Квазиживое существо: как в БФУ им. И. Канта создают «химический» компьютер

Учёные лаборатории Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. Канта несколько лет работают над необычным компьютером. Ему не нужно электричество, а принцип его работы основан на специфической химической реакции. На выходе должен получиться не системный блок с монитором или ноутбук (такие ассоциации, как правило, рождаются при слове «компьютер»), а некое квазиживое существо, которое, возможно, будет напоминать маленького осьминога. Как идёт работа над новым изобретением, узнал журналист «Нового Калининграда».

Принцип работы нового компьютера основан на взаимодействии осцилляторов — капелек раствора или шариков-кружочков геля, в которых протекает довольно специфическая химическая реакция, носящая имя двух известных химиков — Бориса Белоусова и Анатолия Жаботинского. С одной стороны, она дает энергию, а с другой, взаимодействие этих осцилляторов формирует некую напоминающую ансамбль нейронов структуру. То есть что-то похожее на сложную систему взаимодействия нервных клеток.

«Если говорить очень просто, то химический компьютер функционирует примерно так же, как мозг, — объясняет старший научный сотрудник Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. Канта Илья Мальфанов. — И в этом преимущество такого рода устройств перед обыкновенными вычислительными аппаратами, созданными на основе классических компьютерных систем, у истоков которых стоял математик Джон фон Нейман. Привычные нам компьютеры могут быть весьма мощными, но их минус состоит в том, что они решают задачи постадийно, одну за другой. Химический же компьютер, как и наш мозг, способен решать несколько задач одновременно».

Вдохновителем проекта был переехавший из Бостона в Калининград профессор Владимир Карлович Ванаг. К сожалению, он скончался два года назад. Однако начатые им исследования не прекратились, знамя подхватили его ученики и последователи. Сейчас Центром прикладной нелинейной динамики руководит доктор физико-математических наук Анастасия Лаврова. Под её руководством кандидат химических наук Илья Мальфанов, кандидат физико-математических наук Иван Проскуркин, математик Дмитрий Сафонов и аспирант Александр Ефимов продолжают начатые Владимиром Ванагом исследования и разработки и довольно-таки продвинулись на пути создания химического компьютера.

«Можно сказать, произошел качественный скачок, — считает Илья Мальфанов. — От исследования простых ансамблей точечных микроосцилляторов мы перешли к двухмерным химическим устройствам, способным решать на порядок более сложные задачи». По его словам, учёным удалось имитировать взаимодействие нейронов в спинном мозге рыбы миноги. Но это лишь первый шаг большого и сложного пути. «Мы ставим перед собой задачу создать из полимера робота, способного на разумное поведение, — добавляет научный сотрудник Центра Дмитрий Сафонов. — Речь идёт о своего рода „химическом Големе“, который, вероятнее всего, будет выглядеть, как мягкотелое морское животное, вроде осьминога».

В своей работе ученые не столько стремятся скопировать работу нервной системы живых организмов, сколько вдохновляются ей. «Это как птица и самолет, — предлагает аналогию Дмитрий. — Очевидно, что конструкторы при создании самолета явно вдохновлялись птицами, но самолеты крыльями не машут, однако — летают».

Помимо «мозга» (назовем это так), у создаваемого «существа» должно быть тело. Работа над ним выделена в отдельное направление. «Речь идет о химико-механическом материале, который под действием всё той же реакции Белоусова-Жаботинского сможет менять размеры, демонстрировать сложные виды движения, например сокращение щупалец», — поясняет Илья Мальфанов. При этом, говорит учёный, в России над подобного рода материалами на серьезном уровне не работает больше никто, а в мире конкуренцию составляют в основном японцы и китайцы. «Без ложной скромности могу сказать, что здесь мы, как говорится, на передовом рубеже науки», — смеется ученый.

Когда «нервная система» и тело квазиживого существа будут готовы, их надо будет состыковать. Когда это произойдет, пока точно сказать сложно. Илья и Дмитрий высказали предположение, что основные этапы работы могут быть завершены уже через пару лет.

Понятно, что создание этого, скажем так, «существа» не самоцель. Но обкатанные при его рождения технологии смогут, по мнению ученых, принести реальную пользу. «Проект, помимо всего прочего, интересен тем, что расширяет наше представление о том, как может быть устроен робот, — говорит Дмитрий. — Обычно это некоторый корпус с электроникой внутри, которая управляет сервоприводами, манипуляторами и так далее. На самом деле — возможны варианты. И наш, химический компьютер — один из них».

У этого компьютера по сравнению с привычной техникой есть важные интеллектуальные особенности, отмечают ученые. «Классический компьютер как семечки щелкает арифметические задачи. Однако ему требуются огромные мощности, чтобы он смог отличить лицо одного человека от другого. Но для вас и для меня в этом нет никакой сложности, — рассказывает Илья Мальфанов. — И поскольку химическое „разумное“ устройство во многом имитирует наш мозг, для него это тоже очень просто».

Шесть лет назад профессор Ванаг высказал интересную мысль о том, что химический компьютер в силу своей похожести на мозг человека будет нам понятней и ближе на эмоциональном уровне. Более того, разобравшись в том, как взаимодействуют между собой осцилляторы, химики смогут оказать добрую услугу нейробиологам, стремящимся разгадать секреты мозга. Также Владимир Карлович позволил себе пофантазировать, предположив, что человечество рано или поздно найдет способ объединить сильные стороны химических и обыкновенных компьютеров. Первые быстро считают, вторые — многозначны, но те и другие, возможно, станут такими маленькими, что их можно будет «упаковать» в специальные «таблетки для киборгов» и принимать внутрь. Кто знает, куда нас заведет дорога технического прогресса...

Обязанности между Дмитрием Сафоновым и Ильей Мальфановым делятся так: первый, будучи математиком, занимается моделированием химических процессов, второй — химик — реализует это на практике. «Дмитрий что-то нафантазирует, а я все это пытаюсь воплотить в жизнь, — шутит Илья. — Реальность всячески сопротивляется, но мы не привыкли отступать!» Иногда, впрочем, случается и наоборот: эксперимент показывает интересный результат, после чего приходится, что называется, подводить под него теорию.

«Мне нравится этот проект, — признается Дмитрий. — Я учился в БФУ, писал диплом по дифференциальной геометрии, но к пятому курсу решил, что не хочу больше заниматься теоретической математикой, что меня больше привлекает прикладная наука. И в аспирантуру я пошел с расчётом попасть в какую-нибудь лабораторию, где можно наблюдать живьём исследуемый объект. Это очень приятное ощущение, когда удаётся убедительно описать реальный процесс языком математики. Пугающе сложный нелинейный мир в такие моменты кажется вполне понятным и предсказуемым».

По словам ученых, финансирование со стороны университета и различных грантовых организаций, в частности, Российского научного фонда, программы «Приоритет 2030», пока позволяет закупать расходные материалы и разного рода оборудование.

«Сейчас оно главным образом китайское, — говорит Илья. — Работает вроде нормально, при этом стоит относительно недорого. Вот недавно, например, приобретена лиофильная сушилка (аппарат для сублимационной сушки образцов. — прим. „Нового Калининграда“) за почти 250 тысяч рублей. Пока нареканий к ней не имеем. Единственное, в чем мы испытываем недостаток, так это в студентах и аспирантах, поскольку работы предполагается очень много».

Дмитрий видит простое решение этой проблемы. «Мне кажется, что нужно идти в народ, — считает он. — Если бы мы занимались не только научной работой, а еще и преподавали, то было бы проще находить перспективных студентов, привлекать их к нашим исследованиям. Но пока загруженность не позволяет этого делать. Впрочем, после защиты я планирую этим заняться. А так, кто ищет — тот всегда найдёт».

Текст: Кирилл Синьковский, фото: Юлия Власова / «Новый Калининград»