Как «большие данные» создают будущее

01/10/2013

Новые материалы ведут к новым инновациям. Стекло повышенной сопротивляемости к царапинам и ударам Gorilla Glass очень помогло в продаже смартфонов. Кевлар спасает жизнь людям и находит свое место в товарах широкого потребления. Литиево-ионные батареи позволили экономить энергию в самой разной технике, начиная от самолетов и заканчивая машинами и компьютерами. Но здесь есть проблема.

Создание новых, революционных материалов – это очень медленный процесс, особенно по сравнению с темпами продаж новых продуктов, в которых эти материалы используются. Всего девять лет ушло на то, чтобы самолет Boeing 787 Dreamliner с чертежной доски переместился в небо и начал совершать коммерческие рейсы. Разработка iPhone началась в 2005 году, а уже в 2007-м он оказался на полках магазинов. И напротив, процесс создания новых материалов идет намного медленнее. На все необходимые научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы уходит в среднем около 20 лет.

Пытаясь преодолеть это узкое место в инновационной сфере, Белый дом два года тому назад выдвинул инициативу Materials Genome (Геном материалов). Ее цель – в два раза сократить время на разработку новых материалов и резко снизить объемы необходимых для этого инвестиций. Если название показалось вам знакомым, то в этом нет ничего удивительного: как и проект по расшифровке генома человека — Human Genome — новая инициатива является попыткой лучше понять, как взаимодействуют между собой элементы, и дать нам разнообразный набор веществ и их свойств. Имея такой фундамент знаний, ученые (мы надеемся на это) смогут создавать новые материалы, обладающие именно теми свойствами, которые необходимы в той или иной сфере, причем смогут создавать их гораздо быстрее.

Огромное количество комбинаций и конфигураций атомов может обладать полезными свойствами. Однако основная их часть нам не пригодится. Их даже не удастся синтезировать. Попытка исследовать огромный мир потенциальных веществ лабораторным путем кажется непрактичной да и попросту неосуществимой. Поэтому, чтобы исключить из исследований это колоссальное количество ненужных материалов, некоторые научные организации, ведущие работы в рамках инициативы «Геном материалов», моделируют известные и неизвестные вещества при помощи компьютеров. Затем они исследуют полученные данные в поисках тех областей, которые заслуживают более тщательного изучения.

С начала реализации данной инициативы уже возникло несколько весьма успешных предприятий и проектов. Среди них «Проект материалов», осуществляемый Массачусетским технологическим институтом и «Проект чистой энергии», над которым работают ученые из Гарварда. У этой пары проектов схожее теоретическое обоснование, но разные конечные цели. Массачусетский проект направлен на изучение неорганических твердых веществ, особенно тех, которые используются для изготовления батарей. А Гарвардский проект имеет целью изучение молекул, которые можно будет применять при создании солнечных фотоэлементов и батарей. В обоих проектах используются огромные массивы данных, собранных из расчетов теории функционала плотности (ТФП). В этой теории применяются методы квантовой механики для прогнозирования многих свойств реальных физических субстанций, которые моделируются.

«Проект материалов» начался в Массачусетском технологическом институте около восьми лет тому назад. Его катализатором стала работа профессора Гербранда Сидера (Gerbrand Ceder). Будучи консультантом ряда компаний, Сидер проверил огромное количество веществ на предмет их конкретного применения в той или иной области. Но поскольку работать ему приходилось с разными компаниями, данные оставались в их собственности и раскрыть их не было возможности. «Если бы мы могли передать эту информацию всему миру, люди получили бы возможность создавать на их основе замечательные вещи. Так появился Проект материалов», –  говорит Сидер. В настоящее время массив данных Массачусетского технологического института состоит из ста с лишним тысяч известных и теоретических материалов. Чтобы разобраться с этими данными и изобрести новые материалы, исследователи института используют сочетание человеческой интуиции с машинным интеллектом, что помогает понять химические законы.

Точно так же гарвардский «Проект чистой энергии» позволил создать огромную базу данных, которые могут совместно изучать человек и машина в поиске решений задач с различными материалами. Данная работа начиналась как маленькое доказательство концепции, в рамках которой велось изучение материалов для создания органических солнечных батарей. Ученые рассчитали свойства 15-ти соединений, чтобы спрогнозировать, насколько хорошо они будут действовать в реальном мире и раньше времени не заниматься их синтезированием. В результате этих расчетов они вывели новое соединение с рекордными электрическими характеристиками. Но такого успеха удалось добиться лишь от нескольких химических веществ, рассчитать которые мог в одиночку любой старшекурсник. А что обнаружится, если увеличить мощность имеющихся компьютеров, поставив задачу по проведению расчетов целой армии добровольцев?

Сегодня в рамках «Проекта чистой энергии» как раз это и делается. Любой человек из любого уголка нашей планеты может скачать программу, выполняющую научные расчеты на компьютере, и сообщить затем о результатах. Имея в своем распоряжении огромные ресурсы, исследователи рассчитали миллионы соединений для будущих солнечных батарей. И это только начало. «Сейчас в проекте наступает очень интересный момент, — говорит научный сотрудник Гарварда доктор Хачманн (Hachmann). – Мы можем теперь пожинать плоды своего упорного труда, и есть надежда, что мы получим прекрасные результаты».

Исследователи из Гарварда выложили в онлайне 2,3 миллиона соединений, чтобы их мог исследовать любой желающий. Хотя расчеты по ним проводятся с целью создания солнечных батарей, другие изучающие эти данные ученые смогут использовать полученную информацию для исследования веществ иных классов. Ученые Массачусетского технологического института точно так же имеют свой портал, где любой желающий может взять данные для исследований.

Инициатива «Геном материалов» направлена на сокращение затрат и времени на разработку веществ, и Сидер надеется достичь этой амбициозной цели.  Он уже видит, как это работает. В настоящее время профессор патентует новые материалы, которые можно использовать в батареях. Это большая победа инициативы и индустрии создания и открытия новых материалов. А поскольку в свободном доступе имеются колоссальные массивы данных, есть все шансы на достижение новых побед. Сидер надеется, что инициатива «Геном материалов» приведет к крупным инновациям в материаловедении, ведь эта область так же непредсказуема, как интернет, который преобразил многие аспекты современной жизни. «Когда делаешь такой материал доступным для всех, –  говорит он, – просто невозможно предугадать, что с ним сделают люди».