ограничивает медицинский эффект. Учёные из Санкт-Петербурга разработали новый биосовместимый материал, который к тому же можно использовать в качестве электрода в медицинских приборах. Он не отторгается кожей, легко стерилизуется температурной обработкой, обладает высокой износостойкостью и так далее. Материал пока что был протестирован только в лабораторных условиях в пробирке. Однако стоит учесть, что даже за рубежом подобные материалы в промышленном масштабе ещё никто не производит.
Разработали технологию получения скандия для высокотехнологичных отраслей промышленности
Скандий — это лёгкий мягкий переходный редкоземельный металл, относящийся к простым веществам (то есть состоящий из атомов одного химического элемента, в данном случае Sc). Он применяется во многих высокотехнологичных отраслях промышленности, например, для улучшения прочности сплавов (титана), в производстве микроэлектроники (широкополосных СВЧ-фильтров для смартфонов), в ядерной энергетике, для производства рентгеновских зеркал, для создания огнеупорных материалов и так далее. В природе существует всего один стабильный изотоп данного вещества, который сконцентрирован всего в нескольких месторождениях по всему миру. Поэтому большую долю скандия для указанных выше задач производят методом синтеза.
Научно-исследовательский институт редкометаллической промышленности (входит в «Росатом») как раз специализируется на разработке новых материалов на основе редких и драгоценных металлов, их соединений и сплавов, высокочистых веществ, полупроводниковых и наноматериалов. При этом специалисты сами проводят полный цикл работ от идеи до готовой продукции. Так, они разработали малоотходную технологию получения высокочистого металлического скандия из его оксида. С её помощью удалось получить металлический губчатый скандий и его слитки чистотой 99,95 %, дистиллят скандия чистотой 99,99 %, с низким содержанием газовых примесей, а также безводные хлориды скандия 99,95 % чистоты и лития 99,99 %. Учёные на базе института собрали опытно-промышленное производство скандия мощностью 5 кг в месяц, чтобы показать эффективность технологии. Уровень производства легко масштабируется.
Собрали робота-амфибию, который будет участвовать в поисково-спасательных операциях
Специалистам из «Специального конструкторско-технологического бюро прикладной робототехники» удалось создать нового многофункционального робота-амфибию, сферы применения которого охватывают проведение поисковых операций и ликвидацию последствий различных стихийных бедствий, пожаров и аварий на затопленных объектах, в шахтах и даже на атомных станциях. Это поможет существенно снизить риск для жизни спасателей, на сегодняшний день вынужденных самостоятельно пробираться в эпицентры полыхающих зданий и так далее. Конечно, роботы уже давно применяются в поисково-спасательных операциях, однако они либо наземные и обладают низкой проходимостью, либо это маленькие воздушные дроны, огнеупорность, радиостойкость и другие критически важные показатели которых находятся не на самом высоком уровне.
Робот-амфибия же сможет полностью закрыть весь спектр работ, связанных с затопленными помещениями, а также некоторые операции на суше (здесь у него ограниченная проходимость, как и у других наземных роботов). Устройству не страшна солёная вода, высокие дозы радиации, а также отличная термостойкость. Оно может работать на глубине до четырёх метров и переносить до 25 килограмм полезной нагрузки. Управление осуществляется по беспроводной связи.
