Искусственный интеллект поможет и братьям нашим меньшим

Автоматический анализатор крови животных в лаборатории ЧГАУ. Этот аппарат — база для передовых разработок Антона Степанова.

Фото автора

Антон СТЕПАНОВ, доцент кафедры математики, физики и информационных технологий инженерного факультета ЧГАУ

Продолжаем знакомить вас с учеными Чувашии, которые во время объявленного Президентом России Владимиром Путиным Десятилетия науки и технологий определяют векторы развития прогресса не только в республике, но и в стране. Сегодня представляем вам кандидата физико-математических наук, доцента кафедры математики, физики и информационных технологий инженерного факультета Чувашского государственного аграрного университета, автора удивительных проектов Антона СТЕПАНОВА.

Суперкомпьютер
— Антон Викторович, расскажите, как вы пришли в науку.
— Я родом из Чебоксар, учился всю сознательную жизнь здесь: окончил лицей № 3, затем физмат ЧГПУ им. И. Яковлева. А вот степень кандидата физико-математических наук защитил в Нижегородском государственном университете. Родители мои инженеры: мама — строитель, папа — электроэнергетик. За то, что в науке, спасибо моему научному руководителю Геннадию Филиппову, который еще со старших классов начал готовить меня. Он один из немногих живых учеников школы Ландау, выпускник МГУ, преподавал в ЧувГУ, затем в нашем педуниверситете, потому и пошел туда за ним. Уже с первых курсов я начал активно заниматься исследованиями, затем это переросло в серьезный проект.
— Каков род вашей деятельности?
— Специализируюсь на вычислительной физике, работаю на суперкомпьютерах, например “Ломоносов-2” в МГУ, с этим связаны несколько моих научных проектов. Также занимаюсь методами машинного обучения, анализом данных, дополнительно учился для этого в Университете Иннополис. По большей части я обсчитываю эксперименты, занимаюсь построением моделей на основе этих данных.

Нанотрубки
— Начал читать вашу кандидатскую диссертацию. Сложно для обывателя. Можете простыми словами объяснить, о чем она?
— Она связана с одним из видов углерода, у него их как минимум шесть известных форм: графит, графен, углеродные нанотрубки, алмазы, фуллерены и так далее. Нанотрубки — это протяженные структуры в виде сотовой сеточки диаметром несколько нанометров с максимальной длиной в несколько миллиметров. Они были открыты, по разным оценкам, в 70-е или 90-е годы прошлого века. Скорее, последнее, и сделал это японский физик Иджима. Нанотрубки привлекли внимание ученых своими необычными свойствами: очень хорошей электро- и теплопроводимостью, они в десятки раз прочнее других материалов. И у них широкое применение в областях химии, биологии. Моя же диссертация была связана с тем, как можно модифицировать эти трубки и как через них пропускать полезные для нас вещества — ионы. По сути, речь идет о таком трубопроводе для них, чтобы поливать нужные нам структуры.
— Для чего это нужно?
— Например, чтобы модифицировать поверхности, изменять их вид, морфологию, химический состав. В исследовании я разбирал трубки с дефектами, а они есть всегда: изогнутость, различные включения, которые изменяют не только их внешний вид, но и свойства. Так вот, диссертация была посвящена тому, как эти дефекты влияют на пропуск ионов через трубки. Это важно, ведь они используются в композитных материалах для суперпрочных конструкций, например в авиапромышленности, электронике в качестве транзистеров.
— Отрасль развита в России?
— Конечно. Есть завод по производству нанотрубок в Сибири, Подмосковье, Москве. Что говорить, если “Кванториумы” обладают реакторами для производства таких трубок. Любой школьник сейчас может научиться их синтезировать. Рынок очень активно растет. Трубки можно приобрести даже на маркетплейсах.

Лаборатория
— Мы с вами беседуем в лаборатории клинико-гематологических исследований, которой вы заведуете. Выглядит она очень современно. Чем здесь занимаются?
— Здесь с 2019 года, с момента открытия, исследуем биологические вещества. Например, занимаемся биохимией крови и других жидкостей животных, анализируем их и микроорганизмы. В лаборатории проводятся и анализы для нашей ветеринарной клиники “Усы, лапы, хвост”, учебные занятия. И важно, что здесь мы ведем дополнительные научные исследования в области гематологии, микробиологии, ветеринарных наук и моей любимой вычислительной физики с точки зрения автоматизации методов лабораторных исследований. Например, мы создали способ диагностики стекол под микроскопом, основанный на методах машинного зрения и обучения. Искусственный интеллект помогает исследовать то, что человек видит глазами.
— Можете привести пример?
— Образец кладем под микроскоп, ставим камеру. ИИ в автоматическом режиме распознает то, что она видит, и подсказывает, что здесь есть: например, отклонения от нормы, патологии, объекты, которых быть не должно. Мы с лабораторией третий год участвуем в самарском проекте “Инженерия будущего”: разрабатываем систему диагностики заболеваний мелких домашних животных. Есть проект с Саратовским государственным аграрным университетом в рамках программы “Приоритет-2030”. Здесь упор на сельскохозяйственных животных. По нанотрубкам работаем с МГУ, проводим исследования микроорганизмов для того, чтобы понять, насколько эти трубки влияют на их развитие. На эту тему вышло уже много работ, в том числе международного уровня. Идея в том, чтобы развить это направление в удобный прикладной метод получения, к примеру, перевязочного материала нового поколения, лекарственных соединений, нетоксичных для людей и животных материалов. Из них можно изготовить носимые устройства, например биосенсоры.

“Гемоскан”
— У тех, кто в теме, на слуху ваш проект “Гемоскан”, который вы презентовали в 2022 году на Петербургском международном экономическом форуме. Что это за разработка?
— Проект появился благодаря исследованиям в нашей лаборатории. Сейчас активно работаем по этому направлению с казанскими вузами: КФУ, Университетом Иннополис, а также ветеринарной лабораторией столицы Татарстана. В последней у нас проходили испытания разработанных приборов и программного обеспечения. Второе создано для машинного обучения анализу биологических образцов. Это стало возможным благодаря большой базе образцов, которую мы сами же и собрали с помощью казанских коллег, студентов и аспирантов, и Фонду содействия инноваций, венчурному фонду Республики Татарстан. В базе более 300 тысяч объектов. Мы провели обучение нейронных сетей: алгоритм распознает наши образцы, сегментирует их, подсчитывает, что и в каком количестве в них содержится, и помогает ветеринару ставить диагноз. Например, в казанской лаборатории мы ставили диагноз “лейкоз” представителям крупного рогатого скота. “Гемоскан” работает быстрее, чем человек.

Развитие
— Так вы, физик, занимаетесь ветеринарией?
— Разработкой физических методов лабораторной диагностики, которые можно применять в ветеринарии, я бы так это назвал.
— Что вы преподаете в вузе?
— Физику, прикладное программирование, вычислительные сети, компьютерное моделирование — всё по моей специальности вычислительной физики и различным ее приложениям. Преподаю на всех курсах и практически на всех факультетах. Аспирантов у меня пока нет, но, возможно, они скоро появятся. С двумя десятками студентов плотно занимались научными исследованиями, то есть теми, по которым писали статьи в различные сборники. А всего я с начала работы в вузе, то есть с 2016 года, выпустил порядка 500 специалистов, если считать бакалавров и магистров вместе. Хочу отметить, что моя кафедра не выпускающая, поэтому официальных дипломников у меня нет, хотя все 500 человек, о которых я сказал, через меня прошли так или иначе. Мы с ними рассмотрели много интересных вопросов, надеюсь, это пригодилось им в жизни. Студенты с удовольствием погружаются в работу, им хочется научиться чему-то новому, передовому.
— Какие у вас планы?
— Самые ближайшие — развитие моих проектов и как физик, и как “дата-сайнтист”. Здесь есть возможность создать интересные не только в плане науки, но и практического внедрения разработки. Возможности я вижу, реализация, надеюсь, не подведет. Определяющие факторы в этом вопросе, как обычно, время и деньги. А еще уверен, что проектов в нашем вузе подобного уровня или выше станет больше. Сейчас, например, активно развиваем исследования по хмелеводству. Для этого у нас есть все возможности.

***

Антон СТЕПАНОВ, доцент кафедры математики, физики и информационных технологий инженерного факультета ЧГАУ:
— Проект “Гемоскан” — резидент биомедицинского кластера “Сколково”. Инновационный центр помогает нам, предоставляя акселерационные программы, приглашает на выставки. Много мероприятий подарил нам и Россельхозбанк. Они познакомили с нашими разработками крупные агрохолдинги, например “Русагро”, “Черкизово”. Им это интересно, они готовы внедрять их у себя. Конечно, без поддержки нашего аграрного университета, его лаборатории, ветеринарной клиники это было бы невозможно.