Графен, бетон и сплавы: Владимир Комлев о том, как наука о материалах изменит человека и общество

Принято считать, что будущее пишут программисты. Но оно создается и там, где физика встречается с биологией. Материалы становятся главными агентами изменений: нейроимпланты, регенеративная медицина, климатическая архитектура. Что определит новый облик цивилизации? Кто он — человек будущего, керамический киборг? И где проходит граница между серьезной наукой и «биомагией»? О мире под микроскопом: герой нашего интервью — Владимир Сергеевич Комлев, член‑корреспондент РАН, профессор РАН и МГУ, руководитель Института металлургии и материаловедения имени Байкова.

 — Владимир Сергеевич, с чего начинается работа над материалами будущего? С технологического запроса, философского видения или же научного любопытства?

 — Разработка и создание новых материалов является комплексной задачей и включает в себя различные этапы. Это некий системный процесс или последовательность взаимосвязанных процессов, например, общение с коллегами на научных мероприятиях (семинарах, конференциях, форумах) создаёт почву для появления идей и их последующей реализации в научных исследованиях. Бывает иначе: проект реализуется для реального сектора экономики с определенным техническим заданием, порой недоработанным. Составляется основная задача, оценивается сама возможность реализации проекта, корректируется технические задание и только потом инициируется сама работа. Иногда появляются идеи интуитивно, — в результате философского взгляда на окружающий мир, наблюдения природных явлений, — вызванные простым желанием разобраться, достижима цель или нет. Зачастую результаты оказываются неожиданными или отрицательными — кстати, в науке нет понятия отрицательного результата: полученные выводы трансформируются в полезные знания и технологические прорывы в дальнейшем. В настоящее время активно используют искусственный интеллект (ИИ) для создания новых материалов, включая в себя сбор данных, анализ и выявление закономерностей, генерацию новых составов с заданными свойствами. Очевидное преимущество ИИ — способность находить уникальные решения при анализе больших объемов данных и экономия времени.

 — Как современная наука о материалах изменяет границы человеческого тела и повышает возможности его восстановления? Существует ли предел подобным возможностям?

 — Я так понимаю, что речь пойдёт о трансгуманизме.

Позвольте сразу вас разочаровать: думаю, неизбежность смерти понятна каждому человеку. Я сам не поддерживаю концепцию трансгуманизма и считаю, что устройство мира гораздо более сложное и достижениями науки и технологий все проблемы не решить. Тем не менее в нём присутствуют элементы разумности, например, в области медицины, где научно-техническое развитие позволило существенно уменьшить время реабилитации пациентов после тяжёлых хирургических операций. Увеличилась средняя продолжительность жизни человека. Некоторые заболевания, которые казались неизлечимыми и вели к летальному исходу еще несколько десятилетий назад, сейчас не представляют серьезных сложностей для системы здравоохранения. Вообще, научный прогресс в медицине обусловлен многовекторностью направлений, включая в себя развитие искусственного интеллекта, генной терапии, робототехники, цифровых технологий, регенеративной медицины, тканевой инженерии и пр.

По моему мнению, в той же самой регенеративной медицине или тканевой инженерии идея заключается в том, что мы должны использовать ресурс организма человека — он может сделать основную работу сам. Чтобы заместить поврежденную ткань, нужна имплантируемая конструкция на основе керамики или полимеров, или металлов с различными биологическими факторами (клетки, протеины, генные конструкции) — понятно, на пустом месте ничего не вырастет. Тканевые инженеры создают все более впечатляющие прототипы, но до «золотого стандарта» — нативной ткани самого пациента — еще очень далеко. Главная причина — ткань состоит из разных типов клеток, она должна быть пронизана сетью сосудов, нервными и лимфатическими путями. Каждая клетка должна поверить, что она часть организма — ей нужны правильная кислотность, механическое напряжение, концентрация кислорода, сигнальные молекулы, связи с другими клетками. Большую роль играет материал-носитель. Организм должен его воспринимать как свой. Вы не можете это просто имитировать с существующими возможностями химии, науки о материалах, биологии. Не говоря уже об иммунной системе — она считает искусственную конструкцию инородным телом и атакует его, капсулирует и выбрасывает из организма. Для решения этих задач должен быть изменен подход к разработке таких материалов, включающий персонализацию, выявление молекулярных мишеней, программирование иммунного ответа и только после этого синтез адаптивных/автономных конструкций с каталитическими свойствами системы. Сейчас все происходит ровно наоборот. Например, разработка металлических имплантатов эмпирическим путем — только подбор различных компонентов состава будет составлять порядка 10108 вариантов.

 — Значит, превращение людей в киборгов пока лишь отдалённая перспектива?

 — Думаю, что киборгами мы не станем. Разумнее создать искусственного киборга, нежели экспериментировать с человеком в этом плане. Скорее всего, мы будем постепенно погружаться в цифровую матрицу, формируя свою личность в виртуальном пространстве. Цифровизация дает возможность воспроизвести любые ощущения настолько реалистично, что физическое присутствие перестанет играть ключевую роль. Люди предпочтут после рабочего дня дома расслабиться, погрузившись в виртуальную реальность, наслаждаясь чувством пребывания на яхте посреди океана, вкусным вином и ароматом соленого ветра. Такие чувства окажутся настолько убедительны, что смогут удовлетворить потребности мозга.

Тем не менее лично я придерживаюсь иной точки зрения, основанной на утверждении известного путешественника и ученого Николая Николаевича Миклухо-Маклая: единственный способ познать истину — увидеть собственными глазами.

 — Говоря о новой телесности и изменении представлений о человеке, возможна ли ситуация, когда человек станет частью искусственно созданных материалов? И какие социальные преобразования, по вашему мнению, повлечёт за собой подобная трансформация?

 — Представляя человека, целиком состоящий из искусственных материалов, мы вновь попадаем в сферу фантазии. Вспомним известный роман Александра Беляева «Голова профессора Доуэля», где главный герой обладал головой, отделённой от тела. Основная гипотеза предполагает, что в ближайшие годы подключение мозга к специальному интерфейсу откроет двери для полного соединения остальных частей тела с синтетическими компонентами. Частично это уже происходит. Медицинские изделия — имплантаты, биосенсоры и пр. вживляются в организм человека для выполнения функций отсутствующих органов или тканей.

Уже сейчас применяются природные технологии, позволяющие выращивать ткани в лабораториях. Полученные искусственные «живые» конструкции используют в клинической медицине, хотя этот подход дорог и сложен сейчас. В будущем затраты снизятся, и подобные процедуры войдут в обычную медицинскую практику.

 — Как вы считаете, как скажется появление новой телесности, когда человек сочетает в себе родные ткани и искусственные компоненты, на его сознание?

 — Данная проблема затрагивает социальную трансформацию. Она может привести к повышенной замкнутости людей. Уже сейчас мы наблюдаем снижение уровня социального взаимодействия. Утрата социальных контактов негативно сказывается на психоэмоциональном здоровье, ибо человек по своей природе существо социальное. Надо задуматься о мерах, направленных на поддержание социальных связей, принимая во внимание необходимость противодействия негативным последствиям технологического прогресса.

 — То есть фокусируемся на индивидуальных переживаниях?

 — Человек нуждается в социальных связях, будь то семья, друзья или коллеги. Жизнь вне коллективного пространства разрушительна. Очевидно, что каждое новое достижение приносит пользу в одном секторе, одновременно вызывая негативные эффекты в другом. Эту диалектику важно учитывать при принятии любых важных решений. При появлении новых продуктов важно заранее оценивать их воздействие на общество, экономику, экологию и т. д. Разработчики редко уделяют должное внимание таким факторам, сосредотачиваясь преимущественно на технической составляющей. Простой пример: высокотехнологический продукт — мобильный телефон — вроде бы удобен для всех сфер жизни как инструмент, но уже есть целое поколение, которые живет в них и больше их ничего не интересует.

 — Владимир Сергеевич, поднимая тему этики, существуют ли какие-то этические конфликты, которые есть, например, в генетике или при работе с искусственным интеллектом? Как вы думаете, где проходит эта граница допустимого при работе с искусственными тканями и вживлением в человека?

 — Это непростой вопрос. Если начинать с основ, то этика базируется на человеческих ценностях. Надо признать, что порой этот параметр вариабелен. То, что нельзя было вчера, уже сегодня воспринимается как обыденность — и наоборот. Опять же, надо учитывать и социальные последствия в развитии научно-технологического прогресса, в том числе ИИ, такие как нарушение прав человека, конфиденциальности и пр. Искусственный интеллект активно внедряется во все сферы жизни, в том числе в разработку новых материалов в медицине. Одновременно с этим возникают этические проблемы, связанные с применением машинного анализа данных. По моему мнению, основной проблемой является неконтролируемое развитие ИИ, что может привести к деструктивным последствиям — несправедливые и неправильные решения по отношению к человеку. В России идет активная фаза регулирования этих вопросов, проработка нормативных документов, установление стандартов, определенного уровня, индикаторов безопасности и пр.

В медицине этические нормы более устойчивы и зарегулированы. Невозможно провести какое-либо научное исследование без соблюдения этических норм. Даже доклинические исследования на животных проходят процедуру согласования через этический комитет. Можно привести яркие примеры в регенеративной медицине. Например, эмбриональные клетки используются только для научных исследований. Уникальность их заключается в плюрипотетности (способность превращаться в любые типы клеток), что открывает широкие перспективы для восстановления тканей и органов. Однако клиническое использование ограничено по этическим соображениям. Другой пример из тканевой инженерии — использование аутоиммунных тканей (взятых непосредственно от пациента), безусловно, считается идеальным вариантом, но и тут имеются ограничения, связанные с объемом доступной ткани. Более сложная задача связан с алло- и ксенотрансплантацией, предполагающим забор тканей от умершего человека или животного, соответственно. Каждая процедура сопровождаеися серьёзными юридическими и этическими нюансами. Наконец, репродуктивное планирование запрещено во всем мире.

 — Выходит, что этика должна стоять на первом месте при проведении подобных исследований?

 — Безусловно, этика важна. Но здесь нельзя что-то ставить на первое место, потому что все важно: компетенции специалистов, современное оборудование, направление исследования, актуальность и практическая значимость, соблюдение этических принципов. Исследователи должны учитывать возможные негативные воздействия своих изобретений на экономику, социальные структуры и экосистемы. Лишь всесторонний подход гарантирует ответственное развитие науки.

 — Насколько активно Вы исследуете и заимствуете принципы природы при разработке новых материалов?

 — В наших научных исследованиях природоподобие — это основа. Оно базируется на попытках повторить природные механизмы, сформировавшиеся за миллионы лет эволюции. Современные биометрические подходы предполагают изучение природных структур и их повторение в искусственных системах. Наиболее распространённым примером является создание поверхностей, покрытых специальными покрытиями, сходными с натуральной тканью. Например, покрытие титанового имплантата слоями биомиметического апатита, близкого по структуре к костям человека, обеспечивает надёжное сцепление и снижает вероятность осложнений. Другой пример — создание биореакторов, позволяющих контролировать температурные режимы, состав среды и давление, приближая условия выращивания тканей к естественным. Это критически важно для успешной регенерации поврежденных участков тела. Методы, основанные на природоподобии, остаются дорогостоящими, но в ряде случаев они оправданы результатами: биоактивные покрытия, используемые в ортопедических устройствах, позволяют увеличить эффективность интеграции имплантата.

 — Насколько ощутимы нынешние геополитические конфликты и санкции на ваших текущих исследованиях и доступе к научным материалам?

 — В научном плане, конечно, есть какие-то определённые ограничения, рестрикции. Мое мнение: наука — международная. И меня так учили. В науке нет границ. Всегда проводились различные научные мероприятия в различных странах. Сейчас это немного ограничено, и вектор у нас больше в сторону глобального юга, на азиатские страны. Мы взаимодействуем с Китаем, Индией, Ираном в этом направлении. И меньше контактов сейчас с европейскими странами, Соединенными Штатами Америки. Российская наука сохранила независимость и продолжает развиваться. Национальные программы поддерживают обновление материальной базы университетов и научных организаций, стимулируя развитие отечественного оборудования.

За последние несколько лет были случаи, когда по какой-то либо причине эксперт, который проводил рецензию, отказывал. Было понятно, что этот отказ носит формальный характер, что он связан с геополитикой. Но эти случаи, я бы сказал, единичны. Понимаете, в мире тысяча журналов, десятки тысяч, сотни тысяч журналов по разным направлениям, и в области тканевой инженерии более тысячи журналов. Отказались здесь опубликовать — опубликуем в другом месте. Ничего страшного в этом нет.

В конечном счете качественный научный труд и профессиональный подход позволяют российским специалистам оставаться конкурентными на международном рынке. Проблемы, конечно, сохраняются, но они преодолимы — научную мысль не остановить.

 — Чувствуете ли вы отставание российской науки от западных коллег в свете перечисленных обстоятельств?

 — Наша страна сохраняет сильные позиции в фундаментальных исследованиях, обладая значительным количеством талантов и свежих идей. Определённую сложность создает недостаточная кооперация между академическими институтами и предприятиями, замедляющая выход новых разработок на рынок. Несмотря на это, российское материаловедение располагает сильными традициями и талантливыми специалистами, способными предложить оригинальные решения.

 — Бывают «цивилизационно определяющие материалы» — такие как железо, кремний или графен. Что может стать следующим таким материалом?

 — Интересный вопрос. Исторически каждая эпоха характеризовалась доминирующим материалом: будь то каменный век, бронзовый или железный. Сегодня железный век продолжается, но параллельно открывается новое направление — например, материалы на основе углерода. Они отличаются уникальной прочностью, лёгкостью и электропроводимостью, предоставляя беспрецедентные возможности для строительства лёгких самолётов, космических аппаратов и сверхпрочных конструкций. Высокопрочный пластик и углеродные композиты способны заменить традиционные металлические сплавы, сделав конструкцию значительно эффективнее и экономичнее.

Сейчас цифровые технологии определяют перспективы развития, а в искусственном интеллекте достаточно большое количество направлений и достаточно проблем существует с его развитием и внедрением в различные аспекты — как науки и технологий, так и производства. Нам нужен большой объем данных для того чтобы быстро и эффективно получить какое-то решение, который зачастую утрачен или отсутствует.

Вместе с тем нельзя недооценивать важность традиционных металлов, пластмассы и стекла, использующихся повсеместно. Эти материалы останутся востребованными ещё долгие годы, дополняя новые решения и служа фундаментом нашего материального мира.

 — Если представить город будущего, какой материал ляжет в его основу?

 — Город будущего будет строиться на принципах экономии энергии, повышения комфорта и оптимизации пространственного планирования. Центральную роль сыграют высокоэффективные конструкционные материалы, обладающие низким весом, длительным сроком службы и способностью перерабатываться вторично.

Могу осторожно предположить, что главным кандидатом выступает углерод — один из самых интересных материалов, который в среднесрочной перспективе видится перспективным для широкого применения. На мой взгляд, город будущего будет отличаться высоким уровнем цифровизации, автоматизации и управляемости.

 — Возвращаясь к вопросу этики, где, по вашему мнению, проходит черта между человеком как сознательным субъектом и объектом инженерии?

Человек вообще всегда объект. Нельзя относиться к человеку субъективно, и подход всегда персональный.

 — Завершающий вопрос. Есть ли шансы у России войти в число лидеров в области материаловедения будущего?

 — Оценивая ситуацию объективно, Россия обладает всеми предпосылками для занятия достойного места в ряду ведущих стран-материаловедов. Страна славится сильными школами химической физики, металлургии и механики твёрдых тел, имеющими мировое признание. Научные центры Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Томска, Екатеринбурга регулярно публикуют исследования высокого уровня.

Недостаток проявляется в слабом трансфере технологий из университетских лабораторий, научных институтов в реальный сектор экономики. Связь между бизнесом и наукой пока налажена слабо, финансирование исследований осуществляется фрагментарно, а инновационные продукты медленно доходят до потребителя.

Чтобы исправить ситуацию, необходимо реформирование образовательных учреждений, поддержка стартапов и венчурного капитала, стимулы для предпринимателей, желающих вложиться в новые технологии. Система патентования и защиты интеллектуальной собственности также требует совершенствования, чтобы избежать утечки ценных идей за рубеж.

Считаю, что российская наука полна талантливых кадров, готовых решать амбициозные задачи. При наличии необходимой финансовой и административной поддержки российский материаловедческий кластер способен стать лидером фундаментальных исследований в некоторых сегментах рынка и сыграть значительную роль в формировании промышленного ландшафта XXI века.