Глаза и уши ученого: какими были научные приборы прошлого и во что они превратились

Это счетчик частоты дыхания и пульса – предшественник систем мониторинга на основе компьютерного зрения.

Про аппараты ИВЛ во время пандемии коронавируса COVID-19 узнал почти каждый. Они массово применялись при поражении лёгких. Такие аппараты нужны для поддержания дыхания у людей, лёгкие которых по разным причинам не справляются самостоятельно.

Счётчик дыхания и пульса – фактически секундомер, модифицированный для аппарата искусственной вентиляции лёгких. Прибор встраивался в аппарат ИВЛ и измерял частоту дыхания и пульса в минуту.

Сегодня у нас есть умные браслеты, нагрудные напульсники, мобильные приложения, инфракрасные градусники и множество других девайсов для измерения жизненных показателей. Часть из них может по вашему внешнему виду определить частоту дыхания и сердцебиения, понять, когда вы устали. Такие системы могут, например, вовремя заметить, что авиадиспетчер отвлёкся, а пилот вот-вот заснёт за штурвалом. А еще могут помочь любому водителю автомобиля избежать опасных ситуаций. При помощи методов машинного обучения, компьютерного зрения и ряда алгоритмов российские ученые разрабатывают системы мониторинга состояния автомобилиста.

Так, Алексей Кашевник со своей командой из Университета ИТМО разработал приложение для мобильного телефона, которое анализирует ваш внешний вид и определяет такие состояния, как сонливость и невнимательность. Например, когда водитель отворачивается от дороги, отвлекаясь на пассажира или рекламные вывески.

Система может распознать ситуацию, когда водитель не пристёгнут ремнем безопасности, и это видно на видео. Конечно, когда конец ремня не застёгнут в удерживающем устройстве автомобиля, подаётся звуковой сигнал, но люди часто находят способы обойти это – пристёгивают за креслом, покупают специальные устройства для блокировки. В связи с этим ученые дополняют встроенную систему безопасности визуальным контролем.

Преимущество алгоритмов в том, что они позволяют точно распознавать видео с камеры обычного смартфона несмотря на то, что автомобиль — это сложная среда с постоянно меняющейся освещённостью. Например, если водитель выезжает из тени, солнце засвечивает кадр, и человек как бы пропадает или становится не видно, пристёгнут ли он ремнём. Ученые устранили такие «шумы». Впрочем, для работы в ночное время нужна уже инфракрасная камера, которой нет в смартфонах. Совместно с компанией «СКАУТ — Корпоративные решения» исследователи сделали прототип с инфракрасной камерой, которым можно оснастить автомобиль.

Как работает эта система в смартфоне? Есть набор нейросетевых моделей, которые помогают определить, где находится лицо человека, каков угол наклона, поворота головы, открыты или закрыты глаза, если закрыты, то сколько по времени, и т.п. Приложение определяет, есть ли в кадре ремень безопасности, телефон, сигарета, стакан или бутылка с водой, разные виды фруктов или бургеров. Но недостаточно распознать отдельные кадры, надо объединить результаты распознавания определённой логикой, чтобы анализировать их в совокупности и отфильтровать возможные ошибки распознавания. В итоге для мониторинга водителя ученые создали сложную систему, состоящую из каскада алгоритмов. Приложение доступно для Android-смартфонов в Google Play.

Системы мониторинга состояния человека могут найти широкое применение во всех сферах, особенно на производствах, чтобы, например, отслеживать соблюдение техники безопасности и предотвращать производственные травмы, анализировать степень утомления авиадиспетчеров, водителей, операторов беспилотного транспорта – то есть во всех тех случаях, когда человеку нужна высокая концентрация внимания.

Если встать перед апланатическим зеркалом, можно увидеть своё многократно увеличенное отражение. Но это зеркало применялось не только для демонстрации оптических свойств параболических поверхностей. В 1895 году с помощью этого апланатического зеркала астроном Витольд Цераский оценил температуру Солнца. Он использовал знание о взаимодействии электромагнитного излучения с поверхностью материала.

Параболические зеркала устроены так, что падающий на них параллельный пучок лучей собирается в точке, называемой фокусом. Этот эффект используется как в спутниковых антеннах — «тарелках», так и в зеркальных телескопах. Цераский провёл впечатляющий эксперимент: в ясный весенний день он поставил на улице зеркало, взятое из Политехнического музея, сфокусировал солнечные лучи и нагревал различные вещества.

Исследователь рассуждал так: при помощи теплового излучения, испускаемого каким-либо нагретым телом, можно нагреть другое тело. И самое важное — при этом температура нагреваемого тела не может превысить температуру того объекта, лучи от которого мы используем. Так что если бы Солнце, к примеру, имело температуру в 3000 градусов — в фокусе зеркала можно было бы расплавить лишь предметы, чья точка плавления заметно ниже.

Но опыт показал, что даже огнестойкие кирпичи и самые тугоплавкие материалы из минералогической коллекции Московского университета не выдерживают солнечного жара. Цераский сделал осторожный вывод о том, что температура нашего светила, по всей видимости, никак не меньше 3500 °С. Несколько лет спустя, в 1899-м, немецкий физик Юлиус Шейнер в своей книге «Излучение и температура Солнца» на основе опытов Цераского вывел температуру Солнца — 6600 °С. Это почти совпадает с современными данными.

Представьте: вы кладёте на стол телефон, и он не теряет энергию, а заряжается. Технологии беспроводной передачи энергии избавят человечество от проводов. Передатчик в устройствах изготавливается на основе материалов, свойства которых определяются не только химическим составом, но и структурой — их называют метаматериалами. В будущем метаматериалы, в том числе их двумерные аналоги — метаповерхности, найдут применение в самых разных сферах: медицине, связи, энергетике и оптике.

На самом деле метаматериал — это искусственно созданная структура с уникальными электромагнитными свойствами, которых не существует в природе. Если мы возьмём обычный материал, то при распространении электромагнитной волны через него (либо внутри него) мы получим стандартные свойства, описываемые всем известными уравнениями. Но если мы создадим структуру метаматериала, то волна в нём будет распространяться совсем иначе.

Например, одно из самых известных свойств метаматериала — отрицательный индекс преломления. То есть волна, попадая на метаматериал, преломляется в другую сторону, не так, как преломлялась бы, попадая на обычный материал. Такое свойство, например, позволило создать суперлинзы, которые помогают фокусировать электромагнитную волну со сверхразрешением. И таких интересных эффектов много. Это и распространение обратных волн, и обратный эффект Вавилова-Черенкова.

Объёмные структуры из-за довольно большого размера, необходимого для правильного движения волны, не всегда удобны в практических целях. В 2010-х годах начались исследования метаповерхностей. Это двумерный аналог метаматериалов, некая структура, созданная искусственно, довольно большая только в двух измерениях, при очень маленькой толщине. Такие структуры тоже обладают уникальными свойствами. С помощью метаповерхностей можно управлять распространением электромагнитных волн: амплитудой, фазой, поляризацией, фокусировкой, фильтрованием волны, рассеиванием, преломлением и так далее.

Исследователи из Университета ИТМО во главе с Полиной Капитановой создают технологию беспроводной передачи энергии для зарядки нескольких устройств одновременно. Они занимаются структурами, которые помогают управлять электромагнитными волнами в микроволновом и оптическом спектре. Сейчас совместно с компаниями они работают над прикладным применением метаматериалов.

Это макет установки для непрерывной перегонки нефти. Один из первых в мире, превращающих тяжёлые фракции нефти в более лёгкие.

В основе крекинг-процесса лежит пиролиз – разложение сложных органических соединений на более простые под действием высокой температуры.

Владимир Шухов занялся разработкой оборудования для нефтяной промышленности в середине 1880-х. Тогда он получил заказ на проект кубовых перегонных батарей для первичной переработки нефти. В то время нефть для получения лёгких фракций нагревали напрямую — через разогретые стенки перегонного куба. Таким образом на бакинских заводах из одной тонны сырой нефти получали до 330 литров керосина, который тогда был самым востребованным нефтепродуктом. Остаток же просто сливали в море. Шухов считал, что сырьё можно использовать более рационально.

В течение следующих нескольких лет он совершенствовал метод перегонки нефти и в 1891 году вместе с инженером Сергеем Гавриловым запатентовал первую в мире промышленную линию по производству нефтепродуктов путём термического крекинга. Основная суть проекта Шухова и Гаврилова состояла в том, чтобы исключить прямой нагрев нефти в перегонном кубе. Собственно, от перегонного куба авторы отказались совсем. Вместо него предлагалось использовать систему труб, обогреваемых горячим газом. Такая схема позволяла получать очень широкий спектр нефтепродуктов, включая бензин, который в те годы ещё не пользовался особым спросом.

Бум на мировом бензиновом рынке начался уже в XX веке, и только к середине 1910-х на заводах стали появляться первые трубчатые нефтеперегонные аппараты. Шухов после революции остался в СССР и ещё долго работал над совершенствованием своей технологии. Только в 1934 году в Баку заработала первая советская установка промышленного крекинга по его проекту. Изобретателю тогда было уже 79 лет.

Сегодня заводы по переработке нефти занимают огромные площадки и перерабатывают миллионы тонн сырья. Но особенности архитектуры сооружения теперь не так волнуют специалистов, важнее то, что происходит в самой нефти.

Сама по себе нефть – это смесь углеводородов с различными температурами кипения. Та фракция, которую мы сравнительно легко можем использовать для получения полезных продуктов и которую называют «лёгкой», составляет не более 80% в лёгкой и 30–50% в обычной нефти. Всё остальное — это тяжёлые углеводороды, кипящие при температуре намного выше, чем любое дизельное топливо. Эту фракцию называют мазутом.

Технологии превращения первой фракции направлены на повышение качества топлива, его экологичность. Вторая группа технологий связана с поиском способов превращения «тяжёлой» части в топливные продукты и продукты химии.

Сейчас основная проблема при переработке нефти – это использование совсем тяжёлой части, гудрона, который выглядит как чёрный блестящий камень и кипит при температуре свыше 580 градусов по Цельсию.

Последние 10 лет команда исследователей под руководством директора Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН Антона Максимова как раз и занимается решением этой проблемы. Ученые реализовали идею о том, каким образом можно превратить гудрон фактически в «лёгкую» нефть. То есть получить из гудрона все те фракции, которые можно переработать на стандартном нефтеперерабатывающем заводе.

К гудрону при относительно высокой температуре добавляют специальную эмульсию. При ее преобразовании формируются частицы катализатора, превращающие гудрон в среде водорода. Всё это смешивается с водородом, идут реакции – и «тяжёлая» нефть становится «лёгкой».

Сейчас этот процесс тестируется на опытной установке «Танеко» в Нижнекамске («Татнефть»), перерабатывающая мощность которой составляет 500 тысяч тонн гудрона в год. Нефтеперерабатывающая промышленность – одна из самых масштабных отраслей, и стандартная мощность завода около 10–20 млн тонн нефти, поэтому установки в 200 тысяч тонн считаются малыми, а такие, как эта, – опытными.

На опытной установке исследователи стремятся к показателю конверсии в 95%. То есть 95% перерабатываемого гудрона должны стать полезным продуктом. Оставшиеся 5% – это энергетические затраты на протекание реакции и совсем немного остаточного продукта.

Следующий шаг, над которым работает Максимов, – адаптация этой технологии для переработки полимерных отходов. Такой полимерный «мусор», как полиэтилен, полипропилен, полистирол можно добавлять к тому же гудрону, пропускать через установки и превращать в сырьё для нефтеперерабатывающего завода. Это позволит фактически сократить в нефтепереработке использование такого невозобновляемого ресурса, как нефть.

Это ручной аэрофотоаппарат «Gyrbox» для перфорированной фотопленки. На первый взгляд эта камера – настоящая загадка. На корпусе есть только шильдики с надписями на русском языке. Производитель нигде не указан. Заводская маркировка – только на объективе. Судя по ней, сделан был фотоаппарат в Германии в 30–40-х годах прошлого века. Именно объектив позволил установить его происхождение. В начале Второй мировой войны эта камера дала старт легендарному производителю фотоаппаратуры. Скорее всего, в СССР камера попала в качестве трофея.

Во время Второй мировой войны такие фотоаппараты широко использовалась военно-воздушными силами люфтваффе для аэроразведки. Неудивительно, что, когда весной 1940 года шведским ВВС каким-то образом удалось заполучить целым и невредимым немецкий самолёт-разведчик, на его борту обнаружили именно такую камеру. Конструкция показалась военным настолько удачной, что они решили сделать точную копию. С этой задачей министерство обороны обратилось к известному шведскому изобретателю и фотографу Виктору Хассельбладу. Но Хассельблад пошёл другим путём и сделал на основе немецкого аппарата свою, более совершенную модель. Так на свет появилась Flyghandkamera HK 7 – первое изделие, давшее начало марке Hasselblad. Этому бренду суждено было вскоре стать одним из самых известных производителей высококачественных фотокамер.

Тогда снимки анализировали «на глаз», результаты вручную переносили на карты. Сейчас камеры снимают не только в видимом, но и в инфракрасном диапазоне, а для анализа снимков используют компьютеры.

Можно использовать волны разной длины, менять поляризацию этих волн и угол наблюдения, что позволяет получать множество разных данных. Например, мы можем регистрировать отражённое солнечное излучение и тепловое излучение земной поверхности приборами, которые расположены на спутниках или на воздушных носителях.

Такими методами дистанционного зондирования можно изучать растительный покров – леса, сельскохозяйственные посевы, тундру, степи, болота, пойменную растительность – и узнать, что за растения растут на поверхности, каковы их породно-видовой состав, сомкнутость полога и высота. Мы можем также узнать объём растительной биомассы, то есть не только то, что на участке есть берёзы, но и объём стволовой древесины, вычислить индекс листовой поверхности, то есть площадь листвы – эта характеристика связана с мощностью фотосинтетического аппарата дерева и его ростом.

А это помогает определить долю поглощённой растительностью радиации, а именно фотосинтетически активной радиации, которая используется растением в процессе фотосинтеза. Используя информацию о скорости роста лесов и имея дополнительную информацию в виде математической модели ежегодного нарастания древесины, мы можем определить примерный средний возраст деревьев.

Сергей Барталев из Института космических исследований РАН вместе с коллегами как раз занимается методами дистанционного зондирования Земли из космоса. Эти исследования используют в лесном хозяйстве для оценки лесных ресурсов. Ученые регулярно оценивают состояние лесов после пожаров или вспышек массового размножения насекомых. Те же образом можно следить за процессами рубки леса и его возобновления.

Кроме того, эти данные используют для расчёта бюджета углерода лесов. Речь идёт о том, что большинство учёных в мире связывают изменения климата с нарастанием концентрации парниковых газов в атмосфере. И хотя парниковые газы могут быть разными, их совокупный эффект принято измерять в эквиваленте углекислого газа или баланса углерода: другими словами, в разнице выделенного и поглощенного углерода. Учёт эмиссии углерода промышленностью ведётся и регулируется довольно давно, и это предмет международных соглашений, например Парижского. Есть стратегия низкоуглеродного развития России. Во всех этих документах лесам отводится большая роль: мы стремимся к сокращению выбросов с учётом поглощения углекислого газа наземными экосистемами, прежде всего лесами.

Попытки оценить баланс углерода велись и раньше: учёными и государством. Эти оценки отличались между собой порой в три-пять раз. Дело не только в различиях методики, но прежде всего в данных о лесах: какой-то информации нет, какая-то существенно устарела. Около четырёх лет назад Барталев понял, что их инструментом, основанным на космических технологиях, можно собрать полную и актуальную информацию по характеристикам лесов и пересчитать на основе этого бюджет углерода.

В конечном счёте это все нужно для более эффективного управления лесами. Полученные данные позволяют составить рекомендации по оптимальному управлению лесами, их охране от пожаров и защите от болезней и вредителей, восстановлению лесов после рубок, повышению их продуктивности и устойчивости к воздействию разных деструктивных факторов.

Это биологический микроскоп Гука–Маршалла. Сложные микроскопы с несколькими выпуклыми линзами, трубкой, окулярами и объективами в XVII веке уже существовали. Они давали небольшое, лишь десятикратное увеличение. Но ясное изображение можно было получить только в самом центре поля зрения: по краям картинка теряла чёткость, а белый свет раскладывался в радугу. Такие эффекты в оптической системе называют сферическими и хроматическими аберрациями.

Англичанин Роберт Гук убрал аберрации, добавив между линзами микроскопа диафрагму. Изображение стало более чётким, но при этом значительно потемнело. Чтобы компенсировать это, Гук придумал способ осветить рассматриваемый образец: он фокусировал свет от масляной лампы через дополнительную линзу на подставке и большой стеклянный шар, наполненный водой. Микроскоп конструкции Гука давал увеличение до 150 раз. С его помощью Гук впервые рассмотрел живую клетку и ввёл термин «клетка» в научное употребление.

Англичанин Джон Маршалл немного усовершенствовал конструкцию штатива в микроскопе Гука, добавив шарнир, который позволял установить трубу в трёх положениях – вертикально, под углом или горизонтально.

Сегодня микроскопы стали гораздо больше и глазастее. От самых простых оптических, которые могут разглядеть строение мушки-дрозофилы, летавшей над вашими залежавшимися на столе фруктами, до просвечивающего электронного и сканирующего зондового. Первый похож на трубу и может увидеть отдельные атомы. Второй «бежит» по поверхности материала, своей иголкой выбивает частицы, которые ловят датчики, и восстанавливает тем самым исходную картинку.

А самый большой микроскоп – это, конечно, рентгеновский лазер на свободных электронахXFEL. Точнее это комбинация лазера и микроскопа, исследующего очень быстрые химические реакции, например, в молекулах организма, структуры кристаллов меньше микрометра и много чего еще.

Чтобы лечить и предотвращать болезни, нужно знать их причины. Эти причины часто бывают связаны с генетическими особенностями. Таков, например, диабет: он развивается у многих пациентов с ожирением. При ожирении, но без диабета, может работать защитный механизм. Если расшифровать этот механизм, на его основе можно создать терапию для профилактики диабета и улучшить качество жизни миллионов людей.

Марина Шестакова из НМИЦ эндокринологии вместе с командой изучает связь ожирения и диабета. Исследователи предположили, что у пациентов без диабета есть какой-то защитный механизм – ген, клетка, что-то ещё – и решили это найти, чтобы, возможно, в будущем на основе этого разработать терапию. Решение этой задачи позволило бы серьёзно улучшить качество жизни больных ожирением.

С помощью конфокального микроскопа ученые посмотрели образцы здоровых и больных людей и обнаружили, что клетки жира у больных с диабетом воспалены – атакованы клетками иммунной системы, «плохими» макрофагами. Это воспаление (а если быть точнее, то субклиническое или локально-тканевое воспаление) вызывает невосприимчивость жира к инсулину.

Взрослые жировые клетки не делятся, но у всех жировых клеток есть родоначальники – стволовые клетки. И если человек избыточно питается, то в норме у него из стволовых клеток образуются новые жировые клетки, куда жир и запасается. Человек будет расти в размерах, но поскольку ему есть куда отложить этот жир подкожно, то жир не пойдёт в органы. Однако если стволовые клетки «сломаны» и новые жировые клетки не создаются, то жир можно отложить, только перерастягивая уже имеющиеся клетки. Но если и этого не хватает, то жир идёт в органы брюшной полости, и вот тут уже начинается диабет. То есть проблема – в стволовых клетках.

Ученые задались вопросом, чем отличаются стволовые клетки у испытуемых, обратились к генетическим факторам и обнаружили поломку на уровне генов. Оказалось, что у больных диабетом «выключены» гены, отвечающие за образование новых жировых клеток из стволовых. Значит, можно помочь пациентам не заболеть диабетом, если активировать эти гены.

Это один из самых высокотехнологичных и дорогих устройств, какие можно было бы встретить в середине XIX столетия, — морской хронометр. Это был важнейший инструмент для навигации и точного определения координат в открытом море.

Хрономер позволял узнать, который сейчас час в каком-либо городе мира, например в Санкт-Петербурге. А определив местное время по солнечным часам или звёздам, моряки могли выяснить разницу между петербургским и местным временем. Эта разница и даёт возможность вычислить географическую долготу, на которой находится корабль.

Изготовление хронометров было столь же высокотехнологичным для своего времени делом, как сегодня, например, разработка микропроцессоров. Требовалась особо точная металлообработка, качественная сталь и сплавы, а также множество ноу-хау для обеспечения стабильной работы в тяжёлых для тонкой механики условиях.

Тонкая спиральная пружинка, колебания которой и отвечают за отсчёт равных интервалов времени, сделана не просто из упругой стали, а из стали в сочетании с латунью. При изменении температур эти металлы по-разному расширяются и их взаимодействие обеспечивает сохранение точности механизма как в арктические морозы, так и во время тропических рейсов. А чтобы хронометр одинаково работал и при туго заведённой ходовой пружине, и когда завод подошёл к концу, мастер применил механизм на основе роликовой цепи, устройство которой напоминает велосипедную.

Эти решения, воплощённые в навигационном приборе возрастом более полутора столетий, используются в механических часах и сегодня — причём именно в высокоточных дорогих морских хронометрах.

Ботаника сильно изменилась за последние десятилетия. Ещё двадцать лет назад работа ботаников в основном заключалась в сборе данных: мы ходили в лес, собирали гербарные коллекции, на их основе писали статьи. Сейчас у нас в руках смартфон с приёмниками спутникового сигнала и цифровыми картами, который позволяет детально документировать биоразнообразие. Базы данных, которые мы создаём, помогут понять о природе гораздо больше, чем мы понимаем сейчас.

Например, Алексей Серегин из МГУ со своей командой создал и развивает атлас флоры России. Для визуализации собранной информации ученые используют метод сеточного картирования. Это когда вся территория страны разбита на квадраты 100 км на 100 км, итого 2000 квадратиков. Философия метода заключается в том, что если вид хотя бы раз встречается в квадрате, ученые его закрашивают и считают, что вид присутствует на этой территории. То есть сеточное картирование — это метод экстраполяции данных на территорию. Но даже несмотря на то, что ячейки такие крупные, по некоторым территориям, например по таёжной зоне Красноярского края и Якутии, у исследователей нет никаких данных.

Серегин с коллегами сам собирает информацию о растениях в разных местах по всей стране. Иногда в одни и те же места возвращаются по нескольку раз с перерывом в десять лет. Длительный мониторинг позволяет узнать, как меняется флора: с одной стороны, в результате деятельности человека, с другой — существования особо охраняемых природных территорий и с третьей — в результате природных изменений.

Кроме этого, ученые используют данные большого волонтёрского проекта «Флора России» на платформе iNaturalist, туда люди загружают снимки растений, чтобы узнать, что вокруг них растёт. Человек фотографирует растение на камеру смартфона, она загружается на платформу уже с геометкой и временем, далее искусственный интеллект распознаёт изображение, а эксперты подтверждают.

Другой источник информации — это работа с уже существующими гербарными фондами и их оцифровка. Ученые отсканировали большую коллекцию Гербария МГУ — более миллиона образцов, про каждый из них введены минимальные метаданные: что это за вид, id и географическая привязка с точностью до области.

Результат работы со всеми видами источников — это огромный массив структурированной информации о распространении растений в нашей стране, который находится в открытом доступе. То есть любой человек может узнать с достаточно высокой точностью — в радиусе 5 км — кто и когда какие растения описал в интересующей вас местности, список видов со всеми метаданными. Это может пригодиться учёным, любителям или, например, при строительстве инфраструктуры, чтобы знать, сколько «краснокнижных» растений на пути строительства дороги.