Как напечатать все, что угодно

В 2018 году в Московском университете было решено создать Центр коллективного пользования учебно-научным оборудованием для технологий и инжиниринга (ЦКП), на базе которого был создан Центр аддитивных технологий и фотоники (Центр). В последнем разрабатывается широкий спектр технологий для разных областей науки. О работе центра рассказал его координатор Александр Петров

При поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» (075-15-2024-571 от 14.05.2024) готовится выпуск сборника «За науку: ученые о… человеке, мире, математике (Прорывы в российской науке)», в который войдет данная статья. Параллельно она выходит в журнале «Стимул»

А лександр Петров — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета и Института искусственного интеллекта МГУ, координатор Центра аддитивных технологий и фотоники.Центр занимается прикладными высокотехнологичными разработками на стыке фотоники, аддитивных технологий, материаловедения и искусственного интеллекта. На его площадке работают сотрудники физического и химического факультетов, а также факультета наук о материалах.

Нашу беседу с Александром Петровым мы начали с просьбы рассказать о самых интересных и актуальных разработках центра.

— Исходно центр создавался под аддитивные технологии, и мы много занимались 3D-печатью. У нас была большая совместная разработка с ОК «Русал». Мы разрабатывали для них порошки новых сплавов, подбирали режимы печати, все это тестировали, проводили испытания — разрывные, металлографические и так далее. На этой разработке мы довольно плотно сработались с представителями химического факультета и факультета наук о материалах, поскольку у них была большая материаловедческая экспертиза. По итогам было решено продолжить совместные разработки, и был сформирован центр, где мы продолжаем вместе работать. Междисциплинарность — очень важная составляющая в современных разработках.

Похожий междисциплинарный проект, который реализуется сейчас в МГУ, называется «Фундаментальные и прикладные нейротехнологии». Он вовлекает компетенции самых разных факультетов: инженерная компетенция сосредоточена на физическом факультете, материаловедческая — на химическом и факультете наук о материалах, биологическая — в Научно-исследовательском институте физико-химической биологии имени Белозерского, НИИФХБ. Университет в этом плане уникальное место, потому что практически под любой научный проект в нем найдутся сильные специалисты, из которых можно сформировать трудовой коллектив для успешной реализации разработок. Такая научная экосистема.

А в Институте искусственного интеллекта в рамках этого проекта ведется разработка инвазивных нейроинтерфейсов, в которой мы приняли участие наравне с механико-математическим факультетом, НИИФХБ, а также специалистами в области искусственного интеллекта, которые отвечает за алгоритмы обработки сигналов.

— Сигналов чего?

— Сигналов, которые мы снимаем при помощи нейроинтерфейсов с нервной системы. Под нейроинтерфейсами в данном контексте я понимаю в первую очередь электродную часть, которая либо накладывается на периферийную нервную систему, либо вводится в центральную. Для самых разных целей. Это и лечение различных нейродегенеративных болезней по типу Паркинсона, болевых синдромов, которые медикаментозно не лечатся, эпилепсий и прочего.

— То есть с помощью какого-то электрического воздействия?

— Да, это и электроды, которые имплантируют напрямую в мозг для гашения спонтанной активности, и электроды для очувствления протезов, например. Последнее — это электроды для периферийной нервной системы, которые позволяют с датчиков этой искусственной руки принимать сигналы и передавать их через периферийную систему далее в мозг, для того чтобы вы могли ощущать искусственной рукой свойства предметов — мягкое/твердое или горячее/холодное. Это дает дополнительное измерение владения протезом.

 Печать с микронным разрешением выполняется на 3D-принтере собственной разработки, который собрал наш молодой сотрудник. Этот принтер печатает с разрешением четыре микрона. Это полностью самостоятельная разработка: проектирование, сборка, программирование, прошивка, отладка, отработка режимов печати

А у нас в центре реализован широкий набор технологий и имеется необходимое оборудование для решения возникающих технических задач, для прототипирования и инжиниринга: это и литография, и напыление, и нанесение тонких пленок, и лазерная абляция.

— Это что такое?

— Лазерная абляция — это взаимодействие лазерного излучения с веществом, которое приводит к испарению материала. Используется эффект для структурирования поверхности лазерным лучом.

— То есть рисунок рисуется лучом?

— Да. Потом у нас идет травление, и мы удаляем все лишнее. И в результате получаются вот такие пленочные электроды. И этот электрод как раз устанавливается в контакт с нервной системой: либо обматывает нерв, либо выстилается на поверхность мозга.

— Это после какой-то операции?

— Конечно.

— Я думал, что прямо прикладывается к черепу, такие бывают тоже…

— То, о чем вы говорите, — это для электроэнцефалографии, а у нас именно инвазивный нейроинтерфейс. Бывают неинвазивные, выполненные в форме шапочки или провода вокруг головы, которые сквозь кости, кожу, сквозь соединительные ткани улавливают сигналы. У нас именно непосредственный контакт с нервной тканью.

— Это считывание или стимуляция?

— Это может быть и то и другое. Нам интересно и картирование нервной деятельности, и непосредственное воздействие на нее.

— Лазерная абляция, о которой вы рассказали, чем-то напоминает фотолитографию, применяемую при изготовлении, например, процессоров…

— Конечно. Сам процесс литографии используется в очень разных технологиях. Например, для маскирования подложки фотополимером, как в микроэлектронных процессах. Есть микростереолитография — 3D-микропечать методом послойной фотополимеризации светочувствительных смол. Есть лазерная интерференционная литография, когда на поверхности материала создаются периодические интерференционные картины для модуляции рельефа. Есть технологии 3D-печати, которая называется «двухфотонная лазерная литография». Это фотополимеризация в фокальной области за счет нелинейного эффекта двухфотонного поглощения. То есть сам лазер светит на инфракрасной длине волны, а полимеризация происходит на удвоенной частоте, в ультрафиолете.

Данный метод даже позволяет печатать сквозь напечатанный фоторезист, что дает возможность изготавливать изделия самой сложной геометрии. В частности, в рамках совместной работы Центра фотоники и аддитивных технологий и БФУ имени Канта мы печатали рентгеновскую преломляющую оптику — массивы микролинз. Тема очень красивая, так как позволяет изготавливать при помощи 3D-печати микроразмерные трансфокаторы в формате lab-on-chip для синхротронов третьего поколения на замену массивных бериллиевых. Подобные трансфокаторы мы характеризовали на источнике ESRF в Гренобле и DESY в Гамбурге.

— Но сейчас главное направление вашей работы — это разработка и изготовление вот этих нейроконтактов? Или более широкая задача?

— Задача, конечно, более широкая. Всем проектом «Фундаментальные и прикладные нейротехнологии» руководит Михаил Альбертович Лебедев — ученый с мировым именем, который в том числе стоял у истоков исследований, что впоследствии легли в основу технологий компании Neuralink. В Центре фотоники и аддитивных технологий мы лишь изготавливаем электроды — выполняем инженерный подраздел работ, которыми я руковожу как сотрудник лаборатории инвазивных нейроинтерфейсов ИИИ МГУ.

 Если у кого-то была потеряна часть лица, сейчас на место травмы устанавливают титановые или пластиковые пластины, а в перспективе речь идет о том, чтобы потерянную часть замещать нативным костным материалом. Последнее значительно лучше с точки зрения здорового долголетия

Изготовление электродов для нейроинтерфейсов — одно из направлений работ центра. Помимо этого здесь ведутся разработки по направлению 3D-печати из керамических материалов, в частности остеокондуктивной керамики на базе кальций-фосфатных соединений. Это пористая керамика, которая имплантируется на место утраченных костей, а затем перерабатывается организмом, так как она состоит из того же материала, что и наши кости. Подобные импланты запускают регенеративные процессы, восстановление костной ткани. То есть, условно, если у кого-то была потеряна часть лица, сейчас на место травмы устанавливают титановые или пластиковые пластины, а в перспективе речь идет о том, чтобы потерянную часть замещать нативным костным материалом. Последнее значительно лучше с точки зрения здорового долголетия.

— И это все 3D?

— Это все 3D. Мы также работаем над печатью оптических элементов. В частности, мы отработали технологию печати чистым кварцем. Сначала у вас идет предварительный отжиг, когда вся полимеризующая составляющая уходит из изделия. А затем, при более высокой температуре, происходит спекание материала, что дает уже оптическую прозрачность. Это важно при изготовлении изделий, где необходимо взаимодействие с ультрафиолетовым излучением. В частности, в микрофлюидных чипах для анализа жидких сред методами машинного обучения (хемометрика), ведь ультрафиолетовый диапазон спектра содержит очень много информации, и очень важно его не потерять. Эта компетенция дополняется нашими наработками в части печати микроканалов и микроизделий, и сейчас мы работаем над их совмещением.

Печать с микронным разрешением выполняется на 3D-принтере собственной разработки, который собрал наш молодой сотрудник. Этот принтер печатает с разрешением четыре микрона. Это полностью самостоятельная разработка: проектирование, сборка, программирование, прошивка, отладка, отработка режимов печати и так далее.

— А это для чего, если говорить о конечной цели?

— Все это нужно для печати микроизделий. Сейчас ситуация следующая: есть 3D-принтеры с разрешением 200‒600 нанометров, типа Nanoscribe, и есть условно офисные 3D-принтеры, которые печатают с разрешением 25‒50 микрон. Принтеров же с возможностью печати с разрешением единиц микрон пока что очень мало. При этом в диапазоне 1‒10 микрон очень много интересной физики: это и микрогазодинамика, и микрофлюидика, и многие поверхностные процессы, и катализаторы. Потому нашей командой было принято решение в эту область инвестировать, ведь если мы сможем сформировать метод фабрикации в этом масштабе, то мы сможем исследовать новые эффекты и, как следствие, разработать новые продукты на их основе.

— Какие продукты?

— Сейчас, например, у нас есть совместный проект РНФ с мехматом, с группой, которая занимается как раз моделированием течения многокомпонентных жидких и газовых сред. Задача — сделать газовый разделитель на базе каскадных температурных градиентов. Газоразделитель, как можно понять из названия, — это система для разделения газов по температуре или по массе. Например, для выделения аргона из воздуха. В идеале — для разделения изотопов. Не факт, что это возможно, но мы идем в эту сторону.

 Мы не столько про статьи, сколько про прикладные результаты. Потому помимо грантов РНФ у нас довольно высокая доля разработок связана с взаимодействием с коммерческими заказчиками и индустриальными партнерами

Есть и другие 3D-принтеры, которые мы разрабатываем для решения своих задумок. Например, мы являемся участниками научно-образовательной школы «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект». В рамках данной школы у нас поддержан проект по разработке многосопельного 3D-принтера для печати пленочных нейроинтерфейсов со сложной топологией. В перспективе это позволит печатать электроды с большей плотностью контактов, широким спектром материалов (включая биочернила) и передовым дизайном. Сейчас микроэлектронные процессы послойной фабрикации достаточно трудозатратны и недостаточно гибки. Имея же многосопельный 3D-принтер, адаптированный для печати материалами с разной вязкостью и проводимостью, можно печатать все, что захочешь, и это очень интересно. Например, можно печатать клетками, скаффолдами или вносить гормоны роста, для того чтобы стимулировать взаимное прорастание материалов с нервной системой. Или покрывать лекарственными препаратами с заданной кинетикой, например для снижения воспалительного процесса. То есть вы можете уже изобретать и усложнять устройства для того, чтобы повышать их имплантируемость. Там очень большой простор для развития.

— Писали, что можно и человеческие органы печатать…

— Да. И их печатают. Какое-то время назад была проблема с печатью капилляров, так как при печати органа большого объема важная проблема — это питание клеток внутри. Для этого нужна разветвленная сеть капилляров и кровеносных сосудов. Насколько я помню, эту проблему в отдельных направлениях уже решили, но сложностей еще много. Мы интересовались в свое время этим направлением, возможно, когда-нибудь туда тоже пойдем.

На базе центра также проводится часть работ лаборатории нейроморфной фотоники физического факультета МГУ по таким направлениям, как нейроморфная фотоника и оптические вычисления на нейроподобной архитектуре. Это тоже значимый современный тренд, и мои коллеги давно этим направлением занимаются.

— Вы сами делаете эти нейроподобные устройства?

— Да. Их моделируют и собирают сотрудники лаборатории. Например, одна группа проводит исследования по направлению оптоэлектронных нейроморфных чипов. Это попытка смоделировать, как работает наша нервная система, на искусственных оптоэлектронных синапсах. Для создания подобных синапсов используются нанокристаллиты оксидов металлов с эффектом памяти.

— То есть это нейроны?

— Да, по сути, оптоэлектронные нейроны. Еще на базе центра проводятся работы по направлению хемометрики — применению методов машинного обучения для анализа оптических спектров различных материалов.

— Все эти работы, о которых вы рассказали, имеют прикладной характер. Ваша задача — дойти до этого прикладного применения, или, что называется, заложить основы и передать их дальше?

— И то и другое. Научная сфера все-таки во многом опирается на фандрайзинг. Будучи ученым, вы одновременно работаете и как предприниматель — привлекаете гранты, заключаете хоздоговоры, вступаете в коллаборации, реинвестируете средства с контрактов в закупку дополнительного оборудования и реактивов, нанимаете новых сотрудников. Есть исследовательские группы, которым прикладное применение не очень интересно — значима публикация в высокорейтинговом журнале и высокие показатели цитирования. У нас мотивация немножко другая. Нам очень важно увидеть, как результаты наших трудов улучшают жизнь людей. Поэтому у нас такой прикладной вектор. Мы не столько про статьи, сколько про прикладные результаты. Поэтому помимо грантов РНФ у нас довольно высокая доля разработок связана с взаимодействием с коммерческими заказчиками и индустриальными партнерами.

 Говорим: сидите за установками, читайте литературу — лучше растите профессионально в науке, чем будете подрабатывать репетиторством. Таким студентам мы доплачиваем из грантов, разработок и других источников

Поэтому, отвечая на ваш вопрос, важна ли нам продуктовая часть, отвечу: конечно важна — и с идеологической точки зрения, и с точки зрения сверки с реальностью. Если на вашу работу есть запрос со стороны индустрии, значит, мы делаем что-то нужное. Потому сверка всегда есть, и мы регулярно корректируем свой курс, чтобы он был не только интересен с точки зрения фундаментальной науки и новых знаний, но и с точки зрения воплощения в жизнь.

— А сколько сотрудников в вашем центре?

— На площадке центра сейчас работают около 25 сотрудников, а со студентами и аспирантами больше 40.

— Студенты уже втянуты в текущую работу?

— Да, студенты работают, более того, мы очень активно поддерживаем их работу по прикладным проектам. Настоятельно рекомендуем им ходить в лабораторию по вечерам и по субботам. Говорим: сидите за установками, читайте литературу — лучше растите профессионально в науке, чем будете подрабатывать репетиторством. Таким студентам мы доплачиваем из грантов, разработок и других источников. Многие выигрывают именные стипендии. И в итоге студенты либо вовлекаются в разработки, либо выигрывают собственные гранты и мотивируются, потому что видят результаты своих трудов. Ведь, если ты ходишь в лабораторию пять часов в неделю, ты не успеешь ничего сделать: только погрузился, как уже забыл. Потом снова погрузился и снова забыл. Когда же ребята приходят каждый вечер, у них формируется бэкграунд, появляется авторство над конечными прототипами или проверкой научной гипотезы. Они успевают разобраться в теме и написать полноценный обзор. Видя это, они испытывают гордость, что у них это получилось. Укрепляется вера в свои силы, хочется больше и дальше, и студенты втягиваются. Это, безусловно, приводит к их профессиональному росту и формированию той особой атмосферы, которой мы так дорожим. Это одна из причин, на самом деле, почему я сам в свое время присоединился к команде центра и кафедры нанофотоники. Я сам трудоголик, и меня затянуло.

У нас довольно большой конкурс, к нам активно приходят студенты. Мы также всячески привлекаем в коллаборацию внешних научных руководителей по смежным направлениям: и с других кафедр физического факультета, и даже с других факультетов. Кросс-дисциплинарная деятельность, с одной стороны, позволяет установить больше контактов и интересных коллабораций, а с другой стороны, удержать больше студентов на научной орбите.

Важно, чтобы студенты выросли профессионалами своего дела, которые могут и сделать что-то руками, и поставить эксперимент, и смоделировать какие-то эффекты. Работа в сотрудничестве со сторонними научными руководителями позволяет студенту приобрести научный бэкграунд в смежной области. В некоторых случаях мы отвечаем больше за инженерные разработки, а коллеги из различных лабораторий могут отвечать за научную актуальность и новизну. В современных проектах нужны не только физики, но и люди, которые понимают химию, биологию, разбираются в алгоритмах искусственного интеллекта. Взаимное опыление совместными проектами и обмен студентами помогают расширить сферу научных интересов и список направлений по прикладным проектам.