Мягкие роботы и стволовые клетки. Чего достиг математический центр БФУ

МОСКВА, 8 авг – РИА Новости. Северо-Западному центру математических исследований имени Софьи Ковалевской на базе Балтийского федерального университета им. И.Канта этим летом исполнилось два года. О задачах и достижениях центра РИА Новости рассказала заведующая лабораторией цифровых двойников умных материалов центра, директор Высшей школы междисциплинарных исследований и инжиниринга БФУ им. И.Канта Валерия Родионова.

– Какие "новинки" математика сегодня дает прикладным исследованиям?

– В естествознании математический аппарат позволяет, с одной стороны, описать совокупность экспериментальных данных, а с другой – строить модели, прогнозирующие изменения той или иной физической системы.

Сегодня к математическому моделированию в физике, которым занят наш центр, "подключились" различные системы искусственного интеллекта (ИИ), что существенно укорачивает цикл экспериментальных поисковых исследований.

– В чем практическая значимость математического моделирования и ИИ?

– Приведу пример из науки о материалах. Раньше, чтобы создать постоянный магнит с заданными свойствами, состав искали перебором – каждую комбинацию измельчали, сплавляли, обрабатывали, проверяли свойства. На это могли уходить месяцы.

Сейчас эта задача решается куда элегантнее: математическая модель дает рамку для полного компьютерного перебора возможных составов и свойств материала. Имея достаточно большой массив данных по характеристикам компонентов, можно сразу прогнозировать новые составы с помощью ИИ.

Аналогичный эффект моделирование, в том числе с помощью ИИ, дает и в других сферах.

– Исследования в каких областях проводятся в вашем центре?

– Мы решаем задачи из разных сфер – материаловедения, оптики, биологии, физики темной материи, астрофизики, физики магнитных явлений, из области моделирования нелинейных систем и моделирования физики плазмы, ряда других. Наш центр объединяет специалистов из Балтийского федерального университета имени И.Канта и из Псковского государственного университета.

© Фото : пресс-служба БФУ

Участники семинара "Математическое и компьютерное моделирование" в БФУ

В нашем центре создано несколько лабораторий, которые дополняют и облегчают исследования других лабораторий университета. Сейчас в центре работает 78 человек, среди которых есть как преподаватели и аспиранты, так и студенты.

– Как на практике применяются результаты ваших исследований?

– Многие работы нашего центра находят применение в работе других исследователей – при изучении океана, атмосферы, морского льда, атмосферных турбулентностей и других природных сред и явлений.

Наши результаты реализуются в промышленности и медицине. Например, при разработке имплантатов и новых терапевтических подходов к некоторым типам рака. Наши работы широко востребованы на производствах, требующих датчики магнитного поля, давления, температуры.

– Какие научные результаты за два года работы центра вы бы отметили?

– Для меня это исследования мягких магнитных материалов – именно эта тема объединяет мою лабораторию с рядом других математических центров страны. Моделирование таких материалов дает возможность, например, эффективно проектировать скаффолды – хирургические каркасы для контролируемого роста тканей. Также эти исследования крайне важны для развития метода магнитной фототермии, который позволяет точечно "выжигать" очаги различных патологий на клеточном уровне.

Кроме того, результаты исследований мягких магнитных материалов используются при изготовлении мягких роботов и различных сенсоров, при разработке технологий адресной доставки лекарств. Мягкие роботы, например, могут очистить сосуды от тромбов или служить элементом эндоскопа во время операций. За счет упругости материала они легко преодолевают изгибы сосудов, не травмируя их.

Другой пример – в нашем центре впервые была построена математическая модель мутаций митохондриальной ДНК, часто вызывающих серьезные заболевания. Полученная модель позволит облегчить диагностику и прогнозирование митохондриальных болезней, например миопатии, которая заключается в нарушении метаболизма и развития мышечной ткани.

– Недавно в вашем центре прошел большой семинар "Математическое и компьютерное моделирование свойств мягких магнитных материалов: от теории к экспериментам и приложениям". Расскажите, пожалуйста, о наиболее интересных результатах.

– Один из докладов нашего центра, например, был посвящен высокочувствительным сенсорам магнитного поля на основе магнитоплазмонных кристаллов. Данные этих исследований необходимы для развития методов дефектоскопии.

Мы показали, как можно промоделировать усиление электромагнитной волны на дифракционной решетке кристалла с различными периодами и различной формой. Это позволит отказаться от исследований перебором, сразу изготовив нужную подложку для выращивания кристалла.

– Какие из тем, затронутых на семинаре, наиболее важны для биомедицины?

– За последнюю пару лет появились работы, которые показывают, что без химического воздействия, то есть только физическими методами, можно запустить и контролировать превращение стволовой клетки в клетку другого типа. Реализуется такой подход при помощи скаффолдов.

Для того чтобы этот процесс проходил нужным образом, необходимо учесть целый ряд параметров скаффолда – жесткость каркаса, электрический заряд на его поверхности, структуру самой поверхности, наличие вибраций от материала и другие. На семинаре была представлена модель, полностью описывающая все эти параметры.

Другой пример успешного моделирования – анализ взаимного расположения и взаимодействия магнитных частиц внутри полимерной упругой матрицы. На семинаре была обсуждена математическая модель, которая позволяет рассчитать оптимальные параметры для изготовления скаффолдов – концентрацию и размеры частиц, оптимальные расстояния, на которых они могут быть помещены в полимере.

– Как вы оцениваете значимость открытия математических центров в регионах?

– Разумеется, это правильный шаг. На мой взгляд, это позволит отчасти преодолеть проблему низкой заинтересованности школьников в высшей математике. Мы можем показать молодым специалистам из разных сфер, что математика – универсальный язык для химии, биологии, физики, язык всего.

Учителя математики проходят у нас переподготовку, ориентированную на олимпиадный уровень преподавания. Наш центр ведет активную работу не только со студентами, но и со школьниками – мы вовлекаем их в работу междисциплинарных групп. Благодаря этому еще в школе дети получают возможность понять актуальные проблемы разных научных направлений и выстроить свою университетскую траекторию.