Знакомимся с технологиями будущего, не вставая с кресла
Ранее популярную настольную игру «Операция» любили за то, что она позволяла почувствовать себя в роли хирурга, которому предстояло быстро и аккуратно удалять посторонние предметы из горла пациента или лечить его сломанные кости. В настоящее время виртуальные лаборатории позволяют не просто в игровом формате познакомиться с какой-либо профессией, а с ошеломляющей точностью воспроизводить работу такого сложного оборудования, как, например, ядерный реактор. N + 1 вместе с En+ Group, которая в этом году является генеральным спонсором Всероссийского фестиваля науки NAUKA 0+, рассказывает, как с помощью виртуальных лабораторий можно показать технологии будущего.
Виртуальная лаборатория представляет собой программное обеспечение или даже целый программно-аппаратный комплекс, который позволяет проводить разного рода эксперименты без прямого контакта с реальным оборудованием или объектом исследования. Иногда под виртуальной лабораторией понимают настоящую лабораторию с удаленным доступом и центром управления, но чаще подразумевают моделирование опыта при помощи компьютерных технологий.
Зачем нужны подобного рода лаборатории? В некоторых случаях виртуальные лаборатории применяются как альтернативная среда для обучения и проведения учебных экспериментов, а иногда без них невозможна исследовательская работа настоящих ученых. И, конечно же, виртуальные лаборатории – удобный инструмент для наглядной демонстрации функционирования достижений различных областей науки.
Виртуальный фестиваль
Виртуальные лаборатории и симуляции пользуются большой популярностью на различных фестивалях наук. В этом году на Всероссийском фестивале NAUKA 0+ организован целый виртуальный лабораториум, который позволяет прямо с персонального компьютера вместе с другими пользователями принять участие в интерактивных экспериментах, подготовленных представителями различных научных организаций и компаний.
En+ Group – международная компания, специализирующаяся на производстве низкоуглеродного алюминия и возобновляемой энергии. En+ Group активно поддерживает науку и вкладывается в развитие новых технологий. Это направление в стратегии компании в свое время было задано ее основателем Олегом Дерипаской. На фестивале NAUKA 0+ компания представила четыре виртуальных лаборатории.
В одной из них при интеллектуальной поддержке фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС», представлена разработка МГУ: нелинейно-оптическая микроскопия, позволяющая увеличить глубину визуализации вплоть до миллиметра. Благодаря этому становится возможным на новом уровне изучать структуру биологических тканей и процессы, происходящие в них, и получать наиболее полную информацию об изучаемом объекте. В виртуальной лаборатории En+ Group с помощью данной разработки любой желающий может изучить физику мозга крысы, рассматривая нейронные связи в ее мозге, перемещая плоскость разреза и поворачивая объект.
Вторая виртуальная лаборатория En+ Group при поддержке «БАЗИС» представляет разработку МГУ и 3D Bioprinting Solutions, заключающуюся в использовании тканевых сфероидов. В биоинженерии активно развивается направление биофабрикации, при котором из тканевых сфероидов – конгломератов живых клеток размером порядка 0,2 мм – формируют жизнеспособные ткани, которые в будущем смогут заменить больные ткани человека. В виртуальной лаборатории биофабрикации каждый сможет узнать, в чем заключается этот процесс, и попробовать самостоятельно собрать трубку (искусственный сосуд) из виртуальных тканевых сфероидов.
Третья виртуальная лаборатория En+ Group демонстрирует новейшие исследования МГУ в области взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов среднего инфракрасного диапазона с атмосферным воздухом. В лаборатории посетитель сможет попробовать разгадать головоломку в виде лазерной установки, которая применяется для микроскопии, изучения нелинейно-оптических эффектов на уровне взаимодействия излучения с отдельными атомами и электронами, открытия новых методик дистанционного зондирования и спектроскопии. Посетители виртуальной лаборатории смогут направлять лазерные лучи, перемещать отражающие поверхности и наблюдать за получившимся результатом онлайн. Также в ходе эксперимента будет предоставлена возможность генерировать предельно короткие волновые формы, что позволяет ученым исследовать отдельно взятые электроны.
Четвертая лаборатория посвящена облачным решениям – технологиям распределённой обработки цифровых данных, с помощью которых компьютерные ресурсы предоставляются пользователю в качестве онлайн-сервиса. Посетитель лаборатории сможеть побывать в зале с серверами и рассмотреть элементы серверной инфраструктуры. А посетив виртуальное облако, участник узнает, как выглядят и как устроены сетевые инфраструктуры, а также как работают те приложения и игры, которыми он пользуется каждый день.
Виртуальные лаборатории могут избавлять от необходимости приобретения дорогостоящего оборудования, расходных материалов и реактивов. Кроме того, они открывают возможность моделирования процессов, которые невозможно наглядно рассмотреть в лабораторных условиях, например, по причине малых размеров наблюдаемых частиц. Более того, компьютерное моделирование позволяет контролировать и изменять (ускорять или замедлять) время протекания процессов. При этом обеспечивается полная безопасность – также немаловажный плюс выполнения работы с помощью виртуальных лабораторий.
Некоторые опыты трудно или даже невозможно провести в условиях учебного заведения, и тогда на помощь ученикам и преподавателям приходят виртуальные лаборатории. Виртуальные лабораторные работы по физике, биологии, экологии и некоторым другим предметам сегодня интегрированы в образовательный процесс во многих школах и университетах.
Хорошим примером площадки для выполнения виртуальных лабораторных работ являются лаборатории VirtuLab. Преподаватели могут демонстрировать виртуальные лабораторные работы в классе как дополнение к лекционным материалам, задавать их выполнение на дом, либо проводить интерактивные практические занятия в классе. Особенно актуальны такие лабораторные работы сейчас – несмотря на эпидемиологическую обстановку ученики могут попробовать вытеснить один металл другим из раствора соли или провести опыт Резерфорда. STAR (Software Tools for Academics and Researchers) – программа Массачусетского технологического института, направленная на разработку исследовательских и образовательных виртуальных лабораторий. Программное обеспечение включает в себя инструменты для исследований по биохимии, генетике, молекулярной биологии и некоторым другим разделам науки. Например, с помощью StarBiochem можно 3D-визуализировать молекулы белков и рассмотреть их в атомарном разрешении, а StarGenetics позволяет моделировать процессы скрещивания и изучать закономерности наследования.
Виртуальные лаборатории для некоторых областей науки не просто экономически выгодная и безопасная альтернатива, но и главный инструмент для исследовательской работы. PyMOL – система молекулярной визуализации, широко используемая в структурной биоинформатике. С ее помощью можно получить трехмерные изображения как малых молекул, так и биологических макромолекул в высоком разрешении. Большое количество публикуемых в научной литературе структурных изображений белков получены с помощью PyMOL.
Виртуальные лаборатории – удобный инструмент для решения многих образовательных и исследовательских задач. Однако далекому от науки и школьных или студенческих лет человеку они тоже могут быть интересны. С помощью таких интерактивных визуализаторов можно расширить кругозор и прикоснуться к достижениям современной науки, будь то ядерный реактор или космический шаттл.
С помощью онлайн-площадки TensorFlow любой желающий может познакомиться с основными принципами работы нейронных сетей, понять, чем похожи и отличны нейронные сети в computer science и в биологии. Пользователь может вручную менять предложенные параметры, такие как, например, количество «нейронов» и скрытых слоев, и наблюдать, как это повлияет на выходные данные.
В некоторых случаях виртуальные лабораторные практикумы могут развиться в нечто большее. Томский политехнический университет разработал технологию имитационных виртуальных сред, позволяющих моделировать сложные производственные участки, где необходимые инструменты и оборудование труднодоступны. Виртуальные лаборатории позволяют реализовать дистанционное выполнение сложных экспериментальных работ и дают возможность желающим попробовать себя в предпусковой подготовке ядерного реактора или работе с различными типами томографов: тепловым, ультразвуковым, рентгеновским, аппаратами КТ и МРТ.
Для любителей космоса NASA подготовило виртуальную симуляцию «Mars 2030». Она позволяет ощутить себя космонавтом, изучающим 40 квадратных километров марсианской территории, которая смоделирована при помощи фотографий камеры HiRISE орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter. Пользователь во время симуляции может собирать геологические образцы и любоваться точно воссозданными марсианскими ландшафтами.
Широкое применение виртуальных лабораторий, особенно на массовых досуговых мероприятиях вроде фестиваля NAUKA 0+, привлекает внимание людей к науке, доступным языком объясняет и показывает точно воссозданную работу сложных устройств. С развитием компьютерных технологий возможностей по созданию реалистичных и качественных виртуальных лабораторий наверняка станет еще больше, а это значит, что мы сможем прикоснуться к еще большему количеству достижений мировой науки прямо из своей комнаты.
Кьяра Макиевская