Техно-Революция метода

НАРОДНЫЙ ПРЕДИКТОР БУДУЩЕГО
ЧЕТВЕРТАЯ ТЕХНО-РЕВОЛЮЦИЯ

КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Индустрия 4.0

В 2017 году цифровая революция вошла в решающую фазу - к интернету подключился каждый второй житель Земли. По оценке Глобального института McKinsey (MGI), уже в ближайшие 20 лет до 50% рабочих операции в мире могут быть автоматизированы, и по масштабам этот процесс будет сопоставим с промышленной революцией XVIII-XIX веков.

Промышленная революция позволила отдельным странам добиться впечатляющих темпов экономического роста, и они на многие десятилетия стали лидерами мировой экономики. Сегодня у России появляется уникальный шанс реализовать свои потенциал в ходе цифровой революции и занять место среди ее лидеров.

Цифровизация меняет облик и структуру экономики стран и целых регионов. Внутриотраслевая конкуренция растет, рынки расширяются, конкурентоспособность отраслей отдельных стран на мировых рынках повышается. Результатом является рост национальных экономик.
Цифровая экономика ломает привычные модели отраслевых рынков. Она повышает конкурентоспособность их участников. Тем самым цифровизация определяет перспективы роста компании, отраслей и национальных экономик в целом. Появление цифровых игроков уже изменило облик целых отраслей - туристической, телекоммуникационной, полиграфической, пассажирских перевозок, в частности услуг такси. Цифровые преобразования - один из главных факторов мирового экономического роста. По оценкам Глобального института McKinsey, в Китае до 22% увеличения ВВП к 2025 году может произойти за счет интернет-технологии. В США ожидаемый прирост стоимости, создаваемый цифровыми технологиями, впечатляет не меньше - здесь он к 2025 году может составить 1,6-2,2 трлн долл. США.

По оценкам специалистов, потенциальный экономический эффект от цифровизации экономики России увеличит ВВП страны к 2025 году на 4,1-8,9 трлн руб. (в ценах 2015 года), что составит от 19 до 34% общего ожидаемого роста ВВП.

Такие смелые экономические прогнозы связаны не только с эффектом от автоматизации существующих процессов, но и с внедрением принципиально новых, прорывных бизнес-моделей и технологии. Среди них - цифровые платформы, цифровые экосистемы, углубленная аналитика больших массивов данных, технологии «Индустрии 4.0», такие, как 30-печать, роботизация, интернет вещей. По оценке Глобального института McKinsey, только интернет вещей до 2025 года будет ежегодно приносить мировой экономике от 4 до 11 трлн долл. США.
Четвертая промышленная революция, известная за рубежом как «Индустрия 4.0», первоначально появилась в западных странах в 2011 г. как проект, направленный на повышение конкурентоспособности обрабатывающей промышленности. Специалисты предложили интегрировать в промышленные процессы так называемые «киберфизические системы» (CPS), или автоматизированные машины и обрабатывающие центры, подключенные к интернету. Ставится цель создать такие системы, которые позволили бы машинам самостоятельно (автономно) изменять при необходимости производственные шаблоны. Цифровой (связанный с интернетом) подход затрагивает все этапы жизненного цикла продукта, включая дизайн и создание прототипа, наладку и обслуживание производственной линии, контроль и оптимизацию производства, а также данные, полученные в результате обратной связи от клиентов и потребителей. «Индустрия 4.0» меняет в корне не только процесс производства, но и сферу услуг, связанных с выпускаемой продукцией. Киберфизические системы производства в корне изменят традиционную логику производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо выполнить для производства. Эта абсолютно новая архитектура промышленных систем может быть внедрена постепенно посредством цифровой модернизации существующих производственных мощностей. И это означает, что данную концепцию можно реализовать не только на абсолютно новых предприятиях, но и поэтапно разворачивать на существующих предприятиях в процессе эволюционного развития.

II. Концепция

Понятие «Индустрия 4.0» впервые было введено немецким федеральным правительством как стратегический план развития немецкой промышленности, основанный на объединении в едином информационном пространстве промышленного оборудования и информационных систем, что позволит им взаимодействовать между собой и с внешней средой без участия человека. Цифры «4.0» означают, что это направление развития промышленности имеет настолько большой потенциал, что неминуемо приведет к четвертой индустриальной (промышленной) революции.

Первая, как известно, началась с изобретением Джеймсом Уаттом парового двигателя и на протяжении XVIII-XIX веков создала первичную индустриализацию в Европе. Эта классическая революция была связана и с другими инновациями — прядением нити из хлопка и использованием кокса в металлургии. С 1820-го по 1900-й ВВП на душу населения в 12 ведущих странах Европы увеличился в три раза, с $1 тыс. до $3 тыс. (международные доллары в ценах 1990 года [Simon K., Dr. Reinhard Gr. (2016)].

Вторая революция произошла в начале XX века с появлением электричества, а также изобретением Генри Фордом конвейера, благодаря которому удалось не только создать массовый рынок, но и сделать доступным автомобиль. Примерно через 30 лет благодаря этой революции уровень жизни стал расти быстрее. Так, если $4 тыс. европейцы смогли достичь только к 1928 году, то $5 тыс.— уже к 1939-му. Предвоенная индустриализация и развитие промышленности полностью изменили экономический ландшафт [Bauer H., Patel M., Veira J. (2016)].

Наконец, третья революция началась в 1960-х, когда экономики европейских стран оправились после войны, был изобретен компьютер, получило развитие числовое программное управления (ЧПУ) и микропроцессоры, а позже — промышленные роботы. Бурно развивалась химия. К 1980 году ВВП на душу населения вырос еще на $7 тыс., до $14 тыс.

Таким образом, любая промышленная революция при переходе из одного исторического периода в другой базируется на трех основных составляющих:

- сырье, а также источники и способы передачи энергии;
- технологии;
- организация производства и управление.

В конце XVIII века главным сырьем были уголь и железо, главной технологией - пар и преобразования тепловой энергии в механическую. Что касается механизации и организации управления, то они как таковые, тогда отсутствовали, разве что был регулятор Уатта на паровой машине. Во второй половине XIX начале XX века с появлением электричества открылись возможности для начала работ по научной организации труда, появились конвейеры, идеи тейлоризма. Несколько позже появились работы по теории автоматического управления и различного рода табуляторы.

Четвертый этап промышленной революции характеризуется внедрением «киберфизических систем» в заводские процессы. Предполагается, что эти системы будут объединяться в одну сеть, связываться друг с другом в режиме реального времени, самонастраиваться и учиться новым моделям поведения. Такие сети смогут выстраивать производство с меньшим количеством ошибок, взаимодействовать с производимыми товарами и при необходимости адаптироваться под новые запросы потребителей. Например, изделие в процессе выпуска сможет само определить оборудование, способное произвести его. И все это в полностью автономном режиме без участия человека.

Таким образом, концепция четвертой промышленной революции базируется на четырех принципах:
- функциональной совместимости человека и машины - возможности контактировать напрямую через интернет;
- прозрачности информации и способности систем создавать виртуальную копию физического мира;
- технической помощи машин человеку - объединения больших объемов данных и выполнения ряда небезопасных для человека задач;
- способности систем самостоятельно и автономно принимать решения.

III. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

К основным трендам промышленной революции относят: роботизацию производства, усовершенствованные человеко-машинные интерфейсы, моделирование и прогнозирование на основе продвинутой аналитики и технологий big data, интеллектуальные датчики и «интернет вещей», облачные вычисления и хранение данных, кибербезопасность, горизонтальную и вертикальную интеграцию рынков, дополненную реальность и 3D печать.
Переход мировых производителей к роботизированным производствам и концепции «умных фабрик» даст радикальный толчок к снижению себестоимости изделий. Современные технологии направлены преимущественно на ресурсосбережение, оптимизацию процессов и кастомизацию производства. Отставание в этой гонке чревато не просто потерями в конкурентоспособности, а значительным технологическим отставанием страны на мировых потребительских и промышленных рынках.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ ИНДУСТРИЯ 4.0 В РОССИИ

Ведущие мировые промышленные предприятия активно переходят на принципы современной работы в соответствии с концепцией Индустрии 4.0. Однако реализация этой концепции на российских предприятиях все еще под большим вопросом. Много говорится о преимуществах и необходимости перехода на современные цифровые технологии. И руководители отечественных предприятий, несомненно, понимают ключевые преимущества цифровой организации производства. Однако реальная производственная и информационная база многих промышленных предприятий в России далека от возможностей внедрения современных корпоративных информационных систем (КИС) для автоматизации производственных процессов, не говоря о технологиях big data, цифровых моделях и прототипах - основах реализации концепции Индустрии 4.0.

Предыдущая промышленная революция - Индустрия 3.0 - была основана на автоматизации отдельных производственных процессов, в то время как Индустрия 4.0 основана на сквозной цифровизации всех физических активов предприятия и их интеграции в цифровую экосистему. Цифровая среда, или цифровая экосистема, включает в себя совместную ее организацию вместе с бизнес-партнерами, участвующими в цепочке создания стоимости. При этом результаты реализации концепции Индустрии 4.0 будут зависеть от уровня взаимодействия участников цифровой экосистемы, от уровня согласования процессов получения, обмена и анализа данных всех контрагентов общей экосреды бизнеса.

Концепция Индустрии 4.0 предусматривает цифровизацию и интеграцию всех процессов жизненного цикла изделий, начиная от процесса разработки и заканчивая процессами логистики и сервиса. Данные обо всех протекающих процессах, этапах производства, деталях, сборочных узлах и изделиях должны быть доступны авторизованным пользователям в режиме реального времени в рамках единой цифровой сети.

Интеграция бизнеса проходит не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, охватывая всех бизнес-партнеров предприятия в рамках цепочки создания ценности. Потребители также включаются в единую интегрированную экосистему производства ценностей.
По данным консалтингового агентства PWC производители промышленных товаров из различных стран мира планируют до 2020 г. вкладывать в реализацию концепции Индустрии 4.0 около 907 млрд долл. США в год [1]. Главным образом инвестиции будут направлены на цифровые технологии, такие как датчики и устройства связи, а также на программы и приложения, такие как системы управления производством. Компании планируют выделять деньги на обучение своих сотрудников и реализацию организационных преобразований. Более половины респондентов, опрошенных PWC, считают, что их инвестиции в концепцию Индустрии 4.0 начнут приносить доход через два года или даже раньше с учетом того, что объем инвестиций в этих компаниях составляет 5 % от их годовой выручки.

По оценкам экспертов BCG доля цифровой экономики в России составляет 2,1 % - это в 1,3 раза больше, чем пять лет назад, но в 3-4 раза меньше, чем у лидеров рынка [2].
Новая промышленная революция дает возможность реализовать идею ухода от массового производства (кастомизацию) с одновременным радикальным снижением производственных затрат за счет роста эффективности организации производственных процессов и процессов обслуживания производства.

По словам Алексея Боровкова, проректора по перспективным проектам Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого, это можно реализовать с помощью «роевых» технологий, когда роботы могут передавать о себе большие данные (Big Data) через сенсоры в «облако» и «договариваться» между собой [3].

В рамках темы четвертой промышленной революции много говорится о создании основ и развитии интернета вещей и интернета нановещей. Это касается промышленного внедрения технологий Индустрии 4.0, и речь будет идти о промышленном интернете. В рамках данного пространства датчики и сенсоры можно помещать на разные предметы и заставлять их «общаться» друг с другом. Например, через LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) -беспроводную сеть, которая работает на низких частотах и позволяет отправлять небольшие по объему данные на значительные расстояния (до 10 км). Работают они от батарей, которые надо менять лишь раз в десять лет. Подобная система датчиков может применяться в сфере оперативного управления процессами производства и диспетчирования деталей, сборочных узлов и изделий.

Основу реализации концепции Индустрии 4.0 в производстве составляют цифровые модели деталей, узлов и изделий.

В Германии еще с 2011 г. действует правительственная программа «Industrie 4.0». В центре Германии вокруг городов Билефельд и Падерборн создан кластер под названием it s OWL (Intelligent Technical Systems OstWestfalenLippe), который объединяет 173 компании, отрабатывающие на практике концепцию «умных фабрик». На заводе компании Siemens в Амбер-ге осталось работать около 300 человек. Их заменила система SAP Manufacturing &Intelligence (SAP MII), консолидировавшая данные департаментов финансов, маркетинга, продаж, закупок, контроля качества и др. Beiersdorf также занялась вертикальной интеграцией потоков данных, формирующихся в производственных и коммерческих подразделениях. Процесс был реализован на базе B2MML (язык разметки связи между бизнесом и производством), по сути они сделали шаг в промышленный Интернет вещей.

Компания Trumpf, которая производит станки для обработки металла, стала предлагать клиентам IT-платформу под названием Axoom для объединения станков с датчиками в единую «экосистему», что создаст платформу для реализации технологий «умной фабрики». Новая концепция основана на межмашинном взаимодействии (М2М). Индустрия 4.0 предполагает обмен данными между всеми участниками, которые задействованы в производственной цепочке: специалистами предприятия, оборудованием, ERP-системами, роботами, продуктами и т.д.

В соответствии с концепцией Индустрии 4.0 каждый выпускаемый продукт должен иметь свой «цифровой образ», т.е. вся информация о нем -чертежи и технология производства, правила эксплуатации, техобслуживания и утилизации - должна быть оцифрована и доступна для считывания устройствами и людьми. Применительно к производству это может выглядеть следующим образом: каждая деталь имеет метку (сделанную по RFID- технологии и содержащую информацию обо всех операциях, которые необходимо с ней произвести). На каждом этапе технологической обработки, подходя к станку, деталь через RFID-метку «сообщает», что с ней делать, а после обработки автоматически перемещается на следующий производственный участок. При таком подходе операции могут быть максимально роботизированы.

«Цифровой образ» продукта можно рассматривать и как электронный паспорт изделия, в котором фиксируются все данные о материалах, испытаниях, произведенных операциях. Это позволяет отслеживать и гарантировать качество продукции. Крупные международные компании уже выпустили на рынок чипы для двусторонней коммуникации и другое оборудование для создания «умного производства». В данном направлении работают Eaton, Honeywell, Bosh и др. [4].

Благодаря интегрированным в продукцию чипам производитель сможет поддерживать связь с оборудованием, которое стоит у заказчика, и удаленно контролировать его работу. В дальнейшем прогнозируют создание систем удаленного технического обслуживания, которые будут позволять заблаговременно определить, что может выйти из строя. Производитель сможет заранее подготовить для заказчика комплект замены и провести ее.

Есть и некоторые положительные примеры перехода отечественных предприятий к технологиям Индустрии 4.0. Так, в прошлом году Металлоин-вест и SAP запустили программу бизнес-трансформации, в ходе которой создается интегрированная корпоративная система управления. Она автоматизирует бизнес-процессы базовых производственных предприятий и управляющей компании, охватывая все уровни - от финансового, бухгалтерского и управленческого учета до управления производством, транспортной логистикой, ремонтами и закупками с учетом специфики отрасли. Всего планируется использовать 55 программных продуктов SAP [2].
Так есть ли возможности для массового применения в России технологий «умных фабрик» и положительной практики Индустрии 4.0? В настоящее время полномасштабное внедрение современных цифровых технологий под силу только ведущим мировым промышленным лидерам. Однако немецкие фабрики, объединяясь в кластер, дали возможность внедрить современные технологии не только таким гигантам, как Siemens, но и более мелким предприятиям.

По мнению Дмитрия Иванова, директора по инновационному развитию ОАО «НПО «Сатурн», российские компании столкнулись со сложностями при переходе на концепцию Индустрии 4.0, поскольку многие продукты пока не оцифрованы (полная информация об изделии не переведена в электронный вид, доступный PDM-системам). За рубежом этот этап, наиболее трудоемкий, уже пройден, что позволяет перейти от отдельных объектов к процессам и системам [2].

Коллективные инновации дают возможность малому и среднему бизнесу использовать преимущества цифровых технологий и комплексных решений, ранее доступных только промышленным гигантам.

КООПЕРАЦИЯ КАК СРЕДА ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИНДУСТРИЯ 4.0

Кластеризация - вот реальная возможность отечественных предприятий для внедрения передового опыта мирового промышленного производства. Майкл Портер справедливо называл кластеризацию одним из путей для повышения конкурентных преимуществ не только отдельных компаний, но и целых стран. Если обратиться к ромбу (алмазу)
М. Портера, видно, что в его основе лежит взаимосвязь между спросом и факторами производства, условия стратегического развития компаний и конкуренции, а также родственные и поддерживающие отрасли, включающие в себя кластеры предприятий.

В качестве основных преимуществ кооперации предприятий в рамках кластера можно отметить следующие:

- снижение издержек на техническое перевооружение, развитие инфраструктуры, подготовку кадров, НИОКР, сертификацию, вывод продукции на рынок и взаимодействие с потребителями;
- создание общего брэнда кластера, совместное участие в мероприятиях, конкурсах и закупках;
- совместное решение проблем загрузки производственных мощностей;
- объединение сил при решении задач быстрого освоения новой продукции, прототипирования и разработки цифровых моделей;
- получение государственной и целевой поддержки инновационных проектов кластера;
- совместное внедрение современных цифровых технологий, в том числе технологий «умного» производства для Индустрии 4.0.

Не все отечественные промышленные предприятия в состоянии позволить себе внедрение комплексных информационных систем типа ERP. Однако совместная реализация перехода на цифровое управление производством с широкой интеграцией бизнес-партнеров в рамках цепочки создания ценностей выглядит более реальной. Совместный переход на открытые платформы (Open Platform for Smart Manufacturing) дает возможность оптимизировать производственные цепочки с целью радикального повышения производительности и эффективности производства, качества и кастомизации продукции. Подобная совместная акция ведет к созданию единой интегрированной бизнес-модели кооперации предприятий - созданию технологического кластера.

При этом создается вертикальная сетевая структура бизнес-сотрудничества - единая сеть логистики, производства, маркетинга, сервисов, ориентированная под заказчиков. Осуществляется горизонтальная интеграция посредством создания сети бизнес-партнеров. Выполняется сквозное проектирование производственных цепочек в рамках жизненного цикла продукции. Высокая степень автоматизации процессов и качественные инструменты аналитики позволяют поддерживать высокий уровень децентрализации управления и распределения принятия решений, что позволяет всему кластеру оперативно и гибко реагировать на рыночную динамику. Интероперабельность кластерной системы - это возможность взаимодействия человеко-машинных систем друг с другом на принципах «интернета вещей» и «интернета сервисов». Постоянная доступность сервиса и актуальной информации по прохождению заказа для потребителей посредством технологий промышленного «интернета вещей» реализуется на основе датчиков, информирующих о состоянии и движении заказа.

К совместным элементам кластера можно отнести:

- производственные мощности организаций;
- информационные технологии;
- кадровые ресурсы;
- объекты интеллектуальной собственности и компетенции;
- технологии;
- институты содействия бизнесу.

Кластерная работа дает возможность реализации инновационных проектов, проектов импортозамещения, ориентации на комплексное обслуживание потребителей и поддержания полного жизненного цикла продукции. Становится возможной реализация совместных проектов модернизации производства, в том числе на базе цифровых технологий четвертой промышленной революции.

Представляет практический интерес предложенная Удмуртским машиностроительным кластером концепция «Сетевой завод». Она предполагает, что участники производственной сети (кластера), имея средства автоматизированного планирования и контроля загрузки производственных мощностей, подают во внешнюю среду информацию о резервах загрузки производственной мощности. При наличии внешних потребностей эти мощности могут быть дозагружены за счет «сетевого» заказа. Для координации используется центр управления заказами «сетевого завода». В основе концепции лежит использование цифровой технологической платформы - совокупности программно-аппаратных средств обеспечения взаимодействия на основе облачных технологий, открытых данных, соответствующих приложений и сервисов. Вся информация о «сетевом заводе» хранится на облачных серверах и интегрирована с информационными системами участников «сетевого завода» [5].

Известен международный положительный опыт использования концепции гибкого производства (agile manufacturing) на основе кросс-функциональных производственных команд (производство вилок для коробок передач FAVI). Команды могут перемещаться между организациями кластера по мере необходимости, в зависимости от загруженности производственной системы [6].

В качестве мер господдержки работы регионального кластера обычно рассматривают создание образовательной инфраструктуры, деятельность по продвижению и участию в выставках, форумах и т.д., а также помощь в создании инновационной инфраструктуры и структуры стратегического управления кластером, содействие в привлечении инвестиций и закреплении прав собственности на разработки.

РОЛЬ УНИВЕРСИТЕТОВ В СОЗДАНИИ ЭКОСРЕДЫ

ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ ИНДУСТРИИ 4.0

Российская венчурная компания (РВК) и Агентство стратегических инициатив (АСИ) предложили Национальную Технологическую Инициативу, рассчитанную на формирование принципиально новых рынков и создание условий для глобального технологического лидерства России к 2035 г. Значительные задачи в соответствии с проектом НТИ были возложены на российские вузы. Для обозначения ключевых изменений в функционировании вузов в НТИ предложен термин Университет 3.0.

В соответствии с предложенной классификацией Университет 1.0 отвечает за трансляцию знаний, подготовку кадров, социальный лифт, реализацию образовательных стандартов, разработку методик и методических материалов. В число функций Университета 2.0 входят, кроме вышеперечисленного, генерация новых знаний, консалтинг и выполнение НИР для бизнеса, создание технологий «на заказ».
Университет 3.0 должен реализовать коммерциализацию технологий, предпринимательскую деятельность, создание компаний (spin-out), управлять правами интеллектуальной собственности, развивать предпринимательскую экосистему и городскую среду.

В программе «Университеты 3.0 в НТИ» университеты рассматриваются как центр экосистем бизнеса. В основе их деятельности лежит по-прежнему образование, в качестве новых видов деятельности добавлены отраслевая кооперация, развитие партнерства и организация двухстороннего диалога рынка и талантов, синхронизация запросов бизнеса и возможностей академического сообщества.
Предлагается концепция университетов-хабов по выстраиванию цепочки роста стоимости интеллектуальной собственности от исследований до продукта, компаний и лицензий через развитие кооперации с бизнесом. Ориентировочная структура регионального промышленного кластера показана на рис. 1.

Опорный вуз в структуре регионального кластера может выполнять следующие функции:

- обучение и переобучение персонала;
- разработка перспективных видов продукции;
- НИОКР по заказам кластера;
- решение вопросов стандартизации и сертификации;
- консалтинг и разработки в области информационных технологий;
- интеграция и взаимодействие с зарубежными вузами и деловыми партнерами за рубежом, организация стажировок и деловых поездок;
- стратегическое планирование деятельности кластера;
- перспективные научные исследования и разработки.

При переходе промышленных предприятий кластера на концепцию Индустрии 4.0 вуз может выступать в качестве системного интегратора перехода промышленных предприятий на единую открытую информационную платформу, организовать обучение специалистов и оказывать помощь по созданию «цифровых образов» деталей и продукции предприятия.

Рассмотренные примеры реализации концепции Индустрии 4.0 зарубежными компаниями демонстрируют международный опыт заблаговременного планирования и ответственного отношения к вопросам оптимизации производства и конкурентоспособности предприятий и отраслей. Они показывают путь постепенного поиска возможностей для проведения инноваций и внедрения современных подходов, опыт сетевой работы с заказчиками и кастомизации продуктов. Отечественная промышленность постепенно подходит к применению лучших практик зарубежного промышленного производства, сетевого взаимодействия, организации научной и образовательной деятельности и необходимости их адаптации к современным отечественным условиям.

IV. КОМПЛЕКСНАЯ ПРОГРАММА НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА

БУДУЩЕЕ НЕЙРОБИОЛОГИИ

Нейробиология является отраслью биологии и представляет собой науку о строении, физиологии и функциях мозга.
В буквальном смысле термин «нейробиология» ассоциируется с биологией нейронов (нервных клеток), составляющих нервную систему. Однако в состав мозга млекопитающих кроме нейронов входит большое число разнообразных клеток глии (называемых нейроглией), которые занимают до 90% объема мозга. Клетки нейроглии тесным образом взаимодействуют с нейронами, обеспечивая их жизнедеятельность и нормальное функционирование. В последние годы в рамках нейробиологии изучают также свойства клеток нейроглии и их взаимодействие с нейронами в обеспечении разнообразных функций.
За рубежом (а в последние годы и в России) науку о мозге называют также «нейронаукой» (англ., neuroscience). Хотя формально этот термин следует переводить как « наука о нервной системе», по своему содержанию и кругу изучаемых проблем последняя эквивалентна «нейробиологии».

Несмотря на определенные успехи нейробиологии, некоторые важные проблемы еще остаются нерешенными и требуют дальнейших исследований. Наиболее отдаленные от нас перспективы разрешения проблем касаются когнитивных процессов. Перед современной нейробиологией остаются нерешенными вопросы о нейронных механизмах сознания, сна, восприятия, обучения и памяти, нейропластичности, принятия решения. Много нерешенных вопросов касается развития и эволюции нервной системы. Еще до конца не исследованы нейронные механизмы возникновения некоторых психических заболеваний (например, навязчивых состояний, шизофрении), болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера, пагубных привычек.

Ниже перечислены только 10 таинственных свойств мозга, которые необходимо разгадать в будущем:

1. Как кодируется информация в паттернах нейронной активности?
2. Как информация запоминается и извлекается из памяти?
3. Что отражает фоновая электрическая активность мозга?
4. Как мозг имитирует будущее?
5. Что такое эмоции?
6. Что такое интеллект?
7. Как в мозге представлено время?
8. Почему мозг спит, и что представляют собой сновидения?
9. Как специализированные системы мозга взаимодействуют между собой?
10. Что такое сознание?
Нейробиологи постоянно работают в тесном взаимодействии с учеными других научных областей, и успех решения многих проблем, стоящих перед нейробиологией, зависит от этого взаимодействия.
БУДУЩЕЕ БИОТЕХНОЛОГИЙВ сегодняшнем мире биотехнологии уже фактически неразрывно связаны с инженерией (в том числе и генной), энергетикой, медициной, сельским хозяйством, экологией и многими другими отраслями и научными направлениями мысли.

За последние 100 лет благодаря безудержному прогрессу во всех направлениях спектр задач и методики их решения в биотехнологиях значительно поменялись. В основе т.н. «новой» биотехнологии лежат уже очень продвинутые и высокотехнологичные методы генной и клеточной инженерии, с помощью которых проводится множество сложных операций, в том числе – воссоздание из отдельных фрагментов клеток их жизнеспособных копий.

На стыке биотехнологии и других научных областей могут рождаться самые интересные и неожиданные решений, позволяющие глубже узнавать и использовать потенциал самых разнообразных живых организмов. Как следствие, мы больше узнаем о тех процессах, с помощью которых мы получаем:

– Материалы и композиты
– Топливо и способы синтеза
– Лекарственные препараты и вакцины
– Методы диагностики и профилактики заболеваний, в том числе генетически обусловленных
– Не говоря о процессах старения, являющихся в некотором смысле «философским камнем» мира биотехнологий, есть множество абсолютно приземленных и, простите, «простых» перспектив применения в реальной жизни с её практикой.НАИБОЛЕЕ ИНТЕРЕСНЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОФЕССИИ

Системный биотехнолог - это специалист по замещению существующих и формально устаревающих решений в различных отраслях новыми методиками из области биотехнологий (например биотопливо вместо дизельного топлива, или органические строительные материалы вместо цемента, бетона и стали);
Архитектор живых систем - это специалист по планированию, проектированию и созданию технологий замкнутого цикла с участием генетически модифицированных организмов и микроорганизмов (биореакторы, системы производства еды в городских условиях);
Урбанист эколог - это специалист, занимающийся проектированием городов нового типа, с использованием последних достижений в области биотехнологий, в том числе чистых биологических энергоресурсов и систем контроля загрязнения окружающей среды;
Биофармаколог - это специалист по созданию новых лекарственных биопрепаратов с заданными свойствами, которые смогут заменить искусственно синтезированные лекарства;
ГМО аграном - это специалист по внедрению генно-модифицированных культур в сельском хозяйстве, занимающийся также и внедрением биотехнологических решений и получением результата с заданными свойствами, которые могут быть самыми разными: высокая урожайность, повышенная стойкость к неблагоприятным погодным условиям и паразитам;
Ситифермер - это специалист по обустройству и обслуживанию агропромышленных хозяйств на крышах и стенах небоскребов и жилых домов, то есть в условиях городской застройки. Здесь могут быть как продукты питания, так и разведение домашнего скота;
Бионик - это специалист, применяющий свойства и организацию живой природы и живых организмов (в том числе и человека) для создания автоматизированных систем и усовершенствования вычислительной техники. Например, распределенные вычислительные сети на базе микроорганизмов уже сегодня решают специфические задачи, неподвластные компьютерному моделированию.

Статьи и научные публикации:

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ

Физики, технологи, криейторы — передовая линия общества, которая создает будущее. Это они изобрели транзисторы, радио, телевидение, рентген, лазеры, интернет, космические программы и многое другое. И сейчас основные мировые разработки ведутся над созданием будущего сегодняшнего дня — искусственного интеллекта (ИИ), нанотехнологий и биотехнологий.

Инновации именно в этих технологических направлениях обеспечат богатство всего общества в ближайшее время. Главным ресурсом экономики нового времени станет информация. Чтобы оценить и структурировать информацию, нужна аналитика, а чтобы применять — интеллект. Обработать такое количество информации, как есть у нас сейчас, сможет только ИИ. Существует три основных типа искусственного интеллекта: роботы, программы по распознаванию паттернов и машинное обучение. В будущем ИИ будет повсюду.

Чтобы эффективно взаимодействовать с таким миром, людям понадобится принципиально новый доступ к интернету. Его обеспечат специальные контактные линзы или сенсорные очки: вся информация будет поступать на их поверхность, а управлять ими можно будет, просто моргнув глазами.

Технологии дополненной реальности сейчас активно развиваются. Сама по себе дополненная реальность (augmented reality, AR) представляет собой наложение виртуальных слоев, которые создал компьютер, на реальность обычную, в которой мы существуем. Самый показательный (и один из самых ранних) примеров дополненной реальности — «картинка», которую видел Терминатор из «Терминатора-2».В ближайшем будущем мы будем мыслить критериями 3D-пространства и использовать его полностью, а не только через информационные окна (экраны мониторов и мобильных телефонов).

Основа 3D-мышления — восприятие мира как информационного монитора с возможностью взаимодействия с нужной вам информацией в любой точке. Это основной тренд современности, в который вкладываются все IT-гиганты.
И одной из точек генерации информации является технология дополненной реальности.

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ AR

В образовании AR может быть использована для воссоздания исторических событий или чтения обычных книг в 3D-проекциях. Дополненная реальность чрезвычайно полезна для педагогов в условиях занятий в классе или во время презентаций и позволяет учащимся глубже понять определенную тему. Пример уже внедренных технологий — японское приложение New Horizon, которое с помощью встроенных камер смартфона показывает прямо в учебных книгах анимированных персонажей на нужных страницах.

Еще одна сфера применения AR — здравоохранение. Приложение ARnatomy уже помогает будущим врачам изучить реальную модель скелета, а зрительное приспособление VA-ST используется людьми со значительной потерей зрения. Оно создает наброски контуров лица собеседника.

Человеческий мозг смог адаптироваться к современному потоку. Но и этого уже не хватает. Мы как информационная губка, которая может поглощать и обрабатывать невероятное количество информации. Получая её из более чем трёх источников или визуальных образов, мы без труда можем быть мультизадачными. А что, если нужно 20-30 задач, образов одновременно?
Ограничение не в том, что мозг не сможет обработать данные массивы информации в реальном времени. «Бутылочное горлышко» — системы вывода и визуализации информации и удобство взаимодействия с ней.
Дополненная реальность может быть не такой захватывающей, как поездка на американских горках в виртуальной реальности, но технология зарекомендовала себя как очень полезный инструмент в нашей повседневной жизни. От фильтров социальных сетей до хирургических процедур популярность AR быстро растет, поскольку она привносит элементы виртуального в реальный мир, улучшая тем самым то, что мы видим, слышим и чувствуем. По сравнению с другими технологиями реальности AR находится в середине спектра смешанной реальности; между реальным и виртуальным миром.

Технология дополненной реальности обладает большим потенциалом для повышения качества медицинского обучения во многих областях — от эксплуатации оборудования МРТ до выполнения сложных операций.

Дополненная реальность уже полезна в таких областях:

розничная торговля;
ремонт и обслуживание;
логистика;
туризм;
образование;
обслуживающий персонал;
развлечения;
общественная безопасность;
ремонт автомобилей;
GPS-навигация;
строительство и архитектура;
дизайн интерьера помещения.

ОБЛАЧНЫЕ ХРАНИЛИЩА И ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧЕСЛЕНИЯ

Облачное хранилище — это структура распределенных в сети онлайн-серверов, как правило, в виде онлайн-сервиса, предоставляющая пользователям место для хранения их данных. Хранилище нужно синхронизировать со своим устройством. После этого туда можно загружать файлы любого типа. Они будут доступны со всех устройств онлайн.

Облачные вычисления — это предоставление вычислительных ресурсов по запросу через интернет. Ресурсами могут быть серверы, системы хранения, сети передачи данных, программное обеспечение, платформенные сервисы.
Поставщики облачных услуг распределяют вычислительные ресурсы между разными заказчиками. Каждый из заказчиков получает требуемый пул мощностей или сервисов, которые при необходимости масштабируются.

В финансовом отношении облачные вычисления удобны для потребителя тем, что:

отсутствуют капитальные затраты на собственное оборудование и помещение для него — только операционные;
услуга оплачивается по факту использования, например за выделенный объем ресурсов или за использованные мощности за определенный период;
объем ресурсов увеличивается или уменьшается, когда в этом появляется необходимость, т. е. отпадает проблема с простоем оборудования или сервиса.

Почему за облачными вычислениями будущее?

Скорость и гибкость. Традиционная инфраструктура плохо справляется со скоростью изменения рынка. На то, чтобы выделить нужные ресурсы, обычно уходят недели или месяцы. Облачные ресурсы можно получить меньше, чем за час и в нужном объеме.
Инновации. Чтобы оставаться конкурентоспособной, компании необходимо быстро разрабатывать новые продукты и услуги, оценивать их рыночный потенциал и внедрять. Облачные вычисления в этом смысле эффективнее, чем локальная ИТ-инфраструктура.
Экономия. Компания, которая арендует облачные ресурсы, несет только операционные расходы. Предсказуемое ценообразование помогает планировать бюджет на ИТ.
Отказоустойчивость. Для облачных провайдеров высокий уровень отказоустойчивости клиентских сервисов — обязательное условие, потому что многие клиенты обращают внимание в первую очередь на SLA. Конкуренция между поставщиками вынуждает их повышать качество и надёжность инфраструктуры.

ВЕЧНЫЙ ЖЕСТКИЙ ДИСК

Облачным хранилищам нужны обновления и регулярные резервные копии. Сократить расходы на содержание таких систем может «вечный жёсткий диск», разработанный в РХТУ имени Менделеева. Он сделан из кварцевого стекла – материала, устойчивого к огню, воде и радиоактивному излучению. Такой диск может хранить информацию в течение ста тысяч лет.
С такими технологиями наши сервера могут стать мировым лидером в области облачных хранилищ информацию при определенной централизации научной деятельности и целеполагании.

БУДУЩЕЕ ЗА БЕСПРОВОДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ

Беспроводная зарядка была изобретена Никола Тесла несколько десятилетий назад. Именно Тесла придумал способ передачи электроэнергии от одного устройства другому с помощью катушек через электромагнитное поле. Тем не менее, даже спустя долгие годы беспроводная зарядка воспринимается как что-то необычное, экзотическое и не очень удобное. В ближайшее время ситуация может измениться.

Огромного прорыва в технологии беспроводной зарядки добились российские ученые из Университета ИТМО и «НИИ Гириконд». Они изобрели принципиально новый способ беспроводной передачи энергии с применением керамических диэлектриков. Технология беспроводной передачи энергии за счет эффекта резонансного взаимодействия двух медных катушек была изобретена в 2007 году специалистами Массачусетского технологического института (MIT). Во время испытаний им удалось зажечь лампочку мощностью 60 ватт, которая находилась на расстоянии 2,5 метров от источника энергии. Вокруг передатчика распространялось магнитное поле, которое доходило до лампочки, подключенной к катушке, настроенной на ту же частоту. Эта технология называется WiTricity (от Wireless Electricity — беспроводное электричество) и сейчас она используется для зарядки смартфонов, планшетов и прочих устройств. В настоящее время желателен физический контакт гаджета с базой, излучающей энергию, поскольку технология работает эффективно лишь на небольших расстояниях. Кроме того, требуется подобрать правильную ориентацию источника энергии и устройства со встроенным приемником.

Российским ученым удалось усовершенствовать этот метод, используя вместо медных катушек керамические резонаторы. Они излучают энергию на более дальнее расстояние с гораздо меньшими потерями. Резонансная частота была уменьшена, в результате чего структура магнитного поля стала сложнее, но энергия меньше затухает в пространстве. В настоящее время КПД при зарядке устройства с расстояния 20 сантиметров от передатчика составляет 80 процентов, однако передаваемая мощность невелика — около одного ватта. Для понимания: зарядка современных смартфонов и планшетов обычно осуществляется зарядными устройствами мощностью не менее 10 ватт. Перед учеными из Университета ИТМО стоит сложная задача — на основе существующей технологии увеличить и мощность излучателя, и расстояние передачи энергии с сохранением примерно того же КПД. Для этой цели они собираются использовать разработанные в «НИИ Гириконд» новые образцы керамики с большим значением диэлектрической проницаемости и меньшими потерями.

Научные публикации:

3D ПРИНТЕРЫ

За многими товарами, в будущем не нужно будет идти в магазин и стоять в очереди, достаточно скачать в интернете виртуальную модель товара и распечатать его на 3D-принтере. Придя в магазин одежды, вам нужно будет выбрать только модель, а саму одежду напечатают тут же, и она будет идеально подходить вам по размеру. Эти изменения коснуться и других сфер, например, печати органов человека.

Искусственное создание человеческой кожи, тканей и внутренних органов может восприниматься как фантастика, но большая часть всего этого происходит прямо сейчас. В исследовательских центрах и больницах по всему миру достижения в области 3D-печати и биопечати предоставляют новые возможности для лечения людей и научных исследований. В ближайшие десятилетия биопечать может стать следующей важной вехой в здравоохранении и персонализированной медицине.

Биопринтеры работают почти так же, как и 3D-принтеры, с одним ключевым отличием — они наносят слои биоматериала, который может включать живые клетки, для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или ткани кожи.

Материалы для биопечати

Часто в биопечати используют хитозан — полисахарид, полученный из внешнего скелета моллюсков (например, креветок) или путем брожения грибов. Этот материал имеет высокую биосовместимость и обладает антибактериальными свойствами. Его недостаток — низкая скорость гелеобразования. Другой популярный материал — полисахарид, выделенный из морских водорослей, под названием агароза. Его преимущества — высокая стабильность и возможность нетоксичного сшивания при исследованиях. Однако этот биоматериал не разлагается и обладает плохой клеточной адгезией (способностью клеток слипаться друг с другом и с другими субстратами).

Первичный структурный белок, который содержится в коже и других соединительных тканях — коллаген — имеет высокую биологическую значимость. Он является наиболее распространенным белком млекопитающих и основным компонентом соединительной ткани. К его недостаткам для биопечати относят свойство кислоторастворимости.
На основе компьютерных проектов и моделей, часто сканирований и МРТ, сделанных непосредственно у пациента, головки принтера размещают ячейки именно там, где они необходимы, и в течение нескольких часов органический объект строится из большого количества очень тонких слоев.

Биопринтинг в России

3D Bioprinting Solutions — лаборатория биотехнологических исследований, основанная медицинской компанией INVITRO. Деятельность лаборатории — разработка и производство биопринтеров и материалов в области трехмерной биопечати и научные исследования. 23 августа 2019 года лаборатория «3Д Биопринтинг Солюшенс» отправила на МКС новую партию кювет для продолжения экспериментов по биопечати в космосе, начатых в 2018 году. Об этом сообщили в пресс-центре лаборатории. На этот раз на первом в мире космическом биопринтере Organ.Aut планируется использовать органические и неорганические компоненты для сборки костной ткани.

Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем создать полностью функционирующие и жизнеспособные органы для трансплантации человеку.

БУДУЩЕЕ ДИАГНОСТИКИ БОЛЕЗНЕЙ Уже сейчас разрабатываются методы высокоточной диагностики заболеваний на ранних стадиях. По статистике, онкобольные выздоравливают в 70-90% случаев, если опухоль обнаружена на ранней стадии. Однако сегодня ситуация такова, что подавляющее число людей узнают о страшном диагнозе на III и IV стадии, когда метастазы уже распространились по организму и вероятность выжить стремится к нулю. Именно поэтому диагностика — просто спасение для человечества. А в сочетании с эффективными методами лечения всех, смертельных на сегодня, болезней она даст потрясающие результаты. Для того чтобы обнаружить болезни в желудочно-кишечном тракте, в том числе онкологию, будет использоваться таблетка с камерой внутри. Достаточно ее проглотить и все — за 8 часов путешествия по ЖКТ она сделает тысячи превосходных изображений пищевода, желудка и тонкой кишки, по которым врач сможет безошибочно определить состояние пищеварительной системы. Первая такая камера-капсула появилась в Израиле в далеком 2001 году, остается лишь улучшить технологию. Нанороботы против рака В 2014 году стало известно о потрясающем изобретении южнокорейских ученых, прошедшем успешные испытания на мышах. Они разработали наноробота, способного распознавать раковые клетки и прицельно выпускать лекарство — только к «больным» клеткам, не трогая здоровые, поэтому о побочных эффектах химиотерапии и облучения (к примеру, выпадение волос и болезни костей) можно забыть. Также эти микроскопические устройства использовались для лечения сахарного диабета у крыс. Начало будущему положено. А всего через 20 лет нанороботы будут циркулировать в кровотоке каждого человека и выполнять те же функции, что наши собственные органы и ткани, только точнее и лучше. Роботизированные эритроциты (красные кровяные тельца) смогут доставлять к клеткам больше кислорода, роботизированные лейкоциты (белые кровяные тельца) — эффективнее бороться с вирусами и чужеродными элементами. Попутно нанороботы будут следить за состоянием организма, сигнализировать, если вдруг обнаружат «неполадки» и даже устранять повреждения в ДНК. Приятный бонус — можно будет есть все, что угодно. Еще одна функция нанороботов — очищение артерий от холестериновых бляшек, которые образуются от сладкой и жирной пищи. Так что можно поглощать мороженое, торты, жирное мясо (которое, кстати, будут искусственно выращивать на фабриках на радость зоозащитникам), сладкую газировку и пиццу в неограниченных количествах. Перепрограммирование генов Наша ДНК — образование многотысячелетней давности. Можно провести аналогию с программным обеспечением компьютера. Стоит признать, что ПО человека давно не обновлялось. Если быть точными, то никогда. В прошлом были саблезубые тигры, но не было автомобильных пробок — условия жизни существенно изменились. Только недавно был расшифрован геном человека (проект завершился в 2003 году), а примерно через 20 лет мы сможем усовершенствовать собственные тела — включая и выключая различные гены и перепрограммируя определенные внутренние процессы. Врачи научатся без проблем «вставлять» здоровую копию генов, если надо избавиться от какой-то болезни. Расширение физических возможностей человека — закономерное последствие перепрограммирования генетического кода, как и нахождения миллионов нанороботов в кровотоке. Люди смогут шагнуть далеко за пределы сегодняшних границ. Будут проводиться Олимпиады для суперспортсменов, которые смогут пробежать дистанцию, ни раз не вдохнув за 15 минут, прыгать на десятки метров в высоту и выполнять зрелищные упражнения на гимнастических снарядах. Увеличение продолжительности жизни В первой четверти XXI века произойдет значимый прорыв в антивозрастной медицине. Люди и в 70, и в 90 лет не будут выглядеть и, что важнее, чувствовать себя, как старики. Биотехнологическая революция поможет замедлить процессы старения, а если заглядывать еще дальше, то и повернуть их вспять. Для омоложения тканей будут использоваться стволовые клетки: вырастить новое сердце или обновить печень — не такая уж и непосильная задача для врачей будущего. Кстати, времени у людей станет больше не только потому, что они смогут спокойно доживать до 100 с хвостиком лет. Исследователи разработают методы, которые позволят спать намного меньше обычного. Конечно, это не исключит традиционного ночного сна с красочными сновидениями, но в случае необходимости можно будет бодрствовать несколько дней, не уставая.