Гель вместо силикона

Издавна человечество задумывалось о бессмертии, и, похоже, что эта мечта вот-вот станет реальностью. Это не стало следствием успеха медиков, изучающих феномен человеческого долголетия. Она может стать возможной «виртуально» — через сохранение информации человеческого мозга, потенциально открывающей возможности ее использования и после того, как его носителя уже нет. Как известно, все мы являемся и носителями своего собственного интеллекта, зафиксированного в мозгу. И сохранение ее после смерти, согласен, звучит более чем невероятно, тем не менее, это реально. Воплотить эту идею в жизнь намерены казахстанские ученые Григорий Мун из Казахского национального университета им. аль-Фараби и Ибрагим Сулейменов из Алматинского института энергетики и связи, чьи научные открытия позволяют допускать, что человечество стоит всего в одном шаге от этого. Ими разработан искусственный нейрон — аналог клетки головного мозга. Из таких нейронов можно собрать сеть, которая позволяет осуществить перенос человеческого сознания на небелковый носитель информации. Те же самые принципы можно использовать для создания более простых информационных систем — трехмерных телевизоров, принтеров и т.д.  Конечно, информация из мозга — это не сама личность, которая получит бессмертие, ведь значительную ее часть составляют не мыслительные процессы, а следствия работы различных желез (эмоции). Конечно, пока нет никакого механизма дешифровки мозговой активности, которая бы переносилась из сферы «посмотрите! После мысли о матери снова возбуждена левая лобная доля!» в математические и логические выкладки (тексты, изображении и проч.). Тем не менее, казахстанские ученые уверены, что совершают настоящий прорыв в науке.

— Неужели действительно можно скопировать человеческий мозг? И в чем суть ваших открытий?

Профессор Мун: В истории науки чаще всего случаются открытия, сделанные эмпирически, т.е. опытным путем. Но есть и многочисленные противоположные примеры, когда открытие было сделано на основании теоретических предсказаний, основанных на уже известных результатах. Наши выводы о возможности создания нейрокомпьютера на основе полиэлектролитных гидрогелей относятся ко второй из этих категорий и базируются на установленных нами закономерностях. Эти закономерности составляют основу заявок на научные открытия, поданных нами в Международную академию авторов научных открытий и изобретений. В настоящее время на первую заявку уже выдан диплом о научном открытии за №364, по материалам второй мы уже также получили положительное решение.

Что же такое полиэлектролитные гидрогели? Это полимеры, макромолекулы которых способны приобретать определенный заряд. При этом такие полимеры обладают экстремально высоким сродством к воде и при контакте с последней стремятся раствориться в ней. Однако этому препятствует сшитая, или, иными словами, сетчатая структура составляющих их макромолекул, которая не позволяет растворяться таким полимерам, поскольку все макромолекулы таких полимеров связаны химическими связями в единую трехмерно-сшитую сетку.. Для таких сетчатых полимеров остается только одна возможность для реализации своего высокого сродства к воде, а именно: вместо того чтобы растворяться в воде, они, наоборот, поглощают ее, причем в колоссальных с обычной точки зрения количествах. Достаточно сказать, что 1 г сухого сшитого полиэлектролита способен поглощать от нескольких граммов до нескольких килограммов воды! В соответствии с количеством поглощенной воды объем гидрогелей также меняется в десятки и сотни раз. Думаю, что каждый читатель знаком с такими гидрогелями из телевизионных реклам всякого рода памперсов, прокладок и т.п., основу которых составляют сухие гранулы сшитых полиэлектролитов.

Суть наших научных открытий вкратце сводится к тому, что нам удалось установить и доказать, что полученные нами полиэлектролитные гидрогели, обладают совокупностью свойств, позволяющих говорить о возможности создания на их основе информационных и вычислительных систем нового поколения. В таких системах элементная база приближается по характеру к биологической, наиболее ярким примером здесь является, разумеется, нейрокомпьютер. При этом постановка проблемы, сама по себе, достаточно проста. Индивидуальность человека формирует информация, записанная в нейронной сети, которую формируют клетки мозга. Основа человеческой личности — это все же не набор белков и нуклеиновых кислот, а та информация, которую они позволяют фиксировать, — память, привычки, впечатления и так далее. Информацию же, как известно, можно хранить неограниченно долго, меняя носители по мере старения. Нейрокомпьютер, элементы которого формируют точно такую же сеть, как и человеческий мозг, позволяет, в принципе, переписать сознание с одного носителя на другой (естественно, сознание, как сумма информации — не будет личностью в том смысле, в котором, скажем, существовала голова профессора Доуэля в произведении Беляева). На сегодняшний день нами реализованы основные элементы искусственного нейрона — аналога клетки человеческого мозга, получен еще целый ряд важных научных результатов. Это позволяет с уверенностью говорить, что нейрокомпьютер, сопоставимый по характеристикам с головным мозгом, будет реализован в обозримой перспективе, но обо всем этом подробнее расскажет мой коллега профессор Сулейменов. Я же хотел бы обратить ваше внимание на несколько другое обстоятельство. О бессмертии человечество мечтает с незапамятных времен, жизнь после смерти является краеугольным камнем многих религий. Поэтому неудивительно, что все наши выводы будут звучать для неспециалиста фантастикой до тех пор, пока первый из жителей Земли действительно не приобретет новую жизнь в небелковом теле. Однако есть фактор, который делает вопрос о нейрокомпьютерах на основе полиэлектролитов чрезвычайно важным независимо от того, удастся достичь «информационного бессмертия» в ближайшие десять лет, или нет.

Прогресс никогда не был равномерным: сравнительно долгие периоды затишья сменялись бурным развитием в одной, реже — нескольких сразу областях знания. Почти на каждом этапе можно выделить некоторые стержневые идеи, вокруг которых сосредотачивались все остальные работы, проводимые в рамках отдельных научных направлений. Используя современную логистику, это можно выразить понятием «инновационный кластер». Реализовать одну, самую плодотворную идею очень сложно — для этого, как минимум, необходима соответствующая инфраструктура. Не случайно подавляющее большинство достижений и российских, и казахстанских ученых остается нереализованным. Финансирование новой научной идеи — это всегда риск, и он многократно возрастает, если данные идеи разрозненны, скажем, относятся к различным областям науки и техники. Совсем другая ситуация складывается, когда идеи, наработки и новые концепции формируют некоторую систему, представляющую собою инновационный кластер. Упрощенно говоря, если внедряется не отдельное изобретение, а их большое количество. Тогда неудачи на одном направлении будет компенсированы успехами на других.

Новые информационные технологии на основе полиэлектролитов формируют как раз такой инновационный кластер. Рассматривая нейрокомпьютер как сверхзадачу, можно предложить целый ряд новых уникальных устройств, которые могут быть реализованы уже в ближайшее время. В частности, к ним относятся трехмерный телевизионный экран, новые системы принтеров на основе гидрогелей и т.д.  Такие системы на химическом факультете КазНУ им. аль-Фараби разрабатываются в настоящее время совместно с Алматинским институтом энергетики и связи. Идеи, положенные в основу нейрокомпьютерных систем, способны приносить прибыль уже в ближайшем будущем. В частности, принтеры на гидрогелевой основе, трехмерные телевизионные экраны большого размера могут быть выполнены в течение буквально двух лет. Даже первые опытные образцы в состоянии окупить себя за счет применения в шоу-бизнесе, рекламе и т.д.  Реализация таких систем, мы надеемся, послужит и доказательством правомочности постановки вопроса о достижении бессмертия.

— Будь я верующим, назвал бы это божьим промыслом. И вы можете продемонстрировать какие-нибудь доказательства?

Профессор Мун: Конечно. Например, ячейку трехмерного телевизионного экрана или демонстрационный макет принтера. Мне хотелось бы подчеркнуть, что мы изначально ориентируемся только на разработку систем, максимально простых в техническом исполнении. Поэтому и опыт, доказывающий работоспособность ячейки, настолько же прост, насколько сложна теория, которая ее породила. Кстати, ее автором является профессор Сулейменов, ученик и один из ближайших соратников крупнейшего ленинградского физика и химика — Сергея Френкеля, светила с мировым именем, который, увы, не дожил до воплощения своих идей в жизнь.

Опыт, о котором мы говорим, можно провести прямо на ваших глазах, и его, кстати, может повторить любой старшеклассник, который помнит, как пользоваться фенолфталеином — индикатором, остающимся бесцветным в кислой среде и меняющим окраску на ярко-малиновую в щелочной. Если поместить гель на основе полиакриловой кислоты в раствор щелочи, в который добавлен фенолфталеин, то можно видеть необычный эффект — сам гель остается бесцветным, а раствор над ним приобретает малиновую окраску. Гель, нужный для такого опыта, можно взять из самого обычного памперса; он находится внутри, в виде маленьких гранул. В опыте, который может поставить любой желающий, набухшие бесцветные гранулы будут плавать в малиновом растворе.

Объемом геля можно управлять, например, заставить его сжаться с помощью электрического тока, а если использовать специальные гели, то их объем, можно регулировать с помощью температуры или света. Тем самым можно управлять и цветностью ячейки — она будет прозрачной, если гель занимает весь объем, и окрашенной, когда гель переходит в сжатое состояние, выделяя раствор наружу. Заметьте — ячейка в исходном состоянии остается прозрачной, следовательно, из них можно собрать не только плоский экран (как в ЖК-компьютерах), но и трехмерный. Более того, на химическом факультете КазНУ уже давно синтезированы гидрогели, чувствительные к небольшим (в 2–3 градуса) перепадам температуры. Следовательно, управлять распределением цветности в системе таких ячеек можно с помощью инфракрасного луча, делая трехмерную развертку примерно так же, как и в обычном телевизоре.

— Как-то слишком уж просто и буднично выглядит такой опыт…

Профессор Сулейменов: Чем проще технология, тем лучше она работает. Цифровая техника потому и покорила весь мир, что в ее основе лежит более чем простая идея — двоичная ячейка, способная находится только в двух состояниях. Кстати, именно от двоичных систем мы и отталкивались в своих работах. В название нашего открытия за №364 вынесен термин «триггерный эффект». Под триггером обычно понимается система, способная находиться в двух устойчивых состояниях и переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего сигнала. Одно состояние всегда можно принять за логический «ноль», а другое — за «единицу». Все остальные операции, которые производит современный компьютер, в сущности, представляют собой именно действия над такими двоичными логическими переменными. Наше открытие позволяет использовать квазибиологические системы для реализации ячеек памяти и двоичной логики. При этом существенно, что предложенный нами квазибиологический триггер может иметь наноразмеры, что делает данное открытие весьма перспективным и для бурно развивающейся в последнее время нанотехнологии. Второе открытие касается того, как именно можно записывать информацию в нейронную сеть и считывать ее оттуда.

Разработанный нами триггер может быть основой и для нанокомпьютера — системы, которая по принципу действия близка к современным вычислительным машинам, но отличается от них намного меньшими масштабами отдельной ячейки памяти. В случае же нейрокомпьютера триггер служит не для проведения логических операций, а для формирования сигналов, распространяющихся по искусственной нейронной сети. Тот же принцип — бинарные ячейки, может быть положен и в основу телевизионных экранов следующего поколения и многих других систем, в которых операции будут осуществляться элементами квазибиологической природы. Работоспособная идея, подчеркну еще раз, всегда проста. Основные сложности начинаются на стадии создания коммерчески значимых моделей.

— Это тоже очень серьезный вопрос — располагает ли Казахстан необходимыми средствами и возможностями? Насколько реально найти поддержку у нас в стране? Проявляет ли кто-либо заинтересованность? И главное, каковы достижения в этой области исследований?

Профессор Сулейменов: Если говорить об инфраструктуре, необходимой для организации, скажем, производства телевизионных экранов на новых принципах или принтеров нового поколения, а точнее, о создании инновационного кластера под названием «информационные технологии на основе полиэлектролитов», то все страны мира в этой области находятся примерно в одинаковом положении. Готовых наработок нет ни у кого, потенциал здесь определяется преимущественно научными школами. Если же говорить о физике и химии полиэлектролитов, то это единственно известная мне область, в которой казахстанская наука опережает и российскую, и западную. Что же касается финансовых средств, то Казахстан, как известно, за три последних года уже затратил около 16 миллиардов тенге на реализацию космической программы. В газетных публикациях, относящихся к периоду становления этой программы, неоднократно говорилось, что космические технологии должны стать локомотивом для всех остальных отраслей промышленности, т.е.  вопрос, по существу, сводится к адекватному выбору приоритетного направления. По нашему мнению, такой выбор невозможно осуществить без открытых научных дискуссий. Именно поэтому мы организовали постоянно действующий семинар «Новые информационные технологии на основе полимеров», и приглашаем всех заинтересованных специалистов принять участие в его работе.

— Давайте вернемся к вопросу об «информационном бессмертии». Какая может быть связь между трехмерным телевизионным экраном, принтерами и человеческим мозгом?

Профессор Сулейменов: Самая прямая. По существу, во всех этих системах используется один и тот же эффект, который мы назвали триггерным. Два устойчивых состояния порождают возможность использовать двоичную логику, но это не исчерпывает возможностей полимерных триггерных систем. Подчеркну еще раз, что современные вычислительные системы во многом возникли на основе триггеров — радиотехнических схем, способных находиться в двух устойчивых состояниях. Нечто подобное удалось создать и на основе термочувствительных гидрогелей, которые исследовательская группа профессора Муна изучает уже почти двадцать лет, если не больше. Собственно, международную известность ему принесли исследования именно в области термочувствительных полимеров.

Внешние проявления эффектов тоже довольны просты. Термочувствительные гели скачком изменяют объем при воздействиях температуры. Поэтому на их основе можно сделать аналог триггера, системы, переходящей из одного состояния в другое по достижении некоторого порога воздействия. На опыте это выглядит так. Температура геля плавно изменяется, и ничего не происходит, пока она не достигнет критической точки. Потом гель резко сжимается, уменьшая объем в несколько раз, жидкость из него выделяется вовне. Заметьте, нам нужно записать информацию в трехмерную структуру с помощью светового луча. Следовательно, чтобы воздействовать на ячейки в глубине структуры, луч должен пройти через наружные слои. Чтобы они не среагировали на свет, нужно использовать рабочее вещество с пороговыми характеристиками. Тогда цветность будет менять только та ячейка, в которой фокусируется излучение достаточной мощности. Именно поэтому для работы трехмерного телеэкрана нужны гели, способные выполнять функции элементов с двумя устойчивыми состояниями, т.е.  триггеров.

Подобные триггеры составляют основу искусственной нейронной сети. Каждый из них может переходить в возбужденное состояние, передавая импульс по искусственным аналогам нейронных волокон. Собственно, для работы нейронной сети больше ничего и не нужно. Нейронные сети в отличие от используемых сейчас компьютеров не содержат отдельно процессора, отдельно блоков памяти и т.д.  Они строятся на основе сходных элементов, а информация, упрощенно говоря, хранится не в отдельных ячейках, а во всей сети сразу. Нейроинформатика представляет собой уже сформировавшуюся область, специалисты данного профиля есть и в Казахстане, в частности, в КазНУ, в Институте математики. Мы имеем возможность использовать уже готовые схемы, отработанные на компьютерных моделях. Наш вклад здесь — это отнюдь не сами нейросетевые принципы, а их реализация в виде самостоятельного устройства, которое ненамного сложнее, чем трехмерный телевизионный экран, так как нейрокомпьютер может быть собран из идентичных элементов.

Основной камень преткновения в другом — никто не знает, что, собственно, представляет собой человеческое сознание. Поэтому написать программу, которая «перепишет» его на обычный компьютер, сейчас практически невозможно. Мы и не будем пытаться этого делать. Речь идет о том, чтобы создать информационную копию структуры головного мозга. Непонимание принципов работы тут не препятствие, точно так же, как вы можете перерисовать слова, написанные незнакомым алфавитом, не вдаваясь в их смысл. Примерно так собираемся поступить и мы. Главное — создать дубликат мозга, а снабдить его двигательными и прочими функциями, не говоря уже об эмоциях или воле, — не наша проблема.

— И как, по-вашему, сколько же лет осталось человечеству до «информационного бессмертия»? И что для этого требуется?

Профессор Сулейменов: Если дела будут идти так, как они идут сейчас, — лет 25. Мне 44 года. Так что у меня лично шансы в любом случае есть. И неплохие — мой отец в свои 70 лет еще плодотворно работает. Если же предлагаемый нами инновационный кластер будет финансироваться так же, как сейчас финансируются исследования в области космической деятельности, это срок можно сократить и до 7–8  лет.

— Звучит весьма обнадеживающе, особенно для тех, кому сейчас лет 60… Но неужели Казахстан действительно настолько опережает все остальных? Мы как-то больше привыкли ориентироваться на международный опыт, а тут получается все наоборот.

Профессор Сулейменов: Если разобраться, то ничего удивительного нет. Достижения советской науки ни у кого не вызывали сомнений, а мы — ее прямые наследники. Григорий Мун — выпускник Московского государственного университета, питомец всемирно известной научной школы академика Кабанова, одного из самых известных и маститых полимерщиков бывшего СССР, впоследствии он много лет активно работал в русле исследований казахстанской школы акад. Еренгаипа Шайхутдинова. Я окончил физический факультет Ленинградского университета, там же много лет работал вместе с Сергеем Френкелем и другими выдающимися исследователями. Кроме того, казахстанская физико-химическая школа всегда занимала одно из первых мест в СССР. Достаточно упомянуть, что первая книга по интерполимерным комплексам была издана именно в Алма-Ате, академиком Есеном Бектуровым и его учениками, первый в международной англоязычной научной литературе обзор по поликомплексам также опубликован нашими соотечественниками (Bekturov E, Bimendina L, Advance Polymer Science, 1981). Наши результаты получены отнюдь не на пустом месте, замкнутая теория полиэлектролитов, подтвержденная экспериментально, изложена в книгах, издававшихся в Казахстане в течение последних десяти лет. Стоит отметить, что среди всех книг по полиэлектролитам, опубликованных во всем мире за последние 10 лет, абсолютное большинство вышло в свет именно в Казахстане. Другой факт — Международный институт научной информации США (Institute of Scientific Information, ISI, USA) разработал всемирно признанную систему оценки рейтинга научных журналов и ученых на основе импакт-фактора и индекса цитируемости. Эта шкала ясно показывает место, занимаемое казахстанской полимерной наукой. Например, мой коллега профессор Мун на протяжении нескольких последних лет занимает вторую позицию в мире (!) по рейтингу среди всех ученых и специалистов в области интерполимерных комплексов. Проверить данную информацию может каждый через сайт. Только в этом году нами сделано более 15 докладов на представительных международных конференциях в Москве, на Кипре, в Санкт-Петербурге. Везде высказанные нами идеи встречали одобрение коллег. Прямое доказательство этому — беспрецедентно большое число докладов, принятых от одной исследовательской группы. В программу конференции по полимерным сеткам (это наиболее представительная международная конференция, специально посвященная нашему предмету исследований), состоявшейся в июне этого года на Кипре, было включено 7(!) наших докладов. При этом от всех научных организаций России, вместе взятых, было отобрано только 17 докладов. Список таких примеров можно продолжать довольно долго. Другое дело, что в этой области долгие годы не было ярких достижений, она оставалась малозаметной на фоне таких громких направлений, как ядерная физика или разработка полупроводниковой техники. Но так дело обстояло во всем мире, потенциал в каждой области накапливается долгие годы, подбираются необходимые компоненты, только потом исследования приносят свои плоды. Сейчас, судя по всему, приходит звездный час физики и химии водорастворимых полимеров — науки, которая всегда была ориентирована на понимание процессов, протекающих в живой материи.

— Учитывая далеко не блестящее положение в казахстанской науке, есть ли шансы удержать завоеванные позиции? И еще, насколько ваши позиции защищены патентами? Да и способны ли они обеспечить защиту?

Профессор Мун: Задел, безусловно, имеется — только с непосредственным участием профессора Сулейменова в нашей стране издано более 10 монографий по физике и химии полимеров, два научных открытия и пр. Скажу честно — мы долго взвешивали последствия такого шага. Ситуация очевидна: любая такая заявка сразу же «открывает карты». Но мы были вынуждены поступить именно так, а не иначе. К сожалению, в нашей стране сложилась такая практика, когда по серьезному вопросу обязательно необходимо привлечь мнение научных авторитетов из-за рубежа, получить оценку иностранных специалистов. Наверно, так будет продолжаться и дальше, пока кто-то не сделает решающий шаг вперед и мы, казахстанцы, не поверим в собственные силы и возможности. Поэтому мы будем привлекать коллег из-за рубежа, с которыми, впрочем, у нас имеются давние творческие связи. Одна из наших монографий, например, была посвящена Году Казахстана в России, она вышла из печати с предисловием чл.-корр. РАН, директора Института высокомолекулярных соединений в Санкт-Петербурге Панарина. Имеется договоренность с завкафедрой высокомолекулярных соединений МГУ им. Ломоносова, членом-корреспондентом РАН Александром Зезиным о совместном написании монографии по использованию полимеров в нанотехнологии. Он также дал согласие участвовать в нашем проекте по созданию нанокомпьютера, который так же, как и нейрокомпьютер, будет работать на базе полиэлектролитных гидрогелей, но с использованием других принципов функционирования.

Патенты у нас, конечно, также имеются, и их довольно много. Но по причинам, о которых я уже говорил, мы предпочитали патентовать отдельные элементы, не раскрывая карт. Позиции сохранить, конечно, будет трудно, патенты в таком вопросе — не слишком надежная защита. Единственный реальный способ их удержать — работать на опережение. Именно это мы и планируем, формируя блок научно-исследовательских работ по Программе фундаментальных исследований для представления на конкурс, который, видимо, в скором времени будет проводиться Министерством образования и науки РК.

Иными словами, джинн уже выпущен из бутылки, и вопрос о том, удержит Казахстан лидирующие позиции в новых информационных технологиях или нет, уже зависит не от нас, а от того, насколько серьезное внимание будет уделяться данным исследованиям со стороны ведомств, призванных отвечать за инновационное развитие нашей страны. Может, конечно, случиться и так, что результаты исследований перехватят за рубежом, как это было уже не раз, но мы сделаем все от нас зависящее, чтобы этого не произошло… Впрочем, последние тенденции, наметившиеся в высшем образовании нашей страны, позволяют выразить вполне определенный оптимизм, поскольку наличие научных достижений у подразделений вузов сейчас рассматривается как один из важнейших показателей их работы. В этом аспекте весьма важно, что у нас на химическом факультете, как и во всем КазНУ, традиционно студенты весьма активно привлекаются к выполнению научных исследований, вносят свой посильный вклад в получение результатов самого высокого научного уровня. Об этом свидетельствует целый ряд научных статей на английском языке в международных высокорейтинговых научных журналах, опубликованных преподавателями в соавторстве со студентами. Необходимо отметить, что по этому показателю наша кафедра химической физики и химии ВМС в течение ряда лет занимает лидирующую позицию среди всех университетских кафедр не только в РК, но на всем постсоветском пространстве. Не случайно выпускные работы и магистерские диссертации, выполненные студентами кафедры, отмечены многочисленными премиями ежегодного Республиканского конкурса студенческих работ МОН РК, а также Российской Академии наук. Так, докторант кафедры Рауан Мангазбаева, которая еще в годы обучения в магистратуре химического факультета КазНУ выполнила научную работу, впервые в истории казахстанской науки по итогам открытого 12-го конкурса Российской академии наук среди студентов вузов была признана лучшей в разделе общей и технической химии и удостоилась наград Российской академии наук. У нас много талантливых сотрудников и студентов, подающих большие надежды. Так что основания для оптимизма у нас есть.

Профессор Сулейменов: Ну и, наконец, последний штрих — о том, что можно сделать в обозримом будущем. В ноябре текущего года, на конференции в Зеленограде, мы планируем выступить с докладом о принципах действия нанокомпьютера. Эта задача всегда рассматривалась как одна из основных для нанотехнологии в целом. Работая над более сложной системой — нейрокомпьютером, мы сумели решить и ее. Создание нанокомпьютера, разумеется, отдалит достижение конечной цели, но зато убедит скептиков в работоспособности выдвигаемых нами положений. Кроме того, она имеет и огромное коммерческое, и — я не побоюсь этого слова — геополитическое значение. Вопрос стоит именно так — какая из стран окажется во главе всего переустройства современного информационного общества, кто первым сумеет сделать решающий шаг в области создания новых информационных систем на квазибиологической основе.