Сэр Харшад Бадехиа — профессор Кэмбриджского университета, знаменитый ученый и специалист в области металлургии. «Хайтек» поговорил с Бадехией на Startup Village 2018 о создании уникальных наноматериалов и значимых для промышленности информационных технологиях, а также о том какую роль искусственный интеллект уже играет в металлургии и перспективах русских математиков в IT-науках

Броня из наностали поглощает мощь баллистической атаки

Сэр Харшад, вы занимаетесь исследованиями в области металлургии и разработками материалов будущего. Вы изобрели первый полноценный наноструктурный материал — super baintine — новый вид сверхпрочной стали. Что он из себя представляет, и что в нем особенного?

Разработки нанотехнологий — тема совсем не новая. Но создать объект с наноструктурой и при этом очень больших размеров очень трудно. Почти вся работа с наноматериалами раньше заключалась в создании совсем крошечных образцов. Это крайне интересно для многих исследований, но не очень-то применимо в жизни. Главная функция материала — в том, что он дешевый и может производиться тысячами тонн.

Если посмотреть на кусок металла через электронный микроскоп, мы увидим, что он состоит из множества разнообразных и очень красивых кристаллов. Наша идея — очень сильно уменьшить эти кристаллы, сделать их совсем маленькими по размеру. Мы сжимали их для того, чтобы многократно увеличить количество связей между ними. Площадь граней, связывающих кристаллы, в одном кубометре теперь составляют сотни миллионов квадратных метров.

Новая сталь используется для изготовления железнодорожных рельсов, например, для тоннеля, связывающего Великобританию и Францию. Как еще ее можно применять?

Из такой стали уже создаются защитные средства от баллистических атак — бронежилеты. Когда пуля с гигантской скоростью попадает в броню из наностали, ее материал не ломается, а поглощает и распределяет мощь удара. Поэтому повреждений для человека в таком жилете будет намного меньше.

У подобной брони выше баллистическое сопротивление, чем у обычной. Есть такой показатель — эффективность баллистической массы — чем он выше, тем надежнее броня. Так вот, у обычного бронежилета коэффициент равен 1.2, а у наностали — 3. То есть повреждения от пули в бронежилете из новой стали будут в два с половиной раза меньше. Также эта броня не теряет своих свойств после множества выстрелов. Другие бронежилеты с повышенной эффективностью баллистической массы становятся намного уязвимее уже после первого попадания пули.

Другое применение новой стали — вал для авиадвигателей в гражданской авиации. Это элемент, к которому крепятся все части двигателя, в том числе его лопасти. Из-за роста требований к современным самолетам валы становятся все больше. Во время полета повышается давление воздуха на все элементы и, соответственно, на ось двигателя, поэтому вал должен быть очень стабилен. Иначе в случае поломки одной из лопастей двигателя он завибрирует, и это послужит причиной крушения самолета. Но если ось остается неизменной, то она сохраняет баланс даже при поломке одного из элементов, в таком случае можно будет просто отключить один двигатель. Над этим проектом мы работаем вместе с Rolls-Royce.

Мы планируем создавать из новой стали подшипники для ветряков. Часто они бывают очень больших размеров — до четырех метров в диаметре. Их поломки непредсказуемы, поэтому их предсказать практически невозможно. И если подшипник ломается раньше плановой замены, то починить ветряк очень сложно. Сейчас мы создаем такие детали с большей прочностью, чтобы гарантировать определенный срок их службы

Наноматериалы состоят из частиц размером от 1 до 100 нанометров. Один нанометр примерно в 80 тыс раз меньше толщины человеческого волоса. Наноматериалы встрачаются в скелетах планктона, шелке, шерсти животных, вулканическом пепле, некоторых видах глины, межзвездной пыли. Но могут быть и синтезированными.

Искусственно создаются как композиционные уникальные материалы, так и существующие. Вторые синтезируют — на атомном уровне у них изменяются физические, химические, оптические, магнитные и электрические свойства. Конструкционные материалы могут обладать свойствами, которые другим способом до этого получить не удавалось.

Наноматериалы разрабатываются для применения в оптике, электронике, механике, медицине и ферментотерапии. Свойства синтезированных на наноуровне материалов очищают воду от тяжелых металлов, защищают от радиации, предохраняют организм от бактерий. Ежегодный рост глобального рынка наноматериалов составляет 20,7% и к 2022 году должен достигнуть $55 млрд.

Харшад Бадехиаbl.uk

Как вы оцениваете значение своего открытия?

Успешный результат — это использование материала на производстве, и это большой путь. Сначала делается очень много расчетов, чтобы понять, будет ли работать наш концепт. Но только подсчетов недостаточно. У нас нет всех необходимых знаний, чтобы определить верность теории и создать нужный материал. Поэтому, когда у нас есть некоторая уверенность в наших вычислениях, мы создаем 50 г материала в университете и проверяем все ли верно. Если да, то мы идем на производство и создаем образец в 100 кг, тестируем другие его свойства в больших масштабах. Если снова все нормально, то идем в индустрию, чтобы создать тонны материала и провести тесты компонентного уровня. Это очень дорого. Но без точной проверки никто не захочет работать с новым металлом. А продукт, в конце концов, должен продаваться. Сейчас мы работаем со многими производителями, поэтому да, это можно считать успехом.

Как ваше открытие повлияло на промышленность в целом?

Все очень просто: если вы не используете последние достижения науки в производстве, очень быстро вы становитесь неконкурентоспособны. После того, как наш материал подтвердил свои свойства в испытаниях, очень многие предприятия адаптировали и используют его для самых разных целей. В итоге, это приведет к созданию объектов, которые невозможно было построить раньше. После публикации нашей работы о наноструктурных материалах на эту тему стало выходить очень много других работ — в Китае, Индии, России. Все это говорит о влиянии открытия.

Награждение Бадехиа званием профессор металлургиитвиттер Королевской семьи

Какие IT-технологии имеют значение для металлургии в данный момент?

В металлургии мы применяем много разных технологий, и ИИ в том числе. Вот пример: на металлургическом комбинате производство контролируется ИИ и нейронными сетями. Во время проката стали идет мгновенный фидбек о том, что прочность материала остается неизменной. Производя сотни тонн металла в сутки, это невероятно важно. И такой подход применяется уже более двадцати лет. Также мы используем ИИ-методы, чтобы решать непростые задачи в исследованиях. У нас очень много информации, она действительно сложная, а такие задачи идеально подходят для нейронных сетей и искусственного интеллекта.

Харшад Бадехиа (второй слева) на Startup Village 2018

Первоочередная функция настоящего интеллекта в том, чтобы планировать будущее. У вас есть память о случившихся событиях. Основываясь на ней, надо предсказать, что случится в дальнейшем. Сейчас ИИ способен работать с имеющимся опытом в виде данных: проводить их анализ и делать выводы. Но в отношении планирования будущего он очень слаб, этой технологии нужно пройти еще долгий путь.

Сейчас совершенствуются методы взаимодействия ИИ с информацией: делают его более интеллектуальным. В Кэмбридже есть большая группа людей, которая работает над ИИ. И они идут дальше, чем просто интерпретация информации. Они учат компьютер планировать будущее. И когда у них (или у кого-то еще) получится, это будет захватывающее открытие

Харшад Бадехиаphase-trans.msm.cam.ac.uk

Насколько долгий путь до того момента, когда ИИ сможет предсказывать будущее?

В данный момент уровень ИИ очень низкий. Я не могу сказать, как быстро произойдет этот рывок, математические методы сегодня быстро развиваются

Успех на атомном уровне — это только песчинка

Какие еще важные технологии сегодня вы бы выделили в сфере, в которой работаете?

В первую очередь, это инструментарий. Он дает возможность изучать материалы на глубинном уровне, а потом перекладывать разработки в больший масштаб. С помощью оборудования мы рассматриваем отдельные атомы и распознаем, что это за атом — неон, водород или что-то еще.

Харшад Бадехиа в Санкт-Петербургском политехническом университете имени Петра Великого

Иногда мы видим что-то на атомном уровне и затем масштабируем в большие размеры, появляется гигантское несоответствие между проектом и реальностью. Потому что у большого объекта будет неоднородная композиция, какие-то дефекты. Нам нужна наука, которая будет позволять делать адекватный перенос очень маленьких расчетов в очень большие масштабы. Это проблема практически не решена сегодня.

Если кто-то говорит, что может симулировать материал, нужно спрашивать его: в каком масштабе будет эта симуляция. Ученые работают над микроскопическими примерами и при публикации работы говорят, что достигли определенных свойств. Но они не понимают, что достигли этих свойств только в данном масштабе. Если речь идет о нескольких тысячах атомов, а реальный образец будет содержать 1025 атомов, то это ничего не значит, это только песчинка, по которой ничего нельзя сказать о целом здании.

Что может помочь преодолеть этот технологический разрыв?

Для этого нужны новые идеи. Сказать, какая именно из них выстрелит, когда это случится, — невозможно. Но если многие люди будут думать над этой проблемой, то кто-нибудь молодой придумает в итоге действительно отличное решение.

Решение подобных проблем связано исключительно с компьютерными науками?

Нет сомнений, что численное восприятие значительно превосходит вербальное. И с древних времен во всех науках количественный подход всегда срабатывал лучше, потому что на основе множества исследований можно делать предсказания и определять правильна ли ваша теория или нет.

Но если не делать количественных предсказаний, оценка верности исследования будет очень ограниченной. И, конечно, математика и ее возможности глубокого понимания, здесь очень важны. Русские студенты и ученые очень хорошо подготовлены в математике. Это позволит им внести свой вклад в формирование будущего высоких технологий.