Дыхание нашего приборостроения оживает в Академгородке

Новосибирские ученые создали газоанализатор, который за две минуты диагностирует коронавирус

Очень скоро можно будет узнать буквально по одному выдоху пациента, болеет ли он COVID-19 или диабетом. Заместитель губернатора Новосибирской области Ирина Мануйлова пригласила журналистов ознакомиться с уникальными разработками Центра оптических информационных технологий и прикладной фотоники (ЦОИТиПФ). Обозреватель «Советской Сибири» лично протестировал невероятно актуальное чудо-изобретение.

Пресс-тур в Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН был посвящен месяцу искусственного интеллекта Года науки и технологий и развитию программы «Академгородок 2.0».

Сегодня много говорится о том, что наука должна работать на человека. Деятельность Института автоматики и электрометрии СО РАН нацелена именно на это и на решение прикладных задач. То, чем они занимаются, в настоящее время крайне востребовано, фотоника — перспективное направление во всем мире. Всего в стране действует три центра фотоники, еще один создается в Новосибирске.

Институт сегодня занимается производством полного цикла — от научной идеи до готового прибора. Здесь создан прибор, благодаря которому можно диагностировать по одному выдоху человека заражение коронавирусом, легочные заболевания, заболевания ЖКТ. Это особенно актуально в условиях пандемии, когда мы испытываем трудности с ранней диагностикой. Подобные проекты позволяют внедрять искусственный интеллект в нашу жизнь и использовать его для создания новых отечественных приборов и систем.

Диагноз через две минуты

В кабинетах института кипит работа над изобретениями, которые в будущем позволят значительно повысить качество нашей жизни. После посещения исследовательских площадок не остается никаких сомнений: чем быстрее эти разработки будут внедрены в повседневность, тем скорее мы избавимся от множества действующих ограничений.

Ирина Мануйлова подчеркнула, что в институте ведутся работы полного цикла — от научной идеи до разработок, готовых к использованию. Таких, например, как газоанализатор, способный по выдыхаемому воздуху за несколько секунд определить, болен ли человек COVID-19.

Так выглядит прибор, с помощью которого по одному выдоху человека можно диагностировать коронавирус, легочные заболевания и заболевания желудочно-кишечного тракта. Этот и другие проекты в области искусственного интеллекта реализуются благодаря грантам, премиям и стипендиям правительства Новосибирской области в молодежных лабораториях Института автоматики и электрометрии СО РАН. Фото: Светлана Фролова

Газоанализатор с искусственным интеллектом — самое впечатляющее изобретение из тех, что были продемонстрированы журналистам в этот день. Прибор, определяющий COVID-19 по выдоху (!!!) с точностью до 95 процентов, представляет собой компьютер на штативе с небольшим шлангом. Через одноразовую съемную насадку нужно сделать один выдох в шланг. Загорается красная кнопка, и через пару минут на мониторе появляется характеристика состояния здоровья пациента.

Обозреватель «Советской Сибири» испытал прибор на себе. Выдох, лампочка, сообщение на мониторе: «Восемь процентов ковида». Это значит, что человек не болеет. Снова выдыхаем. С облегчением. Хотя, конечно, на экскурсию журналисты отправляются, имея при себе QR-код. Но всегда и везде мы теперь сомневаемся — не дай бог.

Научный сотрудник ИАиЭ Александр Кугаевских разработал алгоритм, который почти наверняка определяет различные заболевания, в том числе COVID-19, по результатам спектрального анализа выдоха человека.

— Этот газоанализатор позволяет по выдоху человека определять заболевания дыхательной системы, некоторые заболевания желудочно-кишечного тракта. Пока мы настраивали его на диагностику диабета и диагностику ковида, проводили некоторые эксперименты по определению пневмонии, фиброза, рака, астмы на ранней стадии, — рассказал ученый.

По его словам, результаты экспериментов в целом положительные. Но пока все в процессе.

— Ковид мы определяем с вероятностью 90–95 процентов, в зависимости от штамма. Результат выдается практически моментально. Между выдохами разных людей должно проходить минуты две-три, чтобы проба была чистой, — уточнил исследователь.

Газоанализатор, кстати, уже тестировался в аэропорту — в зоне прилетов международных рейсов, а также в некоторых торговых центрах мегаполиса. В конце января 2022 года 15 таких аппаратов в целях медицинской сертификации установят в клиниках Москвы.

— Причем аппарат этот недорогой, — подчеркнул Александр Кугаевских. — Точную его стоимость не назову, ведь я не бизнесмен, а ученый.

Научный сотрудник рассказал, что для диагностики используется нейронная сеть, а не классический спектральный анализ. Спектр выдоха человека ИИ сравнивает с профилем выдоха больного человека, чей диагноз был подтвержден клинически.

Искусственный интеллект на обкатке технологий

Как рассказал директор ИАиЭ, заведующий лабораторией волоконной оптики — член-корреспондент РАН Сергей Бабин, в институте развиваются и взаимодействуют два направления.

— Первое — это фотоника, то есть все, что можно делать при помощи света: гравировка и микрообработка материалов, наращивание их с помощью 3D-принтеров, а также получение информации. Для этого в институте развивается второе направление, связанное с вычислительными технологиями и искусственным интеллектом. Мы пытаемся активно сводить эти области в конкретных научных разработках и в приборах. Для этого важно очень быстро и эффективно обрабатывать информацию, например анализировать данные человека по выдоху либо определять состояние объекта при помощи датчиков. Взаимодействие двух наук — фотоники и информатики — дает принципиально новые результаты.

Цена установки для лазерной литографии — 80 миллионов рублей. Кабинет наполнен насыщенным красным светом, потому что при производстве линз используется та же технология, что и для фиксации изображений на фотоматериалах. Фото: Светлана Фролова

Особенность института — тесное взаимодействие с промышленными предприятиями региона.

— За последние десять лет мы трижды получили Государственную премию Новосибирской области за внедрение разработок, — подчеркнул Сергей Бабин. — Это автоматизация метро, разработка очень коротких лазерных импульсов для мелких рисунков на стекле — для Новосибирского приборостроительного завода, а также методика определения по оптическим спектрам состава конкретных материалов, используемых в атомной промышленности, — для Новосибирского завода химических концентратов.

Директор ИАиЭ СО РАН так охарактеризовал один из основных ориентиров развития института:

— Мы готовы стать центром, где будут развиваться технологии фотоники в комбинации с искусственным интеллектом и информатикой, разрабатывать совместно с другими институтами и промышленными предприятиями актуальные приборы. Создание центра, который позволит выйти на кардинально новый уровень в реализации промышленных технологий, оценивается в два с небольшим миллиарда рублей. Реализация этого проекта займет примерно три года.

3D-принтер для печати изделий из металла и суперлинза

Следуем дальше. В институте отрабатывают задачи из области волоконной оптики и оптических информационных технологий. Например, на уникальной установке лазерной литографии, кстати единственной в России с такими параметрами, создают матрицы, используемые для изготовления бифокальных интраокулярных линз на нижегородском предприятии «Репер-НН». Технология производства таких линз разработана ИАиЭ СО РАН совместно с Конструкторско-технологическим институтом научного приборостроения СО РАН и Национальным медицинским исследовательским центром «Межотраслевой научно-технический комплекс «Микрохирургия глаза» имени академика С. Н. Федорова».

3D-лазерные принтеры уже работают в Новосибирском государственном техническом университете, в Институте химии твердого тела и механохимии, а также на Новосибирском приборостроительном заводе. Фото: Светлана Фролова

— Этот прибор позволяет формировать трехмерный рельеф с очень высокой точностью и скоростью, — прокомментировал заведующий лабораторией дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН доктор технических наук Виктор Корольков. — Сейчас мы планируем наладить выпуск матриц, которые в дальнейшем будут использоваться в Нижнем Новгороде. Надо отметить, что «Репер-НН» — единственное в России предприятие, которое производит интраокулярные линзы. Все операции в стране, которые делаются за счет государства, проводятся с их применением. Начиная с определенного возраста у человека могут возникнуть проблемы со зрением — помутнение хрусталика, который в таком случае необходимо заменить на искусственный. Он может быть однофокусным, то есть можно читать, но, чтобы смотреть вдаль, нужны очки. Мы же разработали линзы, которые позволяют одновременно хорошо видеть предметы и вблизи, и вдали.

Во всем мире такие линзы производят с применением алмазного точения: замораживают кусок полимера и на нем вытачивают нужный рельеф. Но полимер может порваться, и через несколько лет появляется риск образования катаракты на искусственной линзе. Линзы же, которые сделаны с помощью разработки Института автоматики и электрометрии СО РАН, не допускают рецидива болезни, потому что в них разорванных молекул полимеров не возникает.

Другие сферы применения этих технологий — приборостроение и микроэлектроника, изготовление дифракционной оптики для телескопов, нано- и микроспутников.

А еще специалисты ИАиЭ СО РАН разработали трехмерный лазерный принтер для изготовления металлических и керамических изделий. По словам Виктора Королькова, в институте установку используют для печати сложных изделий и разработки новых технических решений.

Господдержка науки — вклад в будущее

Институты новосибирского Академгородка — единая система, которая отличается не только разнонаправленностью, но еще и сильными школами, основанными на глубоком понимании математики и информатики. Здесь также очень сильная физическая школа, то, что закладывалось основателями Академгородка. Все это по-прежнему уникально с точки зрения развития науки не только в России, но и в мире. Поддержка Новосибирского научного центра региональной властью напрямую связана с интересами области.

В лаборатории оптических сенсорных систем Института автоматики и электрометрии СО РАН, созданной в рамках национального проекта «Наука», разрабатывают новые датчики и системы для измерения физических величин. Такие устройства можно использовать для мониторинга мостов, туннелей, сложных технологических объектов, а также в авиации и космической технике. Магистрант Новосибирского государственного университета инженер-программист ИАиЭ СО РАН Максим Гаськов демонстрирует систему мониторинга. Фото: Светлана Фролова

Ирина Мануйлова напомнила, в частности, что существует грантовая поддержка, когда правительство готово оказать помощь при формировании заявок, оценивая важность проектов для экономики региона. Замгубернатора подчеркнула, как важно для института развитие связей с местным промышленным сектором.

— Хочу обратить внимание, что Институт автоматики и электрометрии — единственный в Академгородке, где у руководителя есть заместитель по работе с промышленными организациями. Ведь у нас очень часто научные разработки великолепны, но до производства они не доходят, потому что промышленники о них не знают. Институт сознательно выстроил это недостающее звено. И мне кажется, что по этому пути должны пойти и другие, — резюмировала Ирина Мануйлова.