Откуда берутся лекарственные средства? С древних времен человечество пользовалось экстрактами растений в лекарственных целях. Проблема с таким подходом в том, что его сложно масштабировать: чтобы собрать даже одну дозу активного средства может потребоваться обработка нескольких растений. Настоящая революция в фармацевтике произошла только после того, как ученые научились синтезировать природные лекарственные молекулы в лаборатории поскольку это позволило масштабировать производство лекарственных средств. Однако, природные лекарственные средства как правило имеют сложную структуру, которую сложно воссоздать в ходе синтеза в лаборатории (природа гораздо лучше нас справляется с задачей органического синтеза). Поэтому всегда был актуален поиск более простых способов синтеза лекарственных средств, что на практике сводится к поиску более простых способов соединения маленьких фрагментов и образования функциональных групп.

К 2000 году, Барри Шарплесс предложил называть быстрые химические реакции с использованием простых реагентов протекающих без образования нежелательных побочных продуктов “химией щелчка”. Вы можете задаться вопросом: а почему такое, казалось бы, крайне обобщенное описание заслуживает отдельного термина? Дело в том, что при синтезе подавляющего большинства соединений вам приходится иметь дело с множеством стадий, каждая из которых может быть очень капризной. Некоторые реакции нужно проводить при очень низких температурах, например: -79°C (такие температуры достигаются охлаждением ацетона с помощью сухого льда), а некоторые при очень высоких: 150-200°C (достигаются с помощью нагревания песчаной или масляной бани). Для некоторых реакций нужны труднодоступные катализаторы или специфичные растворители (многие из которых токсичны для живых организмов). Так что тот набор реакций, которые не требуют экстремальных условий, и которые можно было бы проводить в водных растворах, вполне заслуживает отдельного имени.

В качестве первого примера новой химии щелчка, Шарплесс с коллегами предложили использовать на тот момент хорошо изученное 1,3-диполярное циклоприсоединение, впервые проведенное в 1893 году Артуром Михаэлем. В ходе этой реакции, молекула с азидной группой (три атома азота, соединенные друг с другом) реагирует с алкином (вещество с тройной связью углерод - углерод). Присоединение одной молекулы к другой дает триазол-циклическое гетероциклическое  кольцо с тремя азидными атомами азота и двумя атомами углерода.В результате реакции получается смесь изомеров триазола (продуктов с одинаковым качественным составом, но разной структурой). После Михаэля эту же реакцию подробнее исследовал Рольф Хьюсген в середине XX века. Он предложил вариант реакции проводящейся под действием лишь температуры в результате которой также выделилась смесь продуктов.

Движущая сила реакции:

Почему реакция вообще протекает? Она возможна из-за довольно высокой реакционной способности азидов во взаимодействии с алкинами. В 1930-х годах, Лоуренс Брокуэй и Лайнус Полинг отметили  дипольную (имеющую положительный и отрицательный заряд) природу азидов описав их резонансные структуры:

Хьюисген предположил, что азиды, содержат диполи на 1-ом и 3-ем атомах (как и показано на рис. 2). Это свойство азидов облегчает движение электронов в реакции, так как у нас есть уже явно-выраженный нуклеофил на 3 атоме (который может атаковывать двойную/тройную связь) и электрофил на 1 атоме (который принимает электроны с этой двойной/тройной связи). Наличие диполей на азидной группе тем самым увеличивает вероятность вступления в 1,3-циклоприсоединение образуя 2 прочные С-N связи и соответствующий пятичленный цикл (триазол) (рис. 1).

Помимо азидов, Хьюисген также идентифицировал ряд других 1,3-диполярных соединений, таких как нитрилоксиды, диазоалканы, азометинилиды, нитроны и озон, которые также образуют множество резонансных структур и могут вступать в реакции циклоприсоединения:

Наличие диполей на каждой из структур выше представленных реагентов позволяет им,так же как и азидам, вступать в реакцию и образовывать стабильные пятичленные циклы. Работа Хьюисгена и других, таким образом, заложила основу для 1,3-дипольных циклоприсоединений, что побудило Шарплесса идентифицировать эти реакции как кандидатов для концепции щелчковой химии. Однако, долгое время азиды не использовались в реакциях циклоприсоединения поскольку их реакция с алкинами приводила к образованию практически равномерной смеси 1,4 и 1,5-дизамещенных триазолов (Рис 1.)

Интерес к химии азидов возобновился когда в 2002 году группа Барри Шарплесса опубликовала статью о катализе реакции циклоприсоединения с помощью ионов одновалентной меди. Мало того, что реакция протекала значительно быстрее, так еще и образовывался преимущественно 1,4-продукт.

Огромный успех реакции CuAAC (Copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition) в лабораторных условиях быстро вызвал интерес к использованию этого преобразования в биологических системах. Однако, одновалентная медь крайне токсична для живых организмов, т.е. от катализатора нужно отказаться. Но без меди реакция протекает слишком медленно. Чтобы решить эту проблему, нужно  вернуться к тому от чего зависит скорость химической реакции:

1. Механизм реакции
2. Концентрация веществ
3. Кинетический контроль (изменение амплитуды энергии активации с помощью катализа)
4. Термодинамический контроль (стабильность продуктов и реагентов относительно друг друга)

Дедуктивным методом мы исключаем первые три пункта, так как а) механизм реакции поменять сложно б) увеличивать концентрацию веществ-затратно и тем самым не выгодно в) энергию активации мы меняли когда применяли медный катализ. Тем самым,одним из возможных новых решений для ученых осталось провести “манипуляцию” над реакцией с точки зрения термодинамического контроля: вместо того,чтобы делать переходное состояние более стабильным,мы будем делать реагент менее стабильным.

Таким образом химики пришли к более реакционно-способным (и менее стабильным) реагентам для щелчковых реакций – циклическим алкинам. Одной из причин высокой реакционной способности была напряженная природа в кольце таких диполярофилов, что приводит к высвобождению кольцевой деформации при циклоприсоединении и облегчению протекания реакции. Новый тип циклоприсоединений с использованием данных реагентов теперь называется strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC, стимулируемое напряжением азид-алкинное присоединение).

Начало биоортогональной химии

Химическая биология занимается поиском и разработкой инструментов для изучения биологических систем. Бертоцци изучала мембраны клеток и искала способ научиться “приклеивать” флуоресцентные маркеры к определенным белкам, чтобы следить за их передвижением по клетке. С одной стороны можно с помощью генной инженерии модифицировать белок так, чтобы он уже содержал флуоресцентную часть. Но тогда нам нужно будет присоединять аж целый флуоресцентный белок (например GFP). Было бы неплохо, если бы мы могли соединять маленькую флуоресцентную молекулу с белком словно по щелчку, при этом не нарушая внутриклеточную биохимию системы. Такие реакции называются “биоортогональными” (перпендикулярными базису клеточных реакций). Разработанная в той же группе реакция циклоприсоединения с участием циклооктинов стала одним из первых примеров биоортогональной химии.

Как мы знаем, границей клетки выступает плазматическая мембрана, которая по большей степени состоит из фосфолипидов, однако есть и другие компоненты, встроенные в мембрану. Например, гликаны - комплексы белков с углеводами. Одни из таких углеводов - сиаловые кислоты. Бертоцци заметила, что естественный биосинтез можно модифицировать так, чтобы желаемые (содержащие нужные функциональные группы) молекулы “приспосабливались” к нежеланным  субстратам-гликанам, и таким образом встраивались в структуры на мембранах клетки.

Бертоцци научилась кормить клетки модифицированными углеводами (например, сиаловыми кислот с прикрепленной радикальной группой, чаще всего содержащей азидный конец) и вводить в те самые нежеланные субстраты-гликаны. Совершенная “встройка” функциональных групп позволяет в дальнейшем с легкостью “сщелкивать” молекулы с флуоресцентной меткой, у которой может быть циклооктиновый заместитель, который будет вступать в реакцию SPAAC с азидным концом сиаловой кислоты. Флуоресцентная молекула затем позволяла отследить  гликаны на поверхности клетки.

Реакция Штаундигера

Другой важной реакций, давшей толчок развитию биоортогональной химии стало использование реакции Штаудингера.

В классической реакции Штаудингера, описанной еще в 1919 году, происходит взаимодействие между фосфином (PR3) и азидом с образованием иминофосфорана, который может либо подвергаться гидролизу (с образованием амина), либо может реагировать с сложными эфирами с образованием амидов.

Главная проблема классической реакции Штаудингера в том, что образующийся иминофосфоран крайне реактивен, а поэтому он не будет дожидаться пока натктнется в растворе на нужный нам сложный эфир и вместо этого будет реагировать с первыми попавшимися молекулами, тем самым понижая выход и селективность реакции. Интерес к реакции Штаудингера возродился когда группа Бертоцци опубликовала статью в котором фосфиновая группа находилась в той же молекуле, что и сложноэфирная группа, тем самым реакция превращалась из межмолекулярной во внутримолекулярную. Внутримолекулярные реакции протекают значительно быстрее просто потому, что две реагирующие части уже находятся в нужной ориентации и им не нужно искать друг друга.

Но оставалась еще одна проблема - после реакции внутри молекулы оставалась группировка оксида фосфина, которая может реагировать с другими молекулами внутри клетки и проявлять цитотоксичные свойства. Проблема была решена группой Рональда Рейнса, которые описали механизм бесследного лигирования, в ходе которого оксид фосфина отщеплялся отдельной молекулой, от которой можно было избавиться на стадии очистки.

Итоги: и к чему все это привело мир?

Реакции, которые можно отнести к химии щелчка, стали незаменимым инструментом химии для синтеза новых макромолекулярных конструкций и изучения биологических систем, и за это Кэролин Бертоцци, Мортен Мелдал и Барри Шарплесс были удостоены Нобелевской премии по химии в 2022 году. Приглашаем читателя ознакомиться с информационной справкой, подготовленной Шведской академией наук для получения дополнительного экскурса в применения химии щелчка.

Пожалуй одним из самых поражающих применений стало использование реакции циклоприсоединения для присоединения флуоросцентных молекул к поверхности клеток, что позволило наблюдать за движением углеводов на поверхности живых клеток внутри живого организма! Углеводы на поверхности клеточной мембраны играют важнейшую роль в передаче сигналов от одной клетке к другой и поэтому занимают центральную роль в биологии организма (передача неправильного сигнала может привести к восприятию клетки как чужеродной и последующему уничтожению в рамках имунного ответа). Способность наблюдать за закономерностями расположения и движения определенных углеводов на живых клетках внутри живых организмов позволяет нам лучше изучить механизмы клеточного общения. Если вас интересуют такие применения, можете почитать эту статью в журнале Bioconjugate Chemistry.

Сегодня мы поговорим о том, как квантовая механика практически уничтожила химию как науку, а Оппенгеймер, destroyer of worlds, стал её спасителем. Я понимаю, что читатель может не разделять моего пиетета по отношению к химии и поэтому может задаваться вопросом: а зачем мне читать эту статью? Я предлагаю такой ответ: на сегодняшнем примере вы увидите почему иногда стоит прыгать выше своей головы и не бояться познакомиться с теми островками знаний, которые изначально не вызывают ничего, кроме страха. В качестве бонуса немного поговорим о том, какие есть перспективные направления в химии (особенно будет полезно для тех, кто думает, что «быть химиком» это только про фармацевтику, заводы или преподавание в универе).

Мета-введение

Стоит обговорить на берегу, что в этой статье будут страшные формулы и уравнения. И это вполне осознанное решение: я вполне могу поверить в верность цитаты, приведенной Хокингом: «каждое уравнение в книге уменьшает ее продажи вдвое». Наверное поэтому львиная доля научпопа мне казалась поверхностной и всегда хотелось чуть больше строгости и точности. Давайте мы отложим дискуссию об оправданности включения формул на заключение, а пока я вам в двух словах расскажу о чем будет эта статья.

1. Сначала мы проведем некоторый анализ того, что мы уже знаем о химии и заметим, что фундаментальные вопросы, которые изучает химия, можно сформулировать в виде математической задачи.
2. Я скажу, что лучше всего с решением этой задачи справляется квантовая механика и покажу пример триумфальной точности квантмеха.
3. Мы познакомимся с двумя важнейшими инструментами квантовой механики: неким всеобъемлющим источником информации (волновой функций) и магической палочкой (оператор), которая позволит получать информацию из волновой функции.
4. Мы посмотрим куда приводит квантовая механика в своей строгой форме, а потом окажется, что нам придется сделать ряд очень смелых допущений, чтобы химия могла существовать как наука.
5. Мы познакомимся с ситуациями, в которых эти самые допущения не работают.
6. Подведем итоги и попытаемся понять что все это значит.

Все формулы и уравнения, которые будут в статье, будут играть роль некого математического «подтверждения» идей выше. Нет ничего страшного в том, что вы не будете «понимать» эти формулы; для нас гораздо важнее будет не сама форма каждого отдельно взятого уравнения, а то что мы с ней делаем (какие приближения). И во всех случаях, я постараюсь четко проговаривать, что важно, а что нет.

Особенно важен этот посыл школьникам: возможно вы привыкли, что к моменту изучения новой темы вы уже знакомы со всеми необходимыми пререквизитами^[1], и вы подумаете «ну мне сначала надо почитать больше про линейную алгебру или квантовую механику прежде, чем я смогу прочитать эту статью». Это глубоко ошибочная позиция, во взрослой жизни вы никогда не будете 100% готовыми, вы никогда не сможете выполнить все пререквизиты. Сейчас надо просто набраться смелости и посмотреть куда это вас приведет. Ну, а теперь, погнали!

Часть I. Фундаментальные вопросы химии

Что такое химия?

Какие мысли приходят вам в голову, когда вы слышите слово «химия»? Возможно вы думаете о химических превращениях (сгорание древесины, выпадение осадка при смешении двух растворов), а возможно о химических формулах (те самые загадочные \(\text{H}_2\text{O}\) или \(\text{C}_6\text{H}_6\)). Давайте остановимся на последних. Думаю вы встречались со структурными формулами молекул (а если вам повезло и вы успели дойти до изучения органической химии, то вы возможно рисовали их сами). Например, вот такими:

Забавно, что мы порой даже не задумываемся сколько информации (в виде неявных допущений) может быть скрыто в одной картинке. С одной стороны, выше просто нарисованы структурные формулы воды и бензола. Но если задуматься, то изображая эти молекулы именно так, мы учитываем, что обе связи кислород-водород в молекуле воды имеют одинаковую и определенную длину, что между связями должны быть определенные углы. Иначе как объяснить, что мы рисуем именно структуры выше, а не, например, ниже:

Но что определяет длины связей и угол между ними? Школьная химия предлагает следующую аргументацию: химические связи образуются когда два атома отдают электроны в общее пользование. Соответственно между электронами одного атома и ядрами другого атома происходит кулоновское притяжение. При этом, между электронами и между ядрами действует кулоновское отталкивание. Баланс этих двух сил и определяет равновесное расстояние и углы. Мы можем изобразить зависимость (потенциальной) энергии (мы ее будем обозначать как \(V\)) от межатомного расстояния \(R\) для двухатомных молекул (возможно вы уже встречались с таким графиком).

Если не ограничиваться двухатомными молекулами, мы получим зависимость потенциальной энергии \(V\) от всех независимых параметров, характеризующих структуру молекулы. Например, если принять за данность, что в молекуле воды обе связи \(\text{O-H}\) имеют одинаковую длину, то для однозначного описания структуры молекулы воды нужно уточнить длину этой связи \(R\) и угол между двумя связями (пусть будет \(\theta\)). В итоге, получаем зависимость \(V(R, \theta)\), изображенную на графике ниже. Вот эту поверхность мы называем поверхностью потенциальной энергии (PES, от английского Potential Energy Surface). Такие же поверхности (в многомерном пространстве их называют гиперповерхностями) существуют и для многоатомных молекул, но с ростом количества структурных параметров визуализация становится затруднительной.

Перейдите по ссылке, чтобы открыть интерактивную версию графика

Те допущения, которые мы делаем в процессе изображения молекул, можно сформулировать как утверждения, описывающие эту поверхность. Например, у этой поверхности должен быть минимум - точка, в которой потенциальная энергия минимальна^[2]. Именно расположение этой точки и определяет структуру нашей молекулы. Таким образом, поиск оптимальной структуры молекулы сводится к поиску минимума определенной функции.

Электронные орбитали

А теперь немного поговорим о химии, как о науке о превращениях. Химическая реакция сопровождается процессом разрушения и создания химических связей. А что образует связи? Электроны. А где находятся электроны? В орбиталях. В рамках школьной программы, вы скорее всего остановитесь на картинках атомных орбиталей:

На картинке выше слева направо, сверху вниз показаны формы \(1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4d\) орбиталей атома водорода. Кстати, эта оговорка про «атома водорода» совершенно не случайна. В это сложно поверить, но мы знаем точную форму атомных орбиталей (АО) только для атома водорода. Мы лишь предполагаем, что формы АО других элементов похожи на АО водорода. Можно задаться вопросом, а где находятся электроны в молекулах? Я думаю, что не сильно шокирую вас если отвечу: в молекулярных орбиталях (МО). Молекулярные орбитали выглядят таким образом:

Для просмотра интерактивных графиков молекулярных орбиталей, пройдите по ссылкам: несколько орбиталей \(\sigma\)-системы и орбитали \(\pi\)-системы

Вы можете задаться вопросом, а как можно узнать форму МО? Этот вопрос сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Нет ни единой причины почему МО должны быть похожи на АО, но нам кажется оправданным предполагать, что они все таки должны быть похожими. Поэтому основным методом поиска формы МО является т.н. теория линейной комбинации АО. Проще говоря, МО образуются в результате сложения и вычитания орбиталей с (потенциально) разными коэффициентами. Результат можно представить в виде диаграмм МО:

Таким образом, процесс поиска формы молекулярных орбиталей сводится к поиску коэффициентов, на которые надо помножить АО прежде, чем их сложить и получить МО.

Формализуем фундаментальные вопросы химии

Можем сформулировать идеи, описанные в двух секциях выше, в виде двух фундаментальных задач химии:

1. Поиск оптимальной структуры молекулы при знании формы PES. Иными словами, мы знаем, как электроны притягиваются к ядрам и отталкиваются от других электронов, и наша задача найти такую трехмерную форму молекулы, которая минимизирует отталкивания, и максимизирует притягивания.
2. Поиск оптимальных молекулярных орбиталей для определенной формы молекулы. Вся процедура поиска МО, описанная выше, велась для одной, фиксированной, геометрии молекулы. Если изменить любую из длин связей или любой из углов, МО станут другими.

Но подождите. Ведь форма поверхности потенциальной энергии зависит от взаимодействий электронов с ядрами и другими электронами. Эти взаимодействия зависят от того, где находятся электроны. Но расположение электронов (их орбитали) зависит от того, как расположены ядра. Получаем замкнутый круг. Что же делать? Пока можем только констатировать, что задачи, описанные выше, не являются независимыми друг от друга и не могут решаться по отдельности.

Часть II. Предсказательная способность квантовой механики

Самый точный способ описать структуру атомов (а вместе с ними и молекул) предлагает квантовая механика. Но прежде, чем мы перейдем к использованию инструментов этой теории, полезно понять почему научное сообщество принимает (а может даже и «верит» в) квантовую механику. Всё-таки идеи корпускулярно-волнового дуализма и замена электронных орбит и точного расположения электронов на распределения вероятности нахождения электронов в определенных точках пространства могут звучать (мягко говоря) нереалистично.

Точность квантовой механики

Физическая модель верна тогда, когда находится в согласовании с экспериментом (а еще лучше - может предсказывать его результаты). Экспериментальное значение энергии ионизации атома гелия \(5\;945\;204\;238(45)\) МГц (погрешность указана в скобках). Решение уравнения Шрёдингера предсказывает значение \(5\;945\;262\;288.62(4)\), но это не конечный ответ, а лишь стартовая точка. Если учитывать ненулевой размер ядер, релятивистские эффекты (зависимость массы от скорости), спин-орбитальные взаимодействия и поляризацию вакуума (в дело вступает квантовая электродинамика), имеем:

$$
\text{Теория: } 5\; 945\; 204\; 223(42) \\ \tag{1-2}
\text{Эксперимент: } 5\; 945\; 204\; 238(45)
$$

Как видим, квантовая теория предсказывает значение энергии с, без преувеличения, триумфальной точностью. И еще поразительнее, что результат теоретических расчетов ограничен точностью, с которой мы знаем массу атому гелия (она определяется экспериментальным путем). А знаем мы ее всего-лишь с 12 (двенадцатью) значащими цифрами. Theory will only take you so far, но такому so far можно только позавидовать. Теоретическое предсказание энергии ионизации взято из статьи 2001 года Владимира Коробова и Александра Елховского.

Часть III. Уравнение Шрёдингера

Одно из главнейших уравнений могучей квантовой теории можно записать четырьмя символами: \(\mathcal{\hat{H}} \Psi = E \times \Psi\). Понимать это стоит так:

• существует некий (математический) объект, который содержит в себе всю информацию о системе (атоме, молекуле). Это и есть волновая функция \(\Psi\).
• все физические характеристики, которые нас интересуют (в т.ч. энергия \(E\)), можно получить подвергая этот самый источник информации определенным преобразованиям, через воздействие операторов (например оператора Гамильтониана \(\hat{H}\) если нас интересует энергия).

Именно поэтому в уравнении нельзя «сократить» \(\Psi\): между \(\hat{H}\) и \(\Psi\) нет знака умножения, подразумевается воздействие \(\hat{H}\) на \(\Psi\).

Остановимся на каждом ингредиенте по отдельности.

Источник информации (волновая функция)

Как мы определили выше, волновая функция - это такой, практически, магический объект, содержащий информацию о системе. Если мы говорим о молекуле, то наверняка этот объект должен зависеть от расположения всех электронов (\(\mathbf{r}\)) и ядер (\(\mathbf{R}\)). Т.е. наш магический объект, это функция \(\Psi(\mathbf{r}, \mathbf{R})\).

Эту волновую функцию, зависящую от расположения электронов и ядер, можно разложить^[3] на бесконечную сумму произведения двух функций, каждая из которых по отдельности описывает либо электроны, либо ядра:

$$
\begin{aligned}
\Psi(\mathbf{r}, \mathbf{R}) = \sum_{k=0}^{N=\infty} \sum_{l=0}^{N=\infty} c_{kl} g_k(\mathbf{r}) h_l (\mathbf{R}) = \sum_k^{N=\infty} g_k(\mathbf{r}) \left[\sum_{l=0}^{N=\infty} c_{kl} h_l (\mathbf{R})\right] \\= \sum_k^{N=\infty} g_k(\mathbf{r}) f_k(\mathbf{R})
\end{aligned} \tag{3}
$$

Где мы переопределили функцию \(f_k(\mathbf{R})\) через сумму функций \(h_l(\mathbf{R})\), просто чтобы иметь суммирование не по двум координатам, а всего по одной. Понять это уравнение можно через интересную аналогию: \(g_k(\mathbf{r})\) и \(h_l (\mathbf{R})\) это своего рода простейшие элементы, из которых с помощью сложения (с определенными коэффициентами) мы получаем волновую функцию всей системы. Если рассматривать \(\Psi\) за некую «молекулу», то функции \(g_k(\mathbf{r})\) и \(h_l (\mathbf{R})\) это составляющие «атомы» (математики назовут их «базисными функциями»), а коэффициенты \(c_{kl}\) показывают важность этих «атомов». Дальнейшие преобразования делаются исключительно ради практической пользы.

Помните в первой части мы говорили, что точную форму АО мы знаем только для атома водорода? На самом деле, мы можем использовать АО водорода для описания любых молекул ровно потому, что волновые функции (на самом деле не только волновые) можно раскладывать на сумму базисных функций, а набор АО водорода формирует полноценный базис пространства функций. Иными словами, любую функцию можно представить суммой (с коэффициентами) функций АО водорода.

Разложение выше точно когда \(N=\infty\), но не сложно догадаться что работать с бесконечным набором функций... немного сложно. Оказывается, что можно немного упростить жизнь, если добавить в \(g_k\) параметрическую зависимость от \(\mathbf{R}\). Что такое параметрическая зависимость? Это значит, что в зависимости от \(\mathbf{R}\) меняется сама форма функции. Для такого расположения ядер, у нас есть такая функция расположения электронов. А если ядра передвинутся сюда, функция станет другой. В итоге получим:

$$
\Psi(\mathbf{r}, \mathbf{R}) = \sum_{k=0}^{N} \psi_k(\mathbf{r}; R) f_k(\mathbf{R}) \tag{4}
$$

где параметрическую зависимость мы обозначили после точки с запятой. Это разложение по-прежнему точно только в пределе \(N\to\infty\), но благодаря наличию вот этой самой параметрической зависимости если мы возьмем конечное количество \(N\) наша точность будет чуть выше чем раньше. Функция \(\psi_k(\mathbf{r}; R)\) - это электронная волновая функция, описывает, не угадаете, электроны. Функция \(f_k(\mathbf{R})\) описывает вращательно-колебательные движения ядер.

Весь текст выше - попытка объяснить откуда берется вот такое разложение (4). Для целей дальнейшего повествования важно не столько то, как мы пришли к этому разложению, а что мы будем дальше делать.

Преобразования, позволяющие узнать энергию

На уроках школьной физики мы узнаем, что энергия системы может находиться в двух формах: в виде потенциальной и кинетической энергии. Точно так же в квантовой механике есть преобразования (операторы), которые позволяют узнать кинетическую энергию, и отдельно есть операторы, которые позволяют узнать потенциальную энергию.

Давайте попробуем перечислить в общем случае от чего зависит энергия двухатомной молекулы:

• кинетическая энергия первого ядра (\(a\))
• кинетическая энеpгия второго ядра (\(b\))
• кинетическая энергия электронов (обозначим каждый за \(i\), всего их \(n\))
• кулоновское отталкивание ядер
• кулоновское притяжение электронов к первому ядру
• кулоновское притяжение электронов ко второму ядру
• кулоновское отталкивание электронов

Общая энергия должна быть суммой этих составляющих. Остается лишь записать эти энергии на языке квантовой механики:

$$
\begin{aligned}
\mathcal{\hat{H}} &= -\frac{\hbar^2}{2M_a} \Delta_a -\frac{\hbar^2}{2M_b} \Delta_b - \sum_{i=1}^n \frac{\hbar^2}{2m} \Delta_i + V \\
V &= \frac{\mathcal{Z}_a \mathcal{Z}_b e^2}{R} - \mathcal{Z}_a \sum_i \frac{e^2}{r_{ai}} - \mathcal{Z}_b \sum_i \frac{e^2}{r_{bi}} + \sum_{i<j} \frac{e^2}{r_{ij}}
\end{aligned} \tag{5-6}
$$

где \(\mathcal{Z}_a\) и \(\mathcal{Z}_b\) - заряды ядер, \(M_a\) и \(M_b\) - массы ядер, \(e\) - элементарный заряд, \(R\) - межатомное расстояние, и \(r_{ai}\) и \(r_{bi}\) - расстояния от электронов до первого и второго ядра. Слагаемые строке (5) перечисляют кинетические энергии двух ядер и всех электронов. Слагаемые на строке (6) перечисляют потенциальные энергии кулоновских взаимодействий. Полная форма оператора Гамильтониана может вас пугать, но я повторю -- это не больше, чем результат перевода списка взаимодействий с русского языка на язык математического аппарата квантовой механики, а значит, если вы захотите, вам достаточно будет изучить этот словарь, чтобы самому воссоздавать такие записи.

Стоит немного остановиться на загадочных треугольниках \(\Delta_i\) - это математический оператор, который подразумевает поиск скорости изменения функции в пространстве. Возможно вы уже задаетесь вопросом: а изменение относительно чего? В форме, записанной выше, подразумевается наличие привычной (абсолютной) системы координат \((x,y,z)\). Оказывается, что полезно разделять движение системы (например, молекулы) на движение ее центра масс (что определяет положение молекулы целиком) и относительные движения компонентов внутри (например, электронов относительно ядер). Чтобы сменить систему координат достаточно провести ряд алгебраических преобразований, и конечный результат будет таким:

$$
\begin{aligned}
\mathcal{H} &= \left[ -\frac{\hbar^2}{2M}\Delta_{XYZ} \right] + \hat{H}_0 + \hat{H}' \\
\hat{H}_0 &= -\sum_i \frac{\hbar^2}{2m}\Delta_i + V \\
\hat{H}' &= -\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta_\mathbf{R} + \hat{H}'' \\
\hat{H}'' &= - \frac{\hbar^2}{8\mu} \left(\sum_i\nabla_i\right)^2 + \frac{\hbar^2}{2}\left(\frac{1}{M_a} - \frac{1}{M_b} \right) \nabla_\mathbf{R} \sum_i \nabla_i \\
\end{aligned} \tag{7-10}
$$

Стало страшнее, но разобраться все еще можно. Первое слагаемое в уравнении (7) это кинетическая энергия от движения центра массы. Остальные слагаемые сгруппированы в два слагаемых \(\hat{H}_0\) и \(\hat{H}'\). Первое обычно называют электронным Гамильтонианом, т.к. оно содержит кинетическую энергию электронов (та самая \(\Delta_i\)). \(V\) такое же, как определено в уравнении (5), т.е. оно содержит все возможные формы потенциальных энергий. \(\hat{H}'\) содержит кинетическую энергию от относительного движения ядер (\(\Delta_\mathbf{R}\), где \(\mathbf{R}\) - это расстояние между ядрами \(a\) и \(b\)) и слагаемое \(\hat{H}''\) которое отвечает за корреляцию движений ядер и электронов (\(\nabla_i\) - другой оператор, показывает скорость движения). Разделение слагаемых на \(\hat{H}_0\), \(\hat{H}'\) и \(\hat{H}''\) может казаться необоснованным, тем не менее является полезным. Про первое слагаемое в уравнении (7) мы забудем и возвращаться к нему не будем (нас все таки интересует внутреннее устройство атомов и молекул, а не то как они перемещаются в пространстве).

Часть IV. Собираем все воедино

Итак, давайте попробуем собрать оба ингредиента: источник информации (волновую функцию) и операцию (оператор Гамильтониана) позволяющую достать информацию об энергии. Наша волновая функция:

$$
\begin{aligned}
\Psi(\mathbf{r}, \mathbf{R}) = \sum_{k=0}^{N} \psi_k(\mathbf{r}; R) f_k(\mathbf{R})
\end{aligned} \tag{11}
$$

И наш оператор:

$$
\begin{aligned}
\hat{H} = \hat{H}_0 -\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta_\mathbf{R} + \hat{H}''
\end{aligned} \tag{12}
$$

где, напомню, \(\hat{H}_0\) содержит информацию о кинетической энергии электронов и кулоновских взаимодействиях между электронами и ядрами, второе слагаемое с «лежачим» треугольником - это кинетическая энергия ядер^[4], а \(\hat{H}''\) содержит информацию о корреляции движения ядер и электронов.

И для полноты картины, давайте вспомним для решения каких задач мы вообще полезли в квантовую механику:

1. Поиск оптимальных структурных параметров (т.е. значений \(\mathbf{R}\)): какая геометрия молекулы наиболее стабильна?
2. Где находятся электроны (т.е. значения \(\mathbf{r}\)) в наиболее стабильной форме молекулы?

И это при всем при том, что стабильность геометрии молекулы зависит от того, где находятся электроны, а поэтому полностью разделить первую задачу от второй невозможно.

Внутри математического формализма выше, задача сводится к определению базиса (т.е. \(g_k(r)\) и \(h_l(R)\)) и поиску коэффициентов \(c_{kl}\). Ну или поиску формы функций \(\psi_k(\mathbf{r}; R) f_k(\mathbf{R})\) для как можно большего количества значений \(k\) (в идеале - бесконечного). Вы, возможно задаетесь, как можно найти форму функции, и действительно, задача крайне сложная. Математически она требует решения следующего уравнения (и это только для \(f_k(\mathbf{R})\)):

$$
\begin{aligned}
\left[ -\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta_{\mathbf{R}} + E_k^0(\mathbf{R}) + H_{kk}''(\mathbf{R}) - E \right]f_k(\mathbf{R}) = -\sum_{l(\neq k)}^N \Theta_{kl}f_l(\mathbf{R})
\end{aligned} \tag{13}
$$

где \(E_k^0\) это энергия, полученная благодаря \(\hat{H}^0\), \(E\) - общая энергия молекулы, а \(\Theta_{kl}\) это показатель связанности/сцепленности^[5] разных энергетических уровней \(k\) и \(l\). Чтобы уравнение казалось еще страшнее, я скажу, что часть операторов подразумевает дифференциирование, т.е. перед вами система взаимосвязанных дифференциальных уравнений.

$$
\begin{aligned}
\Theta_{kl} = -\frac{\hbar^2}{\mu} \langle \psi_k \vert \nabla_{\mathbf{R}} \psi_l \rangle_{e} \nabla_{\mathbf{R}} + H''_{kl}
\end{aligned} \tag{14}
$$

С помощью этих уравнений можно найти \(f(\mathbf{R})\), но для этого нужны \(\psi_k\), которые нужно как-то выбрать. Мы, практически, встали в тупик, и дальше делать нам нечего. Поэтому на сегодня все, всем спасибо, структура молекул непознаваема. До новых встреч!

Приближение Борна-Оппенгеймера

Если слагаемые \(\psi_k\) в разложении (11) достаточно сильно отличаются друг от друга (что, как правило, подразумевает различие на энергетической шкале), то их сцепленностью можно пренебречь^[6], и тогда \(\Theta_{kl}=0\) для всех \(k\neq l\). В таком случае, система уравнений сильно упрощается, ибо получаем зависимость только от одной функции \(f_k\).

$$
\begin{aligned}
\left[ -\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta_{\mathbf{R}} + E_k^0(\mathbf{R}) + H_{kk}''(\mathbf{R}) \right]f_k = E f_k
\end{aligned} \tag{15}
$$

Идем дальше, и говорим, пусть тогда вся наша волновая функция будет описываться следующим произведением:

$$
\begin{aligned}
\Psi(\mathbf{r}, \mathbf{R}) \approx \psi_k(\mathbf{r}; R) f_k(\mathbf{R})
\end{aligned} \tag{16}
$$

Иными словами, мы оставляем только одно слагаемое из разложения, в котором изначально было бесконечное количество слагаемых. У такой формы есть очень приятная интуитивная интерпретация. Квадрат модуля волновой функции можно интерпретировать как плотность вероятности. Почему плотность? Потому что если взять квадрат модуля и умножить на определенный объем пространства, мы получим вероятность того, что в этом объеме будет частица. Так вот, в таком случае уравнение (16) говорит: если вы хотите знать вероятность того, что ядро находится в позиции \(\mathbf{R}\) а электроны в позиции \(\mathbf{r}\), то можно сначала взять вероятность того, что ядра находится в \(\mathbf{R}\), а потом помножить на условную вероятность, что электроны находятся в \(\mathbf{r}\) при том, что ядра находятся в \(\mathbf{R}\).

Это как вероятность того, что на улице идет дождь, а у вас в руках зонтик, является произведением вероятности того, что на улице идет дождь и условной вероятности того, что вы взяли зонтик, если на улице дождь.

Нам осталось сделать последний шаг: \(E_k^0(\mathbf{R})\) определяется кинетической энергией электронов (которая зависит от их массы, а точнее \(1/m\)) и потенциальной энергией, а все слагаемые внутри \(H_{kk}''(\mathbf{R})\) зависят от массы ядер (а точнее, зависимость \(1/M\) или \(1/\mu\)). Поскольку ядра атомов значительно (в 1836 раз^[7]) тяжелее электронов, \(H_{kk}''(\mathbf{R})\) будет иметь малые значения по сравнению с \(E_k^0(\mathbf{R})\), а поэтому мы можем им пренебречь и взять \(H_{kk}''(\mathbf{R})=0\)^[8].

В итоге получим следующее уравнение:

$$
\begin{aligned}
\left[ -\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta_{\mathbf{R}} + E_k^0(\mathbf{R}) \right]f_k(\mathbf{R}) = E f_k(\mathbf{R})
\end{aligned} \tag{17}
$$

Справа у нас энергия системы \(E\), а слева два слагаемых. Один содержит «лежачий» треугольник, значит, вы возможно догадаетесь, он связан с кинетической энергией. Общая энергия состоит из кинетической и потенциальной. Значит второе слагаемое - это потенциальная энергия. Возможно вы помните, что \(E_k^0(\mathbf{R})\) получилась из \(\hat{H}_k^0\), который содержал информацию об электронах. Потенциальная энергия связанная с расположением электронов?

Это же та самая поверхность потенциальной энергии или PES, о которой мы говорили в самом начале! Это та самая поверхность, которая определяет структуру молекулы! Здесь она определяет решение уравнения (17), т.е. функцию \(f_k(\mathbf{R})\), которая и содержит информацию о равновесной (оптимальной) геометрии нужной нам молекулы.

Важно заметить, что само понятие поверхности потенциальной энергии появилось только после того, как мы применили приближение Борна-Оппенгеймера, математическая суть которого, сводится к тому, что мы взяли бесконечную сумму (11) и оставили от нее только одно слагаемое (16). Не имея нужных познаний линейной алгебры, вы, скорее всего, приняли за данность шаги (3)-(4), но даже так, чисто на интуитивном уровне вам было легче поверить, что функцию можно представить как бесконечную сумму других функций, чем что можно просто взять и оставить только одно слагаемое в (16). Насколько оправдан такой шаг - вопрос отдельный, примечательно то, что без такого приближения не появится поверхность потенциальной энергии. Вместо нее будет бесконечная сумма таких поверхностей, каждая определяющая различные позиции ядер. А без единой поверхности потенциальной энергии нет единой структуры.

Сама концепция наличия определенной структуры молекулы появляется только после применения приближения Борна-Оппенгеймера.

В противном случае, все что мы имеем -- распределение вероятности различных структур. Так же как у электрона нет четкой орбиты, по которой он крутится вокруг ядра, а вместо этого есть лишь распределение вероятности найти электрон в той или иной точке, у ядер нет четкого положения, есть лишь распределение вероятности. А значит нет четких химических связей, нет четких длин этих связей или углов между ними. Все, что мы могли бы сказать про структуру молекулы бензола \(\text{C}_6\text{H}_6\), это то, что у молекулы есть сферическая симметрия, а расположения электронов и ядер взаимосвязаны.

Примерно то же самое, мы бы могли сказать и про структуру молекулы воды, и про молекулу белка. Мы бы могли посчитать среднее расстояние между двумя углеродами, но поскольку все атомы углерода неотличимы^[9], мы бы получили среднее значение расстояний между любыми двумя атомами углерода, а не только соседними. Понять, что молекула имеет форму плоского шестиугольника было бы, скорее всего, невозможно.

И на самом деле, учитывая то, что истинная волновая функция (11) это не одно слагаемое, а сумма, привычный плоский шестиугольник - не больше, чем одна из форм, принимаемой молекулой. Некоторые называют такую форму «Борн-Оппенгеймеровская структура», дабы подчеркнуть, что ее существование возможно только после применения соответствующего приближения. У молекулы бензола есть, как минимум, 217 разных структурных изомеров, т.е. Борн-Оппенгеймеровских структур (если учитывать стереоизомерию, цифра поднимается до 328)^[10]. Из них 17 ацикличных, 71 содержат один цикл, 134 два цикла, 87 три цикла и 19 четыре циклов. Это структуры, которые удовлетворяют требования валентности углерода и водорода; понятное дело, что многие из них нестабильны. Но из них аж 80 достаточно стабильны, чтобы их можно было синтезировать, и аж 40 разных вариаций Борн-Оппенгеймеровских \(\text{C}_6\text{H}_6\) были синтезированы на практике.

Осознаем последствия

Давайте еще раз проговорим: без приближения Борна-Оппенгеймера у молекул нет тех самых четко определенных структур, которые мы привыкли рисовать на уроках химии. Мы не можем быть уверенными, что молекула бензола выглядит именно так, какой мы ее рисуем. В таком случае, все разделы химии, которые работают со структурой молекул, просто теряют смысл. Та же органическая химия вся построена на том, что мы рисуем две разные структуры и пытаемся понять как можно поменять связи так, чтобы из реагента получить продукт. Химия, как наука, не могла бы сдвинуться с точки «есть молекулы, в которых есть ядра и электроны, движения ядер и электронов сильно взаимосвязаны». Иными словами, ее бы просто не существовало.

И здесь мы приходим к первому мета-выводу статьи. Иногда гораздо полезней пытаться описывать окружающий мир с помощью ошибочных^[11], но полезных моделей (какой является концепция 3D структур). Звучит, наверное, банально, но сколько из вас при изучении новой темы ставит себе задачу понять все на самом доскональном уровне, дойдя до фундаментальных основ? До них то дойти можно, но как мы видим, бывает так, что фундаментальная «истина» оказывается... непрагматичной?

И нам просто повезло, что в большинстве ситуаций слагаемое \(f_k(\mathbf{R})\) с наименьшей энергией имеет энергию значительно ниже, чем у других слагаемых и поэтому определяет структуру молекулы в большей степени. Но примечательно, что стабильность слагаемых в разложении (11) может меняться в зависимости от химического окружения. Например, сам по себе бензол предпочитает быть в виде плоского шестиугольника, но если добавить щепотку стерических отталкиваний, например заменив три водорода на терт-бутильные заместители, внезапно наиболее стабильной структурой уже будет бензол Дьюара.

Часть V. Конические пересечения

Когда мы переходили от (13) к (15), мы приняли, что разные слагаемые в разложении (11) отличаются достаточно, чтобы между ними практически не было сцепленности, т.е. мы посчитали возможным принять \(\Theta_{kl}=0\). Возможно еще тогда у вас возник вопрос: а что если разные слагаемые все таки сцеплены? Бывают ли случаи, когда мы не можем принять сцепленность равной нулю?

Бывают. Разные слагаемые в (11) мы называем диабатическими кривыми/состояниями. Каждым из них соответствует своя поверхность потенциальной энергии. Существуют такие точки конфигурационного пространства^[12], в которых две диабатические кривые находятся достаточно близко друг другу, и может даже пересекаются. Такие пересечения называются коническими.

Перейдите по ссылке, чтобы открыть интерактивную версию графика

Вблизи этих самых конических пересечений, как вы уже могли догадаться, \(\Theta_{kl}\neq 0\) и приближение Борна-Оппенгеймера теряет свою силу. И для корректного описания этих регионов энергетических гиперповерхностей нужно искать методы решения уравнения (13).

И возможно все это время вы думали, что все, о чем мы говорим - это крайне абстрактные и экзотические концепты, которые представляют интерес только для теоретических физиков. А нет, конические пересечения играют фундаментальную роль в понимании механизмов фотохимических реакций. Для тех, кто знаком с теорией переходных состояний в органической химии - конические пересечения в фотохимических реакциях это как переходные состояния в термических.

Фотостабильность белков

Возможно вы удивитесь почему в статье о квантовой механике внезапно появились основные игроки современной биологии. Все мы знаем, что наше Солнце, будучи термоядерным реактором, излучает довольно вредные УФ-лучи. Возможно вы знаете, что УФ-лучи способны ломать химические связи (иногда это полезно: так происходит биосинтез витамина Д3). И вот вам вопрос: а что мешает УФ-излучению ломать химические связи внутри молекул белка? УФ излучение без проблем может пройти через фосфолипидную мембрану, т.е. до белков оно точно доходит. И хоть вопрос крайне простой (на уровне «почему небо голубое»), ответ на него может дать только квантовая механика.

Фотостабильность белков (а значит и всех живых организмов) сводится к диабатическим состояниям водородной связи. Пусть в основном (изначальном) состоянии у нас есть некая связь \(\text{X}-\text{H}\) и атом \(\text{Y}\), имеющий неподеленную электронную пару. Между ними есть водородная связь \(\text{X}-\text{H}\cdots \text{Y}\). Обозначим это состояние как \(S_0\). Поглощение УФ-излучения переводит систему в первое возбужденное состояние \(^1LE\), недалеко от минимума которой расположено коническое пересечение с другим состоянием \(^1 CT\). Этому состоянию соответствует другое слагаемое в разложении (11), а значит другая функции \(\psi(\mathbf{r})\) и \(f(\mathbf{R})\). Новая функция \(\psi\) подразумевает несколько другое расположение электронов: один электрон переходит от связи \(\text{X}-\text{H}\) к атому \(\text{Y}\) образуя \((\text{X}-\text{H})^+ \cdots \text{Y}^-\), что называется charge-transfer complex (комплекс с переносом заряда), отсюда и название состояния CT. Новая функция \(f(\mathbf{R})\) имеет минимум в точке пространства, где атом водорода уже находится рядом с атомом \(\text{Y}\): т.е. \(\text{X}^- \cdots (\text{H}-\text{Y})^+\), На пути к минимуму этого состояния есть еще одно коническое пересечение, в этот раз с изначальным состоянием \(S_0\). Но в этом состоянии минимуму уже соответствует позиция водорода ближе к атому \(\text{X}\) и процесс релаксации сопровождается возвращением в изначальное состояние. Энергия, которая освобождается в результате движения по диабатическим кривым в направлении более стабильных состояний рассеивается в виде тепла, меняя колебательные состояния окружающих молекул. Простыми словами, энергия УФ-фотона не вредит химическим связям и всего-лишь нагревает воду внутри клеток.

Примечательно, что процесс был описан в 2006 году. Т.е. то, что мы обсуждаем находится на рубежах человеческих познаний. Если для вас это недостаточно свежо, вот примечательный факт. У волновых функций есть т.н. фаза^[13]. В процессе перехода через коническое состояние фаза волновой функции изменяется. 28 августа 2023 года в Nature Chemistry вышла статья, описывающая экспериментальное наблюдение конического пересечения на квантовом компьютере. Четыре. Недели. Назад.

Конические пересечения и ДНК

На уроках биологии вы узнаете, что один из строительных блоков ДНК - аденин (систематическое название которого 6-аминопурин). А вы когда-нибудь задумывались почему аденин имеет именно такую структуру? У биологии есть козырный ответ: «это наиболее выгодно с точки зрения эволюции». Ну хорошо, пусть эволюция выбрала аминопурины. А задавались ли вы вопросом: а почему именно 6-аминопурин, а не, скажем, 2-аминопурин?^[14] Главный и практически единственный критерий, который мы предъявляем к нуклеотидным основаниям на уроках биологии - способность организовывать водородные связи. 2-аминопурин может связываться с тимином так же хорошо, как и 6-аминопурин.

Научное сообщество предполагает^[15], что 6-аминопурин был выбран благодаря большей фотостабильности: 6-аминопурин находится в возбужденном состоянии (после поглощения УФ излучения) всего 1 пикосекунду (это \(10^{-15}\) секунд), тогда как 2-аминопурин может находиться десятые доли наносекунды (это \(10^{-10}\) секунд). Т.е. 6-аминопурин стабильнее на 5 порядков или в 100 000 раз. Почему нам важно как долго молекула находится в возбужденном состоянии? Потому что в этом возбужденном состоянии молекула может вступать в фотохимические реакции, например димеризации, приводя к повреждению ДНК (такие повреждения коллективно называют DNA lesions). Почему 6-аминопурин способен возвращаться в основное состояние настолько быстрее? Потому что у него есть доступ к коническому пересечению. Т.е. коническое пересечение не просто позволяет объяснить фотостабильность ДНК, оно еще и оказывается причиной^[16] почему были выбраны именно такие нуклеотиды.

Этот механизм не гарантирует полную защиту от УФ излучения. DNA lesions все равно образуются в результате воздействия УФ лучей. Когда мы говорим, о фотостабильности ДНК или белков, мы говорим о том, что они получают непоправимый вред сильно реже, чем если бы вышеописанных механизмов не существовало. Если бы 6-аминопурин сидел в возбужденном состоянии в 100 000 раз дольше, страшно подумать во сколько раз больше формировалось бы нуклеотидных димеров. Возможно, что настолько много, что живые организмы просто не смогли бы существовать.

Часть VI. Делаем выводы

Пришла пора оглянуться и осмыслить что мы сегодня узнали:

1. Мы определили, что описание структуры атомов и молекул сводится к поиску формы гиперповерхности потенциальной энергии и поиску оптимальных молекулярных орбиталей для структуры, определенной минимумом той поверхности.
2. Мы узнали, что для описания структуры атомов и молекул нужно пользоваться инструментами квантовой механики. Например, волновой функцией \(\Psi\) и оператором \(\hat{H}\). Мы начали с того, что перечислили типы взаимодействий внутри молекул, а потом переписали их на языке математического аппарата квантовой механики (5)-(10).
3. Мы узнали, что волновые функции можно раскладывать на бесконечную сумму более простых функций (4). Мы записали конечное уравнение (13)-(14), позволяющее описывать структуру молекул.
4. Оказалось, что просто для того, чтобы у молекул была определенная трехмерная структура, нам нужно сделать ряд очень смелых допущений (приближение Борна-Оппенгеймера): взять лишь одно слагаемое из бесконечной суммы и принять равным нулю ряд взаимодействий.
5. Мы узнали, что благодаря тому, что существуют ситуации, в которых это приближение перестает работать, поглощение УФ излучения белками и ДНК приводит к нарушению структуры сильно реже, чем могло бы быть. Иными словами, благодаря коническим пересечениям наша жизнь становится возможной.

Я не знаю, что к этому моменту чувствует читатель, поэтому позволю себе провести небольшой анализ на основании того, что чувствую я (и чувствовал, когда впервые изучил эту тему). Очень сложно передать словами это ощущение одновременного страха и восхищения. Страха от того, как много ты не знаешь. Восхищения от того, что есть безграничные просторы, которые познаваемы. Столько вопросов, на которые ты не знаешь ответа и еще столько же, на которые эти ответы не найдены вовсе. И тут мы подходим к обсуждению причин почему в этой статье так много страшных формул.

Не знаю как было у вас, но я покидал стены школы с неким ощущением, что вроде бы я понимаю общие очертания научных дисциплин, и остается только выбрать одно направление, в котором ты будешь получать узкую специализацию. Не то, чтобы у меня была прям самоуверенность (хотя кто его знает, я сейчас говорю то, о том, каким я запомнил себя, а не каким я был на самом деле), правильнее, пожалуй, сказать, что у меня не было страха от того, что я практически не знаю ничего. Страх, который появился года три назад, когда я серьезно начал углубляться в квантовую механику. И лично мне, я считаю, было бы полезнее, если бы этот страх появился раньше. Речь, конечно же, не о самом страхе самом по себе, а о том, что он сопровождает: понимание неизученных просторов науки.

Нет школьника, который в 11-12 классе не задумывается о том, чем он будет заниматься по жизни. Но какие мысли приходят в его голову, когда он думает о химии? Реакции? Смешение пробирок? Фармацевтика? Нефтянка? Химия, там конечно есть, но давайте просто посмотрим сколько новых направлений мы затронули только в этой статье:

1. Можно пользоваться Борн-Оппенгеймеровской структурой молекулы, полученной в ходе решения уравнения (17) и изучать электронную структуру этой молекулы. Например, понимание энергетики электронных переходов позволяет создавать более эффективные квантовые точки, полупроводники лежащие в основе передовых экранов (QLED).
2. Можно заметить, что химическая реакция, это, по сути, не больше, чем движение по гиперповерхности потенциальной энергии системы, образованной из реагентов, из одной точки пространства в другую. Таким образом, изучение механизмов химических реакций сводится к изучению этой саомй гиперповерхности. На практике, можно искать переходные состояния интересующих реакций и оценивать их энергетику. Повторять расчеты для разных структур и таким образом определять какие молекулы стоит синтезировать, а какие нет.
3. А можно (и нужно) заниматься разработкой новых методов изучения этих самых гиперповерхностей. Что временами может сводиться к чистой математике. Например, в 2019 году был опубликован метод поиска минимальных энергетических путей (по которым и протекают химические реакции) через поиск геодезических кривых в Римановых многообразиях. Иными словами, применение инструментов дифференциальной геометрии позволило делать за 5 минут то, на что раньше уходило несколько дней.
4. Можно применять инструменты квантовой механики для изучения биологии. Если вас заинтересовал механизм, описывающий фотостабильность белков, можно начать изучать другие примеры proton coupled electron transfers (PCET). А можно открыть ящик пандоры вторичных сил, влияющих на структуру белка. Например, оказывается, что в некоторых белках есть \(n\to\pi^*\) взаимодействия, сила которых сравнима с силой водородных связей. \(n\to\pi^*\) взаимодействия - прямое следствие формы молекулярных орбиталей, которые получаются с помощью решения уравнения Шрёдингера.

Когда (да, надеюсь, что именно когда, а не если) вы начнете углубляться в любое из направлений описанных выше, вы внезапно столкнетесь с тем, что будете читать вроде бы текст на английском, а вроде бы и на инопланетном. Будет много формул и терминологии, которая вам до этого никогда не попадалась. Примерно как в этой статье, а скорее всего и хуже. В таких ситуациях у вас всегда есть выбор:

1. Я не понимаю 30/50/70/90% (нужное подчеркнуть) того, о чем тут говорится, поэтому я сделаю вывод, что это не для меня (или мне не по силам) и я перестану это читать.
2. Я не понимаю 30/50/70/90% (нужное подчеркнуть) того, о чем тут говорится, поэтому давай сначала я просто приму эти слова/формулы за некий абстрактный объект и попытаюсь понять какую идею/взаимосвязь между ними пытается выстроить этот текст. После одного-двух-трех прочтений, я скорее всего пойму какие из этих объектов первостепенны, а какие приведены для полноты картины. Потом если надо, я пойду и попробую изучить эти объекты более детально.

Эта проблема не встает так остро в школе, потому что как правило школьная программа выстроена так, что к моменту изучения новой темы, ученики уже знают (или хотя бы изучали) все необходимые пререквизиты. Лично я не могу вспомнить когда в последний раз я был в подобной ситуации: что я начинаю изучать новую тему и понимал, что все необходимые инструменты (пререквизиты) для ее понимания я уже знаю. Наверное такое возможно только в школе. Или правильнее сказать, при изучении науки, такое возможно только в школе.

И тогда, возможно, опция, которую вы выбираете из двух вышеперечисленных, может играть роль небольшого теста - насколько вы готовы связать свою жизнь с наукой. И мне кажется, что этого выбора достаточно: не важно сколько (и что) вы знаете и умеете сейчас, если вы готовы пробираться через неизвестные ранее термины и формулы, то у вас есть все, что нужно, чтобы добиться определенных успехов. И применимо это не только к квантовой механике, если заменить термины и формулы на молекулы и реакции, названия белков и регуляторные цепочки, алгоритмы и структуры данных, то я уверен тоже самое можно сказать и про экспериментальную химию, и про биологию, и про программирование.

И если вы дочитали до этих строк, то скорее всего вы уже знаете какой выбор вы готовы и хотите делать. А значит вам остается лишь продолжать развиваться и постигать новые горизонты. Все в ваших руках.

Эпилог

На написание первоначальной версии статьи ушло 12 часов. 6.13 часов ушло на создание иллюстраций. Еще 5.13 часа ушло на редактуру. И наконец 1.33 часа на подготовку публикации. Естественно все это время прошло под саундтрек Людвига Йоранссона. Отдельная благодарность Адылхан Арай, Загрибельному Богдану, Кайроллаеву Ернуру, Бисенали Санжару, и Тырину Андрею за полезные комментарии к первому черновику статьи.

Как много у вас одежды? А как много на вас? Все люди разные, но скорее всего, на вас будет больше одной вещи. У большинства людей есть и естественная, и культурная нужда в защите наших хрупких физических оболочек от непредсказуемой окружающей среды: одежда может защитить нас не только от незваных взглядов, но и от палящего солнца, пронизывающего ветра и излишней влаги. Какие механизмы стоят за такой многосторонней обороной, встроенной в наши тканевые покровы? Несмотря на разнообразие тканей, такие замечательные свойства одежды обуславливает одна и та же структурная особенность — волокна.

Все материалы, используемые для производства одежды, имеют структуру длинных, тонких нитей: от мягких волос в кашемире до блестящей проволоки в вышивке. История ткацкого дела начинается с самого расцвета цивилизации и продолжает развиваться по сей день. За тысячи лет человечество научилось использовать широкий ассортимент природных и искусственных волокон, чтобы одеваться удобно и красиво! Предлагаем вместе посмотреть на огромное разнообразие соседствующего с нами текстильного мира с молекулярной перспективы.

Определение и виды волокон

Для начала стоит разобраться в том, что отличает волокно от других структур. Волокно — это что-то нитеподобное, так что будем держать в голове эту идею!

С точки зрения химии волокна должны состоять из длинных молекул, иначе они будут недостаточно гибкими и прочными. Чем «с нуля» конструировать длинную молекулу из одиноких атомов, гораздо проще будет собрать ее из множества коротких молекул, объединяя их как кольца цепи: такой процесс называется полимеризацией, а его продукт — полимером. Специфичное расположение атомов в каждом «колечке» цепи влияет на конечные свойства всего полимера — в нашем случае его комфорт при ношении, способность удерживать тепло и влагу, окрашивание и другие важные свойства ткани.

Если вы хотя бы один раз выбирали между вещами из разных тканей, вы точно слышали про две основные категории волокон в тканях: натуральные и синтетические. Натуральные волокна обычно составлены из полимеров естественного происхождения, а синтетические — из искусственных. Далее натуральные волокна разделяются по происхождению на растительные, животные и минеральные.

Растительные волокна

Волокна, полученные из наших зеленых друзей, представляют собой очень обширную категорию. Кора, листья и даже плоды растений давно служат людям на поприще тканевого производства. Видов растительных волокон так же много, как и агрокультур на нашей планете, однако большинство из них объединяет одно свойство — их основным полимером является целлюлоза.

При упоминании этого слова вы явно думаете о бумаге, но целлюлоза известна не только как материал для письма. Любое растение, которое может прийти вам на ум — одуванчик, сосна или кактус — содержит целлюлозу в качестве внутреннего «скелета». Из целлюлозы сделаны клеточные стенки зеленых растений, поэтому она является главным полимером в растительных волокнах. Получается, что все виды ткани из растительных волокон состоят из одного и того же целлюлозного каркаса.

Наверняка у вас назрел вопрос — как такие непохожие ткани, как ситец или деним, состоят из одной и той же молекулы? Их точно должно что-то отличать! Все просто: примеси и строение. В растительных волокнах, как и в самих клетках растений, целлюлоза выполняет роль поддержки, в то время как другие растительные полимеры влияют на точные свойства ткани. Также полимерные цепи целлюлозы могут быть расположены в разных направлениях: параллельно, перекрестно или в другом порядке, что тоже влияет на поведение и структуру волокон.

Хлопок

Будучи чрезвычайно распространенным материалом, хлопок окружает нас повсюду: джинсы, майки и многие бинты шьются из хлопковой ткани. Хлопок — это мировая индустрия, на нем были построены целые империи! Одной из причин, почему Великобритания пыталась колонизировать Индию, было приобретение ее хлопкового производства. Хлопок происходит из волокон семян рода Gossypium, а именно их выростов, которые образуют многим знакомое белое «облачко» хлопка. После сбора хлопка его очищают от самих семян и оставляют чистые волокна готовые к дальнейшей обработке.

Особенностью данных волокон-выростов является процесс их образования. В отличие от волокон из коры или листьев, хлопковые волокна — одна большая клетка. По своему происхождению они ближе к нежным волоскам на лепестках фиалки, нежели к прочному лубу льна. Кроме того, в сравнении с другими волокнами, хлопковые имеют гораздо меньше примесей в «каркасе» целлюлозы, что приводит к их узнаваемому белому цвету. Когда клеточная стенка начинает созревать, порядок отложения целлюлозы принимает спиралевидный характер. Направление этой спирали меняется на равных промежутках времени, что придает волокну гибкость, нужную для изготовления пряжи и впоследствии ткани из хлопка. Тысячелетия сельскохозяйственной селекции в культурах по всему миру позволили хлопку стать идеальной «партией» для производства ткани — его волокна на клеточном уровне приспособлены к созданию нашей одежды.

Животные волокна

Парадоксально, что по сравнению с растительными, животные волокна имеют гораздо более разнообразный химический состав, но при этом у них куда меньше видов. Двумя главными типами животных волокон считаются шерсть и шелк, а остальные — их подтипами. Если все растительные волокна построены на основе целлюлозы, то у животных волокон центральной частью структуры являются различные белки. Почему же всего одна молекула у растений образует больше видов волокон, чем несколько разных белков у животных?

Ответ на этот вопрос кроется в структурных различиях — у растений волокна встречаются в клетках всего организма, так как у всех есть целлюлозная стенка. У животных таковой стенки нет, поэтому волокна, которые используются в текстильном производстве, можно получить только из определенных органов. Для шерсти это различные виды волос у млекопитающих по типу овец или коз, а для шёлка — выделительные железы членистоногих вроде пауков и гусениц шелкопряда. Поэтому, несмотря на бóльшее химическое разнообразие, у животных меньше выбора на рынке волокон.

Шерсть

В основном волокна шерсти состоят из белка кератина — по разным подсчетам, на его долю приходится от 80 до 90% массы шерсти. Этот прочный белок вы можете встретить в структуре ваших ногтей и волос, а у других животных еще в рогах, копытах и шерсти. Различные породы овец, коз, верблюдов, кроликов и даже собак были выведены человеком исключительно ради производства густых, тонких и теплых шерстяных волокон. Существует множество подвидов шерсти, таких как каракуль, кашемир и ангора, но все они имеют одинаковый структурный каркас — волос. В этом волокне кератин принимает структуру двойной спирали, которая образует промежуточные филаменты, и бесформенного матрикса — пространства между промежуточными филаментами.

Молекулы кератина в волосах находятся в интересном положении: они являются и опорой, и цементом в «железобетоне» шерстяного волокна. Кератин стал таким мастером на все руки благодаря различной химии «колец» и их расположению относительно друг друга в двух различных формах полимера.

Хотя промежуточные филаменты придают прочность и порядок шерстяным волокнам, по виду они больше похожи на ребристые макароны. Опорой всего волоса является полая трубка из 16 двойных спиралей кератина, расположенных по кругу. Сетка промежуточных филаментов может держать весь волос вместе благодаря специальному расположению «колечек» белков (аминокислот) в каждой из спиралей.

В кератиновых филаментах гидрофобные и гидрофильные аминокислоты чередуются с так называемой гептадной последовательностью — О-И-И-И-О-И-И, где «О» означает гидрофОбный (отталкивающий воду), а «И» — гидрофИльный (притягивающий воду). Когда две цепи кератина с такой последовательностью «колец» сворачиваются в спираль, все гидрофобные аминокислоты выстраиваются в линию. В водной среде живых клеток это заставляет две соседние двойные спирали обернуться своими водоотталкивающими частями друг к другу, защищая их от воды и скрепляя себя прочной связью между двумя гидрофобными линиями. Стоит добавить, что еще семь таких пар двойных спиралей и можно получить прочный промежуточный филамент.

Менее организованный кератин в матриксе между филаментами отличается тем, что его «колечки» распределены более случайно, и значительная часть из них содержит атомы серы. Отсутствие четкой закономерности в расположении аминокислот позволяет такому кератину избежать отчетливой формы, что важно для «цемента» волоса, который затем заполняет все свободное пространство между филаментами, прочно скрепляя их вместе. Атом серы играет роль «крючка» на «кольцах» кератина — если два «крючка» расположены напротив, они зацепятся друг за друга. Это позволяет кератину в матриксе соединяться и между собой, и с кератином в филаментах, склеивая весь волос воедино.

По сравнению с растительными волокнами это крайне сложная структура. Однако её преимуществом для людей является более сложное поведение шерстяных волокон. В отличие от ватных «овечек», сделанных из хлопка, ни шерсть реальных овец, ни ваши волосы не превратятся в плотный ком, если вылить на них ведро воды. Различное отношение с водой сохраняется и в случае одежды: льняные носки могут высыхать целый день, а шерстяные — всего за два часа.

Причиной такого различного поведения с водой является различная химическая природа растительных и животных волокон. Целлюлоза — это производная глюкозы (сахара). Она глубоко впитывает воду и её сложно быстро высушить, не нарушив строения всего полимера. Шерсть же состоит из сложной сетки белков — в основном кератина. Скрепленные неполярными взаимодействиями, филаменты кератина никак не взаимодействуют с водой, сохраняя свою начальную структуру. А тот бесформенный «цемент» из кератина, полного дисульфидных связей, впитывает всю воду, предотвращая ее накопление между волокнами шерсти. Когда среда вокруг становится суше, вода просто испаряется, и основная структура остается неизменной. Поэтому же и говорится, что шерстяные вещи «отводят» воду от тела, а растительные вещи «держат» её — шерсть гораздо лучше испаряет излишки влаги.

Минеральные волокна

Волокна из мира живого звучит, конечно, впечатляюще, но куда более необычны материалы из мира неживой природы — неорганические волокна. Природные минеральные волокна происходят из кристаллов и металлов, а не из полимеров.

Асбест

Одним из самых интересных примеров минеральных волокон, используемых в производстве одежды, является асбест. Асбестовые волокна представляют собой длинные кристаллы силикатов — соединений кремния с кислородом. Силикаты часто встречаются в горных породах по всей Земле, но только в асбесте они формируют достаточно длинные кристаллы, затем образующие своеобразное волокно. Еще со времен Древней Греции люди заметили свойство горного льна выдерживать пламя, что повлекло за собой дальнейшее текстильное применение этого минерала в униформе пожарников. Асбест, будучи кристаллом кремния, не горел при температурах обычного пламени и хорошо защищал людей от жара огня.

Так почему мы перестали использовать такой надежный материал? Из-за склонности асбеста ломаться — хрупкости. Кристаллы силикатов, достаточно тонкие для использования в одежде, легко распадались на короткие и острые кусочки, из-за чего ткань с асбестом оставляла в воздухе мелкую пыль из тонких «иголок» силикатов. В отличие от домашней пыли, такое загрязнение приносит много вреда организму, если попадает внутрь. Кристаллы повреждают плевру (оболочку вокруг легких) и со временем вызывают хроническое воспаление и даже мезотелиому — особый тип рака легких. Когда доктора заметили связь между асбестом и болезнями легких, его волокна перестали использовать в тканях для униформы. Вместо них были разработаны новые материалы — арамиды. Их структура ближе к привычным цепям полимеров, что предотвращает риск попадания в организм. А поскольку «колечки» арамидов еще и могут связываться с соседними «кольцами» по несколько раз, волокна арамидов огнестойкие и прочные — не хуже асбеста!

Синтетические волокна

За миллионы лет проб и ошибок природа создала нам богатый гардероб из натуральных волокон, но научно-технический прогресс в одночасье обеспечил нас сотнями новых соединений, пополнивших ряды полимеров. С конца XIX века химическая промышленность постоянно изобретает все больше инновационных текстильных волокон: немнущиеся футболки, водонепроницаемые пальто и эластичные беговые костюмы — куда ни глянь, синтетические волокна позволяют достичь новых горизонтов.

Разнообразие синтетических волокон гораздо превышает разнообразие природных, так как все полимеры в «синтетике» собираются вручную, а не готовыми клеточными механизмами в растениях или животных. Это усложняет задачу получения такого полимера, но зато дает инженерам и химикам множество новых «колец», чтобы экспериментировать с созданием новых цепей.

Большая часть синтетических волокон основывается на продуктах или отходах нефтепереработки как источниках коротких молекул для полимеров. В обиходе такие вещества называются пластиками. Их «колечки» — различные производные нефтепродуктов, что позволяет расширить функционал волокон. Если у растений есть всего один основной вид «кольца», у животных — двадцать, то легко поддающиеся реакциям углеводороды могут создать сотни различных коротких молекул. А если еще и по-разному переставлять эти «колечки» внутри одного полимера, получается практически бесконечное множество различных полимеров. Действительно, пластиковые полимеры дают головокружительную свободу для творчества.

Стоит отметить, что значимая часть пластиковых волокон приносит серьезный вред окружающей среде. Например, после каждой стирки мелкие отрывки неразлагающихся синтетических нитей попадают в канализацию, а оттуда — в озёра и реки. Поэтому синтетические волокна далеко не решение всех проблем человечества, и использовать их надо с умом и только при надобности.

Полиэстер

Полиэстер — один из самых знакомых терминов на ярлыках «синтетики». Несмотря на все разнообразие полиэстерных изделий, чаще всего они сделаны из одной и той же молекулы — полиэтилентерефталата (ПЭТФ или PET) — полимера, в котором молекулы бензола и этилена соединены сложноэфирными (по-английски — эстерными, отсюда и название) связями. ПЭТФ является примерном сложных полимеров, цепи которых состоят из нескольких типов «колечек» — бензол чередуется с этиленом.

Все те свойства, за которые мы любим полиэстерные ткани, можно проследить из структуры ПЭТФ. Важно заметить, что бензол — плоская молекула, поэтому ПЭТФ можно представить как длинную цепь «тарелочек», связанных друг с другом нитками. А что мы знаем про тарелки? Их можно складывать друг на друга! Точно так же отдельные цепи ПЭТФ наслаиваются друг на друга благодаря взаимодействиям между молекулами бензола. В итоге молекула полиэстера мало того, что гидрофобна из-за своего химического состава, так еще в ней физически не хватает места, где может задержаться вода. Поэтому полиэстерные ткани часто используются именно в зимней одежде.

Полиэстер и в теплых спальных мешках эконом-класса и во внешней ткани пуховика выполняет свою работу по принципу бани. Его водостойкость не дает нагретой «изнутри» влаге испариться, а холодной влаге «снаружи» достичь вашего тела. Такая изоляция равноценна нахождению в плотно запертой сауне, где толстые стены берегут жар пара от ветра и вьюги. Этот эффект позволяет полиэстерной ткани поддерживать вашу температуру на комфортном уровне — если вы, конечно, не начали её носить посреди июля.

Заключение

Таков многообразный мир вездесущих текстильных волокон! Их различное химическое строение позволяет греть нас в холод, радовать глаз и исполнять многие другие функции одежды. Однако прогресс все дальше шагает в будущее, и современная наука постоянно находит множество способов развить структуру уже удобных для нас волокон: генетически модифицировать гусениц шелкопряда, чтобы они производили более прочный паучий белок в шелке, или использовать электромагнитные поля для сборки более крепких волокон из полимеров целлюлозы. Существуют целые лаборатории, направленные на разработку нановолокон, так как волокна с диаметром в несколько нанометров позволяют очень точно управлять тепло- и водостойкими свойствами ткани. Вместе последними технологиями и новейшими открытиями в науке, развитие текстильного дела идет по пути «умной одежды», способной адаптироваться к изменениям в вашем теле и окружающей среде. Поэтому, если вам когда-либо скажут, что производство одежды не дело науки, можете смело вспомнить эту статью! Ведь волокна, составляющие одежду, — это настоящий дивный мир прямо на пальцах.

Редактор: Дарина Мухамеджанова

Иллюстратор: Амира Куанышбек

Участие на олимпиаде WRO – это, довольно часто, не только испытание для командного духа, знаний в области робототехники и навыков разработки и презентации проекта. Для учеников общеобразовательных школ это еще и испытание для их кошелька. В среднем на поездку за границу для участия в WRO требуется около 2 тысяч долларов на человека, и это еще не считая стоимость разработки самого робота, что порой может превосходить стоимость поездки. Такой расклад, к сожалению, знаком для очень многих школьников Казахстана и более подробно мы уже рассказывали об этом в нашей другой статье. Как известно, ученики сети Назарбаев Интеллектуальных школ, напротив, тратят на участие в WRO намного меньше своих денег, так как АОО "НИШ" взяла на себя обязательство по покрытию финансовых запросов своих олимпиадников на протяжении всего их пути от идеи до пьедестала на мировой арене. В этой статье на примерах реальных кейсов мы рассмотрим то, как ученики, не обладающие такой привилегией, справляются с трудностями в своей олимпиадной “карьере”.

Часть 1. История Темирлана: о робототехнике, экологии и научном интересе

Моё увлечение робототехникой началось с детства, когда я увидел, как NASA высаживали свой марсоход. Мне так понравилось, что мне захотелось создать что-то похожее, как-то помогать людям, и в будущем развивать что-то не только в робототехнике бытовой, но и в космической. Для меня робототехника -- это не просто роботы; это то, с чем можно взаимодействовать и применять в разных областях. Для меня робототехника -- это инструмент и я использую ее для достижения целей. С ее помощью можно реализовать разные проекты из совершенно разных сфер, например экологии и астрономии, что я уже и сделал. Так, в будущем я бы хотел заняться проектами, которые будут помогать людям в повседневной жизни, или создать какого-нибудь универсального робота, как в игре Detroit:Become Human. Но конечно, это пока мечты, но и они сбываются.

Я решил углубленно изучать робототехнику в начале 8 класса, после того, как увидел видео на YouTube канале Алекса Гавера – самоучки, делавшего разные поделки на Arduino. “Почему бы и нет?” – подумал я и начал искать в интернете школы по робототехнике. Я учился в школе-лицее №50 города Казгарыш. И хотя в школе у нас был кружок по робототехнике, меня туда почему-то не приняли. Спустя время я нашел Лигу Роботов в Нур-Султане. В Лиге Роботов я обучался на трех уровнях, примерно два года. Занятия были по воскресеньям, мы проводили в мастерской по три часа. Я прошел два уровня с Lego Mindstorm, а следующие пару уровней – с Arduino, что понравилось мне намного больше. Дальше я продолжил обучение сам через видео на YouTube и различные сайты. Если возникала проблема, искал на сайтах и дальше по накатанной.

Моим тренером был учитель из Лиги Роботов. За два года он обучил меня всем трем уровням и именно от него я узнал и о Lego и об Arduino, мой тренер научил меня многому и помогал со всем.

При помощи Лиги Роботов я участвовал на разных соревнованиях по робототехнике, тренер помогал мне со всем и от него я узнал многое про лего и ардуино. Я участвовал на Алматинском республиканском конкурсе AlmatyTechCup, куда по сути нас отправила школа, но нам никто не помогал, мы делали все с другом самостоятельно и тогда мы вроде как получили 1 место. Но как такого у меня не было тренера, так как школа нам его не предоставляла. Максимум, что я получил это пр помощи Лиги Роботов.  Регистрировала и отправляла нас на разные олимпиады школа, но она никак не помогала так что мы шли в Лигу Роботов, за помощь в проекте платишь определенную сумму и готовишься с ними.

На пост тренера наша школа ставила учителя информатики. В нашей школе есть кружок робототехники и там его вела учительница информатики, но честно говоря она вообще ничего не знала про робототехнику.

Один из своих проектов “The Greeny” я делал при поддержке American Corner, MakerSpace, U.S Embassy & Chevron, то есть спонсировали U.S Embassy, они выделили на проект около 1400 долларов, он был создан совместно с “GreenTal”. “GreenTal” — это социальный проект, который помогает людям с ограниченными возможностями находить работу.  У них была своя теплица и они высаживали грибы. Им нужно было устройство, которое управляло бы климатом и они сделали запрос в American Corner. American Corner, в свою очередь, предложили мне заняться этим проектом, выделили бюджет к проекту и я начал работу над устройством, помню весь 10 класс занимался этим.

Климат-контроллер — устройство, которое может считывать процент влажности в комнате, температуру, концентрацию углекислого газа, давление время и так далее. Этот проект находится в самом “GreenTal”, он работает и уже можно насчитать более 3000 грибов которым “The Greeny” помог вырасти. Плюс “The Greeny” уменьшает количество СО2. Именно с этим проектом я думал не только об экологии, но и о применении этого проекта в повседневной жизни, как климат-контроллер. Конечно же климат-контроллеры уже существуют на рынке, но они очень дорогие и актуальность этого проекта заключается в том, что этот климат-контроллер довольно дешевый, стоит он около 16370 тенге, потому что он состоит преимущественно из ардуино, детали которого довольно дешевые, не считая датчика СО2. Этот проект можно использовать в помещении и контролировать уровень СО2. Как видно на таблице, чем больше концентрация СО2 тем сложнее поддерживать свою работоспособность и я использовал этот аргумент, чтобы показать актуальность проекта, потому что я не нашел климат-контроллер, который мог бы именно контролировать уровень СО2 в помещении. С помощью “The Greeny” можно включать и выключать вентиляторы при повышенном уровне концентрации углекислого газа, потому что грибы также не переносят большую концентрацию СО2, не больше 700 ппм.  Датчик помогал рассчитывать количество СО2 и при повышенной концентрации включал вентиляторы, которые снижали уровень СО2. “The Greeny” также был подключен к помпе и когда влажность достигала определенного процента включались помпы. Таким образом повышалась влажность.

В 2019 году я начал часто посещать американский уголок и так получилось, что я стал там волонтером. MakerSpace это отличная площадка для начинающих или для тех, кто хочет разработать свой проект, так как там при присутствии координатора можно использовать все что угодно. Таким образом можно создавать разные проекты. Я приходил туда чтобы развивать свои навыки в ардуино, паять и так далее, после чего я стал волонтером, участвовал на разных конкурсах от американ корнер  участвовал на NASA Space Up Challenge. Далее я сблизился с координатором, часто проекты отдавали волонтерам и мне дали этот проект. Я работал над ним 6 месяцев. Я всем советую ходить в мейкерспейс так как это на самом деле удивительное место.

Мы участвовали на Almaty Tech Cup, заняли там первое место, потом на Робофесте, но мне больше нравилось создавать проекты, нежели соревновательная робототехника. С проектом “The Greeny” я участвовал на конкурсе Дарын, Республиканской олимпиаде Аль-Фараби и занял там 1 место.

Если у вас нет возможности посещать американские уголки, то сейчас есть большое количество виртуальных лабораторий, например TinkerCad.

Нам в школе сделали кабинет для робототехников, поставили площадку для робофутбола, паяльники, квадрокоптеры, очень много конструкторов Lego. Это было в конце 10 класса, когда начался карантин, так что поработать там я все равно не успел. Кроме того, завезли очень много инструментов, даже сделали стем лабораторию. Но в эти кабинеты редко пускали кого-то, так как учителя информатики должен был следить за нашей деятельностью, но так как у них были свои уроки, кабинет чаще всего пустовал.

Говоря о самых больших трудностях в моей деятельности в качестве робототехника, самой большой было отсутствие тренера, наставника. У нас был только YouTube, интернет и мы искали информацию по поводу того почему у нас не работает датчик, что с ним не так, мы его перепаивали, перепаивали и в конечном итоге он просто сгорел. Проблемы случаются из-за того, что не понимаешь что сделал не так, если бы у нас был тренер, было бы все, конечно, намного легче. Несмотря на это, со временем мы получали опыт и начали понимать что к чему. Еще трудности вызывало программирование: не понимаешь почему не работал код, хотя все написал правильно. Нет более опытного человека, нет возможности спросить. С другой стороны, это является и плюсом так как со временем становишься более опытнее, ответственнее, полагаешься только на себя, получаешь опыт так как решаешь все проблемы самостоятельно.

Мы готовились самостоятельно,  в кабинете информатики, когда в нашей школе еще не было отдельного кабинета для робототехники. Мы сидели с другом и работали. Я помню момент, когда мы сидели в этом кабинете и часами смотрели кегельринг на ютубе, долго разбирались, собирали робота, программировали. Стратегия заключалась в том, чтобы в последний момент менять код. На самом деле просто не сдаваться, когда мы приезжали на соревнование что-то не срабатывало мы в тот же момент сидели меняли код и иногда оно срабатывало, это были самые счастливые моменты в моей жизни. Нас всегда было всего двое, так как во всей школе, мы были единственными, кто шарил по робототехнике, поддерживали друг-друга, мы могли часами сидеть и смотреть код. Находили выходы из ситуаций, всегда брали с собой круг для кегельринга домой, тренировались, всегда находили время для проектов. Еще одна из стратегий наверное это было присматриваться к противникам, это было самое важное для меня. На соревнованиях мы всегда смотрели на соперников. Когда ставили роботов на карантин можно было подходить, смотреть и так далее. То есть не только использовать свой опыт, но и смотреть на других, у них тоже бывают очень крутые идеи, мы присматривались не только в кеглеринге, но и в категории сумо.

У нас всегда была неуверенность, мы про само соревнование узнавали под конец, например за две недели до соревнований к нам подходят учителя, ставят перед фактом, спрашивают “участвуешь нет?”, ты говоришь “нет, я вряд ли успею” и они отвечают “ну, мы вас уже записали, так что готовьтесь” и готовитесь за неделю, хотя другим выделяется минимум месяц. За неделю, мы,  конечно же не успеваем и приезжая на соревнования мы в спешке корректируем робота, в самом соревновании мы доделывали робота, код, бегали туда-сюда и у нас даже не было времени волноваться, все было в спешке, мы просто делали свою работу.

Almaty Tech Cup - это было наше первое соревнование, и уже республиканский этап, для меня это было большим опытом, так как я ни разу не участвовал в олимпиадах по робототехнике, да и про кегельринг я узнал в тот же день, когда мне рассказали об олимпиаде и мы уже готовились в номере. Помню, в Алмате, мы сами делали кегли с матом(рингом), мы просто использовали все что возможно и так и готовились. Это было моим первым толчком в плане робототехники. И именно тогда я понял, что робототехника - это инструмент с помощью которого можно реализовывать идеи и проекты в сфере экологии, астрономии и так далее.

А насчет проекта был “The Greeny”, это было очень масштабно для меня так как я работал один и я узнал, что выделили огромную сумму денег для реализации, было закуплено очень много оборудования, датчиков, тогда я понял масштаб проекта, стал ответственнее, приобрел скиллы, которые в дальнейшем сделали меня ответственнее, но было очень интересно.

Я поступил в Duke по специальности Data Science & Machine Learning, там я буду изучать искусственный интеллект и машинное зрение и я в будущем планирую связать искусственный интеллект с нашей повседневной жизнью в большом масштабе, создать Искусственный Интеллект (ИИ), приближенное к человеческому мозгу, если такое вообще существует, с которым можно поговорить, скрасить одинокие вечера, но главная цель для меня это создать робота с ИИ, который может например обрабатывать землю и контролировать например рост растений, создать большой рой роботов, которые будут сажать растения. Очень много разных сфер можно подцепить занимаясь робототехников, и как я говорил вначале это должно быть инструментом.

Часть 2. История Алихана: об атмосфере, соревновательной робототехнике и голосовом помощнике

Интерес к робототехнике у меня еще с детства. Я любил различные механизмы, собирал конструкторы, разбирал какие-то радиоуправляемые машинки, добавлял к ним разные пушки или другие механизмы. Говоря об олимпиадах, меня особенно заинтересовали условия участия в соревнованиях, нет практически никаких ограничений, самое главное — найти самый эффективный алгоритм для решения конкретной задачи. Отвечая на вопрос о моем пути становления робототехником, все началось с областного образовательного форума, где меня заметила директор Назарбаев Интеллектуальной школы г. Уральск, Шолпан Маратовна. Она пригласила меня учиться азам робототехники в ее школе. Изучая базовые знания этой науки, я заметил, что другие ребята учились абсолютно самостоятельно, изучали программирование и находили ответы на интересующие их вопросы в интернете. Они учились быть робототехниками потому что им это нравилось, а не потому что они были обязаны это делать.

Хочу отметить что Назарбаев Интеллектуальная школа Уральска была центром робототехники Казахстана, в то время почти все соревнования по робототехнике WRO выигрывали именно они.

Это было в 2015 году, осенью. Честно говоря, в это время я посещал кружок достаточно нерегулярно и пассивно. Тем не менее, мне нравились ребята, которые занимаются тем, что им интересно, они посещали клуб робототехники абсолютно свободно и их никто никогда не обязывал к этому. Они участвовали во всех соревнованиях из интереса к науке и заниматься с ними было одно удовольствие, была очень классная атмосфера.

В кабинете всегда все было на своих местах, всегда было нужное оборудование. Кроме того, у них был был классный руководитель — Нурболат Дагаров, который сейчас преподает в Назарбаев Интеллектуальной школе г. Алматы. В то время он преподавал в Уральске и помогал ученикам в основном только с конструированием роботов время от времени, в то время как ученики были самостоятельно разобраться во всем остальном. Иногда учитель мог заказать пиццу или еще что-нибудь, чтобы собрать нас вместе. Вот такая была уютная атмосфера.

Начал я заниматься робототехников в шестом классе, но в то время я был выпускником Академической художественной школы. Поэтому, пока я не закончил я не мог заниматься чем-то другим в достаточной степени. После выпуска я, конечно, начал всё чаще и чаще ходить на кружок робототехники, это было начало седьмого класса.

Сейчас я работаю художником, художником-аниматором. Робототехника, безусловно, повлияла на то каким человеком я являюсь и на выбор моей профессии.

В своей родной школе в то время мне было, честно говоря, достаточно скучно. Все было очень однообразным и неинтересным. Дети только и делают что учатся, особо интересных клубов у нас не было. Назарбаев Интеллектуальная школа же мне очень напоминала американские школы. Все ребята были достаточно приветливые и открытые, ребята всегда могли поделиться своими идеями касательно чего угодно. Мои коллеги-робототехники делились алгоритмами, мы начали вместе с ними участвовать на соревнованиях. Безусловно это стало неким решающим моментом, определившим мое будущее, ведь сейчас я учусь на факультете робототехники и мехатроники, параллельно занимаясь рисованием.

У нас в школе не было специалиста по робототехнике в роли тренера, ими в основном были учителя информатики, а робототехникой мы занимались сами. Пока у нас не было никаких достижений администрация школы не шла к нам на встречу, она не была заинтересована в этой сфере. Поэтому и тренера у нас не было вплоть до 8 класса. В то время, как я учился в 8 классе школа уже начала открывать клуб робототехники, покупать нужные материалы и так далее.

Возвращаясь к олимпиаде WRO, она делится на две категории: это открытая категория и основная категория. Я участвовал именно в основной, там есть свои определенные условия и правила, которые необходимо соблюдать. Мы должны выполнить все эти задачи, но хочу отметить, что WRO 2017 была одна из самых сложных олимпиад WRO  в истории для старшей основной категории. По этой причине не было ни одного участника во всем мире, кроме команды из России, кто бы смог выполнить все 100 процентов необходимых условий чтобы заработать максимальное количество баллов.

Мы с моим напарником анализировали общую ситуацию в мире и поняли, что получить 100 процентный результат для нас — нереально, и не только для нас, а для всех участников из Казахстана. Поэтому мы решили нацелиться на 50% от всех условий. В итоге максимум было 180 баллов, но нашей целью была половина — 90. В Казахстане люди были нацелены хотя бы на 70-90 процентов и создавали слишком сложных роботов. Чем сложнее роботы, чем сложнее их конструкция, тем выше вероятность того, что робот не сработает, поэтому нашей целью было - использовать надежный алгоритм и надежную конструкцию. Мы получили 40% от всех баллов. Это, конечно, очень мало, но все остальные команды получили 0.

Несмотря на то, что мы с моим напарником заняли первое место, самый высокий результат показывал парень из Назарбаев Интеллектуальной школы г. Уральск, Ержан, он набирал 60 процентов, когда наш результат был максимум 50 процентов. Но так уж получилось, так как у него была слишком сложная конструкция, он не показал тот же результат на самих соревнованиях.

По условиям соревнования, робот не должен превышать габаритов в 25 сантиметров по всем измерениям, то есть он должен помещаться в куб 25 на 25 на 25 сантиметров. Касательно соревновательного поля, была схематическая линия, она разделялась на три ветви и каждая ветвь вновь разделялась на другие 4 ветви. Случайным образом на концах этих ветвей располагались маленькие и большие кубики 8 различных цветов. Робот должен был определять размер кубика: маленький или большой, и их цвета. Каждый цвет соответствовал различным конвейерам которые располагались сверху. Последним этапом было расположение маленького кубика в большом, затем необходимо перевезти эту конструкцию в поле соответствующего конвейера. Звучит, наверное достаточно непонятно, но это нормально — участие в WRO подразумевает решение комплексных задач.

Изначально нашей целью было попасть на мировой этап WRO 2017, на республиканском этапе в этом году мы как раз получили первое место. Мы поставили перед собой новую задачу — набрать все 100 процентов баллов, но в процессе подготовки мы с напарником поняли, что это просто невероятно сложно. За один месяц мы меняли конструкцию нашего робота около 20 раз: что-то добавлялось, от чего-то было необходимо избавиться. И самое сложное — это каждый раз снова и снова подстраивать алгоритм программы под новую конструкцию робота. Думаю, этот период был самым сложным, в конце концов мы выбрали самую надежную и стабильную конструкцию, которая у нас была. После того как мы прошли республиканский этап мы должны были пройти учебно-тренировочные сборы (УТС). Время, проведенное на УТС было тоже достаточно сложным.

Всего на УТС было 3 команды, те, кто взял первое, второе и третье место во время республиканского этапа. На сборах были небольшие соревнования, на которых призеры соревновались между собой. Дело в том что все три команды не смогли сделать подходящего робота к УТС и даже мы не смогли достичь наши заветные 50 процентов, которые мы достигали до республиканского этапа. Это все привело к тому, что три команды объединились, чтобы решить возникшую проблему. Так как на мировой этап могла поехать только одна команда, мы решили, что мы, объединившись, создадим сильного робота, который бы мог превзойти любой результат, который команды показывали по отдельности. В итоге сформировать команду из 3-х человек, по одному человеку из каждой команды, которая отправится на международный этап WRO. В конечном итоге, мы, к сожалению, не сделали ничего прорывного, но, тем не менее, получили бесценный опыт, который помогал нам выигрывать в соревнованиях после WRO. Мы даже больше не участвовали в таких стандартных дисциплинах, как кегельринг, сумо роботов или езда по линии — все это казалось слишком простым после нашего опыта участия в WRO.

Я участвовал в научных проектах, там где нужно было придумать проект и защищать его перед аудиторией, затем ещё на KazRobotics, это спортивная робототехника называется, где нужно выталкивать кегли или засчитывать определенные коды данных и ехать по определённой траектории, боулинг, биатлон это тоже часть в соревновании по спортивной робототехнике. Я еще мой напарник, его зовут Бекзат, участвовали в различных соревнованиях, именно связанных со спортивной робототехникой. Казроботикс сейчас считается Федерацией, они устраивают именно международные олимпиады. Мы были трехкратными чемпионами, три раза побеждали. Может прозвучать немного высокомерно, но мы к ним вообще не готовились, мы готовили робота и программу в день самих соревнований.

Нашей главной стратегией был алгоритм. Алгоритм - это строение программы, допустим, не важно насколько сложную программу вы пишите, если у нее плохой алгоритм, то вероятность работоспособности кода мала. Нужна правильная последовательность или другими словами - алгоритм. Также нужно отметить, что без хорошей конструкции робота, алгоритмы и программы не будут работать. Программа и конструкция должны быть пропорционально хороши относительно друг-друга. У нас подход был в простоте, без лишних деталей, всё должно быть максимально просто и  эффективно, не должно быть ни одной детали, которая была бы прикреплена просто так, для красоты.

Мы выигрывали соревнования с очень нестандартными кодами, допустим возможно это можно посчитать за жульничество. Мы создали специальный код, который при столкновении с другим роботом соединяется по Bluetooth и могли отправлять ему сообщения, в следствии чего робот выключался. Мы проворачивали такое в категории Сумо. Не то, чтобы мы не могли выиграть соревнования другими методами, но исходя из опыта мы решили, что это будет эффективно.

Мы также, еще использовали законы физики чтобы определять центр тяжести и центр смещения. Мы использовали математические формулы. долго писали на доске. Я, по большей части отвечал за программирование, а мой друг за конструирование. Бывали случаи, когда мы менялись ролями. Перед тем как начинать работу мы с моим другом, который тоже художник придумывали и рисовали концепт будущего робота и только потом приступали к сборке. Потом я уже начинал писать программу. Если что-то шло не так мы просто разбирали робота, придумывали новый концерт, который будет намного эффективнее.

Я прикрепил одну фотографию там где была роботы, которые соревновались в скорости. Мы тогда с другом придумали запускной механизм: когда робот едет по дороге, проезжая  3 метра у него срабатывает специальный механизм, резинка отстреливается назад и запускается третий поршень, который ускоряет самого робота. Мы придумывали наиболее эффективные варианты, можно сказать в нашей работе главное это творческий подход, никаких банальных решений.

Думаю, что соревновательная робототехника является самой интересной, так как можно придумать различные алгоритмы, стратегии, и все зависит только от нашей фантазии. Наша школа выиграла именно благодаря фантазии.

За всё время, когда занимался робототехникой, я потратил всего-то 18000 тенге. Я учился в 42 школе напротив Назарбаевской. Начиная с 8 класса к нам школу начали массово привозили роботов другие государственные учреждения. Это были наборы Лего майндстормс, а также дополнительные наборы.

В тоже же время мы посещали педагогический университет, там была лаборатория на 30 миллионов тенге. В этой лаборатории было много оборудования, а также различные наборы, например Lego:Mindstorm, Raspberry & Matrix. И в таких шикарных условиях занимались только три человека: я, мой напарник и еще один человек с нашей школы.

Мы никогда не проигрывали на соревнованиях, занимали только первые места, наша школа договорилась с педагогическим университетом, чтобы мы посещали эту лабораторию. Мы ходили и учились самостоятельно, но так как там не было учителя, нам выдавали ключи, мы открывали и закрывали лабораторию сами.

К нам приставили руководителя-надзирателя после того случая, когда я забыла сдать ключи. Именно там мы занимались разработкой проекта. Хочу сказать, что эта лаборатория была в 5 раз шикарнее Назарбаевской школы, и все оборудование было в свободном распоряжении.

Давайте вернемся к финансовой стороне. Я потратил деньги только на поездку в Астану, на WRO, финансированием занималась Назарбаевская школа, так как она являлась “организатором” олимпиады. Например, когда я занимал первые места на КазРоботикс, именно федерация выступала в качестве спонсора. Во время республиканского этапа они предоставили нам проживание, питание и так далее. На областном этапе вро мы взяли 2 место, и там были определенные условия: 1-е место едут на республиканский этап бесплатно, а 2-е и 3-е места получают 50-ти процентную скидку. Но проживали мы в Назарбаевском университете, а за проезд платили сами. Это был единственный случай, когды мы за что-то платили.

Наша школа предоставила нам только робота. Взять у них, например, ноутбук было проблематично. Поэтому другое оборудование мы брали с Назарбаевской школы. Самое интересное, что Назарбаевская школа всегда нас поддерживала, предоставляла оборудование, детали и иногда роботов. Даже учитывая тот факт, что мы были конкурентами.

В 2018 году, в начале 10 класса в нашей школе открылась своя лаборатория на 15 миллионов тенге. Здесь было все необходимое оборудование, новые и мощные ноутбуки, столы для занятий робототехникой. Школа сформировала команду и показывала определенные результаты.

Я все время занимался в тех местах, где у людей “глаза горели”, мне очень нравилось заниматься робототехникой. Когда я поступил в университет по своей специальности, все люди там были новичками, они не особо понимали чем занимаются и как мне казалось, поступили ради гранта. Учиться с ними мне было скучно, больше было похоже на пытку. Я понял, что работаю именно исходя из атмосферы. Я почувствовал, что мой уровень подготовки выше, чем у других студентов. Нас записывали на различные соревнования, но было чересчур скучно их выигрывать. Я сделал вид, что ничего не понимаю, что тоже являюсь новичком, чтобы от меня не ждали многого.

В университете не было специальных лабораторий, поэтому я на какое-то время перестал заниматься робототехникой и начал заниматься рисованием. Сейчас я художник-аниматор, создаю анимационные проекты, получаю деньги с фанатских пожертвований. Но на будущее у меня есть куча идей которые я хочу реализовать именно по робототехнике. Например голосовой помощник. Это специальная система, которая отвечает на все голосовые сообщения, на все звонки, а также на открытие домофона по определенным обстоятельствам. Я хочу максимально автоматизировать свою будущую квартиру.

Я этим сейчас стараюсь связывать робототехнику и рисование. Например, для рисования я использую около 6 программ, основанных на блоковой системе, также как и программа Lego mindstorms. Я думаю, что знаю блоковую систему в совершенстве. Все приобретенные знания мне очень помогли, и сейчас я даже кодовые программы пишу с легкостью.

Заключение

Безусловно, некоторым участникам олимпиад по робототехнике больше других повезло с хорошей мастерской, наставником, доступом к знаниям, лояльностью со стороны школы. Тем не менее, сегодня стать отличным робототехником может может любой, если эта наука действительно интересна вам. Упорство, смелость, трудолюбие и инициативность могут стать основой для формирования конкурентоспособного робототехника, призера республиканской или даже международной олимпиады по робототехнике. Отсутствие привилегий в школьном возрасте, как вы можете увидеть на примере Темирлана и Алихана, не всегда становится преградой на пути к своему призванию, обучению по программе любимой науки или сотрудничеству с компаниями под спонсорством международных организаций.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Участие в олимпиадах по робототехнике требует немалых сил и терпения, навыков и целеустремленности. Призовое же место на этих олимпиадах потребует от участников еще большего. В прошлой статье о социоэкономических препятствиях на пути к WRO мы рассказали о том, насколько тяжел путь робототехника к олимпу. Но несмотря на все трудности, даже среди сотни участников с разными знаниями и навыками появится та самая десятка, которая взойдет на пьедестал и ощутит тяжесть медалей.

В этой статье мы расскажем о том, как повысить свои шансы встать в один ряд с призерами олимпиады и как приблизиться, а то и превзойти уровень самых сильных команд; а также подробно обсудим, почему диплом о призовом месте не всегда показатель по-настоящему упорной и большой работы, и что именно можно и нужно считать настоящей победой на соревнованиях.

ДИСКЛЕЙМЕР!

Эта статья не о “секретах” и “лайфхаках”, о которых никто не знает, чтобы победить на олимпиаде. Секрет лишь один: его нет.

Все, что вы найдете в этой статье – скорее правдивое повествование о большом и самом разнообразном опыте сборной Казахстана по робототехнике, которым мы хотели поделиться.

Настрой

Первое, о чем стоит поговорить – настрой – без него мало что получится даже если все члены жюри единогласно решат отдать вашей команде первое место. Важнее настроя может быть его характер: он не должен быть деструктивным! Многие сегодня хотят быть всегда лучшими, чем бы они не занимались: “хочу золотую медаль”, “хочу занять первое место”, “хочу получить \(1500\) по SAT”. Но соревнования – это в первую очередь не о превосходстве над другими, а над собой.

В соревнованиях любого рода, не только робототехнических, пройденный путь уже самодовлеющее достижение, стоящее куда больше призового места. Такое мышление приводит к глубокой рефлексии и сознанию того, как многому вы научились во время подготовки, став совершенно новым человеком и в профессиональном и в личностном контексте. Установка “первое место –  первая цель” обесценивает весь процесс обучения и подготовки к WRO, навыки, знания и самое главное – время. Проиграть, но научиться чему-то намного ценнее и полезнее, чем взять первое место, не сделав ничего.

В создании правильного настроя также важна целеустремленность и уверенность. Мы привыкли делить людей на две категории: талантливые от природы и трудолюбивые. Есть люди, которым дается обучить самую сложную нейронную сеть в два клика, а кому-то робота на Lego EV3 не заставить проехать вперед с первого раза. Но второй тип людей будет пытаться до конца, пока результат не оправдает ожидания. Однако даже так нет никаких гарантий, что  положение дел талантливого всегда будет лучше упорного. Ведь все сводится к количеству часов, затраченных на эффективную работу над собой и своими навыками. Это может звучать банально, но никогда нельзя терять целеустремленность, даже когда все рушится. Когда-то в \(2018 \)году команда SpaceGardens в составе сборной Казахстана поехала в Тайланд на World Robotics Olympiad показывать свой проект всему миру. К сожалению, тот проект был совершенно не приспособлен к перевозке: его было  тяжело разобрать и еще тяжелее собрать заново.  В итоге, когда все команды уже защищали свои проекты, робот SpaceGardens все еще не был собран до конца.

И даже после провального выступления перед всеми тремя жюри, команда не сдавалась, хоть и было понятно, что призового места не ожидать. Участники продолжали бороться, чтобы дойти до конца, пытаясь хоть как-то исправить ситуацию: не пошли на ужин, чтобы завершить сборку робота, а когда сломался последний светодиод в оптопаре, то разобрали термоклеевый пистолет и вытащили светодиод оттуда. Несмотря на то, что все понимали, как плачевно положение дел, команда не хотела сдаваться. Тем временем, пока команда SpaceGardens судорожно собирала робота из “того, что есть”, за соседними кабинками стояли команды из России и Германии. Наконец награждение – команда SpaceGardens взяли \(15\) место из \(39\), а из России и Германии – первое и второе место соответственно. И у них точно было чему поучиться.

Их уверенность и решимость притягивали с первых мгновений: они не паниковали и уж тем более не унывали. Наоборот, в случае какой-либо проблемы ребята с холодным спокойствием решали ее сообща, будто ничто не угрожает их месту на пьедестале. Они были твердо уверены в своем проекте, в том, что у них обязательно получится показать свой максимум. Так, их внутренняя  уверенность отражалась и на соперниках: чем более уверенным, стабильным и непоколебимым кажешься, тем менее уверенными, стабильными и непоколебимыми будут чувствовать себя противники. А  эмоциональные качели наоборот редко когда могут привести к хорошему результату.

В конечном счете, желание показать свой максимум, целеустремленность и уверенность – это та психологическая основа, которая необходима , чтобы на вашу команду обратили внимание. Безусловно, одна уверенность не прямой путь к успеху, однако без этой основы стать одним из лучших вряд ли получится. Важно понимать, что  быть уверенным не значит вести себя высокомерно и неуважительно  по отношению к другим командам. К своим соперникам нужно относиться с честью и достоинством,иначе вы рискуете превратить мирное состязание интеллектуальными силами в токсичную войну. Так, когда-то Талдыкорганская команда (Даниил Филимонов, Пак Элина) являлись заклятыми конкурентами с командой из Астаны (Шырын Оспанова, Рахат Айжанов), но спустя некоторое время трое из них объединились в работе над проектом общим Beyond Robotics.

“Обзор” соперников

Наверняка вы часто слышали о том, что перед тем, как начать свой бизнес, необходимо провести исследование рынка? Похожий принцип можно применить и к соревнованиям по робототехнике. Зачем? Все просто – мы уже говорили о том, что нужно показать свой максимум, однако нужно еще и понять, в какую сторону нужно направить свои силы, какие умения необходимо развить для того, чтобы достичь цели. Иными словами:перенять опыт бывших победителей с сильными проектами.  Для этого нужно узнать, какие проекты занимали призовые места раньше. Самый простой метод – это поискать в интернете призеров прошлых лет и определить, что было важным в их проекте, помимо идеи (наличие нейронных сетей, 3D-печать, мягкая робототехника, и т.п.). На Youtube-канале World Robot Olympiad раньше публиковались ролики топ-8 проектов из каждой категории, которые до сих пор актуальны. К примеру, посмотрев ролик победителей WRO-2018  в старшей творческой категории, мы можем заметить применение мягкой робототехники  и нейронных сетей. На самом WRO 2018 мы вживую видели выступление этой команды и среди soft skills стоит отметить отличные навыки презентации и необычайный командный дух, который выражался плавностью презентации и запоминающейся “кричалкой” в конце. Сравнив этот проект с другими, мы можем увидеть, что мягкая робототехника – фишка этой команды, а нейронные сети были у всех победителей. Из этого делаем вывод о том, что надо бы научиться работать с нейронными сетями. Плюс, сделать это можно на нашем курсе по нейронным сетям на сайте Beyond School.

Следует обратить внимание на презентацию победителей – как она структурирована, какова ее плавность. Лучшие и наиболее качественные презентации чаще всего у команд из Азиатских стран.

Проводить подобное исследование крайне полезно для начальной подготовки к олимпиаде. Однако для большей готовности к олимпиадам республиканского и международного значения стоит провести “исследование” конкретных команд. Например, при подготовке к международному этапу WRO-2019, мы знали заранее о наших сильнейших соперниках, о концепте их проекта, реализации  робота. Как мы это сделали? Посмотрев список победителей за последние пять лет, мы увидели, что там всегда есть команда из России под руководством одного и того же тренера. В итоге, поискав информацию о победителях на Всероссийской Олимпиаде Роботов 2019, мы увидели, что первое место получила  команда того же тренера. Обозначив эту команду нашим главным оппонентом, мы принялись искать больше информации об их проекте. С какой целью? Чтобы четко понимать, чего ожидать от одного из главных претендентов на пьедестал  WRO-2019, и понять, насколько мы сами соответствуем их уровню: недостаем или же превосходим. Таким образом, критическое сравнение своего проекта с чужими отлично поможет определить ваши сильные стороны, создать визитную карточку проекта, а также покажет, где стоило бы доработать проект, чтобы не отставать от конкурентов. Так, обзор соперников принесет множество положительных результатов: вы поймете, к чему стремиться и какой робот действительно будет оценен по достоинству, а также здраво сравните своего робота и робота победителей, чтобы понять свою силу и составить план доработки проекта.

Подготовка

Подготовка к олимпиаде:  времязатратно, но необходимо. За короткое время вы должны получить навыки 3D-моделирования, программирования, презентации, подготовки исследования и многого другого. Здесь появляется новое правило: если вы хотите показать свой максимум, то будьте готовы, что вероятно, вам придется посвятить своему роботу практически  все свободное время. Выходит, что большую часть встреч с друзьями придется пропустить, а сериал посмотреть нескоро получится. Но ведь получить “путевку” на республиканский этап, а то и на международный никогда не было легкой задачей!

Безусловно, сколько времени у вас уйдет на подготовку крайне индивидуально, тем не менее как готовиться к олимпиадам по робототехнике можно рассчитать. И мы расскажем! В первую очередь стоит помнить: 80 процентов работы над всем проектом заканчивается еще до начала его реализации. Перед тем, как приступить к конструированию, необходимо четко сформулировать идею проекта и его основные функции, иначе вас будут коварно поджидать постоянные споры о том, что вы делаете. Непродуманность идеи, например, привела одну команду на WRO-2018 к тому, что на республиканском этапе у них был проект, который сам смешивал и заваривал лечебный чай; на подготовительных сборах был проект, ставящий диагноз и рекомендующий определенную диету и лечебный чай, а на международной олимпиаде вновь появился робот, что самостоятельно смешивал и заваривал лечебный чай. Такие скачки в концепте не являются верной эволюцией идеи проекта! Именно поэтому рекомендуется обозначить основной вектор развития проекта на старте и уже затем добавлять к нему дополнительные модули по мере разработки. Так, в 2019 году основной идеей команды Ziggurat заключалась в создании робота, который способен преподавать рисование, проверять выполненную учениками работу и давать конфеты за правильное выполнение заданий. В дальнейшем к проекту добавился робот-гуманоид, представляющий учителя,  отдельный модуль, который обучал арифметике, машинка для реализации шрифта-брайля и VR-очки для выполнения домашнего задания в виртуальной реальности. “Скелет” робота-учителя сохранился,но в течение подготовки он обрастал новыми “мышцами”.

Идея проекта готова, задан вектор для работы. А как начать разработку?Самое главное правило – разбивать процесс подготовки на мелкие части, расставив их по приоритету, и затем делегировать их всем членам команды. Звучит как популярная в разработке ПО методология управления проектами SCRUM? А это она и есть! Однако готовясь к WRO-2019, мы пришли к этому самостоятельно, не изучая теорию (и зря).  Для эффективной подготовке к олимпиадам рекомендуем ознакомиться с некоторыми гибкими методологиями разработки, чтобы использовать их элементы в вашей разработке.

Возвращаясь к робототехнике, давай рассмотрим  пример: есть цель –  написать сверточную нейронную сеть  для распознавания объектов. Далее делим ее на несколько составных частей: изучить работу нейронной сети YOLOv4, установить необходимое программное обеспечение на свой компьютер, собрать датасет для обучения и обучить саму нейронную сеть.  Для каждой из целей ставим приоритет, ответственного и ориентировочный дедлайн. Также стоит помнить, что могут появиться такие  этапы при реализации цели, которые можно выполнять не последовательно, а параллельно. К примеру, мы можем вместе с изучением YOLOv4 уже собирать и обрабатывать датасет. Подобный ход работы существенно оптимизирует тайм-менеджмент при создании робота. Кроме того, крайне рекомендуем делать TO-DO листы и расписывать алгоритмы на бумаге или маркерной доске. Когда члены команды Ziggurat готовились к WRO-2019, у них кончились маркерные доски, где они могли бы писать списки дел и расписывать алгоритмы и тогда... они начали оставлять записи на окнах тем же маркером, следы от которого исчезли только  после окончания олимпиады.

Большой (во всех смыслах) масштаб записей создавал отличную картину проекта, и  вместе с тем записи всегда были перед глазами, что позволяло напоминать себе, как написать код на тот или иной алгоритм.

Подготовка – процесс критически важный для успеха не только на конкурсах, но и в целом в жизни. Не бойтесь полностью отдавать себя процессу и применять гибкие методологии. Более подробно о подготовке к олимпиадам рассказал тренер сборной Казахстана Открытой категории WRO Авдюнин Николай Владимирович на нашем курсе.

Смелость и коммуникабельность

В современном мире навыки общения играют важную роль в развитии личности. Робототехника  не исключение. Почти каждый робототехник сталкивается с двумя проблемами: низкая квалификация тренера, а то и его отсутствие вовсе, и нехватка необходимого оборудования и мастерской. Здесь  нам и понадобится коммуникабельность вместе со смелостью.

Часть 1. Тренер

Стоит признать, что найти хорошего тренера, который научит всему, что он знает и даже большему  правда тяжело.  Однако это не повод отчаиваться, ведь за советом можно обратиться к победителям прошлых лет республиканской и международной олимпиады, квалифицированному тренеру, о котором вы где-либо узнали,  к студентам, изучающим подобную дисциплину  в университете, или же просто специалисту в необходимой области. Как видите, выбор довольно большой, все, что необходимо – найти контакты нужного человека, составить все вопросы заранее и вежливо попросить о помощи. Какой шанс, что вам ответят? Точно ненулевой. Конечно, не каждый будет готов помочь в разработке проекта, но это не означает, что получить совет или консультацию бессмысленно. Другой аспект заключается в том, что некоторым ребятам предлагают помощь, но им “неудобно” ее принять. Тут как никогда важно помнить то, что любую помощь, способную приблизить вас к заветной победе нужно проанализировать, взвесить за и против, и если “неудобно” – единственное, что останавливает вас принять эту помощь, то придется переступить через себя. В конце концов, если человек не хотел бы вам помочь, он и не предлагал бы эту помощь. Обратиться за помощью можно и к нашей команде робототехников в нашем чате в Telegram, Instagram, Спроси! или на любой другой доступной платформе. Когда на кону ваше участие в олимпиаде, а также ваше развитие как профессионала и как личности, то нужно набраться смелости и попросить помощи в своем обучении и становлении у всех, у кого только можно.

Часть 2. Оборудование

Когда дело доходит до оборудования, все становится сложнее. Ведь нельзя напечатать деталь для робота, просто смотря на фотографию 3D-принтера! Да и не всегда хватает средств даже на такие простые инструменты и материалы, как ножовка, дрель, крепеж или детали для корпуса. И вот тут навыки дипломатии, коммуникации и щепотка смелости помогут получить заветные стамеску и пол-рубанка. Каким образом? В первую очередь, двери Американских уголков открыты для всех желающих. О том, что это за места, мы писали в другой нашей статье.

Однако, далеко не в каждом городе Казахстана есть подобные уголки, да и в существующих уголках не всегда хватает места всем. По этой причине стоит узнать, в каких университетах вашего города есть открытые для использования мастерские.Чаще всего там найдется  специалист, который так или иначе может научить чему-то новому. К примеру в Талдыкоргане, в Жетысуском Государственном Университете имени И. Жансугурова располагается Zhetysu StartUp Academy, в рамках которой каждый желающий может бесплатно воспользоваться их мастерской и оборудованием для создания проекта. Если же не удастся найти места в университетах, есть еще один запасной вариант – договориться с частной школой. В Алматы, Нур-Султане и в других крупных городах Казахстана есть достаточно большое количество частных школ, в которых находятся  отличные мастерские. Как туда попасть? Все просто – зайдите на сайт школы, найдите телефон приемной, позвоните туда и узнайте, есть ли возможность использовать оборудование этой частной школы для проектников из других школ. Будьте готовы к тому, что далеко не везде ответят положительно, в то же время имейте смелость договариваться и побольше рассказывать о себе, о вашем проекте и причине, по которой вам нужна их мастерская. В конце концов, вы ничего не теряете, в то время как положительный исход такого поиска  способен вашей команде заметное преимущество в подготовке.

Заключение

Олимпиадная робототехника – путь непроторенный, а во времена COVID-\(19\)  он стал еще более трудным. Однако это все же путь и именно поэтому не стоит бояться сталкиваться с препятствиями на нем. Если вам близка наука, то безусловно, как бы ни было тяжело, ею стоит заниматься, вкладываться и развиваться. В любой подобной деятельности по-настоящему ценно отнюдь не ходить с грудой золотых медалей на шее, а показать свой максимум, знать куда вы направляетесь и какие люди будут завтра вашими соперниками и друзьями; получить как можно больше полезных знаний, навыков, знакомств и опыта. И самое главное – никогда не опускать руки, упорно преодолевать все трудности: от поиска тренера и места работы над проектом, до развития в себе навыков коммуникации и смелости. И помните – путь к успеху лежит через сотню провалов!

Редактор: Дарина Мухамеджанова

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Почти полтора года назад, в конце февраля, мы перевели статью «Вы скорее всего заразитесь коронавирусом». Ее основной мыслью была идея о неизбежности заражения коронавирусом и то, что скорее всего, он станет сезонной болезнью, которая будет сопровождать человечество отныне и на долгие годы так же, как и грипп, а единственным инструментом в борьбе с коронавирусными инфекциями будет вакцина.

И вот, в июне \(2021\), у нас есть вакцина, но количество вакцинированных оставляет желать лучшего. Сразу обозначу: если вы абсолютно уверены, что вакцинация – это заговор государств, транснациональных корпораций и (или) лично Билла Гейтса, то можете закрывать эту страницу. Я не собираюсь вас переубеждать. Почему? Вас никто не сможет переубедить, пока вы сами не допустите хотя бы малую вероятность того, что возможно, вы что-то не понимаете.

Но вернемся к текущему. В этой статье я сделаю краткий обзор иммунной системы, расскажу, как работают разные вакцины, и попробую разъяснить некоторые мифы и заблуждения.

Как работает иммунная система?

Иммунная система настолько огромна и многообразна, что для ее полноценного описания можно выделить отдельную статью. Но сделать краткий обзор можно, а может, даже нужно.

В основе имунной системы лежит дифференциация своих и чужих клеток. Свои клетки хорошие и их мы не трогаем, а вот чужие – гнать с глаз долой. Так сразу поднимается два вопроса:

№1. Как понять кто свой, а кто – чужой?

С помощью антигенов. Антиген – некая молекулярная структура, находящаяся на поверхности клетки. Свои антигены – те, которые можно встретить на обычных клетках человека, а чужие – те, которых на клетках людей быть не должно, значит это туземцы (как правило, вредоносные). Вредоносных туземцев мы будем называть патогенами.

Антигены не имеют ничего общего с генами. Слово антиген является сокращением от antibody generator (производитель антител).

И тут можно задаться вопросом: а зачем патогенам так выдавать себя? Зачем им нужны антигены, по которым мы четко можем понять, что они чужеродные? Было бы более логичным пытаться замаскировать себя под «своих» в организме человека? Не совсем так. Важно понимать, что антигены — это не декоративные игрушки на елке, а вполне себе функциональные элементы, востребованные в жизненном цикле патогена. Можно в качестве аналогии привести зебру: если вы охотник на зебр, то для вас окрас зебры выглядит крайне опрометчиво. Так, если вы увидите черно-белые полоски, вы точно поймете — перед вами зебра. Но для зебры полоски не просто декорация, а вполне себе функциональный элемент: правда ученые еще не разобрались, какую именно функцию эти полоски выполняют — помогают ли с терморегуляцией или отпугивают насекомых.

Точно так же антигены выполняют определенные функции для патогенов. Например, так называемый спайковый (S-белок или тот самый шип) белок коронавируса помогает ему проникать в клетки человека.

Интересно, что в организме каждого человека с рождения присутствует набор из примерно сотни различных детекторов (рецепторов), которые могут распознавать около тысячи различных антигенов. Эти детекторы и составляют основу врожденного иммунитета – набора биохимических реакций, которые выступают в качестве первой линии защиты от патогенов.

А кто стоит на второй линии? Приобретенный иммунитет. Здесь, в качестве детекторов выступают антитела, которые гораздо более специфичны и за счет этого более вариативные. Для понимания масштаба: с помощью различных антител можно распознать свыше \(10\) миллионов различных антигенов.

№2. А как прогнать чужих?

Как только рецептор или антитело распознает антиген, это служит своего рода сигналом для других клеток, что пора начинать уничтожение.

На сигналы врожденного иммунитета приходят лейкоциты: нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, моноциты и лимфоциты. Воспользуемся аналогией, приведенной на ресурсе BioNinja (там же есть более детальное описание каждого лейкоцита):

Нейтрофилы – это самые распространенные лейкоциты, которые могут пожирать патоген (буквально поглощать его как пакман) и уничтожать с помощью лизосом (лизосомы – это своего рода «желудок» клетки). Кстати, именно поэтому нейтрофилы одноразовые. Аналогия BioNinja – нейтрофилы точно уличные полицейские: быстро реагируют на ситуацию, но не обладают особыми навыками.

Эозинофилы – включаются при аллергиях и паразитических инфекциях. Вместо грубого пожирания патогена, они «распыляют» молекулы, которые уничтожают клеточную мембрану патогена. Эозинофилы своего рода борцы с насекомыми (фумигаторы).

Базофилы – братцы, которые наводят суету. Более серьезно – они инициируют воспаление, выделяя гистамин и гепарин. Воспаление помогает заблокировать распространение патогена и привлекает к себе фагоцитов.

Моноциты бывают двух типов: макрофаги и дендритные клетки. Макрофаги пожирают (процесс формально называется фагоцитозом) патогены; а еще сами макрофаги многоразовые. Дендритные клетки передают сигнал об инфекции другим лимфоцитам.

Наконец, лучшие из лучших – лимфоциты. Существуют В-лимфоциты (в рамках гуморального иммунитета) и Т-лимфоциты (в рамках клеточного иммунитета). Оба вида лимфоцитов могут образовывать иммунитет сами по себе, но в организме человека они взаимосвязаны.

Как работают лимфоциты

В-клетки

Сначала рассмотрим, как работает имунная система, связанная с В-клетками. В-клетки поглощают чужеродные пептиды (маленькие белки), разрушают их на части, а потом выставляют на своей поверхности через главный комплекс гистосовместимости второго класса (MHCII) в качестве антигенов (назовем их антиген А). Т-клетки, у которых на поверхности есть рецепторы для этих антигенов, соединяются с этим комплексом и начинают синтезировать молекулы CD40L и цитокины, которые будут стимулировать В-клетки размножаться и претерпевать процесс, называющийся «переключение классов иммуноглобулинов». В итоге мы получим три типа В-клеток: плазма клетки, В-клетки герминативного центра и клетки памяти. Плазма клетки будут синтезировать огромное количество антител, способных связываться с «антигеном А». Клетки памяти – это такие же В-клетки, с которыми мы имели дело в самом начале параграфа. Они так же будут активироваться при участии «антигена А».

В результате переключения классов иммуноглобулинов мы получаем плазма клетки, вырабатывающие антитела IgM, и клетки памяти, которые могут вырабатывать в т.ч. IgG. Именно поэтому по наличию антител IgM можно судить о том, что болезнь протекает сейчас, а по наличию IgG – о том, что человек уже переболел некоторое время назад.

А вот с В-клетками герминативного центра (он находится в лимфоузлах) происходит что-то интересное: они претерпевают соматическую гипермутацию. По сути, происходят случайные модификации в рецепторах, которые есть у В-клеток, и тем самым производятся самые различные копии. Каждая копия подходит к вспомогательной Т-клетке, активированной на «антиген А», и происходит проверка связываемости: если В-клетка стала лучше связываться с антигеном, она получает приказ жить. В обратном случае – приказ уничтожиться через апоптоз. И вот такой процесс калибровки происходит до тех пор, пока не получается достаточно хорошая связываемость.

Наконец, что происходит в гуморальном иммунном ответе? Образуются плазма клетки, которые могут производить антитела. Эти антитела связываются с «антигеном А» с определенной силой или эффективностью. Присутствие этих антител маркирует патогены для уничтожения макрофагами. Помимо этого, если антиген выполняет какую-то важную роль в жизненном цикле патогена, после связывания с антителом патоген нейтрализуется. Параллельно иммунная система проводит калибровку своих В-клеток (герминативного центра), дабы в будущем они распознавали антиген раньше, быстрее и сильнее. Именно поэтому на повторное заболевание происходит более сильный иммунный ответ.

Т-клетки

За первые двадцать лет вашей жизни ваша вилочковая железа (она же зобная железа, она же тимус) методом случайных перестановок генерирует невероятное количество неспециализированных («наивных») Т-клеток. В конце концов, при попадании антигена в организм дендритные клетки берут этот антиген и приносят юным Т-клеткам. Неспециализированные Т-клетки активируются, размножаются и специализируются. Некоторые Т-клетки пойдут регулировать работу В-клеток (мы их упоминали в предыдущей секции). Некоторые Т-клетки будут способны самостоятельно находить антиген и инициировать уничтожение зараженной клетки. Некоторые Т-клетки станут клетками памяти. В отличие от клеток памяти, образованных из В-лимфоцитов, эти Т-лимфоцитные клетки памяти изучены слабо и до сих пор в научных кругах идут дебаты об их жизненном цикле.

После того, как все инфицированные клетки организма уничтожаются, уровень антител и соответственно плазма клеток неизбежно падает. Остается лишь небольшая часть антител и некоторое количество клеток памяти. Именно поэтому гнаться за количеством антител в крови как показателем иммунитета – довольно спорное занятие.

Если вы хотите почитать более детальное описание иммунной системы – можете почитать материал у наших партнеров из "Биомолекулы".

Способы приобретения иммунитета

К этому моменту мы примерно поняли, что иммунная система состоит из двух кооперирующих элементов: тех, что маркируют чужеродные клетки/организмы, и тех, что уничтожают их. Маркировка происходит чаще всего с помощью антител. Таким образом, что помогает быстрее всего справляться с болезнями? Наличие антител.

Откуда они могут появиться? Есть два способа: антитела вырабатываются самим организмом или они в готовом виде внедряются от кого бы то ни было еще. Первый способ называется активным иммунитетом, а второй – пассивным иммунитетом.

Активный иммунитет, в свою очередь, бывает двух типов: естественный при естественном заражении и искусственный – при вакцинации. Иными словами, вакцинация – это процесс максимально приближенный к естественному созданию антител. При вакцинации мы просто не ждем пока патоген попадет в организм самостоятельно, а внедряем его заранее. Как правило, патоген предварительно ослабляется – он не может принести вреда клеткам, но по-прежнему может быть идентифицирован как чужеродный организм.

Пассивный иммунитет тоже бывает двух типов. Естественный пассивный иммунитет формируется у младенцев еще в утробе матери – мама передает свои антитела ребенку, дабы защитить его от болезней, пока он самостоятельно не может генерировать свои антитела. А искусственный пассивный иммунитет – это сыворотка – мы просто-напросто вливаем готовые антитела. Это очень полезно, когда реагировать нужно моментально (например при отравлении сильным ядом), но такой иммунитет скоротечен: он действует буквально в течение нескольких дней или недель.

Какие бывают вакцины

Мы уже поняли, что вакцинация – это искусственное заражение патогеном. Было бы довольно опрометчиво просто заражать себя полноценным вирусом – он ведь опасен. Поэтому мы должны придумать что-то более необычное. И давайте на примере вакцин от SARS-CoV-2 посмотрим, как этот "креатив" проявляется.

К слову, на эту тему ВОЗ подготовила хорошую статью.

QazVac или инактивированные вакцины

Начнем с довольно простого способа: давайте возьмем вирус и убьем его, или более добросердечно – инактивируем. Так вирус больше не может проникать в клетки и размножаться, но на нем по-прежнему висят антигены, которые могут служить триггерами имунной системы. В большинстве случаев роль антигена выполняют белки-шипы (спайковые белки), которые и дают коронавирусу его название. По заявлениям разработчиков QazVac, они берут вирус SARS-CoV-2 и инактивируют его формальдегидом. К сожалению, на сегодняшний день данных по результатам второй и третьей фазы клинических испытаний QazVac не опубликовано.

Другие инактивированные вакцины: Hayat-Vax (доступна в РК, производится в ОАЭ, но технология разработана в Китае компанией Sinopharm, результаты третьей фазы опубликованы), CoviVac (вакцина разработана в России, с \(2\) июня \(2021\) г. находится на стадии третьей фазы клинических испытаний, планируемая дата окончания – \(30\) декабря \(2022\) г.), CoronaVac (произведена компанией SinoVac в Китае, недавно получила экстренное одобрение ВОЗ и появилась в Казахстане).

Преимущества инактивированных вакцин

Узнав о новой российской вакцине выше, вы могли удивиться: «А зачем их ученым делать испытания по вакцине CoviVac, которые закончатся аж к \(2023\) году? У России уже есть вакцина, зачем еще одна? И неужели мы будем жить в условиях сан-эпид ограничений до \(2023\) года?» Дело в том, что при попадании в организм инактивированного вируса антитела вырабатываются не только на спайковый белок, но и на другие, возможно менее заметные (или как минимум менее обсуждаемые), фрагменты на поверхности вируса. Все это должно приводить к более сильному иммунитету: даже если у вируса произойдет какая-то критическая мутация спайкового белка, у организма по-прежнему будет иммунитет к SARS-CoV-\(2\). Так что вполне возможно, что вакцины, таргетирующие спайковый белок, будут первым оружием в борьбе с пандемией, позволяющим остановить экспоненциальное распространение вируса, а инактивированные вакцины станут последним гвоздем в гробу SARS-CoV-\(2\).

Недостатки инактивированных вакцин

Если инактивированные вакцины могут быть эффективнее других, почему же мы не бросим все силы на их разработку? Дело в том, что создавать инактивированные вакцины долго, дорого и сложно. Во-первых, нужно выращивать тот самый коронавирус в больших количествах, а значит нужна специальная лаборатория с повышенными стандартами защиты и соответствующим оборудованием. Во-вторых, нужно время на то, чтобы изучить, как ведет себя вирус и какие побочные эффекты могут быть.

Sputnik V или векторные вакцины

Немного проще и быстрее сделать векторную вакцину. Что мы делаем: мы ищем какой-то фрагмент коронавируса, который не должен сильно меняться от варианта к варианту. В этой роли лучше всего выступает спайковый белок: если у коронавируса не будет спайкового белка, он не сможет проникнуть в клетку. Значит, скорее всего, этот самый белок будет более-менее постоянным в различных вариантах. Поэтому, мы берем последовательность ДНК, которая кодирует этот спайковый белок, и хотим доставить ее в клетку, где из этой ДНК образуется мРНК, выступающая инструкцией для рибосом по созданию спайкового белка (этот процесс описывается центральной догмой молекулярной биологии).

Кто лучше всего умеет проникать в клетки? Вирусы. Давайте возьмем вирус, лишим его возможности размножаться, удалив ген Е1, и в ДНК вируса (вирус – это по сути молекула ДНК обернутая в капсулу) встроим последовательность, которая кодирует спайковый белок.

Чуть подробнее о центральной догме молекулярной биологии: ДНК выступает в роли генетического материала, в котором содержатся инструкции по созданию определенных белков. В результате транскрипции образуются «выжимки» из сборника инструкций, содержащие алгоритм создания одного конкретного белка. Этими выжимками выступают мРНК. мРНК отправляются в эндоплазматический ретикулум, где происходит синтез белка по этим инструкциям. Процесс транскрипции и синтеза белка необратимый: из мРНК нельзя сделать ДНК (за редкими исключениями), из белка нельзя сделать мРНК.

Примерно так работают вакцины AstraZeneca, Johnson & Johnson и Sputnik V. В качестве доставщиков у каждого выступают аденовирусы. У AstraZeneca это вирус ChAdOx\(1\), изолированный из шимпанзе, у Johnson & Johnson это аденовирус человека Ad\(26\) (\(26\) – это серотип, то есть разновидность), а у Спутника – одновременно Ad\(26\) в первой дозе и Ad\(5\) во второй.

Ответим на несколько вопросов.

Почему именно аденовирус?

Аденовирусы – одни из самых распространенных вирусов, поражающих человека. Так, разные подвиды вызывают заболевания от простуды до пневмонии. И поэтому неудивительно, что геном аденовируса очень хорошо изучен: мы знаем, за что отвечает каждый участок последовательности ДНК. Да и в целом, ДНК аденовируса может вмещать довольно большие «вставки» новых участков ДНК. Например, в ДНК аденовируса мы можем вместить последовательность, кодирующую спайковый белок.

Аденовирусы изначально хотели использовать как инструменты генной терапии: когда в геном человека нужно что-то встроить. Зачем нам это может потребоваться? Для лечения генетических заболеваний или рака. Но к сожалению для генной терапии и к счастью для вакцинологии, аденовирусы очень плохо интегрируются в геном человека. И поэтому еще двадцать лет назад началась активная работа по разработке вакцин на базе аденовирусов. Например, началась разработка вакцин от ВИЧ или новых вакцин от туберкулеза; на базе аденовируса \(26\) компанией Johnson & Johnson была создана вакцина от Эболы. Сейчас ведется работа и по созданию универсальной вакцины от гриппа на базе аденовирусов (текущие вакцины используют инактивированные вирусы, а поскольку вирус Influenza мутирует крайне быстро, новые вакцины приходится делать каждый год).

Почему используются разные серотипы?

Более чем \(80\)% населения Земли сталкивалось хотя бы с одним серотипом аденовируса, благодаря чему имеет иммунитет к такому серотипу. Из-за этого при использовании вакцины на базе аденовируса, клетки с этой вакциной могут не успеть синтезировать нужный белок (например спайковый), поскольку быстро начнется иммунная реакция к аденовирусам и эти клетки просто сожрут или, говоря по-научному, произойдет фагоцитоз. С одной стороны, это хорошо – у нас есть естественный лимит по времени нахождения аденовирусной вакцины в организме человека. Иными словами, она не будет циркулировать вечно: рано или поздно разрушится. Но с другой стороны, нам бы хотелось чуть-чуть увеличить ее время нахождения, чтобы у нас успел выработаться иммунитет к тому, от чего мы делаем вакцину.

Для достижения этой цели можно использовать более редкие серотипы. А может даже и два разных, что собственно и сделали разработчики Спутника.

Moderna и Pfizer-BioNTech

А обязательно ли нам использовать другой вирус для доставки белка? Нет, но и только спайковый белок доставить в организм мы не можем. Почему? Белок – это огромная структура, которая не может сама по себе хорошо распространяться по организму или попадать в кровеносные сосуды. Что тогда можно сделать?

Обращаясь к центральной догме молекулярной биологии, мы вспоминаем, что есть три «стадии» или «формы» информации: ДНК, мРНК и белки. Вариант с доставкой ДНК мы изучили на примере аденовирусов, вариант с доставкой белка крайне сложный и скорее всего непрактичный. Что остается? мРНК.

Именно мРНК и использовали Moderna и BioNTech. Причем их мРНК кодирует не просто спайковый белок, а спайковый белок в определенной конформации, способной инициировать иммунную реакцию, но не позволяющей белку проникать в клетки человека. Разница вакцин Moderna и BioNTech заключается в способе доставки этих мРНК в клетки (мРНК тоже доставить непросто, но проще, чем белки).

Интересное примечание: вакцина Pfizer/BioNTech чаще всего в общественном дискурсе называется вакциной Pfizer. Возможно, людей утешает то, что Pfizer – это огромная корпорация с многовековой историей. Только важно понимать, что вакцину изобрел BioNTech, по своей сути германский стартап, а Pfizer помог с производством и распространением. Так что и Модерна, и «Пфайзер» – одного поля ягоды.

Мифы и заблуждения о вакцинах

В этой секции мы попробуем ответить на жгучие вопросы так называемых антиваксеров. На самом деле, успех распространения антипрививочных тезисов от части обоснован тем, что эти тезисы могут быть частично взяты из вполне научных работ. Но как правило, всегда происходит "вырывание" из контекста. Давайте вместе посмотрим:

А может ли мРНК как-то повлиять на ДНК?

Нет.

Во-первых, чтобы это произошло, мРНК сначала должна пройти через двойную ядерную мембрану. Для этого у мРНК должны быть специальные опознавательные элементы (грубо говоря – пропуск). Последовательность мРНК обеих вакцин известна и не содержит таких пропусков.

Во-вторых, чтобы мРНК превратилась в ДНК нужен фермент reverse transcriptase. Такие ферменты в большинстве своем встречаются исключительно у вирусов. Это не значит, что в организме человека их нет – они, например, есть в комплексе теломеразы, который удлиняет теломеры хромосом человека. Но при этом эти теломеразы могут транскрибировать исключительно ту последовательность РНК, которую они сами и содержат. Они не могут транскрибировать постороннюю мРНК.

В-третьих, одно дело транскрибировать мРНК в ДНК, другое дело – встроить эту новую последовательность ДНК в основные молекулы ДНК человека (ну или проще – в хромосомы). Для этого нужен еще один фермент – интеграза, которая специализируется на встраивании этих последовательностей ДНК. Наверное очевидно, что поскольку эти последовательности ДНК, которые связаны со спайковыми белками для нас чужеродны, у нас нет ферментов, которые могли бы их интегрировать в наши ДНК.

Стоит ли говорить, что в растворе вакцин тоже нет ни обратных транскриптаз, ни интеграз.

В любом случае, даже если вы опасаетесь мРНК вакцин, стоит учитывать, что:

1. Вам никто их и не предлагает. Если вы читаете меня из Казахстана, у вас физически нет возможности сделать вакцину от Pfizer/BioNTech или Moderna.
2. Если вы опасаетесь внедрения вирусных РНК в ваш геном – вам нужно вакцинироваться. Почему? А потому, что появляются данные, что РНК, содержащаяся в коронавирусе SARS-CoV-\(2\), может встраиваться в ДНК в ходе естественного заражения вирусом. Вы спросите, а откуда у коронавируса та самая обратная транскриптаза? А я вам скажу: она ему жизненно необходима для репликации. Так что нетронутый коронавирус при естественном заражении очень даже может серьезно вам навредить.

О стабильности мРНК

Кто-то может спросить: а что, если я получу мРНК вакцину, то я потом всю жизнь буду вырабатывать спайковые белки? Нет. мРНК крайне быстро подвергаются биодеградации, что, к слову, является одной из проблем при разработке мРНК вакцин.

Вернемся к генной терапии и аденовирусу

Вопрос, который никто не задавал, но на который все равно стоит найти ответ. Мы поняли, что мРНК не будет интегрироваться в ДНК. А может ли ДНК аденовируса интегрироваться в ДНК человека? И ответ, как ни странно, не является однозначным нет. Однако без паники!

Во-первых, известно, что аденовирус является эписомным вектором. Так, есть вирусы, чьи ДНК напрямую интегрируются в геном хозяина. А есть вирусы, которые просто находятся «в сторонке» и занимаются своими делами отдельно от естественных клеточных механизмов. Именно поэтому общий консенсус заключается в том, что аденовирус (а особенно т.н. replication-defective или тот, который не может самостоятельно размножаться) не может интегрироваться в геном хозяина (например человека).

Однако в \(2010\) году была попытка подсчета частоты рекомбинации вирусных ДНК с геномом хозяина, где в качестве хозяина выступали клетки печени мышей. И здесь начинается самое интересное. Если посмотреть одним глазом, можно увидеть частоту с порядком \(10^{−5}\), или один на сто тысяч, и успокоиться. Если посмотреть двумя глазами, можно увидеть рассуждение:

Печень взрослого человека содержит 10¹¹ гепатоцитов. Даже при частоте интеграции в 10⁻⁵, общее количество клеток, которые будут содержать интегрированный вектор будет находиться в порядке 10⁷ (десяти миллионов).

И тут можно запаниковать. А еще это можно «вырезать» о и использовать как аргументацию против аденовирусных прививок. Но если прочитать дальше, те же самые авторы пишут:

Однако, чтобы эти данные имели значение в рамках оценки рисков, необходимо их сравнить с частотой спонтанной мутации в клетках печени. Достоверно известно, что такая частота имеет порядок 10⁻⁵ в грызунах. Аналогичные данные для людей авторам не известны. Но например, гемопоэтические стволовые клетки (предшествующие всем кровяным клеткам) изучены довольно хорошо и частота спонтанных мутаций варьируется от 10⁻⁴ до 10⁻⁸. В итоге, если посчитать вероятность интеграции в определенный ген, то для аденовирусов она будет в два раза выше, чем при случайной мутации, но обе вероятности имеют порядок 10⁻⁹ (или один на миллиард). Если быть точнее: 0.9 × 10⁻⁹ для случайных мутаций и 1.8 × 10⁻⁹ для интеграций аденовирусов.

Возможно, на этом моменте вы зададитесь вопросом: и что же делать? Здесь важно понимать, что рациональное принятие решений должно основываться на сравнении рисков. Просто потому, что практически не бывает ничего однозначного. Не может существовать вакцины, которая на \(100\)% эффективна и на \(100\)% безопасна.

Тем не менее это не значит, что вакцины бесполезны. Если взять промежуточные данные третьей фазы Спутника:

Через \(21\) день после получения первой дозы вакцины, у \(16\) участников (\(0.1\)%) из \(14 964\) человек, получивших вакцину, и у \(62\) (\(1.3\)%) участников из \(4 902\) человек, получивших плацебо, был подтвержден COVID-\(19\). В итоге эффективность вакцины равна \(91.6\)%.

Иными словами, аж \(16\) человек заразились ковидом, несмотря на получение вакцины. Но при этом, для тех, кто получал вакцину, вероятность заразиться в \(10\) раз меньше. Более того,

Тяжесть протекания болезни значительно не отличалась у тех, кто заразился в течение первых двух недель после получения вакцины. А у тех, кто заразился в промежутке от \(15\) до \(21\) дня после первой дозы, вероятность средней или тяжкой формы covid-19 была снижена на \(73.6\)%. А у тех, кто заразился после получения второй дозы, вероятность средней или тяжкой формы была снижена на \(100\)%.

Выходит, получив вакцину, вы все еще можете заразиться и получить положительный ПЦР. Однако скорее всего, болезнь пройдет в легкой форме и без тяжелых последствий.

Но допустим, вас все еще беспокоит тот факт, что вероятность интеграции не равна нулю. Вы, возможно, удивитесь, но при каждой смене поколения (т.е. примерно каждые \(20\)-\(30\) лет) в ДНК человека накапливается от \(100\) до \(200\) различных мутаций. Мутации происходят постоянно – знаете вы об этом или нет. Или, возможно, вы удивитесь, что как минимум \(45\)%, почти половина, вашего ДНК состоит из транспозонов. Что такое транспозоны? Это участки ДНК, которые способны самостоятельно вырезаться из общей последовательности и встраиваться в другом месте. Транспозоны – это один из сильнейших двигателей эволюции, который в организме человека сейчас спит, и вероятность, что они проснутся уж точно не равна нулю. А что будет, если они проснутся – страшно представить!

Наконец, как минимум, если вас заботит эта ненулевая вероятность интеграции, то я надеюсь, что вы не кушаете шашлык или любое другое мясо на гриле. Почему? При готовке мяса на открытом огне возможен следующий процесс: капельки жира стекают с мяса, падают на источник огня и сгорают с образованием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые, поднимаясь вместе с дымом, могут оседать на поверхности мяса. А в чем проблема ПАУ? Они обладают мутагенными и канцерогенными свойствами – иными словами, могут вызывать мутации и рак.

Какова мораль? Наш мир гораздо более сложный и неоднозначный, чем может представляться.

Аденовирусы и ВИЧ

В октябре \(2020\) года все в том же Ланцете выходит письмо о повышенной вероятности заражения ВИЧ при использовании вакцин на базе аденовируса серотипа \(5\). И снова: если вырвать это из контекста, можно запаниковать.

А в чем собственно контекст? В начале \(2000\)-х проводились испытания вакцины от ВИЧ на базе Ad5. Оказалось, что вероятность заражения ВИЧ у людей с иммунитетом к Ad\(5\) была выше, чем у контрольной группы. Но не все так просто. Во-первых, речь идет о цифрах \(5.1\)% для тех, у кого есть иммунитет к Ad\(5\), и \(2.1)% для тех, у кого этого иммунитета нет. Во-вторых, речь идет о мужчинах, занимающихся незащищенным сексом с другими мужчинами. Это все есть в тех же самых результатах исследований, на которые ссылаются авторы письма, датированного октябрем \(2020\).  

«Побочные эффекты»

Напоследок хотел бы поговорить о так называемых побочных эффектах вакцин. Почему я беру фразу побочные эффекты в кавычки? То, что чаще всего описывается этой фразой – температура, головная боль, усталость – все это не является побочными эффектами. Это, я бы сказал, самые прямые эффекты работы вакцины. Я думаю, прочитав начало статьи про работу иммунитета, вы должны понять, почему после вакцинации ваш организм самостоятельно вырабатывает иммунитет к вирусу. Повышение температуры, головная боль, усталость – это симптомы иммунной реакции организма. И чем сильнее у вас эти симптомы – тем хуже, скорее всего, вы бы перенесли заражение настоящим коронавирусом.

Смысл вакцинироваться, если появляются новые варианты?

Ответ крайне произачный: новые варианты появляются именно потому, что люди не вакцинируются. Это легко продемонстрировать даже математически: частота мутаций есть постоянная величина. У вирусов она выше, чем у людей, и находится в пределах от \(1\) на миллион до \(1\) на \(10 000\). Если одновременно болеет миллион человек, скорее всего, нас ждет N мутаций. Если одновременно болеет 100 миллионов человек – нас ждет \(100\)N мутаций.

Если кому интересно: частота мутаций относится к копированию генетического материала, то есть одна мутация на \(10 000\) или миллион нуклеотидов, которые претерпевают копирование. А копирование может происходить в нескольких клетках, так что частота мутаций внутри одного организма может быть выше, чем \(1\) на \(10 000\). При этом далеко не все мутации приводят к резкой измене функции – некоторые остаются незаметными. Именно поэтому нам не особо важно смотреть на абсолютные частоты мутаций: самое главное понимать, что во сколько раз больше болеет людей, во столько же раз выше вероятность, что одна из мутаций окажется крайне опасной и приведет к появлению нового варианта коронавируса.

Заключение

Итак, что мы сегодня узнали:

1. Иммунитет состоит из двух концептуальных частей: та, что идентифицирует чужеродные частицы, и та, что уничтожает их. Для идентификации первая чаще всего использует антитела, которые связываются с антигенами. После заболевания (или вакцинации) их уровень падает, но инструкции по их созданию хранятся в клетках памяти.
2. Механизм работы вакцин очень близок к механизму естественного заражения. Вакцинация – это простое предоставление возможности вашему организму самому выработать защиту от вируса.
3. Ни одна вакцина не может быть абсолютно эффективной на все \(100\)%. Вакцинация не предотвращает заражение. Вакцинация увеличивает ваши шансы не заразиться, а если и заразитесь, то хотя бы шансы перенести ковид в легкой форме.
4. Вакцины, которые были созданы для борьбы с COVID-\(19\) не являются абсолютным новшеством. Работа с вакцинами на базе аденовирусов ведется уже несколько десятков лет. Так же использование мРНК в качестве вакцин началось не в \(2020\) году.
5. Заболевание коронавирусом может привести к интеграции вирусных ДНК в организм человека с гораздо большей вероятностью, чем при использовании аденовирусных вакцин. А вероятность интеграции при использовании аденовирусных вакцин незначительно выше частоты случайных мутаций, которые происходят каждый день.

И, пожалуй, самое главное: при анализе рисков – нужно оценивать не их абсолютные значения, а сравнивать с чем-то другим.

ИМХО

И в конце, если позволите, я спущусь с более объективных утверждений до уровня личной позиции. Я уважаю людей, у которых последовательная и обоснованная позиция. Даже если она противоположна моей. Но я абсолютно не понимаю, когда люди, которые в прошлом году абсолютно наобум пичкали себя антибиотиками, арбидолами, ингавиринами, а кто-то даже кололся гепарином и дексаметазоном, ни разу не задумываясь об их химическом составе, механизме действия или безопасности применения, сейчас ставят чудовищно высокие стандарты по отношению к вакцинам (а-ля хотим \(100\)% безопасность и \(100\)% эффективность). Может хватит самих себя обманывать и делать вид, что вы разбираетесь в медицине? Вы же элементарно не понимаете или не осознаете разницы между бактериями и вирусами.

То, что люди не понимают разницы между бактериями и вирусами в том числе и проявляется в лексике. Вы часто слышали фразу «дельта штамм» коронавируса? А она абсолютно некорректна. По отношению к вирусам правильно говорить «вариант». Например, «дельта вариант»

Кто-то считает, что вакцинация – личный выбор каждого. Ну хорошо, пусть, это ваш выбор. Но когда вам не будет хватать места в поликлинике или долго будет ехать скорая, вы не начинайте обвинять других – это последствия вашего выбора. Ни одна система здравоохранения в мире не способна выдержать одновременный наплыв даже \(30\)% граждан. Помните, любой выбор имеет последствия. Любой выбор и любая свобода сопряжены с ответственностью. И если уж хотите воспользоваться первым – будьте готовы ко второму.

P.S.

Выражаю благодарность Загрибельному Б.А. и Адылхан А.Қ. за рецензии и проверку на научную точность

Редактор: Дарина Мухамеджанова

«Наши соседи по демонстрационной кабинке, команда из Германии, увидев, как мы мучаемся обычной ножовкой отрезать лишнюю деталь от робота, предложили свою компактную электрическую шлифовальную машинку: считанные секунды — деталь отпилена. Каждой команде полезно было бы иметь такую машинку, но ее не найти даже в нашей достаточно хорошей школьной мастерской. Что говорить о ребятах на соревнованиях?» — вспоминает участник сборной Казахстана в World Robot Olympiad \(2018\) Ратмир Сартбаев.

Ставшая одним из крупнейших и престижных соревнований по робототехнике, World Robot Olympiad или Всемирная Олимпиада Роботов (WRO) стремится предоставить как можно большему числу молодых людей возможность развить свои творческие навыки через решение интересных инженерных задач. Ежегодно WRO привлекает участников, родителей и тренеров из более чем \(85\) стран и регионов, предоставляя общую учебную платформу для молодых энтузиастов, готовых строить впечатляющих роботов.

Однако не все молодые энтузиасты доезжают до финального этапа. И дело не только в локальном отборе национальных организаторов WRO: во многом участники сталкиваются с постоянно сопровождающими их социоэкономическими препятствиями, преодолеть которые не всегда по силам. В этой статье мы подробно разберем, какие экономические и социальные барьеры стоят на пути к WRO, сколько может стоить рассчитывающий на победу робот и откровенно расскажем, почему попасть на WRO — это сочетание не только упорства и знаний, но и больших привилегий.

Робототехника значит затраты?

Робот — это дорого? Сколько стоит собрать конкурентоспособного робота? Какие материалы для этого нужны?

Практически все участники WRO сталкиваются с проблемой большой стоимости материалов и оборудования для разработки сильного проекта. Как правило, самые затратные проекты приходятся на открытую категорию, когда как в основной категории и футболе роботов предполагается использование только деталей конструкторов Lego. В открытой же, напротив, используемые материалы ограничены лишь креативными и финансовыми возможностями разработчиков робота. Давайте вместе узнаем, сколько примерно стоит собрать робота для разных категорий.

Основные категории и футбол роботов разрешают использовать только стандартные наборы Lego — обычно это Lego Mindstorms EV\(3\). В Казахстане данный набор стоит по усредненной цене чуть более \(215\) тысяч тенге. Итак, \(215\) тысяч тенге летит в «корзину» для сборки робота. Это уже является достаточно большой, а порой и неподъемной суммой, особенно для ребят, чьи школы не спонсируют закупку этих наборов. Но огромным плюсом Lego Mindstorms EV\(3\) является их многоразовость: его детали можно использовать повторно и с одним набором участвовать в олимпиаде каждый год!

С открытой категорией все не так однозначно. Самые конкурентоспособные роботы нуждаются в деталях и материалах, отличных от стандартных Lego Mindstorms EV\(3\). Кроме того, зачастую эти детали «на один раз», так как на практике каждый проект требует предельно особенные, кастомизированные детали.

Так, исходя из многолетнего опыта создания роботов, наиболее расходным базовым материалом для строительства «скелета» робота показал себя алюминиевый уголок и алюминиевые профили различной формы. Этот материал обеспечивает достаточную прочность конструкции, не проигрывая в своей легкости — роботов на основе алюминия легко транспортировать. В Казахстане цена за такие уголки может варьироваться от \(1000\) до \(2000\) тенге за метр. На одного робота может уйти до нескольких десятков метров алюминиевых уголков. Таким образом, \(20\) тысяч тенге отправляется в корзину.

В современных проектах часто присутствуют детали, распечатанные на   \(3\)D-принтере, который дает огромную возможность проектировать разнообразные виды корпусов, соединения, небольшие механизмы и многое другое. Иметь \(3\)D-принтер и печатать на нем тоже требует определенных затрат на пластик: около \(7000\) тенге за килограмм филамента. А еще всё это сырье необходимо резать, соединять, точить, обрабатывать — для этого нужны как инструменты, так и расходные материалы: клей, сверла, паяльный флюс, олово, крепежи и так далее. Таким образом, более \(30\) тысяч тенге на филаменты и расходники отправляются в корзину «must-have».

После сборки корпуса робота необходимо этот «скелет» начинить «мышцами» и «мозгами» — механикой и электроникой: здесь все зависит от технической сложности проекта. Помимо уже стандартных для олимпиадных роботов плат и электроники Arduino (от \(12\) тысяч тенге за один набор), многих роботов оснащают более серьезным оборудованием; например, популярный мини-компьютер Raspberry Pi стоит от \(30\) тысяч тенге за одну лишь плату, а ведь к ней порой необходимы и другие приспособления: от датчиков и интерфейсов до небольшого экрана (все вместе — более \(50\) тысяч тенге). Если ваш робот подразумевает нахождение вдали от цивилизации, то его требуется снабдить источниками возобновляемой энергии — часто солнечной батареей (от \(4000\) тенге). Итого: \(100\) тысяч тенге уходят в «корзину» будущего робота.

Важно понимать, что точно предсказать затраты при разработке проекта для открытой категории очень сложно. Поэтому участники должны быть готовы к тому, что финальная стоимость их робота может как превзойти, так и не достигнуть суммы в нашей «корзине». А проект старшей открытой категории вполне может стоить \(500\) тысяч тенге и не ограничиваться этим.

Роботу нужна мастерская? Какая должна быть мастерская для высококлассного робота?

Финансовые затраты на материалы не единственная экономическая проблема многих участников World Robot Olympiad. Робот для соревнований — сложное техническое устройство, для создания которого зачастую не подойдет обыкновенный набор инструментов, вроде тех, что есть у каждого дома. Особенно роботы открытой категории, отличающиеся своей комплексностью, крайне нуждаются в технически оснащенной мастерской.

Для разработки и конструирования робота требуется как минимум небольшая мастерская, в которой будут необходимые инструменты: отвертки, ножовка, дрель или шуруповерт, молоток, тиски, пассатижи, напильники, термоклеевой пистолет, канцелярский нож, \(3\)D-принтер, компьютер. Конечно, без чего-то из этого списка можно обойтись, но это вряд ли упростит, ускорит или удешевит разработку робота. Такая мастерская будет стоить примерно \(350\) тысяч тенге, хотя и этого порой бывает недостаточно.

Но необязательно же иметь только «обновки»! Реставрация, использование старых и создание самодельных инструментов может серьезно улучшить качество, скорость и удобство разработки робота для открытой категории WRO.

Однако куда большее преимущество даст специализированная лаборатория-мастерская робототехники. В таких местах, помимо стандартных инструментов, можно встретить сразу несколько \(3)\D-принтеров, производительный компьютер для работы с \(3)\D-моделированием и нейронными сетями, различные ЧПУ-станки, хорошее освещение для работы с электроникой и высокие стандарты безопасности. Собрать такую мастерскую самостоятельно без спонсоров может стоить не один миллион тенге. Вряд ли существуют такие ребята, что держат такую профессиональную мастерскую у себя в гараже.

На данный момент подобными лабораториями робототехники обладают некоторые университеты и образовательные центры, частные и специализированные школы, а также те школы, где предусмотрены курсы или клубы робототехники. В некоторые из них желающие могут приходить и заниматься своим проектом, используя оборудование школы. Чтобы узнать, возможно ли использовать ресурсы того или иного учебного заведения, необходимо связаться с представителями этой школы, и в большинстве случаев вам не откажут. Также возможен вариант совместной разработки проекта с учениками или студентами, которые имеют доступ в эти лаборатории.

Похожая мастерская открыта абсолютно бесплатно для всех желающих в MakerSpace трех городов Казахстана: Алматы, Нур-Султан и Усть-Каменогорск.

В связи с карантинными ограничениями режим работы американских уголков и Makerspace может меняться. Важно заранее уточнить график работы через социальные сети или электронную почту.

Тем не менее бесплатная мастерская полностью не решает социоэкономическую проблему робототехников. Так, люди, проживающие в крупнейших городах Казахстана вроде Алматы и Нур-Султан, обладают большими привилегиями: бесплатными хорошо оснащенными мастерскими, большим количеством вариантов реализации своего проекта в различных клубах и школах, а также получением более качественных знаний, которые концентрируются в информационных потоках мегаполисов. Однако проект Makerspace и Makerspace Expands! стремятся изменить эту ситуацию, открывая новые мастерские в других городах республики и тем самым предоставляя заинтересованным детям и взрослым из регионов возможность заниматься робототехникой бесплатно.

Нехватка оборудования и материалов для робототехнических проектов, а также отсутствие финансовой поддержки участников являются проблемой и других стран-участниц WRO. Найти мастерскую, \(3\)D-принтер или необходимый материал по доступной цене — непосильная задача для многих ребят из стран Центральной Азии и Ближнего Востока.

«Я стал первым бангладешцем, представлявшим свою страну на International Robot Olympiad и World Robot Olympiad. Для нас одной из существенных трудностей было просто найти материалы и инструменты — в Бангладеше нет таких сервисов как Amazon или AliExpress. Поэтому с детства мы привыкли сами делать свои инструменты. Так, я самостоятельно собрал \(3\)D-принтер, чтобы принять участие в WRO. На самом соревновании я заметил большую разницу в дороговизне материалов и инструментов среди участников WRO из разных стран, — делится лидер крупнейшей команды робототехников из Бангладеша Khairul Islam. — К сожалению, разработку нашего проекта никто не финансировал — это обычная ситуация в Бангладеше для людей, занимающихся наукой. Билеты в Венгрию на финальный этап WRO-\(2019\) нам не оплачивали. Хотя, когда мы вернулись с WRO, администрация поздравила с победой. Но это все было уже после соревнований.»

С похожей ситуацией столкнулась член сборной Казахстана на WRO-\(2019\) Пак Элина. Школа, в которой обучалась Элина, не могла обеспечить финансирование ее поездки в Венгрию на финальный этап World Robot Olympiad. Но Элина не отчаялась. Ее научный руководитель обратился к представителю министерства образования и науки, рассказав больше об Элине — перспективном ученике, занявшим первое место на национальном этапе WRO и отобранным на международный.

Благодаря поддержке и настойчивости своего руководителя, а также содействию представителей министерства образования и науки Республики Казахстан, Элина смогла получить финансирование на перелет и проживание для себя и для своего сопровождающего: более одного миллиона тенге стоило участие на WRO в \(2019\) году. После олимпиады МОН РК организовало официальную выставку проектов участников, чтобы оценить проект по робототехнике Элины и других перспективных ребят области.

В Казахстане школы не могут предоставить полное и даже частичное финансирование поездки на WRO, будь то национальный или международный этап. В итоге многим ученикам приходится вставать перед выбором: либо искать финансирование самим, либо отказываться от участия. Тем не менее даже в такой ситуации нельзя оставлять попытки найти спонсора для своего проекта; часто ими могут оказаться частные лица, учебные заведения или даже представители правительственных структур.

Большая часть робототехников, которые отправляются на международный этап WRO, являются учениками Назарбаев Интеллектуальных школ — только они получают полное финансирование поездки от АОО «НИШ». Почему так происходит?

Для сравнения, все предметные олимпиады организуются «Республиканским научно-практическим центром Дарын» и спонсируются Министерством образования и науки Республики Казахстан. В Казахстане национальным организатором WRO по сей день выступает АОО «Назарбаев Интеллектуальные школы», а не министерство образования. Соответственно, АОО «НИШ» может предоставить полное финансирование только ученикам своей сети школ. В конечном счете это логично: автономная организация не имеет достаточно средств для поддержки робототехнического олимпиадного движения вне сети НИШ.

Хоть соревнований по робототехнике много, среди них именно WRO является одной из самых доступных. Однако Казахстан впервые принял участие в World Robot Olympiad лишь спустя \(10\) лет после запуска самой олимпиады в \(2004\) году. Так, несмотря на то, что только ученики НИШ могут получить полное финансирование, инициатива АОО «Назарбаев Интеллектуальных школы» начать организацию WRO в Казахстане дала большой старт образовательной робототехники во всей стране. Все больше и больше школьников загораются идеей найти себя в робототехнике, и с каждым годом их число будет только расти! Поэтому, чтобы случай Элины Пак больше не был исключением из правил, «Республиканский научно-практический центр Дарын» определенно должен поддерживать республиканские этапы WRO.

Робототехника — «не для всех»?

Почему важны наставники? Социоэкономический статус и «наука — это для меня»? Что случается с учеником «за бортом», чьи интересы не приняты сообществом?

Как и в других STEM областях, в робототехнике крайне важна роль наставника, тренера, учителя — человека, который не только обучает детей, как припаять провод к микроконтроллеру и найти нужную библиотеку данных, но и направляет их, вдохновляя изучать мир и оттачивать свои навыки.

Сегодня в Казахстане наблюдается острая нехватка высококвалифицированных тренеров по робототехнике: те, кто обладают достаточным опытом и знаниями обычно уже трудоустроены в специализированных и частных школах или образовательных центрах, оставаясь чрезмерно загруженными преподаванием. Если найти мастерскую или станок возможно, то наставника — куда сложнее, особенно за пределами Алматы и Нур-Султана.

Хотя обучаться робототехнике без тренера тяжело, но возможно: ученики могут обратиться к платным курсам в частных школах и центрах. Национальный организатор WRO в Казахстане АОО «Назарбаев Интеллектуальные школы» проводит тренинги как для учителей, так и для учеников; платные уроки предоставляет и частная школа по робототехнике Лига Роботов. Тем не менее важно понимать, что помимо экономической привилегии, у учеников, которым доступны эти курсы, появляется и неоспоримая социальная привилегия: знания проще найти, они уже структурированы, а самих учеников сопровождают в процессе обучения наставники центра. Так, доступность и постоянное погружение в культурный, социальный и научный капитал способствуют формированию у таких детей установки: «наука — это для меня».

Ученики с более высоким социоэкономическим статусом, как правило, обучаются в среде, где их интересы поддерживаются и поощряются. С большей вероятностью увлечение робототехникой будет восприниматься как либо нестандартное хобби, либо серьезная подготовка к будущей профессии, а самим ученикам не придется преодолевать ментальный барьер, что робототехника «не их дело». Оказаться в такой среде тоже привилегия. Не всем везет быть принятым своим сообществом, как итог — мотивация заниматься STEM испаряется.

В \(2019\)-ом году на летних каникулах я и моя одноклассница решили приобщиться к научно-исследовательской деятельности. По правде нам давно хотелось заниматься проектами, но конкуренция здесь очень пугала. Но все-таки мы решили попробовать. Еще в мае пришла идея направить проект на решение проблем людей с инвалидностью. В июне мы уже начали думать, как реализовать нехитрую аппаратно-программную систему на базе Arduino. Браться за такое серьёзное дело было немного страшно, так как научрука у нас не было, а энтузиазма обучать учеников летом у учителей тоже немного. Учиться всему пришлось самостоятельно, по крупицам собирать информацию из разных туториалов в одно целое.

Спустя два месяца поисков ментор все-таки нашелся, но на тот момент бóльшая часть работы была уже сделана. В целом, наш научрук помог лишь тем, что внес наши имена в базу администрации школы как “проектников”.

От администрации мы тоже особой поддержки не получили. Создавалось впечатление, что к нам относятся совершенно несерьёзно: на наши запросы воспользоваться школьным \(3\)D-принтером положительно так и не ответили, несмотря на ожидание в \(4\) месяц – в итоге с корпусом пришлось импровизировать. Десятки раз мы просили позволить нам оставаться после занятий в кабинете научрука, однако охрана выгоняла нас каждый вечер. Интересно, что нам разрешили оставаться только после того, как нас отобрали на следующий тур международного конкурса, и то, когда до поездки осталось лишь несколько недель.

Особенно хорошо мне запомнилось, как перед самой поездкой администрация внезапно заявила, что мы не поедем на конкурс, потому что проект показался им сырым. Нам было непонятно, почему мы должны были получить разрешение от администрации школы – поездка школой не финансировалась и к ней не имела никакого отношения. Да и мы ведь не готовились к конкурсу со строгой целью победить, а хотели получить опыт в презентации и обратную связь от квалифицированных людей. В итоге мы поехали на конкурс “без разрешения”. Когда пришло время получать грамоту за неожиданное призовое место, мы попросили не указывать в ней название школы.

Дискомфорту не было конца и по приезде домой: мы внезапно начали получать много пассивной агрессии от наших, казалось бы, “коллег”. Ребята, которые приветливо нам улыбались всего \(3-4\) месяца назад, вдруг начали грубить и язвить. Особенно ситуация усугубилась, когда мы решили работать в общей лаборатории в школе. Мы хотели начать новый проект и позвали туда одного из местных мальчиков-робототехников, но в ответ получили лишь насмешку из разряда “да вы же ничего толком не умеете”. Не знаю, повлияло ли на это то, что робототехникой в школе занимались только мальчики. Я хочу верить, что нет.

Такой историей поделилась ученица, чье увлечение робототехникой не поощрялось сообществом школы. В результате она и ее напарница оказались словно за «бортом»: без ресурсов, без поддержки и без наставников. В конце концов из-за социального давления героиня истории оставила занятие робототехникой и покинула проектное движение.

Английский – прямая необходимость? Английский язык и Всемирная Олимпиада роботов всегда вместе?

Другим социоэкономическим препятствием на пути к WRO является недостаточное среди участников и их тренеров знание английского языка. И хотя в школах Казахстана с \(2013\) года английский язык преподается с первого класса, а количество платных и бесплатных курсов, учебников и материалов по изучению английского языка ежегодно только прибавляется, проблема языкового барьера остаётся все той же. Так, в \(2020\) году в исследовании English Proficiency Index, Казахстан занял \(92\)-е место из \(100\), с уровнем владения "очень низкий". Минуточку, а как связан английский язык и Всемирная Олимпиада Роботов? Напрямую!

Одно дело — иметь отличные знания в области STEM и блестяще функционирующий сильный проект, другое — суметь донести информацию о нем членам жюри на англоязычном конкурсе. Допустим, можно выучить свою речь перед выступлением и произнести ее как мантру, но ведь судьи международного этапа WRO обращаются ко всем участникам на английском языке, задают вопросы, раскрывающие детали разработки робота, интересуются проектом и его будущим развитием. Кроме того, без знания английского участникам придется тяжело не только во время самой презентации, но и во время путешествия на WRO в другую страну, где скорее всего, единственным языком коммуникации будет именно английский.

Получается, чтобы занять призовое место на World Robot Olympiad, необходимо вычеркнуть пункт языковой подготовки из своего плана: владение английский языком считается как нечто само собой разумеющиеся.

Как правило, для молодых робототехников английский язык становится прямой необходимостью задолго до поездки на WRO. Огромный объем полезной информации для самообучения и развития, будь то продвинутое \(3\)D-моделирование или создание нейронных сетей, можно найти именно на англоязычных ресурсах, и далеко не всегда встречается перевод такого рода материала на русский или казахский языки. А иметь доступ не только к профессиональным знаниям на английском, но к материалам по изучению этого языка такая же привилегия, основанная на социоэкономическом статусе и открывающая больше возможностей для обогащения научного и культурного капитала, развития технических навыков и установления нетворкинга.

Заключение

Соревновательная робототехника — тернистая дорога; моментами будет казаться, что здесь непросто, тяжело, а иногда даже невозможно. Многим молодым энтузиастам-робототехникам придется столкнуться с чередой социоэкономических трудностей: от небывало высоких затрат на сборку робота и поисков финансирования на олимпиаду, до разработки проекта без наставника и непринятия увлечений сообществом школы. Подготовка и участие на WRO словно задача с множеством переменных: никогда не знаешь, сойдется ли ответ. И хоть Всемирная Олимпиада Роботов — это большие привилегии еще на пути к ней, все же главнее другое — стремление и упорство, знания и навыки, и любовь к тому, что делаешь.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Дружелюбные ресурсные центры Американского формата – Американские уголки – известны Казахстану с \(2003\) года. За \(18\) лет сеть Американских пространств (American Spaces) быстро разрасталась, и так новые уголки появились по всей республике. Как родился концепт Американского пространства? С какой целью оно существует? И чем может заняться инициативный школьник, придя в уголок или Makerspace своего города?

В этой статье мы ближе познакомимся с историей развития American Spaces в Казахстане и во всем мире, а еще узнаем из первых уст, как ресурсы пространств могут быть полезны в реализации проектов по робототехнике и не только.

Часть \(1\). American Spaces: что, где, когда и почему

Зародившееся еще в начале XX века, Американское пространство объединило различные информационные программы в виде библиотек, Бинациональных и Американских центров и домов в единую структуру. Согласно данным \(2017\) года, программа American Spaces включает \(659\) Американских центров, \(111\) Бинациональных центров, \(443\) Американских уголков и \(105\) Информационно-ресурсных центров (Information Resource Centers), приняв более \(58,9\) миллиона посетителей.

Сегодня под руководством Бюро международных информационных программ (Bureau of International Information Programs) Госдепартамента США American Spaces обеспечивают физическое пространство для развития публичной дипломатии. Предоставление новостей и информации о США, обучение английскому языку, консультирование по вопросам образования в США (EducationUSA), информирование о программах обмена в США с участием их выпускников, а также проведение культурных программ и мероприятий – всем этим занимаются Американские пространства по всеми миру.

Публичная дипломатия – важная часть политики государства в международных отношениях, направленная на объяснение его целей и ценностей для иностранной аудитории, на создание позитивного имиджа страны и продвижение ее интересов в мировом сообществе, и на развитие дружественных отношений между гражданами двух стран.

Американские уголки

Американские уголки – это общественные и культурные центры, основанные по американской модели и базирующиеся при местных партнерских организациях – обычно при библиотеках. Бесплатный доступ в Американские уголки, к их информационным ресурсам и участию в клубах и мероприятиях открыт для всех граждан Казахстана вне зависимости от возраста и рода деятельности.

На сегодняшний день в Казахстане существует \(10\) Американских уголков в городах Нур-Султан, Алматы, Актобе, Усть-Каменогорск, Уральск, Караганда, Костанай, Шымкент, Павлодар и Петропавлоск, а также 3 Makerspace в Усть-Каменогорске, Алматы и Нур-Султане.

Каждый Американский уголок предоставляет своим посетителям информацию о США – культурном, историческом и государственном устройстве Америки, предлагает богатую коллекцию художственных и нонфикшн книг, фильмов и видеофайлов на DVD на английском языке, интерактивные образовательные программы, электронные энциклопедии и словари на CD-дисках.

Эксперты программы EducationUSA с радостью расскажут о том, как можно поступить в американские вузы. Любой желающий, заинтересованный в образовании в США, свободно может воспользоваться книгами и учебниками по подготовке к международным экзаменам вроде SAT, GRE, GMAT, IELTS, TOEFL. А еще уголок – отличное место, чтобы встретиться со study-buddy (или найти его).

Часто Американские уголки приглашают спикеров из США, проводящих лекции на темы STEAM, общества и культуры; проводят занятия, клубные дискуссии (“Movie Club”, “Discussion Club”) и другие мероприятия. Все компьютеры уголка имеют доступ к полнотекстовым базам данных EBSCO и другим библиотечным центрам. В уголке решительно запрещено скучать!

Makerspaces

В Американских уголках городов Алматы, Нур-Султан и Усть-Каменогорск также существуют научно-технические лаборатории Makerspaces, в которых школьники, студенты и молодые специалисты могут создавать, обучаться и учить других новым навыкам.

Makerspaces технически оснащены всем оборудованием, необходимым для инженерных проектов: доступны ноутбуки на базе Windows и iOS, \(3\)D-принтеры Makerbot, ABS- и PLA-пластики, как и наборы Arduino, Lego, Vex.  Даже если у начинающего инженера нет паяльника, лупы, отвертки или обычной наждачной бумаги, лаборатория с удовольствием предоставит все необходимое, не говоря о ленточно-пильных, сверлильных или ЧПУ (станок с числовым программным управлением) станках.

На базе Makerspace проводятся интенсивы или же курсы, называемые программами. Так, в Makerspace Astana было успешно проведено \(75\) программ научно-технического характера. Если считать и культурные и языковые программы, проводимые Американским Уголком, то их общее количество будет куда выше – более \(200\).

Американские уголки отличаются своей дружелюбной атмосферой и гостеприимными работниками; здесь всегда происходит некое движение идей, случаются новые знакомства и встречи. Благодаря гибкому формату программ ежегодна уголки привлекают все больше заинтересованных участников. Так, не считая данные за \(2021\) год, около \(11000\) человек в онлайн и оффлайн режимах посетили программы Makerspace Astana.

В Американском пространстве рады видеть всех, всегда и в любое время. Однако важно не забывать уточнять режим работы уголков: летом Makerspaces и уголки проводят только онлайн-мероприятия и программы.

За свою почти столетнюю историю Американское пространство приобретало разную форму и масштаб. Но кое-что оставалось неизменным: люди. American Spaces всегда было местом, где люди встречаются, общаются и слушают друг друга. Это место, где люди учатся и делятся идеями, ведут диалог и выражают свои мысли. Именно стремление поддерживать диалог между американским народом и народом Казахстана, основанный на взаимопонимании и доверии, превратилось в главный приоритет Американских уголков и Makerspaces.

Часть \(2\). Интервью с главным координатором Makerspace Astana

Айгерим Тлеухан присоединилась к Makerspace Astana в \(2018\) году и на данный момент являеется его главным координатором. В ее обязанности входит контроль и управление всеми операциями, услугами, программами и ресурсами Makerspace; разработка и реализация практических и научно-технологических программ; набор технологических экспертов и волонтеров, работа с преподавателями и студентами над интеграцией технологий в учебную программу; содействие программам предпринимательства и контроль часов работы в Makerspace Astana. Также под ее руководством инструкторы Makerspace проводят увлекательные тренинги, вебинары и воркшопы. В интервью с нами Айгерим Тлеухан подробно рассказала, как работает American Space и как его ресурсы могут быть использованы школьниками и студентами.

• Какие коллаборации или проекты с другими уголками вам запомнились?

Под моим руководством должна была пройти программа MakerCamp в оффлайн режиме во всех Американских уголках Казахстана. К сожалению, из-за пандемии программу отменили. Это и был проект, которым должны были заниматься все координаторы вместе. У каждого координатора есть своя неотъемлемая роль в команде: кто-то следит за чатом, другой – за связью между учителем и участниками.

В основном по языковым и культурным частям проводятся совместные встречи и приглашаются американские спикеры. Вдобавок, у нас организовываются nationwide (участвует вся страна, а программа инициирована любым уголком) и localwide (в рамках одного уголка) программы. Опять же nationwide программы организуются не для коллаборации, а с единой целью.

• Каких целей хочет достичь MakerCamp?

Основная цель нашего кэмпа – это изучение робототехники через Arduino и подготовка финального проекта за \(2\) недели. В самом начале в Алматы проводили курс Girls in STEM, затем это идея переросла в nationwide программу. Программа преследовала цель познакомить участников с чувством насыщенности и непрерывной активности, которые присутствуют при участии в хакатонах и соревнованиях. Makerspace Astana решил немного "видоизменить" курс – если программа в Алматы была выходная и длилась \(1.5\) месяца, то наша программа была более интенсивная и насыщенная.

Мы провели кэмп \(4\) раза – это были осенние и летние лагеря. В зависимости от фокуса актуальной программы участникам устраивают визиты в компании, например МФЦА, чтобы ознакомиться со стартапами Рахмет. Ранее спикеры и программ-хосты разных профессий были приглашены в программу, чтобы поделиться своими знаниями с участниками. Таким образом, девочки смогли получить свое карьерное направление.

Мы хотели смотивировать девочек начать заниматься программированием, прототипированием, инженерией, а также нам было важно помочь им почувствовать, каково это самостоятельно делать проекты в качествсе дизайнера, программиста, инженера и затем развивать их. Думаю, нам удалось передать это на интуитивном уровне. Виртуальные же кэмпы были больше сфокусированы на изучении веб-дизайна.

• Как уголок помогает ребятам участвовать в конкурсах/хакатонах?

До пандемии обычно мы не делали объявления, если хакатон не был организован уголком. Однако все желающие могут прийти и напрямую оставить заявку о том, что хотели бы подготовиться к соренованиям в уголке. Если нет временных конфликтов с программами Makerspace, то участники беспрепятственно могут мастерить все, что угодно, используя оборудование Makerspace. Самое главное: приходите, узнавайте, пишите!

• "Хочу начать свой проект". Как вы можете помочь с этим и куда записываться?

Мы не преподаватели и не школа программирования – у нас нет своего штаба учителей. Поэтому для такого человека существует два варината действий. Если в ближайшее время в уголке проходит курс, то этот человек записывается и в ходе курса узнает, насколько сильно курс может помочь. Второй вариант – мы ищем людей с похожими интересами, которые уже работают над похожими проектами. Далее мы "соединяем" этих людей: они могут встретиться у нас, и если их цели совпадают, они начинают работать вместе. Был случай, когда студенты готовились к конкурсу Enactus Startup и искали человека с квалификацией в сфере водоснабжения. Тогда мы как раз знали девочку в похожей сфере, и таким образом мы нашли контакты через нее. Бывает, что буквально через \(3-4\) рукопожатия мы можем найти полезного человека. Мы можем помочь благодаря нетворкингу внутри нашей аудитории, где каждый владеет самыми разными навыками и бэкграундом. В итоге ни одна заявка не остается без внимания.

• Как часто обновляется оборудование и существуют ли ограничения по его использованию?

На самом деле, не часто; хотя, конечно, мы покупаем дополнительные материалы. Но у нас нет цель "захватить" весь город – мы хотим точечно помочь тем, кто пришел в уголок с определенным запросом. Исходя из этих заявок, мы составляем план того, чем нужно дополнять оборудование. Чтобы использовать оборудование, просто напишите или оставьте заявку.

• Как команда волонтеров помогает ученикам и энтузиастам ориентироваться в использовании ресурсов уголка (курсы, книги, оборудование)?

Чаще всего люди приходят с точными навыками и видением, а мы предоставляем им пространство и оборудование. Для людей, которые хотят что-то сделать, но не знают, как это сделать, мы проводим экскурсию по Makerspace и рассказываем про концепцию уголка. Если человек хочет дальше продолжать работать здесь, мы приглашаем его на мастер-класс в соотвествии с его интересами.

На самом деле, хоть мы и сами создаем все программы, все они исходят из нужд аудитории. Поэтому инициатива ваша – только протяните руки.

• Вы проводите курсы по Product Design, Data Science и даже интенсивные курсы MakerCamp для девочек. Какой процент участников полностью завершает эти курсы? Какие рекомендации вы можете дать новичкам, которые также хотят записаться на курсы уголка?

Долгие оффлайн курсы (>\(1.5\) месяца) заканчивают меньше половины участников курса. Онлайн-программы, где каждый день нужно присутствовать на уроках и делать домашние задания обычно заканчивают \(20-25\)% от изначальной группы. По нашим наблюдениям, участники программ без записи и строгих дедлайнов менее мотивированы учиться онлайн. Однако если это короткие программы с записью и дедлайнами, то их успешно заканчивают, как правило, около \(100\)%.

Обращаясь к курсу Data Analytics, важно упомянуть, что он сделан по другому формату. В начале на курс было записано \(110\) человек, а на уроках присутствуют от \(15\) до \(50\) человек – каждый день разное количество людей. Домашнее задание сдают около \(30\)% учеников от всего потока и это не обязательно те люди, что посещали уроки. Записи уроков смотрят более \(100\) человек. Сейчас мы думаем над тем, как разработать новую систему, чтобы оценить, насколько люди осваивают определенные навыки согласно моделям.

• Как вы можете оценить вклад уголка в предоставление ресурсов (информация, программы, оборудование) для населения в возрасте \(15-35\) лет?

Дать точную оценку, конечно, сложно. Мы расцениваем наш вклад в рамках конкретных программ, а в контексте “общего вклада”, думаю, мы работаем больше как информационный ресурс: ведь мы охватываем не только праздники США и английский язык, также мы стараемся предоставлять хорошие программы, скажем, по веб-технологиям. Так мы обычно охватываем и социально-образовательные аспекты.

У нас много программ с упором но инклюзивность образования. Тот же MakerCamp было создан с целью обеспечить девочкам комфортное место для обучения. Мы не смотрим в будущее с мыслями: "Есть специальная программа для девочек, отдельно – для слабовидящих и так далее." Мы видим наши будущие программы всегда инклюзивными – если выходит курс, то там будут все – и девочки, и мальчики, и слабовидящие.

Мы являемся уникальным местом, для которого стать инклюзивным пространством – самая главная задача. Информация, которую мы предоставляем всегда достоверна, так как мы работаем с большими учреждениями, и наши учителя являются признанными специалистами в своих сферах.

• Какие особенности Американского уголка, по вашему мнению, ежегодно притягивают тысячи учеников работать и учиться здесь?

Сложно назвать что-то одно, но я считаю, что уголок – это отличный микс из всего; в Американском пространстве есть место для каждого. В Казахстане дети редко выходят за рамки школьного образования, а желающие часто даже не знают с чего начать, поэтому так важно показывать им, как все работает изнутри. Уголок как раз является таким хорошим местом, где можно все испытать на себе, изучить через книги, присоединиться к клубам и программам. Маленькими шажками дети пробуют себя в роли инициаторов, а сам уголок – место, где можно найти не только единомышленников, но и товарищей, которые будут помогать развиваться и расти вместе.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

«Математика — не то, чем стоит заниматься женщине!»
«У девочек не получается кодить — это нормально.»
«Много вы знаете женщин-инженеров? Вот-вот.»

Как часто вам приходилось слышать подобное? Раз в день, в месяц, или раз в год? Конечно, со времен \(1980\) года в мире произошло серьезное изменение «гендерного» климата: разница в оплате труда стала меньше, все больше женщин публикуются в научных журналах, получают профессиональное признание и гранты на исследования.

Однако области естественных наук, технологий, инженерии и математики (STEM) остаются все таким же неприступным местом для женщин. По данным Института Статистики ЮНЕСКО, на момент \(2016\) года во всем мире женщины составляют меньше трети работников в сфере исследований и научных разработок. И пусть положительная динамика роста числа женщин в STEM образовании, со времен \(1980\) года, вас не обманывает — STEM больше напоминает «протекающую трубу»: все меньше женщин продолжают карьеру в науке, а когда дело доходит до получения докторской степени (Ph.D), труба нещадно «протекает» и мир теряет огромное число потенциальных учёных и инженеров.

Путь женщин в науки, тем более в инженерные и компьютерные, ужасно тернист. По сей день женщинам-ученым приходится сталкиваться с дискриминацией, стереотипами и предубеждениями повсюду: начиная со школьной скамьи, заканчивая университетской лабораторией или машиностроительным цехом. Двери заперты, как бы сильно туда ни стучались. Неужели это так?

В этой статье мы узнаем о положении женщин в робототехнике, почему их редко встретишь в технических науках, а также расскажем о вдохновляющих примерах женщин-инженеров, которые вопреки всему смогли изменить мир

Поредевшие ряды науки

В теологических, философских, литературных, общественных и даже научных убеждениях «женщина» представлена как интеллектуально уступающая, слабая и полагающаяся на эмоции; в то время как «мужчина»— умственно превосходящий, сильный и рациональный (Keller, \(1985\)). В докладе ЮНЕСКО \(2017\) года отмечается, что гендерные различия в STEM образовании девочек и мальчиков прослеживаются уже в раннем возрасте и начальной школе, становясь более заметными на следующих более высоких этапах образования (UNESCO, \(2017\), с. \(11\)). В результате в глазах учителей потенциал девочек в технических и естественных науках остаётся незамеченным, а их способности преуменьшаются. Как правило, гендерный разрыв в математических и технических знаниях происходит в возрасте девяти лет, а после тринадцати — его не преодолеть (M. Christie et al). В итоге мы наблюдаем неутешительные последствия: за тридцать лет в компьютерных науках, включающих программистов, системных аналитиков, разработчиков программного обеспечения, менеджеров информационных систем, доля женщин сократилась с \(32\)% до \(25\)%.

Но что препятствует женщинам строить карьеру в STEM, предлагающих так много возможностей, престиж, интеллектуальное развитие и доход? На данный момент обсуждение причин гендерного неравенства в STEM часто сводятся к трем взаимосвязанным гипотезам.

Первая причина – социальные убеждения и ожидания в сторону девочек, именно они ограничивают их в выборе будущих профессий. Так, инженерия, робототехника и компьютерные науки представляются сугубо «мужскими» областями, а медицина и гуманитарные науки – «женскими». В обществе считается, что у девочек лучше получается работать с людьми, животными и растениями, чем с грудой металла; итог – только \(14\)% женщин работают в инженерном деле. Бессознательное предубеждение образовательных институтов, а также внутреннее предубеждение самих девочек закрывают им путь в STEM.

Вторая причина заключается в традиционных моделях поведения женщин, устоявшихся в обществе за долгие десятилетия. Гипотеза «соответствия целей» отражает выбор женщин отказаться от STEM, исходя как из социокультурного давления, так и из психологических ориентаций, думая, что их гендерные цели несовместимы с характером работы в STEM, возможностями и успехом. Так происходит несоответствие установок и среды. Например, с большей вероятностью именно женщины выбирают низкооплачиваемые должности с неполным рабочим днем, что идет на пользу семье; или работу, связанную с людьми, для достижения общинных групповых целей. Таким образом, самим женщинам трудно отделить свою «гендерную» идентичность от «научной»: гендерная социализация приходит и в STEM.

И наконец, третья причина кроется в отсутствие примеров для подражания и мотивации со стороны других ученых. Часто мы тяготеем к таким людям, которые кажутся похожими на нас: если кто-то вроде нас смог воплотить мечту в жизнь, то мы тоже сможем. Из-за того, что мало женщин занимаются STEM, девочкам труднее найти человека, на которого можно равняться. Нельзя забывать, как важны менторство и образцы для подражания, особенно для детей: они наблюдают за подобными образами, преисполняются восхищением и воодушевляются на большие поступки, а сами наставники делятся опытом и знаниями с молодым поколением.

Скорее всего, быстро решить первые две проблемы у нас не получится. Однако мы в силах сами найти примеры для подражания в сильных женщинах, рассказав их истории, чтобы девочки не боялись приходить в STEM и становиться в ряды женщин-ученых. Мы представляем вам два необыкновенных примера женщин-инженеров, сумевших преодолеть все препятствия на своем пути, чтобы изменить свою жизнь и мир вокруг себя.

Елена Гарсия Армада и бионические экзоскелеты

«Не сказать, что я какой-то особенно умный человек. Тем не менее у меня вправду есть и умение работатья. и четкие цели. Я борец: если я чувствую, что игра стоит свеч, я добьюсь всего без доли сомнения», — так скромно, но уверенно говорит о себе доктор Елена Гарсия Армада – выдающийся ученый-робототехник, делающий наш мир лучше и инклюзивнее.

В \(2002\) году Елена Гарсия Армада получила докторскую степень в инженерной робототехнике в Политехническом университете Мадрида, начав свою работу в промышленной робототехнике. После защиты диссертации она присоединилась к Центру робототехники и автоматизации (Center for Automation and Robotics, CAR).

Однако все изменилось, когда в \(2009\) году Елена Гарсия познакомилась с Даниэлой – шестилетней девочкой с тяжелой тетраплегией после дорожного происшествия. Для обеих эта встреча оказалась судьбоносной: «Я видела, что могу помочь ей», — говорит Гарсия, тогда твердо решившая посвятить себя разработке детских роботизированных экзоскелетов, недоступных в медицине того времени.

Бионические экзоскелеты – это своего рода механический костюм, который крепится к людям как каркас, поддерживающий все туловище и ноги. Так роботизированные экзоскелеты обеспечивают поддержку во время ходьбы для реабилитации людей, страдающих дегенеративными нервно-мышечными заболеваниями, а также тех, кто потерял способность ходить в результате несчастного случая.

После всего лишь трех лет исследований, в которых Гарсия Армада использовала все свои знания в локомоции роботов и биомиметике, маленькая Даниэла вновь смогла ходить с экзоскелетом ATLAS. За \(2010-2013\) годы проект ATLAS получил международное признание, став важной вехой в развитии бионики: он стал первым детским носимым экзоскелетом, а также прошедшим испытания для людей с тетраплегией, получив \(8\) наград и патенты на два устройства.  

Проекты KINDER (\(2013-2016\) г.) и EXOTrainer (\(2015-2017\) г.) специализируются на другом заболевании – спинальной мышечной атрофии.  Группа Елены Гарсия Армада разработала первый в мире бионический экзоскелет для детей с СМА – ATLAS \(2020\), оснащенный интеллектуальными суставами, которые интерпретируют движения пациента, обнаруживая, какие движения необходимо произвести. Он помогает «задержать» тяжелые физиологические осложнения, связанные с потерей способности ходить. Тем временем новые проекты (EXORAPI и ORION) дают надежду детям с мышечной дистрофией Дюшенна и детским церебральным параличом.

В \(2013\) году Елена Гарсия Армада стала соучредителем Marsi Bionics –   дочерней компании CAR, специализирующейся на разработке регулируемых детских экзоскелетов на основе небольших двигателей, имитирующих движения мышц и обеспечивающих силу для ходьбы. Экзоскелеты Marsi Bionics отличаются высокой производительностью благодаря соединениям с регулируемой жесткостью, называемыми ARES. Таким образом, экзоскелеты Marsi Bionics обеспечивают индивидуальную терапию, адаптируясь к потребностям каждого пациента, получив более широкое применение в реабилитации и физиотерапии.

За свою карьеру в робототехнике Елена Гарсия Армада получила более \(30\) различных наград, став одной из десяти самых выдающихся ученых Испании. Она написала две книги по робототехнике на испанском языке, стала обладательницей таких наград, как Innova Award eVIA \(2014\), премия CEPY – ME \(2015\) за лучший предпринимательский проект и премия ABC Health Award за лучшую технологию в здравоохранении (\(2016\) г.). В \(2018\) году Елена Гарсия получила золотую медаль Мадрида.

Елена Гарсия продолжает работать в Центре автоматизации и робототехники, возглавляя группу ученых в Высшем исследовательском совете Испании при Политехническом университете Мадрида. Благодаря Елене Гарсия Армада более \(120 000\) детей в мире могут снова пойти. Однако несмотря на ее признание в мировом научном сообществе, Елена Гарсия Армада уверена, что нет лучше награды, чем улыбка ребенка, вставшего на ноги.

Асель Аяпова, энергетика и дроны

«Когда я пришла в программу, я не знала ничего о роботах и дронах. Но я знала, что точно разберусь в этом», — подмечает Асель Аяпова, говоря о своем опыте в совершенно новом и неизведанном проекте как для себя, так и для всей компании AES Corporation.

AES Corporation – американская транснациональная энергетическая корпорация из списка Fortune \(200\). AES Corporation предоставляет энергию \(17\) странам через разнообразные распределительные предприятия, а также объекты тепловой и возобновляемой энергетики. Рабочая сила насчитывает \(21 000\) человек. В \(2015\) году выручка составила \(15\) миллиардов долларов, в общей сумме активов компания владеет и управляет \(37\) миллиардами долларов.

В \(1997\) году AES подписала договор с правительством Казахстана и приобрела сразу \(4\) ТЭЦ – Усть-Каменогорскую, Лениногорскую, Семипалатинскую и Согринскую, а также Экибастузскую ГРЭС. За \(20\) лет корпорация инвестировала в экономику страны более \(400\) миллионов долларов, но в \(2017\) покинула энергетический рынок Казахстана.

История Асель началась в Уральске: здесь в \(90\)-х она закончила казахский физико-математический лицей, затем поступила в Московский государственный университет им. Ломоносова на экономиста.

В \(2011\) году Асель присоединилась к корпорации AES, став руководителем проекта на ТОО «AES Согринская ТЭЦ». Для Асель, до этого не изучавшей энергетику, этот проект стал вызовом: «Я приехала в Усть-Каменогорск, будучи таким свежаком в энергетике. Там, встретив энергетиков-мужчин в третьем поколении, считай, родившихся на этой станции, я поняла, что они не доверяют мне, думая, что какая-то девчонка не-энергетик будет управлять проектом. Мне потребовалось почти полгода, чтобы добиться их признания.» – рассказывает Асель о своем первом опыте в качестве руководителя проекта по реконструкции и модернизации Турбины №\(1\).

Однако за шесть лет работы Асель смогла сформировать сильную команду и раньше срока завершить два проекта без каких-либо инцидентов на электростанции. Позже Асель повысили до директора по управлению капитальными проектами, после чего она руководила строительством Турбины №\(12\) на ТОО «AES Усть-Каменогорская ТЭЦ» – крайне важного объекта AES в Казахстане. Представив свои решения в проектах на глобальном конкурсе от AES Corporation, AES Global APEX Award, где участвовало более \(600\) проектов различных бизнесов AES из семнадцати стран, команда Асель заняла второе и третье место в \(2012\) и \(2014\) годах. Это был успех, как считает Асель Аяпова, который позже перерос во что-то большее: руководство AES пригласило Асель в головной офис Корпорации в США.

С \(2017\) года Асель работает директором Глобальной Инновационной Программы по развитию применения Дронов в Энергетической отрасли (AES Innovative Global Drone Program), включающей \(16\) стран. Асель разделяет цель AES Corporation сделать работу людей в области энергетики более безопасной и эффективной: только на \(2012\) год смертность работников на ТЭЦ по всему миру составила более \(100000\) человек на тераватт-час – непозволительно большое значение.

Незнакомый проект по внедрению дронов в энергетику привлек внимание Асель – новизна и вызов – вот, что она хотела вновь испытать. «Мы увидели потенциал для повышения безопасности и сокращения более \(30 000\) часов высокорисковых работы в год . Последние \(3\)-\(4\) года были посвящены тестированию различных технологий и созданию внутренних программ. В настоящее время у нас есть по меньшей мере \(150\) внутренних беспилотных летательных аппаратов, внедряемых в энергетический сектор», — рассказывает Асель о программе внедрения дронов. После года работы по применению дронов в промышленности программа заняла второе место в AUVSI Award \(2018\) в категории Operations and Safety – после проекта NASA. В этом же году программа вошла в финал S&P Platts Global Energy Award \(2018\) for Commercial Technologies of the Year.

В \(2019\) году Асель стала членом Экспертного Совета Международной Коалиции по Дронам и Роботам в Энергетике, работая с компаниями по всему миру, а также была включена в Американскую Ассоциацию “Women and Drones”. Работа с беспилотными летательными аппаратами, интегрирование их на платформе AES вкупе с управлением и планированием сделали проект Innovative Global Drone Program любимым для Асель за \(15\) лет проджект-менеджмента.

За годы своей карьеры Асель Аяпова охотно выступает спикером на различных конференциях в Казахстане, рассказывая, как девочки и женщины могут прийти в технологии. Так, она выступила на сессии «Женщины в науке, инновациях и бизнесе» программы АЭФ-\(2019\) и на круглом столе «Женщины – лидеры Шелкового пути».

В \(2019\) году Асель Аяпова победила в проекте «\(100\) новых лиц Казахстана» в категории «Бизнес». На данный момент Асель продолжает работу в AES Corporation, обучается в бизнес-школе университета Дьюка (Duke Fuqua) и является меценатом образовательного Фонда «iQanat», помогающим талантливым детям из сельской местности поступить в престижные вузы мира.

«Я — пример человека, который может достичь чего-то, если очень-очень этого захочет», — так описывает себя Асель Аяпова — женщина, доказавшая, что она может быть кем угодно: руководителем, энергетиком и робототехником в бизнесе.

Заключение

Не будем отрицать, что женщинам особенно тяжело приходится в STEM. Те немногие женщины, нашедшие себя в так называемых «мужских» областях вроде инженерии или IT, продолжают сталкиваться с дискриминацией на работе; их вклад в проекты не замечается, опыт преуменьшается, а сами женщины оказываются отчужденными — все это результат огромной гендерной проблемы, нагло прижившейся в STEM. Но так будет не всегда! Изучая равноправие в науке и технологиях, а также рассказывая о прекрасных женщинах-ученых, мы сами разбиваем тот «стеклянный потолок», не дающий подняться ввысь. И истории Елены Гарсия Армада и Асель Аяповой — тому подтверждение.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Источники

Christie, M., O’Neill, M., Rutter, K., Young, G., & Medland, A. (2017). Understanding why women are under-represented in science, technology, engineering and mathematics (STEM) within higher education: A regional case study. Production, 27 (SPE).

Keller EF. (1985) Reflections on gender and science. New Haven, CT: Yale UP.

United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO). Cracking the Code: Girls’ and Women’s Education in Science, Technology, Engineering and Mathematics (STEM). Paris: UNESCO; 2017.

Уже давно роботы существуют за пределами лабораторий: от автоматизированного пылесоса до беспилотников — роботы совсем рядом. Согласно отчету компании по статистике рыночных данных Statista, ожидается, что мировой рынок роботов будет расти примерно на \(26\)% каждый год и уже к \(2025\) году достигнет \(210\) миллиардов долларов. Беспилотные летательные аппараты, хирургические, промышленные и домашние роботы — множество крупных отраслей робототехники обретают все больше признания за последнее десятилетие. Вместе с признанием растет и спрос на квалифицированных специалистов, готовых к нестандартным задачам и инновационным решениям, — на робототехников.

Кто и как строит настоящих роботов? Чем они занимаются и что умеют? С чего начать свой путь в робототехнике? Ответы на эти и другие вопросы вы сможете найти в нашей статье, посвященной карьере в этой многогранной прикладной науке.

Роботы и робототехники

На первый взгляд робототехника кажется запутанной и сложной, а термин “робот” звучит размыто и чрезмерно обобщенно. Что же такое “робот” на самом деле?

Роботы — это системы и устройства, способные взаимодействовать с внешним миром и выполнять некоторые задания, для которых они предназначены. Под обширным “предназначением” понимается функция автоматизированной системы: “умная” конвейерная система выполняет сортировку товаров, а робот-собака может иметь функцию эмоциональной поддержки для хозяина. Разработка подобных механических систем (роботов), следующих зову своих научно-фантастических предшественников, объединяет электрические и механические компоненты с компьютерным производством.

Таким образом, машиностроение, электротехника и информатика — три науки, на стыке которых стоит робототехника, а за создание такой сложной и многослойной системы отвечают сразу несколько человек с разными квалификациями: инженеры-механики, инженеры-электрики, программисты, аналитики данных и многие другие. Каждый из них обладает самодовлеющей ценностью в производстве роботов различного назначения и сложности.

Междисциплинарность в деле

Чтобы понять, чем именно занимаются специалисты в робототехнике, давайте детально рассмотрим пример инклюзивного проекта Smart Pill Dispenser от команды MakersUPV, отражающего в своем устройстве многодисциплинарный подход робототехники. Smart Pill Dispenser представляет собой устройство, автоматически выдающее лекарства по заданному расписанию.

За таким, на первый взгляд, простым функционалом стоит огромный объем работы, проделанной целой командой из нескольких человек. Инженеры-механики MakersUPV напечатали корпус устройства и собрали механизмы сортировки лекарств в одну систему. Электрики создали электросхемы: именно они контролируют моторы, выдающие лекарства в нужное время, и регулируют коммуникацию между платами, которые затем передают данные в мобильное приложение. Затем программисты "оживили" всю ту электронику, внедренную инженерами-электриками в спроектированный механиками дизайн устройства, и разработали необходимые дополнения в виде мобильного приложения, веб-сайта и нейронных сетей. Хоть каждый член команды MakersUPV по отдельности создает разные компоненты робота, работают они не поодиночке, а в союзе, при этом не ограничиваясь только своей областью. Так, механик сообщает электрикам о местоположении двигателей и электрических соединений, а программисту нужна помощь электрика в преобразовании цифровых сигналов. Таким образом, все они взаимосвязаны точно шестеренки в механизме, работая в одном потоке.

Давайте поближе познакомимся с ролью каждого специалиста команды MakersUPV и узнаем, чем именно они занимаются, а также где и как учиться будущим робототехникам.

Механическая инженерия

Каждый инженерный проект начинается с создания прототипа (макета) — планирования дизайна и оформления чертежей, а инженер-механик занимается именно планированием и реализацией настройки внешней оболочки с внутренними механизмами. Несомненно, дизайн проекта зависит от его функциональности, ресурсов и поставленных задач. В случае с Smart Pill Dispenser проект ориентирован на пациентов с нарушением слуха, поэтому инженеру-механику необходимо было учесть данную особенность, чтобы на ее основе создать практичный дизайн коробки. Удобный дизайн значит больше, чем “красивая оболочка”; он — результат тщательного исследования эргономики устройства, прочности, стабильности, жесткости и текстуры поверхности.

На этом этапе разработки требуются эскизы и заметки. Важно, чтобы до печати инженеры-механики определили, какой материал они будут использовать для робота: в первую очередь, исходный материал должен быть прочным и долговечным. Как правило, после создания начального (сырого) прототипа с учетом подходящего материала (дерево, пластик, силикон, пластилин), изготавливается цифровая фотография. На каждом этапе производства плана или эскиза макета инженеры-механики сверяются со спецификацией и поставленными требованиями, корректируя свою работу.

Теперь пришло время изготовить несколько рабочих чертежей для производства прототипа.

Используя свой чертеж, инженеры команды MakersUPV обозначили все механизмы будущего макета проекта, пронумеровав их, чтобы собрать в одно устройство. После настройки внешнего вида модель отправляется на распечатку на \(3\)D-принтере.

Механики MakersUPV создали оболочку, но где так называемые “мышцы” робота — механизмы? Инженеры MakersUPV вдохновились традиционной системой распределения. Каждая часть девайса выполняет важную функцию для всего робота: первый компонент поддерживает устройство, третий защищает лекарства от влаги и перепадов температуры, а одиннадцатый служит контейнером для лекарств. В ходе работы над Smart Pill Dispenser, инженеры особенно позаботились о двигателях и передачах, чтобы получить необходимые движения от робота — сортировка лекарств по слотам и их выдача.

Стоит признать, список обязанностей немал! Все это — лишь маленькая часть того, что требуется от инженеров-механиков в робототехническом проекте. На \(2021\) год Американское общество инженеров-механиков (ASME) насчитывает \(37\) технических подразделений: от передовых энергетических систем и аэрокосмической техники до твердотопливной и текстильной технологий, где основной составляющей каждой отрасли является решение прикладных задач на основе инженерных моделей (конструирования).

Несмотря на широкое назначение их работы, все инженеры-механики должны владеть определенными навыками:

• Строить \(3\)D-модели в CAD-системах (AutoCAD, Fusion \(360\), Solidworks). До распечатки макета важно планировать прототип робота в CAD, чтобы обсудить внешний дизайн, выявить недостатки модели и представить в удобном формате чертеж.
• Создавать дизайн макета будущего робота. Макет должен быть не только привлекательной оболочкой для целевой аудитории, но и долговечным устройством. Несмотря на функциональность чертежа, создать макет, отвечающий всем требованиям, занимает много времени, а сам процесс трудоемкий.
• Проводить анализ структуры материалов для макета. Подобрать прочный и дешевый материал для продукта крайне непросто, поэтому для этого часто приглашаются специалистов в области материаловедения.
• Оценивать результаты испытаний и при необходимости корректировать конструкцию макета. Прежде чем вывести любой продукт на рынок, инженер-механик должен минимизировать все возможные неполадки в работе устройства, а также объективно оценить его эффективность.

Приобрести эти навыки и теоретические знания можно во время обучения в университете по специальности Mechanical Engineering или Industrial Engineering. Многие высшие учебные заведения по всему миру предлагают изучить эту специальность на факультетах: Mechanical Engineering (MIT в США), Industrial Design Engineering и Aerospace Engineering (Delft University of Technology в Нидерландах), Mechanical Engineering (National University of Singapore в Сингапуре), и фундаментальной физико-химической инженерии (МГУ им. М.В. Ломоносова в России).

Тем не менее нет лучше способа развить инженерные навыки, чем оказаться в среде, где эти навыки востребованы, — работа над своими проектами, включающими конструирование и разработку дизайна робота, отлично поможет научиться всему на практике. Поработав над разными проектами и собственным портфолио (веб-сайт или документ с примерами вашей работы), со временем вы сможете устроиться в больших компаниях, нуждающихся в профессиональных инженерах-механиках: NASA, Tesla и Boston Dynamics — досягаемы!

Электротехника

Пока корпус печатается, электронщики MakersUPV работают над схемотехникой устройства, чтобы оно могло распределять лекарства по разным секциям коробки с помощью автоматизированных моторов. Инженеры-электрики не только разрабатывают электросхему, но и пишут функциональный код на языке С для плат Arduino — небольшой платы с собственным процессором и памятью.

По требованиям проекта Smart Pill Dispenser также необходимо передавать данные через Интернет (Internet of things), для чего инженеры-электрики используют специальные платы. Smart Pill Dispenser оснащен функцией отправки данных о приеме лекарств напрямую лечащему врачу, для этого электрики настраивают протокол коммуникации между платой и веб-сайтом.

Напоследок, инженеры MakersUPV связывают схему с моторами, установленными инженерами-механиками, чтобы они работали именно в определенный период времени, когда лекарства должны выдаваться пациенту.

Таким образом, можно заметить, что инженеры-электрики работают над широким спектром компонентов, устройств, систем, микрочипов и двигателей. Сегодня инженеры-электрики все больше полагаются на системы автоматизированного проектирования (САПР) при создании схем компоновки. Компьютерное моделирование же позволяет смоделировать функционирование электрических устройств и систем, начиная от национальной энергосистемы и заканчивая микропроцессором. Неудивительно, что электрики являются инженерами и программистами в одном лице: их многосторонняя работа — союз разума и руки.

Электрики могут найти себя в таких сферах, как энергетика, инженерия управления, микроэлектроника, обработка сигналов, приборостроение, компьютерная и телекоммуникационная инженерия.
В электронной инженерии есть ряд определенных навыков, которые точно пригодятся при работе в робототехническом проекте:

• Уметь обрабатывать цифровые сигналы. Часто инженер-электрику необходимо переводить аналоговые сигналы, полученные с датчиков, в цифровые, чтобы представить в цифровом виде и хранить все сигналы (Wi-Fi, мобильный телефон, аудио, видео, изображения) в режиме реального времени.
• Иметь глубокие знания и четкое понимание работы Интернета вещей (Internet of things). Не только наши смартфоны и ПК могут работать с Интернетом: подключив даже простые устройства к Интернету, инженеры-электрики могут расширить их функционал. Так, шагомер может синхронизировать данные с телефоном в ту же минуту благодаря Интернету вещей.
• Программировать платы. Значимую часть работы инженер-электрик посвящает программированию микроконтроллеров, чтобы те работали в тандеме с другими транзисторами и резисторами в электросхеме.

Для инженеров-электриков доступны множество подходящих специальностей, предлагаемых большим числом университетов: факультет Electrical Engineering в Stanford University в США, Electrical Engineering в Korean Advanced Institute of Science and Technology в Южной Корее, факультет Electrical and Computer Engineering в Carnegie Mellon University в США, и факультет оптико-электронного приборостроения в Московском Государственном Техническом Университете имени Н. Э. Баумана.

Однако ознакомиться с электротехникой можно раньше, даже имея лишь ноутбук у себя дома: отличным началом послужит курсы Arduino от Beyond Robotics на платформе Школа. С простым набором Arduino вы можете с легкостью начать собственные проекты, применив на практике навыки в электронной инженерии. Дальше дело за вами: опытный и высококвалифицированный инженер-электрик сможет найти место и в маленьких стартапах и даже в компаниях-гигантах, как General Electric, Intel или Apple.

Программирование

Разработчики команды MakersUPV связали электронную и механическую части проекта (hardware) с мобильным веб-приложением для отслеживания приема лекарств согласно составленному расписанию. Как конечный продукт, веб-сайт проекта обладает широким функционалом: установка и введение информации о пациенте и принимаемых медикаментах, необходимой дозировке и временном интервале. Программисты соединили все базы данных проекта и обработчики событий (функции, которые следят за действиями пользователя, например, нажатие кнопки) через сервисы Amazon Web Services. По сути, связав hardware и software, программисты расширили возможности устройства, чтобы людям было доступно веб-приложение для удобного пользования.

Конечно, не все программисты занимаются установкой протокола обмена информацией между платой и мобильным веб-приложением. Как правило, задачи программистов варьируются от проекта к проекту и полностью зависят от их требований. Так, при создании автономной машины не обойтись без машинного зрения для определения объектов: дорожных знаков, других машин, людей. В компаниях, которые занимаются девайсами, имитирующими человеческую речь, крайне необходимы люди с соответствующим опытом в сфере NLP (Natural Language Processing). Таким образом, задачи робота определяют навыки программирования, которые требуются от разработчиков.

В робототехнике все программисты от аналитиков данных до full stack developer-ов горячо приветствуются. Перечень таких вакансий всегда можно найти практически в любых компаниях и больших корпорациях: Intel, Anybots и Canvas Technology не исключение.

Перед устройством на работу, однако, никак не обойтись без важных навыков для каждого программиста:

• Исследовать соответствующие алгоритмы машинного обучения, так как рекомендации по использованию некоторых алгоритмов зависят от вида данных, скорости компьютера и желаемых результатов.
• Разрабатывать приложения машинного обучения. Опираясь на техническое задание, инженер ИИ эффективно использует данные и предоставляет модель машинного обучения для пользователей.
• Работать в тесном контакте с инженерами-электриками и другими членами команды робототехников. У робота, как у человека, все системы органов должны быть связаны для отлаженной работы всего организма.

В современных реалиях выучиться на хорошего программиста еще легче, ведь бесконечное множество университетов предоставляют огромный выбор предметов по этой специальности. Например, факультет Computer Science, Data Science, Informatics предлагается в University of Michigan в городе Энн-Арбор в США. Для желающих получить отечественное образование есть возможность учиться в лучших вузах страны как и на инженера, так и на программиста: в Назарбаев Университете на факультете Computer Science, Mechatronics and Robotics, в Сулейман Демирель Университете на факультете информационных систем и компьютерных наук, а также в Аstana IT University на факультете Software Engineering, Big Data Analysis, Industrial Automation. Из-за тесной связи инженерных и компьютерных наук часто можно встретить междисциплинарные специальности. The University of Tokyo имеет смежные степени бакалавра в Information Science и Mechano-Informatics, а Московский физико-технический институт знаменит факультетом информатики и вычислительной техники.

Чем удобна и незатейлива профессия программиста, так тем, что все необходимое у вас под рукой: Интернет и ноутбук. С ними вы можете получить опыт на множестве удаленных стажировок и онлайн-курсов вроде Яндекс Практикум или абсолютно бесплатно на курсе по Python для начинающих от Beyond School. С должным желанием и дисциплиной каждый может заниматься полезными проектами в самых разных отраслях, как это сделала команда MakersUPV, пробуя решить задачи по отдельности или же как единое целое.

Как видите, найти свое место в робототехнике не так уж и сложно, ведь робототехника — весь современный мир.

Заключение

Работая в союзе с первоклассными механиками, электриками и программистами, команде MakersUPV удалось создать удобное устройство с полностью автоматизированным механизмом работы для людей с инвалидностью. Примечательно, что большую часть различных проектов по робототехнике объединяет одна отличительная черта — они комплексны и многослойны, а для их создания нужны знания и навыки множества людей из разных областей.

На примере проекта Smart Pill Dispenser мы убедились, что робототехника — это мультидисциплинарная отрасль, объединяющая разные науки, и ей нужны такие же разные люди. Робототехники вовсе не универсальные люди XXI века, разрабатывающие все компоненты в одиночку; все же именно они — разные, но работающие вместе, — определяют будущее многих индустрий, того, как все создается и транспортируется, как люди взаимодействуют с окружающей средой, как устроены технологии, способные изменить привычную жизнь всех людей на планете. С помощью робототехники люди могут менять наше общее будущее, и это будущее нуждается в ваших способностях.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова

С развитием общественного здравоохранения, взлетевшего на новый уровень в середине двадцатого века, мы позабыли о болезнях и недугах, ранее тревоживших всех людей на планете. За свою недолгую историю человечество одолело множество эпидемий и нашло лечение от болезней разного рода и тяжести, хоть впереди еще остаются задачи по поиску спасения и от SARS-Cov-\(2\), и ВИЧ, и многочисленных форм онкологических заболеваний. Сейчас же, в эпоху глобальной пандемии COVID-19, каждый по-новому осознал насколько важны дальнейшее развитие медицины и разработка новых методов лечения. Как многие не понаслышке знают, основой одних из главных столпов лечебного дела – фармацевтики и фармакологии – является именно химическая наука.

Фармацевтическая промышленность — отрасль промышленности, связанная с исследованием, разработкой, массовым производством, изучением рынка и распределением лекарственных средств, преимущественно предназначенных для профилактики, облегчения и лечения болезней.

Чтобы понимать, как химия помогает нам в лечении заболеваний, давайте рассмотрим несколько интересных медикаментов и окунемся в историю, стоящую за их становлением на фармацевтическом поприще.

От оружия массового поражения до химиотерапии

Давно известно, что в ходе Второй Мировой Войны впервые в истории ядерное оружие ударило по человеку – городам Хиросима и Нагасаки в \(1945\) году. Но это далеко не первое применение оружия массового поражения во время боевых действий. На фронтах Первой Мировой использовалось так называемое химическое оружие – распыляемые газы, способные отравить и поразить незащищенного солдата.

Одним из распространенных соединений, применявшимся в те годы, был бис(2-хлорэтил)сульфан. Те, кому не посчастливилось его “унюхать”, говорили, что едкий запах вещества напоминает горчицу, из-за чего его и прозвали горчичным газом.

Когда речь заходит об отравляющих веществах, важно понимать, чем именно вызвана их токсичность. Итак, почему же горчичный газ настолько опасен? Если мы посмотрим на его структуру, то заметим следующее:

\(1\). В структуре горчичного газа присутствует сера – неплохой нуклеофил благодаря своим неподелённым электронным парам.

\(2\). Также, недалеко расположен атом хлора, который по определению является хорошей уходящей группой.

Такая картина способствует протеканию реакции бимолекулярного (хоть в данном случае все и происходит в рамках одной молекулы) нуклеофильного замещения \(S_N2\). Однако образующееся трёхчленное кольцо нестабильно, и если на горизонте событий появится другой хороший нуклеофил, то он с легкостью атакует трехчленный цикл в некогда молекуле бис(2-хлорэтил)сульфана.

Более подробно о том, что такое нуклеофилы и как протекают химические реакции, можно прочитать в нашей статье о прелестях органической химии.

В нашем организме чрезвычайно много соединений, способных вступать в реакцию с горчичным газом. Например, внешним нуклеофилом могут служить атомы азота в ДНК. А после того, как в ходе реакции нарушается структура молекулы ДНК, наступает клеточная смерть. Реакция, протекающая в данном случае, называется алкилированием, потому что внешний нуклеофил образует связь с атомом углерода – алкильной группой. Отныне и далее, мы берем на заметку, что бис(2-хлорэтил)сульфан и многие его производные являются хорошими алкилирующими агентами.

Несмотря на ужасы тех лет, унесшие с собой много жизней, механизм отравления горчичным газом, установленный точно на костях, позволил ученым разработать новые методы химиотерапии для лечения онкологических заболеваний. Как бис(2-хлорэтил)сульфан уничтожает обычные клетки, так же он может уничтожать и опасные для организма клетки – раковые. С такой целью и начались разработки препарата для химиотерапии онкологических заболеваний на основе бис(2-хлорэтил)сульфана.

Сам горчичный газ оказался слишком опасным для лечения рака, так как поражал клетки далеко за пределами злокачественных опухолей. Тогда исследователи решили слегка ослабить его активность за счёт изменений в его структуре. Так было решено синтезировать похожий по строению мехлорэтамин, единственное отличие которого – атом азота вместо серы, присутствующей в горчичном газе. Механизм алкилирования мехлорэтамином абсолютно идентичен описанному выше.

Исследование мехлорэтамина ознаменовало новую веху в лечении рака – с него и началась эра химиотерапии – пора синтеза химических веществ, способных локально уничтожать раковые клетки. Хоть мехлорэтамин и показал высокую эффективность, он всё же оказался не самым удачным препаратом из-за высокой реакциоспосбоности с водой. Поэтому метильная группа была замещена на арильную с карбоксильным остатком (см. рисунок ниже).

Выбор этой группы объяснялся бензольным кольцом, способствующим делокализации* неподеленной электронной пары на азоте, что снижает реактивность всей молекулы с водой. Однако, если бы было внедрено одно только бензольное кольцо, то полученное вещество было бы плохо растворимо в воде, а так как препарат необходимо вводить в организм (преимущественно водную среду), то высокую растворимость все же стоит сохранить. Для этого и была предложена карбоксильная группа.

*Делокализация электронов – явление, при котором неподеленная электронная пара способна образовывать пи-связь с \(sp^2\)-гибридизированным углеродом. Иначе говоря, делокалицаия – это свободное перемещение электронов вдоль пи-связей внутри сопряженной системы пи-связей (двойных и тройных связей). Благодаря делокализации электронов молекула становится стабильнее из-за понижения в энергии. А неподеленная электронная пара, участвующая в делокализации, становится менее реактивной, так как эти электроны больше не принадлежат только одному атому.

Путём еще нескольких махинаций по усовершенствованию препарата с целью предотвращения участия карбоксильной группы в делокализации электронов получился хлорамбуцил, показавший высокую эффективность против раковых опухолей.

Так, методом многочисленных проб и ошибок, вещество, служившее для уничтожения людей в прошлом, пополнило ряды союзников людей, став надеждой для спасения миллионов жизней в наши дни. С помощью анализа химических свойств в исходной молекуле мы установили, какие её части необходимо изменить, чтобы повысить эффективность уже лекарственного препарата, а не оружия массового поражения.

Аспирин

Всем нам знакомо словосочетание «ацетилсалициловая кислота», а если нет, то торговое название «аспирин» вы уж точно знаете. С ранних лет мы слышим фразу «две таблетки аспирина», принимаем его при высокой температуре или головной боли, но мало кто догадывается, в чем же скрывается его магическая сила. Механизм действия аспирина оставался загадкой вплоть до конца прошлого века, пока шведские ученые Суне Бергтрём и Бенгт Самуэльсон вместе с британским ученым Джоном Вейном не провели соответствующие исследования, за что и были награждены Нобелевской Премией по физиологии и медицине в \(1982\) году. Они установили, что аспирин блокирует синтез простагландинов – веществ, ответственных за стимуляцию воспалительного процесса и появление жара.

Аспирин – это маленькая молекула сложного эфира салициловой и уксусной кислот. С одной стороны, может показаться странным, что две кислоты участвуют в образовании сложного эфира, но на самом деле в образовании сложноэфирной связи со стороны салициловой кислоты участвует спиртовая группа, а не карбоксильная. Поэтому можете не паниковать, номенклатура в химии еще жива! При атаке некоторым сторонним нуклеофилом карбонильного центра сложного эфира, остаток спирта, являясь хорошей уходящей группой, может быть замещен этим самым нуклеофилом.

В синтезе простагландинов участвует фермент циклооксигеназа, в активном центре которого присутствует спиртовая группа. Если в активном центре фермента происходит какое-то изменение, то этот фермент больше не активен и не способен катализировать необходимую реакцию. Такая деактивация происходит, когда циклооксигеназа встречается с аспирином – спиртовая группа фермента служит нуклеофилом и атакует молекулу ацетилсалициловой кислоты. В результате в активном сайте фермента вместо спиртовой группы образуется сложный эфир, который и препятствует образованию простагландинов. Так как аспирин «подарил» ацильную группу ферменту, то можно сказать, что он ацилировал этот фермент. Такая реакция называется ацилированием.

Аспирин был известен с давних пор, так как является производным соединений, содержащихся в ивовой коре, которой испокон веков лечились люди. Однако даже после того, как было обнаружено активное вещество в смеси соединений ивового сока, принцип работы ацетилсалициловой кислоты оставался неизвестным вплоть до \(1970\)-х. Исследование механизма действия ацетилсалициловой кислоты дало нам возможность удостовериться в безопасности препарата на молекулярном уровне.

Флеминг и его бактерии

История антибиотиков берёт начало в далеком \(1928\) году, когда британский микробиолог Александр Флеминг обнаружил, что колонии бактерий Staphylococcus были уничтожены случайно попавшим в чашки Петри плесневым грибом Penicillium notatum. Флеминг предположил, что этот гриб синтезировал некоторое вещество, которое предотвращало рост бактерий. Позже это вещество было выделено, и по сей день мы знаем его как пенициллин.

Уже в ходе Второй Мировой Войны пенициллин широко использовался в госпиталях. За открытие и доказанную эффективность пенициллина, начавшего эру антибиотиков, Флеминг был награжден Нобелевской Премией по физиологии и медицине в \(1945\) году. С тех пор было создано еще много препаратов на основе пенициллина, но с повышенной в разы эффективностью.

Как же работает пенициллин? Пенициллин, как и его производные, содержит в себе бетта-лактамное кольцо, представляющее собой циклический амид (см. изображение ниже). И хоть амидная группа довольно стабильна, в случае пенициллинов она склонна к гидролизу из-за нестабильного четырехчленного кольца. Таким образом, если в активном центре жизненно важного для бактерии фермента находится реактивная спиртовая группа, то она будет вступать в реакцию с бетта-лактамным кольцом, деактивируя этим самым саму себя. Таким ферментом, например, является транс-пептидаза, которая участвует в образовании клеточной стенки бактерий. А как мы знаем, бактерии без клеточных стенок долго не живут!

Будущее фармакологии

Все лекарственные препараты, о которых мы говорили, относятся к классу низкомолекулярных соединений. Однако в последние годы все чаще проводятся исследования в области иммунотерапии – сферы медицины, где лечение основывается на дизайне огромных биомолекул и даже целых клеток.

Замечательным примером из множества иммуннотерапевтических препаратов являются CAR T-клетки – иммунные клетки человека (Т-лимфоциты) с искусственным рецептором, направленным на определенный антиген.

Антиген – любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное.

Не все опасные для человека клетки могут быть обнаружены иммунной системой, в результате чего такие клетки продолжают наносить урон организму (вспомним раковые клетки). CAR-T клетки как раз направлены на борьбу с неимунногенными (не способными вызывать иммунный ответ) клетками-вредителями.

Исследователи, создающие CAR-T, сами подбирают антиген на поверхности определённых раковых клеток, и делают это таким образом, чтобы такой же антиген не был представлен на других клетках организма, иначе лекарство нового поколения превратится в горчичный газ эпохи первой мировой. Затем они конструируют комплементарный для антигена рецептор, внедряют его в сигнальный каскад Т-клетки, и уже биологическими методами воспроизводят колонии клеток.

CAR-T терапия – многообещающая отрасль, способная решить множество вопросов лечения онкологических заболеваний, а идея создания химерных рецепторов может быть применена далеко за пределами онкологии – в случаях аутоиммунных и иммунодефицитных диагнозов.

Представьте, как необыкновенно велико разнообразие перспективных, а главное эффективных методов лечения, если одно CAR-T ­– лишь маленькое ответвление огромной отрасли иммуннотерапевтических подходов.

Несмотря на то, что исследования, связанные с синтезом больших биомолекул, набирают обороты с каждым днем, пространство для производства потенциальных низкомолекулярных лекарственных средств по-прежнему огромно. Даже в случае с высокомолекулярными биологическими препаратами, в ходе дизайна искусственных иммунных частиц одним из главных методов остается генная инженерия – важнейший инструмент современной биохимии, чьим фундаментом является именно химическая наука. В другом виде иммунотерапии, основанном на искусственных иммуноглобулинах, для присоединения активных молекул к антителам необходимы линкеры (англ. linker – «соединяющий») – маленькие молекулы, соединяющие большие полимеры, чьи свойства определяются органическим синтезом.

Биотехнология, медицина, иммунотерапия и генная инженерия – все эти отрасли основаны на законах вездесущей химии, а сама роль химии в медицине не только не уменьшилась, а наоборот, в союзе с другими естественными науками вышла на совершенно новый уровень. Учите химию и будьте здоровы!

Конец?

Краткая истории современной медицины от пенициллина до химерных рецепторов завершила цикл «Прелесть химии». Однако на этом прелести химии не кончаются, а только начинаются. Чудеса органического синтеза и тайны квантового мира, история становления вселенной и внутренние механизмы материи – все это лишь маленькая приоткрытая дверь в мир удивительной химии. Мы верим, что наши статьи зажгли в вас маленькое большое пламя юного химика-исследователя и помогли найти свой путь в необъятный мир естественных наук.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова

Пробовали ли вы забить гвоздь молотком или собрать башенку из стаканов? Вышагивали ли вы по бордюру, удерживая равновесие, или же поднимали небольшой  ящик по лестнице? Все эти задачи кажутся простыми, но так ли легко их выполнить с искусственным протезом? Для ответа на этот вопрос достаточно посмотреть на CYBATHLON – соревнования, где люди с инвалидностью, используя современные технологии, выполняют задачи, которые раньше давались им тяжело, а также тестируют используемые технологии, вдохновляя многих разработчиков совершенствовать свою продукцию. Однако соревнования кибатлетов не ограничиваются полосами препятствий: сегодня с помощью нейрокомпьютерного интерфейса они и соревнуются в компьютерных играх, и даже спускаются по ступенькам, сидя в инвалидной коляске. Именно о науке и технологиях, меняющих жизнь людей с инвалидностью, мы расскажем в этой завершающей статье цикла "Прелесть робототехники".

Биомехатроника

Необходимость в создании протезов, электростимуляторов и нейрокомпьютерных интерфейсов подтолкнула людей открыть для себя область знаний, объединившую медицину и робототехнику, – биомехатронику. Биомехатроника (бионика) – это прикладная наука, изучающая взаимодействие биологических организмов и мехатронных систем, которые состоят из множества механических, процессорных, электронных и электротехнических компонентов; часто под биомехатронными системами подразумевают киберпротезы.
Благодаря киберпротезам, помимо восстановления функции рук, ног, пальцев, бионика позволяет внедрить умные механизмы в работу сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека. Таким образом, наука на рубеже биологии и механики научила нас создавать не только роботов-гуманоидов, но и искусственные органы для трансплантации, и бионические протезы для людей с инвалидностью.

Одним из примеров бионических конечностей является протез руки BeBionic, который был представлен на международном рынке британской компанией RSL Steeper в \(2010\) году. В то время искусственная рука для взрослого человека имела всего четыре функциональных захвата, но она уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, пользоваться банкоматом и держать мелкие предметы.

Сегодня же функциональность бионических протезов возросла в разы. К примеру, Samsung Electronics в партнерстве с Motorica интегрировали носимое устройство Galaxy Watch в бионические протезы рук вроде INDY, MANIFESTO и тяговый CYBI. Таким образом, каждый протез можно подключить к серверам компании – цифровой экосистеме для кибер-людей от Motorica, где люди могут заниматься коммерческим делом, разрабатывать инновации или делиться своими общими интересами. Фирменное приложение позволяет задавать на бионическом устройстве жесты, отправлять данные телеметрии и менять чувствительность датчиков.

Пока компании, как RSL Steeper и Motorica, работают над усовершенствованием бионических рук, профессор биофизики и инженер из Массачусетского Института Технологий (MIT) Хью Герр изобретает самые совершенные бионические протезы ног.

С самого детства профессор увлекался спортивным скалолазанием, но в \(1982\) году с ним произошел несчастный случай во время зимних соревнований. В возрасте \(17\) лет молодой альпинист застрял на \(3\) дня в горах, в результате чего обморозил конечности. Обе ноги пришлось ампутировать ниже коленей, а с любимым делом пришлось распрощаться. Только от этого желание заниматься скалолазанием не пропало. И года не прошло, как Хью Герр начал старательно разрабатывать протезы, чтобы снова забраться в горы. С мыслью восстановить функциональность ног молодой ученый начал конструировать протезы у себя в мастерской. Затем, став профессором в MIT, он улучшил свою разработку и возглавил группу биомехатроники Media Lab при университете. Основной вектор их исследований – моделирование совершенных протезов. На счету известного робототехника около \(60\) написанных работ на тему биомехатроники и не менее \(10\) различных патентов, одним из которых является первый в мире автономный экзоскелет голеностопного сустава, разработанный в \(2014\) году. В этом же году Хью Герр выступил на TEDx, где продемонстрировал свои протезы и разработки по их улучшению. Профессор в прямом смысле слова собрал себя сам! Во время лекции он также пояснил, что скоро люди обретут новые тела, которые навсегда сотрут границу между естественным и механическим миром.

3D-печатные протезы

С чего можно начать создавать протезы, как это делал профессор Хью Герр? Определенно стоит начать с изучения \(3\)D-моделирования и \(3\)D-печати.

Время, когда протезы представляли собой громоздкие металлические корпуса со сложными компонентами, постепенно остается позади – большинство сегодняшних протезов устроены по-новому. С появлением технологии \(3\)D-печати многие детали для протезов стали создавать на основе \(3\)D-моделирования, что значительно поспособствовало облегчению жизни людей с инвалидностью.

В чем же заключаются основные преимущества \(3\)D-печатного протеза?

• В первую очередь, одно из главных преимуществ – стоимость. Такой протез намного дешевле, чем протез с металлическим корпусом. На сегодняшний день цена протеза, разработанного по обычной технологии (из металла), составляет от \(1000000\) до \(17000000\) тенге, в то время как цена протезов, напечатанных на \(3\)D-принтере, колеблется от \(28000\) до \(84000\) тенге.
• Скорость изготовления – второй немаловажный фактор, почему \(3\)D-печатные протезы превосходят обычные. Производство протеза по нынешней технологии занимает несколько недель или даже месяцев, так как необходимо произвести индивидуальную калибровку и подгонку для каждого человека. Создание же протеза на \(3\)D-принтере может занять от одного дня до недели.
• Универсальность – еще одно преимущество технологии \(3\)D-протезирования. Конструкция, изготовленная на \(3\)D-принтере, может быть легко смоделирована и приспособлена под индивидуальные особенности каждого человека. Кроме того, такие протезы могут быть дизайнерскими, усиленными, цветными, с рисунком и надписью – вариантов множество.
• Нельзя не упомянуть и комфорт. Все протезы во время моделирования можно подогнать под каждого человека, а в случае неудобств  – заменить их.

Более того \(3\)D-принтер может не только распечатать протезы, но и детали экзоскелетов, в которых, например, могут быть заинтересованы фанаты Железного человека после просмотра фильмов про супергероев.

Экзоскелеты

Если в мире фантастики экзоскелеты используются с целью повышения физических способностей человека, то в реальном мире такое новшество применяется для реабилитации после тяжелой болезни: чаще всего в этом нуждаются люди, перенесшие инсульт или имеющие повреждение спинного мозга.

С целью восстановления утраченных функций организма разработчики REX Bionics вывели на рынок экзоскелет REX для людей с дисфункцией ног. Экзоскелет помогает ходить, вставать и садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать “лунную походку”. Пользователь же управляет им с контрольной панели и джойстика. REX может также устранить ряд осложнений, связанных с долгим пребыванием в инвалидном кресле.

В целом, принцип действия активных экзоскелетов (экзоскелеты, которые выполняют движения, не требуя от пользователя приложения энергии) для людей с инвалидностью общий у всех производителей. Бедренные и коленные суставы сгибаются и разгибаются двумя электродвигателями, закрепленными на каждой ноге. Устройство выдерживает вес пользователя, которому, вероятно, дополнительно потребуются костыли для сохранения равновесия. На пульте управления, как на джойстике экзоскелета REX, расположены кнопки для активации шагов и установки темпа: быстрая ходьба, медленная ходьба, подъем по ступенькам, остановка и многие другие опции. Тем самым экзоскелет поддерживает движения человека, что и помогает людям восстановить ослабленную связь между головным мозгом и рабочей мышцей, постепенно возвращая нормальное функционирование конечностей.

Искусственные органы

Хоть с каждым днем робототехника вступает в жизнь большего числа людей, помогая им встать на ноги, но на этом прелести союза робототехники и медицины не заканчиваются – именно робототехника применяется в создании искусственных органов.

В кардиологии активно применяют механические или биологические протезы для замены сердечных клапанов. Если пострадала электрическая функция сердца или способность генерировать импульсы для сокращения мышцы, пациенту имплантируют небольшие аппараты – пейсмейкеры или кардиостимуляторы, задающие нужный электрический ритм в работе сердца. Устройство пришивают к грудной мышце и присоединяют его проводами к сердечной.

Главнейшим изобретением по разработке искусственных органов стало искусственное сердце компании CARMAT, созданное в \(2013\) году. Французским кардиохирургам и биоинженерам даже удалось пересадить это автономное искусственное сердце нескольким добровольцам. Сам аппарат состоит из двух желудочков и двух насосов, создающих давление внутри полостей и выталкивающих кровь. Насосы контролируются микропроцессором и датчиками, которые похожи на нервные клетки живого сердца, реагирующие на артериальное давление и скорость кровотока. Недостаток  искусственного сердца состоит в том, что аппарат нуждается во внешнем блоке питания, помещающимся в небольшую сумочку и работающем после полной подзарядки в течение \(12\) часов.
Но даже так автономное искусственное сердце – настоящее чудо робототехники в мире биологии!

Нейрокомпьютерные интерфейсы

Параллельно с созданием искусственных органов ученые разрабатывают и нейрокомпьютерные интерфейсы. Нейроинтерфейсы – это фантастическая технология, которая помогает управлять устройствами с помощью импульсов мозга, что дает отличную возможность людям с инвалидностью, особенно парализованным людям, управлять инвалидной коляской, смартфоном, компьютером, умным домом и многим другим.

Недавно компания Neuralink, основанная Илоном Маском, представила чип, соединяющийся с корой головного мозга с помощью наноэлектродов. Такой чип считывает сигналы нервных клеток и передает их по Bluetooth на, скажем, смартфон, чем позволяет человеку управлять своим гаджетом. Основой системы чипа являются специальные “нити” толщиной от \(4\) до \(6\) микрон, которые встраиваются в головной мозг с помощью специальной иглы с использованием нейросетей и компьютерного зрения, чтобы снизить риск задевания сосудов. Президент компании надеется, что, используя именно этот чип, люди с инвалидностью смогут «печатать» до сорока слов в минуту на своем смартфоне или компьютере, просто думая о словах. Таким технологиям остается недалеко до полноценного управления не только смартфонами, но и протезами, с помощью обычной силы мысли.

Заключение

Можно с уверенностью сказать, что интеграция медицины и робототехники во всех смыслах стирает границы между людьми с инвалидностью и физически здоровыми людьми, делая мир вокруг нас по-новому инклюзивным. Ведь именно робототехника в тесной связи с медициной трансформирует жизнь людей с инвалидностью, будучи основой для разработки киберпротезов, экзоскелетов, искусственных органов, нейрокомпьютерных интерфейсов и многого другого. По этой же причине уже сегодня к биомехатронике приковано особое внимание специалистов и ведущих IT-компаний, а инженеры-робототехники находят свое призвание в этой области, улучшая жизни других людей.

Итак, этой статьей об инклюзивной робототехнике мы завершаем цикл “Прелесть робототехники”. Мы рассказали о безграничных возможностях, которые нам предоставляет робототехника, стадиях разработки роботов от задумки до проектирования, олимпиадах по робототехнике. Мы показали, как сделать простого, но полезного робота, чтобы вы, наш дорогой читатель, поняли, как широка и многогранна робототехника.

Мы затронули лишь малую часть огромного мира тайн прекрасной робототехники, надеясь, что вы сами распахнете дверь в такую юную, но ошеломляющую по своей красоте науку!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова

Математика не только формулы. Математика – это все, что нас окружает. В ней важно не только знать теоремы и аксиомы, но и понимать, чувствовать ее фундаментальные принципы. К одному из таких фундаментальных знаний можно отнести теорему Пифагора, с которой мы знакомимся еще в школе на уроках геометрии. Однако, как порой это бывает, учебная программа упускает красоту и изящество самой теоремы, чья роль намного важнее, чем нахождение сторон треугольника; теорема Пифагора находит неисчисляемое множество применений в науке и технике – невозможно переоценить ее значимость.

В этой статье мы познакомимся с историей теоремы Пифагора, узнаем, как чертили прямые углы в Древнем Египте, что такое пифагоровы тройки и какой магией обладает математика, спрятанная в простой теореме о сумме квадратов катетов.

История теоремы Пифагора

Теорема Пифагора:

В любом прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. \[c^2=a^2+b^2 \]

Несмотря на то, что сейчас имя Пифагора навсегда связано с теоремой о квадратах катетов и гипотенузы, мы не имеем никаких сохранившихся письменных свидетельств того, что сам Пифагор открыл и доказал эту теорему. И хотя некоторые авторы античных времен в лице Плутарха и Цицерона считали, что теорему вывел именно Пифагор, первооткрывателем его не назовешь. Что мы знаем наверняка – теорема принадлежит древнейшему периоду пифагорейской математики между VI веком до н. э. и V веком н. э.

Одна скромная глиняная дощечка, найденная археологами XX века в Месопотамии, также выступает против первенства древнегреческого математика. Она наглядно показывает, что теорема могла быть открыта вавилонскими математиками за \(1000\) лет до рождения самого Пифагора.

Эта глиняная табличка, известная как Plimpton 322, датируется примерно XIX-XVI веком до нашей эры. На ней перечислены пятнадцать троек с длинами отрезков, образующих прямоугольный треугольник: \((3, 4, 5)\), \((28, 45, 53)\) и \(65, 72, 97)\), но не \((5, 12, 13)\) или \((8, 15, 17)\), хотя присутствует даже тройка \((12 709, 13 500, 18 541)\)! Получить подобные тройки простым подбором практически невозможно, поэтому ученые предполагают, что автор дощечки знал, как получить больше подобных троек из формулы Пифагора, которая была открыта спустя 1000 лет. Кроме того, Plimpton 322 была написана в том же формате, что и другие административные (не математические) документы того периода. Упоминание пифагоровых троек в подобном “общественном” документе показывает, что теорема Пифагора не являлась математическим открытием для жителей Междуречья, а активно применялась в жизни вавилонян.

На сегодняшний день известно, что задачи и факты, связанные теоремой Пифагора, встречаются и в древнеиндийском трактате VII–V вв. до н.э. «Сульва Сутра», и древнекитайском сочинении «Чжоу-би Суань Цзинь» III–I вв. до н. э., а также в египетских источниках времен фараона Аменемхета I (2300 г. до н.э). Удивительно, как теорема Пифагора занимала умы математиков с древнейших времен. Чего же стоят около 370 разнообразных доказательств, существующих в наши дни!

Доказательство теоремы

В количестве доказательств с теоремой Пифагора не может соревноваться ни одно из существующих математических утверждений. Первоначально, в 1927 году, все эти доказательства были собраны в одну большую книгу по математике и включали доказательство 12-летнего Альберта Эйнштейна, который воспользуется этой теоремой два десятилетия спустя для теории относительности, доказательства Леонардо да Винчи и двадцатого президента США Джеймса Абрам Гарфилда.

С одним из самых простых и красивых доказательств известной теоремы вы могли познакомиться в статье Визуальные доказательства из цикла “В чем прелесть математики”. Здесь же мы представим алгебраическое доказательство этой теоремы, используя один и тот же рисунок.

Нарисуем квадрат со стороной \(a+b\), а внутри – \(4\) прямоугольных треугольника с катетами \(a\), \(b\) и гипотенузой \(c\), расположенных так, как изображено на рисунке слева. Давайте посмотрим на площадь большого квадрата с разных точек зрения: с одной стороны, она равна \( (a+b)^2 \), а с другой, сумме площадей этих пяти частей. Площадь белого квадрата равна \( c^2 \), а каждая из четырех серых прямоугольных треугольников по \( \frac{a \cdot b}{2} \). Тогда \[c^2+4 \cdot\frac{a \cdot b}{2} = (a+b)^2 =a^2+b^2 + 2ab.\] \[c^2+ 2ab = (a+b)^2 =a^2+b^2 + 2ab.\] Таким образом, \[c^2=a^2+b^2.\] Теорема доказана!

Теорема работает и в обратную сторону: если для сторон треугольников выполняется известное \(a^2+b^2 = c^2\), то это непременно прямоугольный треугольник!

Пифагоровы тройки

Как начертить прямой угол? Сейчас ответ на этот вопрос кажется предельно очевидным: либо с помощью транспортира и линейки, либо достаточно тетради в клетку. А что делать строителю из Древнего Египта, не знающему ни о тетрадях, ни о транспортире? Он несомненно использовал бы теорему Пифагора (хотя и не называл бы ее именно так).

Чтобы начертить прямые углы, древние египтяне использовали треугольник \(3-4-5\), который по теореме Пифагора является прямоугольным. Сначала они брали веревку и делали на ней отметки, разбивающие веревку на \(12\) \((3+4+5=12)\) равных частей, затем концы веревки связывались. После этого веревку растягивали в виде треугольника со сторонами \(3-4-5\). Получившийся угол между сторонами \(3\) и \(4\) оказывался прямым – то, что надо! Впоследствии именно этот треугольник со сторонами \(3-4-5\) был назван египетским треугольником – в честь своих первых пользователей.

Однако прямые углы можно чертить с помощью не только египетского, но и любого прямоугольного треугольника, чьи стороны удовлетворяют теореме Пифагора. Если стороны такого треугольника являются целыми числами, то их называют пифагоровыми тройками. Представим несколько таких троек:\[3^2+4^2=5^2, 5^2+12^2=13^2, \] \[8^2+15^2=17^2, \, 9^2+12^2=15^2\]Вы наверняка встречали их в жизни, особенно на контрольных по математике, когда учителя стараются составлять задачи с удобными целочисленными ответами.

Любопытно, что все пифагоровы тройки похожи друг на друга как братья. Давайте посмотрим, как получаются Пифагоровы тройки из одноименной теоремы. Вернемся к нашему уравнению и возьмем некую пифагорову тройку \(a,b,c\):\[c^2=a^2+b^2\]А теперь рассмотрим точно такой же треугольник, но со сторонами в два раза больше\(2a,2b,2c\). Тогда получим:\[(2c)^2=(2a)^2+(2b)^2 \Rightarrow 4c^2=4a^2+4b^2 \Rightarrow c^2 = a^2+b^2.\]Выходит, что эта бóльшая тройка, получившаяся из предыдущей поменьше, так же будет пифагоровой. Например, линейные величины треугольника \(6-8-10\) в \(2\) раза больше, чем у египетского треугольника \(3-4-5\). Умножив стороны на любое другое число, мы получим другие значения, которые образуют новые пифагоровы тройки. Так, треугольник \(9-12-15\) получается при увеличении египетского в \(3\) раза, а \(150-200-250\) – при увеличении в \(50\) раз. Такие тройки называются подобными, потому что они не отличаются по своим свойствам, за исключением масштаба, а исходная тройка, являющаяся основой для ряда пифагоровых троек, называется примитивной.

Обобщения теоремы Пифагора

В теоремах часто есть ограничения или условия, в рамках которых известная математикам формула будет выполняться. Сама теорема Пифагора верна только для прямоугольных треугольников и работает только на плоскости, то есть в двухмерном пространстве. А можно ли обойти эти условия? Как придумать более общие теоремы? На самом деле, эти вопросы являются основной заботой многих математиков-исследователей на протяжении столетий, ведь каждый раз нам приходится разрешать все новые ограничения. Чтобы помочь математикам вписать теоремы и формулы в новые отдаленные от конкретного примера условия, на помощь приходит один из методов математического творчества – обобщение. Так, у теоремы Пифагора, выполняющейся строго в прямоугольных треугольниках на плоскости, есть по крайней мере \(2\) обобщения.

Теорема косинусов

Первым естественным шагом при обобщении теоремы Пифагора является получение утверждения не только для прямоугольных треугольников, но и для всех других – тупоугольных и остроугольных. Как можно выразить одну сторону треугольника, когда мы знаем два другие стороны и угол между ними? Поможет теорема косинусов!

Мы можем выразить сторону \(c\), имея стороны \( a, b\) и угол \( \theta \) между ними, получив уравнение вида: \[c^2= a^ 2 +b^2 - 2ab \cdot \cos{ \theta} \]

Действительно, для прямоугольного треугольника, в котором угол \( \theta = 90^{\circ}\), это утверждение приводит к теореме Пифагора, так как \(\cos{(90^{\circ})} = 0\), а значит \[c^2= a^ 2 +b^2 - 2ab \cdot \cos{90^{\circ} } = a^ 2 +b^2 - 2ab \cdot 0 = a^ 2 +b^2  \]

Диагональ параллелепипеда

Когда прямоугольник расположен на плоскости, легко понять, как использовать теорему Пифагора, чтобы найти длину его диагонали: нужно провести диагональ, делящую прямоугольник на два равных прямоугольных треугольника, и затем найти длину диагонали (гипотенузу) по теореме Пифагора. Это обобщение действует в двухмерном пространстве. А можно ли перейти в наше трехмерное пространство?

Возьмем диагональ параллелепипеда. Как можно найти ее длину? Оказывается, теорема Пифагора помогает и тут: чтобы найти диагональ, нам достаточно применить теорему два раза. Искомая диагональ параллелепипеда – красный отрезок, представленный на рисунке. Обозначим его длину как \(l\), а длину синего отрезка как \(d\). Можно заметить, что синий отрезок – это диагональ обычного прямоугольника в основании, у которого длины сторон равны \(a\) и \(c\). По теореме Пифагора мы получаем: \[d^2 = a ^ 2 + c ^ 2 \] Теперь же мы можем рассмотреть треугольник, для которого красная диагональ является гипотенузой, а стороны – катетами \(d\) и \(b\). Тогда по теореме Пифагора мы получаем: \[ l^2 = d ^ 2 + b^2\] Вспомнив первое уравнение, полученное из треугольника в основании, мы можем переписать выражение как \[ l^2 = d ^ 2 + b^2 = a ^ 2 + b ^ 2 + c ^ 2.\] В итоге получается сумма трех квадратов, что является теоремой Пифагора для трехмерного пространства.

Любопытно, что теорему Пифагора можно обобщить даже для \(n-\)мерного пространства, где получится сумма \(n\) – квадратов.\[d^2 = d^2_1 + d^2_2 + d^2_3 + \cdots + d^2_n\]

Теорема в реальной жизни

Строительство

При известных сторонах прямоугольника, теорема Пифагора позволяет найти длину диагонали. Это применение теоремы часто используется в строительстве, деревообработке или других архитектурных проектах. Рассмотрим один маленький пример: предположим, что вам надо построить двухскатную крышу на уже построенное здание (см. изображение ниже). Если вам известна высота и ширина крыши, которую нужно покрыть, вы можете использовать теорему Пифагора, чтобы найти длину крыши. Например, если высота крыши была бы \(2880\) миллиметров, а ширина \(3300\) миллиметров, то по теореме Пифагора: \[c^2=a^2+b^2 =19184400 =  4380^2\] Значит длина крыши должна быть \(4380\) миллиметров, что можно использовать для покупки необходимого количества строительных материалов.

Короткий путь

Множество приключений начинается с небезызвестной фразы “Я знаю короткий путь”. Но кто же знал, что теорема Пифагора вдруг может положить конец этим внезапным путаницам, когда короткий путь оказывается куда длиннее. Представим: чтобы попасть домой у вас есть готовый маршрут – сначала \(120\) метров на юг, а затем \(50\) метров на запад. Общее расстояние, пройденное по этому маршруту, составит \(170\) метров. Другой способ добраться к дому – пойти на юго-запад по третьей стороне треугольника. Если применить теорему Пифагора для вычисления расстояния, получится: \[ 120^2 + 50^2 = 14400 + 2500 = 16900 = c^2 \Rightarrow c = \sqrt{250000} = 130.\] Тогда прогулка по гипотенузе этого треугольного маршрута будет на \(170-130 = 40\) метров короче, чем прогулка по катетам.

Подобные расчеты будут верны для всех треугольников (вспомните неравенство треугольника), даже не прямоугольных, однако именно в случае прямоугольных треугольников благодаря теореме Пифагора мы можем легко вычислить путь и время, которое можно сэкономить.

Социальные сети

С помощью теоремы Пифагора мы можем разделить любую гипотенузу \(c^2\) на два меньших катета \(a^2 + b^2\). В действительности «гипотенуза» может быть чем угодно: длиной, энергией, работой, отрезком времени или даже количеством людей в социальной сети.

Чтобы увидеть теорему Пифагора в социальных сетях, для начала разберемся что значит “ценность сети” для каждого индивидуального пользователя: чем больше пользователей находятся в какой-то социальной сети, тем полезнее считается сеть для каждого участника. Эта ценность прямо зависит от количества пользователей, ведь подключение нового пользователя означает возможность связаться с большим количеством людей. Роберт Меткалф, со-изобретатель сети Ethernet, сформулировал более формальный закон о математических единицах ценности сети, который затем переименовали в его честь. Закон Меткалфа гласит:

Математическая единица полезности сети пропорциональна квадрату численности пользователей этой сети.

Согласно этому закону, сеть из \(50\) миллионов человек равноценна сумме социальных сетей из \(40\) и \(30\) миллионов человек. Ничего не напоминает? Египетский треугольник со сторонами \(3-4-5\) – примитивная пифагорова тройка. Довольно удивительно: во \(2\)-й и \(3\)-й социальных сетях всего насчитывается \(70\) миллионов человек, но эти сети не являются единым целым. Следовательно, сеть из \(50\) миллионов человек оказывается столь же ценна, как две другие сети вместе взятые.

Так теорема Пифагора разбирается в запутанных социальных сетях и их ценности.

Сортируем книги

Книги в библиотеке или книжных магазинах, как правило, расставляются в алфавитном порядке. И каждый раз, когда библиотека или магазин получают новую партию книг, им необходимо отсортировать эти книги и расставить их в правильном порядке от А до Я. Существует огромное множество способов с разным числом промежуточных операций, с помощью которых можно отсортировать книги. Один из самых простых способов – просмотреть название всех книг и найти ту, что в правильном алфавитном порядке должна быть первой, а затем поставить ее первой по счету на полку. После этого найти книгу, которая должна быть второй, и поставить ее после первой книги на ту полку. Так же третью, четвертую, и наконец \(n\)-ую книгу. Закончив раскладывать все книги, мы получим правильный ряд, расставленный в алфавитном порядке. В итоге получится, что количество действий, сделанных при расстановке, для очень большого количества книг будет примерно пропорционально квадрату количества книг. Именно это свойство помогает нам воспользоваться теоремой Пифагора и известными примитивными тройками:\[\text{Время для } 50 \text{ книг}= \text{Время для } 40 \text{ книг}+ \text{Время для } 30 \text{ книг}.\]Примечательно, что это будет работать с любыми объектами при их сортировки. Если рассмотреть общее количество операций и воспользоваться теоремой Пифагора, то обнаружиться что-то удивительное: количество операций для \(50\) объектов равно количеству операций для \(40\) и \(30\) объектов вместе взятых. Иначе говоря, \(70\) объектов, распределенные между двумя группами, могут быть отсортированы так же быстро, как \(50\) объектов в одной группе. Учитывая эту взаимосвязь, мы можем эффективнее разделить элементы на отдельные группы, а затем отсортировать эти подгруппы. Действительно, именно такой подход используется в быстрой сортировке – одном из лучших методов сортировки общего назначения.

Заключение

Теорема Пифагора – это не просто формула. Теорема Пифагора – сумма квадратов катетов, равная квадрату гипотенузе, изменившая мир. Простое равенство, берущее начало со времен пифагорейской математики, выведенное то ли вавилонскими учеными, то ли действительно Пифагором, смогло создать что-то большое и великое – человеческую цивилизацию. Древний Египет и Месопотамия, строительство домов и архитектура романских и готических соборов, современные социальные сети, радары и навигаторы – все, что связано с человеком, так же связано с теоремой Пифагора. В математике же теорема Пифагора занимает особенное место, и в ее кратком равенстве открывается простор для размышлений ученых всех времен, уверенных, что настоящая математика очаровательна, красива и увлекательна, как сама теорема Пифагора.

Данной статьей мы завершаем цикл "В чем прелесть математики". Мы надеемся, что наши публикации про изящество визуальных доказательств, вероятности и их связь с теоремой Байеса, разрезающих \(2000\) проводов Вовку и Азамата, а также таинственные бесконечности помогли вам взглянуть на математику под другим углом и стали очередным шагом в мире этой прелестной науки.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова

Вступление

За всё время своего существования человечество сталкивалось с большим множеством глобальных потрясений, как голод, мировые войны или пандемии. Но за последние пару столетий ко всем этим “краткосрочным” проблемам присоединилось еще одно затяжное бедствие в виде глобального потепления, которое существенно повлияло на экосистемы, качество воздуха и жизнедеятельность всех живых существ в мире. А всему виною стремительный рост уровня атмосферных загрязнений, вызванных деятельностью человека. В \(1950\) году, например, суммарное количество выбросов углекислого газа было чуть больше \(5\) миллиардов тонн, что примерно в \(2\) раза меньше нынешних годовых выбросов одного Китая, а тот же показатель для всего мира за последние несколько лет перевалил за \(36\) миллиардов тонн углекислого газа в год. [1]

К счастью, современное общество стало всё чаще замечать последствия неконтролируемого индустриального развития двадцатого века, и неравнодушные люди, сплотившись в экологические движения, стали бороться за будущее нашей планеты. Постепенно в нашу жизнь начали внедряться зелёные технологии, а различные экопродукты стали все быстрее набирать популярность.

Многие страны по всему миру объединились против этой техногенной напасти. В \(2015\) году на конференции в Париже, посвященной изменению климата, страны-участницы подписали соглашение о реализации плана по сокращению выбросов парниковых газов на \(50\%\) к \(2050\) году. Так, основной экологической задачей мирового сообщества на данный момент является удержание суммарного повышения температуры атмосферы нашей планеты в пределах \(1.5-2\) градусов по Цельсию в сравнении с показателями до начала двадцатого века. Еще совсем неизвестно, получится ли добиться подобного результата в указанные сроки, но ясно одно: нужно как можно скорее начать принимать эффективные меры. Как технологии помогают справляться с проблемами окружающей среды? В чьих руках находится экологически чистое завтра всей планеты? Давайте же узнаем, почему нынешние инженеры-химики играют ключевую роль на пути к решению и искоренению современных экологических проблем.

Главный виновник проблемы

В своей сущности, загрязнение воздуха вызвано обширной добычей нефти и использованием ископаемого топлива, а также выбросами парниковых газов различными химическими предприятиями. Основной компонент парниковых газов — углекислый газ (\(CO_2\)) — газообразная молекула, состоящая из двух атомов кислорода и одного атома углерода и существующая в линейной форме. По своей природе диоксид углерода малоактивен и нетоксичен, но из-за своего чрезмерно большого количества в атмосфере он все же оказывает негативное воздействие на нашу планету, так как хорошо поглощает инфракрасные лучи солнечного света, тем самым задерживая солнечное тепло и рассеивая его по всем слоям атмосферы. Отсюда и происходит интуитивное название явления «глобальное потепление».

Химическая инженерия окружающей среды посвящена разработке наиболее экономически и технологически приемлемых стратегий для решения многочисленных экологических проблем с применением прикладных концептов химии и физики на реальных системах.

Что касается атмосферных загрязнений, то исследования в прикладной химии как раз сосредоточены на ликвидации углекислого газа, поскольку именно \(CO_2\) признан эталонным стандартом для расчета выбросов парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом Конференции сторон \(1998\) года. [2]

Direct Air Capture

Существует несколько подходов к снижению уровня углекислого газа в атмосфере, и один из них – уменьшение количества новых загрязнений путем очищения производственных выбросов, либо же прямая очистка атмосферного воздуха от уже присутствующего в нем парникового газа. В то время как улавливание с источников выбросов (Onsite Air Capture) является мерой предотвращения, прямое улавливание (Direct Air Capture, DAC) обращает загрязнение атмосферы углекислым газом вспять. Таким образом, различие этих двух способов заключается в концентрации углекислого газа, захватываемого очистительной системой.

Оборудование для улавливания углекислого газа может быть интегрировано с существующими источниками выбросов, концентрация углекислого газа которых гарантированно обеспечит высокую степень разделения, тогда как улавливание \(CO_2\) из атмосферного воздуха, где его доля незначительна, будет затрачивать гораздо больший объем энергоресурсов на нагнетание больших объемов воздуха. Отсюда не сложно догадаться, что для эффективного сбора загрязнений из атмосферы методом DAC установке требуется большее использование возобновляемой энергии, иначе сам процесс будет выделять куда больше парникового газа, чем получится его собрать. Методы улавливания углерода включают разделение на основе химических или физических свойств углекислого газа. Современные полупроницаемые мембраны, основанные на адсорбционных материалах, таких как металлоорганические каркасные структуры (MOF), способны селективно разделять компоненты дымовых газов на отдельные концентрированные потоки. В дополнение к этому широко применяется абсорбция углекислого газа (кислотного оксида) щелочными и амин-содержащими водными растворами.

Давайте рассмотрим поближе общую последовательность химических превращений, задействованных в DAC установке компании Carbon Engineering. [3]

Первым делом углекислый газ поглощается щелочным раствором гидроксида калия.

\[2KOH_{(р-р)} + CO_{2(г)} \rightarrow K_2CO_{3(р-р)} + H_2O_{(ж)}\]

Полученный карбонат калия затем осаждают в виде твердого карбоната кальция, при этом щелочной раствор одновременно возвращается в новый цикл.

Далее, раскаляясь в кальцинаторе, твердые гранулы разлагаются.

Отделив чистый углекислый газ от остальных компонентов газообразных отходов, ученые направляют его на один из последующих этапов: либо на захоронение, либо на утилизацию.

Carbon Capture and Storage

Одной из наиболее экономически и экологически выгодных стратегий по ликвидации углекислого газа является его геологическое захоронение (англ. carbon capture and storage/sequestering — CCS). Собранный \(CO_2\) может быть закачан в полые геологические формации, а плотный солевой слой, лежащий над ними, предотвратит утечку газа обратно в атмосферу. По своей сути углерод, который находился под землей в составе полезных ископаемых, возвращается “домой”, но уже полностью в отработанном виде. В качестве похожей альтернативы, \(CO_2\) можно использовать для повышения нефтеотдачи (Enhanced Oil Recovery — EOR), так как закачиваемый под землю \(CO_2\) способен повышать давление в подземных нефтяных пластах, тем самым ​​выталкивая полезное сырьё наружу и одновременно занимая его место.

На сегодняшний день существует \(5\) полномасштабных геологических хранилищ, достигших значительных успехов в коммерциализации технологий CSS: два находятся в Норвегии (Sleipner и Snøhvit), два CSS-EOR проекта — в Канаде (Weyburn) и США (Rangely), а также один проект по переработке и хранению газа расположен в Алжире (In Salah). Несмотря на один небольшой случай утечки \(CO_2\) в In Salah из-за неисправности устьевого оборудования скважины, все установки подтвердили надежность и безопасность этого инженерного чуда — технологии CSS. [4]

Раз уж углекислый газ является кислотным оксидом и способен растворяться в воде, то можно хранить собранный \(CO_2\) в воде. Еще одно хранилище! Однако не все так просто. Прямое хранение \(CO_2\) в глубоком океане отвергается во всем мире, так как это может привести к подкислению мирового океана и последующему негативному воздействию на морские экосистемы. Химический баланс между водным углекислым газом, гидрокарбонат- и карбонат-ионами чрезвычайно хрупок, и любые изменения сразу же сказываются на нормальной жизнедеятельности морских обитателей.

Получается, что современные методы сбора и захоронения углекислого газа сводят к минимуму прямое участие отработанных парниковых газов в глобальном потеплении, что равносильно полностью отрицательным атмосферным выбросам.

Carbon Capture and Utilization

1) Замкнутый цикл

Другой метод расправы с пойманным \(CO_2\) является утилизация, более известная как улавливание и утилизация углерода (англ. carbon capture and utilization — CCU). Утилизация считается одним из эффективных способов уменьшения выбросов \(CO_2\) за счет конвертации углерода в полезные химические вещества, карбонизацию минералов и выращивание микроводорослей для дальнейшего биосинтеза органических соединений.

В то время как уже знакомый нам метод CSS представляет собой полностью отрицательные выбросы, метод CCU приводит к нулевым выбросам. Иными словами, весь углерод заключается в замкнутый цикл улавливания, переработки и замыкающего сжигания.

А чтобы понять, как происходит утилизация \(CO_2\), нам помогут основы школьной химии, ведь углекислый газ представляет собой форму углерода в его наивысшей возможной степени окисления. Соответственно, для преобразования \(CO_2\) в полезные вещества, в которых углерод встречается с более низкими значениями степени окисления, нужно сначала подвергнуть его восстановлению, например, водородом. Под действием катализаторов и необходимых температурных условий смесь водорода и углекислого газа благополучно превращается в синтез-газ — смесь угарного газа и водяного пара.

Все дальше углубляясь в науку каталитической химии, ученые и инженеры стали применять различные неорганические и металлоорганические катализаторы переходных металлов для превращения смеси водорода, углекислого и угарного газов в искусственное транспортное топливо, которое по количеству выделяемого тепла ничем не уступает дизельному топливу и керосину.

Ниже приведена схема каталитического синтеза молекулы октана \(С_8H_{18}\), составляющую большую долю в дизельной смеси:

Еще с начала двадцатого века данный процесс известен человечеству как синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу. Однако же из-за своей дороговизны получаемое по этой схеме искусственное топливо, на данный момент, не способно конкурировать с дешевым ископаемым. Но не все потеряно! Живет надежда, что этот процесс получит широкое применение в будущем. В сочетании с возобновляемыми источниками энергии, технологией прямого улавливания углерода из воздуха и эффективного получения водорода путем электролиза воды, синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу имеет все шансы обеспечить самодостаточный процесс искусственной циркуляции углерода. [5]

На самом деле, существует множество альтернатив для конвертации углерода: преобразование в полезные полимеры (поликарбонаты и поликарбаматы), легкие горючие вещества (метан, метиловый спирт, этиловый спирт) и другие важные химические соединения, как формальдегид, мочевина, муравьиная кислота, карбоновые кислоты и многие другие. Также, современные исследования в области химической инженерии нацелены именно на поиск наиболее эффективных реактивных систем для многотоннажного производства.

2) Минерализация

Вторым эффективным вариантом переработки углекислого газа является превращение силикатных горных пород в строительные материалы: мрамор, известняк, гипс, а также диоксид кремния для стекольного дела. В данных целях широко используются водные суспензии измельченных минералов — часто встречающихся в природе оливина, волластонита и серпентина.

Оливин:

Волластонит:

Серпентин:

Сам химический процесс минеральной карбонатизации основан на способности ископаемых силикатов магния и кальция реагировать с углекислым газом, в результате чего происходит вытеснение диоксида кремния (\(SiO_2\)) из минерального состава. Всё это возможно благодаря наиболее схожим по своему электронному строению и соответствующим химическим свойствам кремнию и углероду — элементам, занимающим соседние места в IV группе периодической таблицы Менделеева.

Общая химическая реакция:

На примере волластонита реакция будет выглядеть так:

Стоит отметить, что несмотря на экзотермическую природу данной реакции (процесс не нуждается в потреблении энергии, а наоборот выделяет её), энергия, необходимая для добычи и измельчения силикатного сырья, требует значительной подпитки от возобновляемых источников энергии. В противном случае получится так, что выделится больше \(CO_2\), чем получилось его обратить в твердый строительный материал.

Получаемый карбонатный материал используют в строительстве,

для создания береговой защиты из “тетраподов” от морской эрозии

или же в качестве искусственных подводных рифов для сохранения коралловых рифов и их обитателей.

Подобная схема утилизации углекислого газа уже введена в эксплуатацию в рамках второй фазы национальной энергетической программы Тайваня. Отработанный шлак со стального завода China Steel Corporation используется для улавливания и фиксации \(CO_2\) из выхлопных газов предприятия. Затем карбонизированный шлак идет на создание искусственных рифов для водорослей и рыб.

Интересно, что от подобных карбонатных рифов кислотность океана не повышается (как это могло быть, если просто растворить углекислый газ в морской воде), а наоборот уменьшается. А всё потому, что карбонат-ион является основным состоянием углекислого газа в кислотно-основном равновесии. [6]

Сточные воды, содержащие азотсодержащие микроэлементы, могут быть источником питательных веществ для культивирования микроводорослей, способствующих очистке самих сточных вод. Затем культивируемые водоросли используются в качестве корма для океанических организмов или сырья для получения ценных химикатов и биотоплива. Кроме того, для работы системы задействованы преимущественно возобновляемые источники энергии.

3) Микроводоросли

Помимо этого, использование концентрированного потока \(CO_2\) в качестве исходного сырья для выращивания водорослей позволит осуществить биосинтез разнообразного биотоплива и органических материалов. Этот метод CCU приравнивается чистым нулевым выбросам из-за устойчивой циркуляции \(CO_2\).

Согласно технологическим оценкам, на 100 тонн биомассы водорослей можно зафиксировать и перевести в полезные химические вещества около \(1.8\) тонн углекислого газа. [7]

Благодаря фотосинтезу и дальнейшим метаболическим реакциям в микроводорослях можно получить структурные биомолекулы (аминокислоты и углеводы), горючие вещества (метанол, этанол) или же растительные масла. Последние как раз переводятся в биодизельное топливо путем их трансэтерификации — химической реакции, в которой длинный остаток жирной кислоты заменяет связанную с собой молекулу глицерина на метиловый или же этиловый спирт. В результате получившийся биодизель способен выделять количество тепла, сопоставимое с ископаемым источникам энергии.

Преимуществом подобных биомолекулярных технологий является их автономность и широкое разнообразие производимого биосырья. Людям же остаётся лишь ухаживать за этими биозаводами: кормить углекислым газом, давать достаточно солнечного света, и, само собой, обогащать азот- и фосфорсодержащими питательными веществами.

Если фотобиореактор размером в один кубический метр пространства способен конвертировать от \(36\) до \(600\) грамм углекислого газа в биомассу за сутки, а в год нужно утилизировать свыше \(36\) миллиардов тон \(CO_2\), то несложно представить, каких огромных масштабов биотехнологические установки придётся развернуть для коммерциализации данной технологии улавливания и утилизации углерода. В сравнении с традиционными агрокультурами, микроводоросли можно выращивать в изолированных прудах под открытым небом или в фотобиореакторах как в пресной, так и в морской воде, а также на непригодной для сельского хозяйства почве. Именно поэтому культивирование микроводорослей может быть осуществлено без какой-либо конкуренции с сельским хозяйством.

Несмотря на все перечисленные преимущества технологии микроводорослей в борьбе с углекислым газом, существует ряд ограничивающих факторов в их реализации. До сих пор производство биотоплива из микроводорослей уступает производству растительных масел из наземных агрикультур. Основная причина заключается в том, что на предварительную обработку микроводорослей (сбор и сушку), экстракцию масел из клеток водорослей и дальнейшее преобразование биоматериалов расходуется в \(3\)-\(4\) раза больше энергии, чем на подготовку сельскохозяйственных культур. Чтобы получить биотопливо сопоставимое энергии \(3.5\) баррелей нефти, необходимо инвестировать энергию, равной сжиганию от \(1.5\) до \(10\) баррелей нефти в зависимости от типа фотобиореактора. [4]

Другим же минусом является губительное воздействие микроводорослей на экосистему водоемов: баланс в пищевой цепи может быть нарушен более адаптивными микроводорослями, которые способны вытеснить коренных морских обитателей, либо забирая весь свет, либо забирая все необходимые для жизни питательные вещества.

Итог

Загрязнение воздуха уже стало серьезной проблемой для выживания всего живого на Земле, а чрезмерное сжигание углеводородных ресурсов, на которые мы чересчур полагаемся, только ухудшает всю ситуацию. Многие международные организации, такие как Межправительственная группа экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), стремятся снизить повышение температуры воздуха до \(1.5\)-\(2\) градусов Цельсия. Тем не менее тенденция накопления тепла уже существующими парниковыми газами увеличивается с каждым годом. Как утверждает ученый-эколог Университета Штата Аризона Клаус Лакнер из Центра отрицательных выбросов углерода в атмосферу, человечество уже не сдержало это обещание, и только смелые инновации в создании отрицательных выбросов действительно помогут нам справиться с экологической катастрофой вовремя. По его оценкам сбор отработанных газов на месте выбросов (меры предотвращения загрязнений) смогли бы полностью удержать потепление в пределах \(1.5\) градусов Цельсия, если бы производства начали осуществлять эффективные меры по утилизации атмосферных отходов хотя бы в \(80\)-х годах прошлого столетия. Но современные обстоятельства приводят лишь к одному логичному заключению: нам необходимо всесторонне развивать технологии Direct Air Capture, CCS и CCU, и начать напрямую очищать воздух, которым мы дышим. [8]

Но что же делать с энергией? Чтобы начать полномасштабную коммерциализацию энергозатратных мер борьбы с атмосферными загрязнениями, необходим быстрый темп развития возобновляемых источников энергии, или же применение безопасной ядерной энергетики. В противном случае, подпитка очистительных установок энергией от ископаемого топлива приведет к еще большим выбросам углекислого газа, не стоящим его поимки.

Независимо от того, сколько международных конвенций или соглашений увидят свет, судьба нашей планеты напрямую зависит от современных исследований и реализации экологически устойчивых моделей. Кто знает, может и в вас, наш дорогой читатель, кроется тот самый инженер или же исследователь, способный спасти нынешнюю экологическую ситуацию нашей планеты. Главное не забывайте, что Земля...стоит свеч.

References

1. Friedlingstein, P., Jones, M. W., O'Sullivan, M., Andrew, R. M., Hauck, J., Peters, G. P., Peters, W., Pongratz, J., Sitch, S., Le Quéré, C., Bakker, D. C. E., Canadell, J. G., Ciais, P., Jackson, R. B., Anthoni, P., Barbero, L., Bastos, A., Bastrikov, V., Becker, M., Bopp, L., Buitenhuis, E., Chandra, N., Chevallier, F., Chini, L. P., Currie, K. I., Feely, R. A., Gehlen, M., Gilfillan, D., Gkritzalis, T., Goll, D. S., Gruber, N., Gutekunst, S., Harris, I., Haverd, V., Houghton, R. A., Hurtt, G., Ilyina, T., Jain, A. K., Joetzjer, E., Kaplan, J. O., Kato, E., Klein Goldewijk, K., Korsbakken, J. I., Landschützer, P., Lauvset, S. K., Lefèvre, N., Lenton, A., Lienert, S., Lombardozzi, D., Marland, G., McGuire, P. C., Melton, J. R., Metzl, N., Munro, D. R., Nabel, J. E. M. S., Nakaoka, S.-I., Neill, C., Omar, A. M., Ono, T., Peregon, A., Pierrot, D., Poulter, B., Rehder, G., Resplandy, L., Robertson, E., Rödenbeck, C., Séférian, R., Schwinger, J., Smith, N., Tans, P. P., Tian, H., Tilbrook, B., Tubiello, F. N., van der Werf, G. R., Wiltshire, A. J., and Zaehle, S.: Global Carbon Budget 2019, Earth Syst. Sci. Data, 11, 1783–1838, https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019, 2019.
2. Report of the Conference of the Parties on its third session, held at Kyoto from 1 to 11 December 1997 Addendum Part Two: Action taken by the Conference of the Parties at its third session. p31 “Methodological issues related to the Kyoto Protocol”. Conference of the Parties (25 March 1998).
3. “A process for capturing CO2 from the atmosphere” David W. Keith, Geoffrey Holmes, David St. Angelo, Kenton Heidel (2018). https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.05.006
4. “Carbon Capture and Utilisation in the green economy” Peter Styring, Daan Jansen, Heleen de Coninck, Hans Reith, Katy Armstrong. ISBN: 978-0-9572588-1-5 Publisher: The Centre for Low Carbon Futures 2011 and CO2Chem Publishing 2012.
5. “A life cycle assessment of greenhouse gas emissions from direct air capture and Fischer–Tropsch fuel production” by Caroline M. Liu, Navjot K. Sandhu, Sean T. McCoy and Joule A. Bergerson. Received 25th February 2020, Accepted 13th April 2020. DOI: 10.1039/c9se00479c
6. N. T. Prasad et al., "Carbon-dioxide fixation by artificial reef development in marine environment using carbonated slag material from steel plant," OCEANS 2014 - TAIPEI, Taipei, 2014, pp. 1-5, doi: 10.1109/OCEANS-TAIPEI.2014.6964442.
7. Acien Fernandez FG, Gonzalez-Lopez CV, Fernandez Sevilla JM, Molina Grima E (2012) Conversion of CO2 into biomass by microalgae^ how realistic a contribution may it be to significant Co2 removal? Applied Microbiology Biotechnology 96:577-586]
8. Schiffman, Richard. “Why CO2 ‘Air Capture’ Could Be Key to Slowing Global Warming”. Yale E360.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова

Введение

В предыдущих статьях по биологии мы затрагивали такие общеизвестные концепты, как сон, гены и эгоизм. Сегодняшняя же тема посвящается особой связи между двумя полностью различными и несколько далекими системами – нервной и пищеварительной. Наверняка вы сейчас задаетесь вполне логичным вопросом: для чего нужно изучать взаимодействие мозга с кишечником? В первую очередь, эти знания определенно приведут вас в увлекательный мир анатомии и покажут способы лечения многих заболеваний нервной системы вроде болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона. После прочтения этой статьи изменится и ваш взгляд на то, как нужно заботиться о своем здоровье: мы детально рассмотрим, почему важно справляться со стрессом и как это делать, а также разберем, каким образом депрессия отражается на общем состоянии желудочно-кишечного тракта.

Микробиота кишечника

Задумывались ли вы, какое влияние оказывает ваш мозг на процесс пищеварения? На первый взгляд может показаться, что связь между нервной системой и желудочно-кишечным трактом невелика. Однако за долгие годы исследований нашего организма ученые установили, что они образуют единую систему, а сама связь в научном сообществе известна как ось “кишечник-мозг” (от англ. Brain-Gut-Microbiome axis). Оказалось, что кишечная микрофлора (микробиота), в которой обитает огромное разнообразие бактерий, теснейшим образом влияет на центральную нервную систему, а значит и на эмоциональное состояние и самочувствие человека в целом.

Каким образом функционирует ось "кишечник-мозг"?

Тип взаимоотношений между микробиотой кишечника и человеческим организмом – это ярким пример симбиоза, поскольку обе стороны приносят много пользы друг другу. Человек снабжает кишечные бактерии пищей, а те, в свою очередь, синтезируют важные для человека вещества в виде витаминов B и K, а также метаболизируют желчные кислоты и ксенобиотики – чужеродные для организма химические соединения. Эти симбиотические бактерии во многом помогают функционированию желудочно-кишечного тракта.

Для понимания общей целостности функционирования данной системы необходимо провести ее полный разбор с разных точек зрения. Давайте разберем, как именно функционирует ось "кишечник-мозг" с точки зрения биохимии на примере метаболизма триптофана в организме человека. На рисунке 1 кратко описан процесс метаболизма этой чрезвычайно важной аминокислоты.

Метаболизм триптофана проходит по трем различным биохимическим путям. На первом пути (правая ветвь) бактерии, содержащие фермент триптофаназа, превращают триптофан в индол – гетероциклическое ароматическое соединение, входящее в состав гормона ауксина и участвующее в передаче сигнала между клетками.

На втором пути бактерии Clostridium sporogenes сначала превращают триптофан в индол, а затем в \(3\)-индол пропионовую кислоту (IPA), которая выполняет функцию антиоксиданта. Любопытно, что после всасывания через клетки кишечника, IPA деактивирует разрушительные для нервных клеток гидроксильные радикалы, тем самым обеспечивая стабильную работу нервной системы. Также противовоспалительные свойства IPA снижают риск развития ишемии головного мозга и болезни Альцгеймера.

И наконец, нормальное функционирование иммунной системы возможно благодаря третьему метаболическому пути триптофана: здесь происходит синтез вещества, называемого индол-\(3\)-альдегид (I3A) – соединения, способного активировать рецептор, расположенный на мембранной поверхности иммунных клеток кишечника. Это вещество стимулирует естественный синтез интерлейкина-\(22\) (IL-\(22\)) в клетках кишечника, который представляет собой небольшую сигнальную молекулу, участвующую в иммунном ответе. Этот интерлейкин-22 как раз и способствует уменьшению различных воспалений в организме человека.
Вот так кишечная микробиота приносит пользу нашему организму практически на всех фронтах, будь то нервный или иммунный!

Связь микробиоты кишечника с центральной нервной системой

Как известно, регуляция центральной нервной системы идет по двум главным ветвям: нисходящей и восходящей. В регуляции ЦНС важную роль занимают нейроэндокринные механизмы, что означает непосредственное участие кишечной микробиоты в синтезе химических соединений, передающих сигналы за счет взаимодействия с энтероэндокринными (ECC) клетками и иммунной системой слизистой оболочки кишечника. Среди этих синтезированных химических веществ некоторые неполярные молекулы могут преодолевать внеклеточный барьер и, попадая внутрь клеток слизистой кишечника, вступать в происходящие там процессы.

Помимо выработки важных соединений для организма, активирующих внутреннюю передачу сигналов в ЦНС, сигнальные молекулы принимают участие в синтезе нескольких биологически активных веществ, включая гамма-аминомасляной кислоты, норадреналина и дофамина.

Еще один механизм взаимодействия нервной системы с кишечником связан с серотонином, более известным как гормон счастья. Примечательно, что \(95\%\) серотонина в организме находится в клетках эпителия желудочно-кишечного тракта и кишечных нейронах, когда как в пределах ЦНС находится лишь оставшиеся \(5\%\)! Таким образом, микроорганизмы кишечника могут воздействовать на настроение человека, что, в сущности, действует на всю нейронную сеть мозга.

Ранее упомянутый триптофан является предшественником серотонина и других важных метаболитов в оси "кишечник-мозг". Наш организм не способен самостоятельно производить триптофан, поэтому мы получаем его извне – через пищу. Гормон счастья, напротив, синтезируется за счет кишечных бактерий и направляется в клетки мозга.

В чем же тогда заключается роль спорообразующих бактерий Clostridium в обеспечении организма необходимыми химическими веществами? На деле бактерии Clostridium синтезируют сигнальные молекулы, которые стимулируют клетки ECC, повышая доступность триптофана для клеток кишечника. По другому пути аксоны вегетативной нервной системы выделяют серотонин в просвет кишечника, после чего гормон уже захватывается кишечной микрофлорой. Получается, этот вид кишечных бактерий напрямую регулирует синтез серотонина в организме.

Чем вызван патогенез болезни Альцгеймера?

Болезнь Альцгеймера характеризуется деменцией, потерей памяти и в редких случаях смертью. Основной причиной развития данного нейродегенеративного заболевания считается формирование нерастворимого белка, так называемого бета-амилоида, в нервных клетках, вследствие чего погибают нейроны, накопившие эти бета-амилоиды. Самое интересное, что даже малейшие изменения в функции кишечной микробиоты, например проникновение патогена или нарушение жизнеспособности полезных бактерий, в силах вызвать дисбаланс иммунной системы человека, что, в свою очередь, может стать причиной накопления бета-амилоида в нейронах, приводящих к нейровоспалению. Каким образом это происходит? Вспомним, что ЦНС имеет связь с кишечником через две ветви регуляции, и именно через восходящую ветвь микрофлора кишечника влияет на когнитивные процессы. Так, у пациентов с деменцией наблюдается корреляция между воспалительными цитокинами и количеством бактерий Escherichia/Shigella, участвующих в воспалении: чем больше бактерий, тем больше воспалительных молекул. Токсичные продукты жизнедеятельности таких патогенных бактерий, безусловно, попадают в мозг, приводя к накоплению амилоидных фибрилл в нейронах.‌

Влияние кишечной микробиоты на воспаление нейронов

Недавно ученые доказали, что кишечная микробиота непосредственно влияет на взаимодействие между ЦНС и кишечником на разных этапах жизни человека. Результаты экспериментов на лабораторных мышах подтверждают влияние кишечной микробиоты на иммунные клетки нервной ткани. С возрастом человеческий организм испытывает перегрузку иммунной системы, которая приводит к серьезным воспалительным процессам в слизистой кишечника. По этой причине исчезает стабильность и разнообразие микробиоты человеческого кишечника, но, что хуже, в случае продолжительного воспаления немедленно происходит разрушение кишечного барьера.

После разрушения кишечного барьера продукты бактериальной активности и воспалительные сигнальные молекулы по кровеносной системе переходят в гематоэнцефалический барьер головного мозга, в результате чего живые нервные клетки повреждаются по мере заражения нейронов токсическими продуктами воспаления. Таким образом, сбой и чрезмерная активность иммунной системы человека приводят к необратимым последствиям для нервной системы человека.

Практическое применение

Последние клинические исследования, посвященные связи мозга и кишечника, показали большой потенциал лечения желудочно-кишечных неврологических расстройств через воздействие на саму ось "кишечник-мозг". Однако большинство точных механизмов работы компонентов данной системы является неисследованным и по сей день. До сих пор для ученых остается загадкой, как сигнальные молекулы, поступающие из кишечной флоры, преодолевают кровеносный барьер мозга, и каково прямое воздействие этих молекул на нервные центры в головном мозге.

Несмотря на малоизученность оси "кишечник-мозг", было установлено, что стресс приводит к нарушению динамического движения стенок кишечника, задерживая время для освобождения ЖКТ от пищи. Очевидно, такое нарушение негативно сказывается на усвоении питательных веществ для организма, например вышеупомянутых триптофана и серотонина. Экспериментальные результаты, полученные в опытах с животными, сейчас успешно применяются для лечения депрессии и стресса с применением специфических препаратов, направленных на улучшение работы кишечной микрофлоры. В этом смысле зародился новый концепт, называемый психобиотикой – целая отрасль, которая стремится найти инновационные способы помочь людям, страдающим от серьезных психологических отклонений.

Заключение

Хотите позаботиться о своем мозге? Для этого вам нужно позаботиться о своем желудке! Здоровое питание и соблюдение диеты не будут лишними и положительно скажутся на вашем здоровье в долгосрочной перспективе. К тому же, ведение активного образа жизни и занятие спортом не только уменьшают риск развития многих нейродегенеративных заболеваний, но и обеспечивают нормальное функционирование пищеварительной системы.

Ось "кишечник-мозг" – реально существующая связь между пищеварительной и нервной системами, показывающая, что они являются единым целом и влияют на нашу жизнь во всех смыслах. Мозг и кишечник далеки друг от друга, но даже так они остаются связанными!

Данной статьей мы завершаем цикл "В чем прелесть биологии". Рассказав об удивительных особенностях сна, тайных секретах микоризы, важности метаболизма глюкозы, мы надеемся, что вы смогли убедиться в прелести этой потрясающей науки. Однако наши статьи затронули лишь малую часть того огромного мира, что таит биология, и этот мир никогда не поздно начать для себя открывать!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова