Category: Novosibirsk State University

53-я Генеральная ассамблея ИЮПАК совместно с 50-м всемирным химическим конгрессом состоялась в г. Куала Лумпур (Малайзия) 12-19 июля. Особенностью конгресса стало выделение специализированной секции «Искусственный интеллект в химии». В ее рамках доцент кафедры химии твердого тела Факультета естественных наук НГУ, старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН  Анна Нартова выступала с приглашенным докладом «Искусственные нейронные сети для анализа микроскопических данных», в которой представила мировому научному сообществу онлайн-платформу iOk (http://iok.nsu.ru/), разработанную учеными Новосибирского государственного университета в рамках программы «Приоритет 2030».

Данная платформа включает набор цифровых сервисов для автоматического анализа изображений с применением методов глубокого машинного обучения и искусственного интеллекта. На платформе в свободном доступе размещены три сервиса. Универсальный телеграмм-сервис No Code ML (https://t.me/nsu_ml_bot) предназначен для классического обучения нейронной сети на датасетах пользователя. Второй сервис — DLgram (https://t.me/nanoparticles_nsk) — разработан для распознавания многочисленных однородных объектов различного характера. Включает обучение нейронной сети пользователем по размеченному участку с этого же изображения. Онлайн-сервис ParticlesNN (http://particlesnn.nsu.ru/) разработан для автоматического распознавания наночастиц на изображениях сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и электронной микроскопии (ЭМ) обученной нейронной сетью. Облачные сервисы No Code ML и DLgram предусматривают обучение нейронной сети на объектах пользователя, автоматическое распознавание объектов на изображениях и возможность корректировки результатов распознавания пользователем. Также они производят анализ обнаруженных объектов и определение их параметров, таких как количество, размеры, площадь и концентрация. Сервисы способны работать с различными изображениями — снимками с электронных микроскопов, фотоснимками с цифровых камер (в том числе со смартфонов). Они распознают различные объекты: наночастицы, микроорганизмы, клетки, семена растений, а также более крупные объекты — животных, растения, различные детали, транспортные средства и многое другое. При этом для работы с сервисами от пользователя не требуется владеть никакими специальными навыками программирования или разбираться в нейронных сетях. Не нужна и предварительная обработка изображения. Результаты предоставляются в виде информации обо всех обнаруженных объектах, и при необходимости пользователь может их корректировать. В настоящее время уже сотни исследователей со всего мира пользуются разработанными сервисами. При этом, наиболее востребованы сервисы специалистами, работающими с изображениями, полученными с использованием различных видов микроскопий.  

— В целом секция «Искусственный интеллект в химии», несмотря на то, что направление только – только начало формироваться и количество докладов уступало другим, более традиционным секциям, была, пожалуй, самой востребованной со стороны слушателей. Среди докладчиков было много представителей России.Наша лекция вызвала очень большой интерес аудитории. Немало слушателей шли на нее целенаправленно. Такой повышенный интерес к нашей онлайн-платформе обусловлен несколькими причинами, в том числе тем, что мы продвигали ее на нескольких научных конференциях. Был опубликован ряд статей, в том числе в высокорейтинговых научных журналах. И, надо сказать, что наша команда, в которой участвуют А.В. Матвеев и А.Г. Окунев, была одной из первых в мире, кто представил свои разработки в данном направлении. Тогда данной теме были посвящены единичные работы, и мы шли один в один с ними и временами даже опережали их. Сейчас же их лавина огромна, но мы все же зафиксировали свое первенство. И тем более, мы были первыми, кто предложил «платформенный подход», когда пользователям предлагается готовый сервис, а не просто код. На данный момент у нас сформировался свой круг пользователей, поэтому мы и получили приглашение выступить с лекцией на данном конгрессе. Было очень приятно узнать, что наша разработка известна не только в России, но и в мире. Так, на нашу лекцию приходили молодые ученые из Китая, Малайзии и других стран, которые были уже знакомы с нашими работами. В ходе обсуждений после доклада молодые ученые-химики задавали много вопросов, в большинстве случаев интересуясь не тем, как устроены нейросети, а тем, как их использовать в качестве готового инструмента, при этом избегая обучения языку программирования Python. Их интересовали нейросети, при пользовании которыми не требуется навык программиста. И наша платформа как раз является именно таким продуктом, — рассказала Анна Нартова.  

Участники секции отдельно обсуждали проблему активационного барьера, имеющего принципиальное значение в использовании нейросетей в химии. Он представляет собой необходимость уверенного владения навыками программирования и глубокие знания нейронных сетей. По мнению Анны Нартовой, платформенный подход является оптимальным решением для того, чтобы устранить его и сделать нейронные сети инструментом для работы в лаборатории. Участники секции, работающие по разным направлениям, также связанным с химией, отметили: если ученому-химику, чтобы воспользоваться нейросетью как инструментом, необходимо на достаточно высоком уровне владеть языком Python, он, скорее всего, этого не сделает. Изменить ситуацию должно использование платформенного подхода, представляющего собой готовый продукт, не требующий от ученого необходимости вникать в код, а позволяющий просто загрузить в приложение свои данные, обработать их и получить готовый результат. В таком случае отдача от использования нейросетей максимальна.

— Идею реализации платформенного подхода к решению проблем доступного использования нейросетей для ученых, не владеющих навыками программирования, мы начали продвигать в нашем университете несколько лет назад. Теперь это стало повсеместной тенденцией. Первые работы в направлении использования нейронных сетей в обработке микроскопических изображений были направлены на решение каких-либо частных случаев, и обычно модель машинного обучения выкладывалась в открытом доступе. В нашем же случае, во-первых, речь идет об универсализации подхода, а во-вторых, о создании приложений или сервисов, облегчающих работу с нейронными сетями. Таким образом одновременно происходит и разработка более универсального инструмента, предназначенного уже не для решения какой-либо конкретной задачи, и создание пользователеориентированного продукта. В настоящее время наблюдается тенденция: у ученых присутствует интерес к работе с нейросетями, но не готовы пользоваться ими, если те не являются приложениями, — пояснила Анна Нартова.

Анна Нартова обратила внимание, что важной частью конгресса стала секция, посвященная обучению химии. Это связано с тем, что Конгресс по химии был объединен с Ассамблеей ИЮПАК, поэтому рассматривались не только чисто научные вопросы. Очень важно, что речь шла, прежде всего, об обучении химии школьников. Дефицит учителей по этому предмету стал проблемой для многих стран, представители которых участвовали в конгрессе. В профессию «учитель», и в частности «учитель химии», идут неохотно: она трудозатратна и ответственна, но, к сожалению, не относится к высокооплачиваемым. Коллеги из разных стран отметили, основываясь на своем опыте, что для привлечения учащихся в эту науку, необходимо ориентироваться не на старшие классы, а на учеников среднего или даже младшего школьного звена. Участники секции делились опытом работы в разных странах. Индийский химик Удай Маитра выступил с докладом «Улучшение восприятия науки/химии через простые эксперименты, связанные с повседневной жизнью». Этот проект имеет глубокое гуманитарное значение, распространяя естественнонаучное мировоззрение, а также повышая мотивацию к получению образования. Ученый из Тайваня Хсиен Чанг Као представил сообщение «Химия на колесах», в котором говорил об огромном кадровом голоде, нарастающем с 2017 года. Работая над проблемой привлечения кадров, ученые -энтузиасты с мини-лабораториями выезжают в провинциальные школы и показывают ребятам опыты с различными химическими веществами и в увлекательной форме рассказывают детям о химии как интереснейшей науке. Многие из этих ребят по окончании школы делают выбор в ее пользу и возвращаются в свои школы уже как учителя химии или становятся волонтерами данных просветительских проектов. Интересно, что эту работу поддерживает как государство, так и корпорации, поскольку они очень заинтересованы в повышении уровня школьного образования и привлечения в школу мотивированных учителей. Анна Нартова отметила, что данная работа в точности соответствует концепции проекта «Занимательная наука для школьников», который реализуется в НГУ еще с 2009 года, а в последние годы входит в Школьный центр Физического факультета НГУ. И нам было чем поделиться с коллегами и в этой области. 

Проект «Студтуризм» с 2021 года объединяет студентов и молодежь, и дает им возможность путешествовать и знакомиться с ведущими университетами страны. Ежегодно участники путешествуют по самым разным регионам страны — от Калининграда до Владивостока. Университеты по всей России открывают двери своих кампусов для путешественников, предлагая уникальные туристические программы, разработанные по принципу «студент-студенту». В них включены научно-популярные маршруты, мастер-классы, события и многое другое. Это способствует не только расширению кругозора участников программы, но и развитию научного, исторического и спортивного туризма.

Основной точкой маршрута стал Новосибирский государственный университет. Участников блог-тура разместили в новом общежитии № 4/2. На протяжении двух дней ребят знакомили с кампусом, проводили экскурсии в музеи истории НГУ, НОЦ «Эволюция Земли» и «Новая археология». Особенно ребят заинтересовала экскурсия в лабораторию ускорительной масс-спектрометрии, где им объяснили, как проходят научно-исследовательские работы. В Стартап- студии и Демонстрационном центре ЦИИ блогерам показали умные разработки, которые создали студенты университета. Пешую прогулку по Академгородку для участников блог-тура провели Министерство культуры НСО и Новосибирский краеведческий музей, также ребятам показали научный городок с купола НГУ, где на высоте 63 метра со смотровой площадки открылся захватывающий вид на Обское море, кампус и бескрайние леса. Завершилось путешествие ПИШНИКом от Передовой инженерной школы НГУ, где блогеры совместно со студентами соревновались в волейболе и инженерных играх на песке.

Кирилл Жигулин, автор блога, посвященного России и патриотизму, отметил уникальность Новосибирска и его потенциал.

— Меня особенно поразило, что именно молодежь строит будущее Новосибирска через науку и спорт. НГУ демонстрирует высокие показатели в образовании и научной деятельности. Я уверен, что «Новосибирь» — это уникальный бренд региона с огромным потенциалом, и будущее здесь строят молодые люди и выпускники НГУ. Думаю, сюда будет приезжать все больше молодежи не только для научного, но и исторического, спортивного и авиационного туризма. Это действительно классная и уникальная идея, — поделился Кирилл.

Карина Захарова из Казани, медиа-амбассадор «Студтуризма», рассказала о своем опыте.

— Это мой первый блог-тур в рамках Студтуризма, хотя я активно путешествую уже около четырех лет и веду два блога. Раньше я бывала в Новосибирске лишь проездом, и теперь у меня была возможность познакомиться с городом и университетом. Меня впечатлил фестиваль ВиваАвиа и музеи НГУ, которые действительно заслуживают внимания. НГУ — это университет с развитой студенческой культурой, стартапами и большим потенциалом. Несмотря на привязанность к родному городу, если бы представилась возможность, я бы с радостью училась в НГУ. Хочу пожелать всем путешествовать и открывать для себя Россию через Студтуризм — это отличный бюджетный вариант, — рассказала Карина.

Георгий Фаворский, медиа амбассадор «Студтуризма», блогер, студент ЧГПУ им. И. Я. Яковлева, подчеркнул, что очень ценит свой вуз, но и НГУ его очень впечатлил.

— Все мероприятия были очень насыщенными и интересными. Особенно понравилась экскурсия в музей, где изучают породы земли и можно было потрогать все экспонаты. Атмосфера была очень дружелюбной, ощущалась настоящая забота и поддержка со стороны участников и организаторов программы. Новосибирск, как третий по численности населения город России, действительно имеет огромный потенциал. Вуз высокий по уровню образования, сопоставимый с ведущими столичными университетами. Теперь я уверен, что Новосибирск — центр сибирской цивилизации, и рекомендую всем, кто рассматривает переезд или учебу в другом городе, обратить внимание на этот замечательный город и университет, — дополнил Гоша.

Программа «Студтуризм» продолжает объединять молодежь из разных регионов России, позволяя им расширять горизонты и участвовать в интеллектуальной и культурной жизни ведущих вузов страны. НГУ с его уникальным объединением науки, спорта и инноваций уверенно занимает одну из лидирующих позиций в этом молодежном движении, приглашая студентов из всех уголков страны стать частью большой сибирской образовательной семьи.

Сопоставительное исследование по выявлению регулярных фонетических соответствий между согласными китайского и корейского языка провел студент кафедры востоковедения Гуманитарного института Новосибирского государственного университета Артем Ташлыков. Результатом работы стала сводная таблица регулярных фонетических соответствий согласных фонем китайского и корейского языков. При ее составлении были учтены все возможные слоги китайского языка, а также все соответствующие каждому слогу китайского языка слоги корейского языка. Для объективного сравнения артикуляционно-акустических характеристик звуков молодой исследователь применил методы электроакустического анализа – спектрографии и осциллографии. Свое исследование Артем Ташлыков проводил под научным руководством кандидата филологических наук, старшего преподавателя кафедры востоковедения Антона Шамрина. Данная работа очень важна, потому что сопоставительных исследований по китайскому и корейскому языкам в русскоязычном научном пространстве крайне мало. Результаты исследования могут быть использованы для совершенствования лингводидактических и методических материалов, применяемых при обучении специалистов, владеющих обоими языками. Именно такие сотрудники в настоящее время высоко востребованы на рынке труда.  

— Некоторые слова на разных восточных языках звучат в определенной степени сходно, что вызывает определенные трудности у тех, кто изучает их параллельно. Особенно явно данная схожесть выражается в лексике, основанной на иероглифической письменности. Письменность Кореи и Японии с древних времен подвергалась влиянию китайской иероглифической письменности, что и стало одной из причин проникновения определенного множества иероглифической лексики в лексический запас этих стран. При заимствовании лексики, соответственно, заимствовалось и произношение. Но со временем оно неизбежно претерпевало изменения. Происходило это, возможно, из-за различия в артикуляционно-акустической базе этих трех языков. В результате произношение в некоторой степени искажалось, подстраиваясь под набор звуков, привычных для носителей данных языков. Вероятно, внесли свой вклад и фонетические изменения, происходящие во всех языках мира ввиду их естественного и закономерного развития. Результатом изменений в произношении иероглифической лексики в китайском и корейском языках стал тот факт, что одной фонеме китайского языка соответствуют несколько фонем корейского языка, точно так же одна фонема корейского языка может соответствовать нескольким фонемам китайского языка. Таким образом и были сформированы регулярные фонетические соответствия. Моей целью стало выявление таких регулярных фонетических соответствий и их последующая систематизация, — рассказал Артем Ташлыков.

Молодой исследователь заранее составил список из 150 двухсложных слов, обладающих общими иероглифическими корнями как в китайском, так и в корейском языках. Данные слова были подобраны таким образом, чтобы можно было провести анализ каждой из представленных в обоих языках фонем во всех вариантах их реализации в речи. Затем были произведены аудиозаписи двух носителей китайского языка и двух носителей корейского языка.

Предварительно информантам предложили ознакомиться с данным списком слов, а потом прочитать их вслух. Чтобы исключить дефекты при записи и расширить статистические данные, каждое слово произносили по 4 раза, делая между ними паузу. Это помогло избежать комбинаторных изменений в произношении между словами при прочтении. Таким образом, было проанализировано в общей сложности 2400 аудиофрагментов.

Чтобы измерить и абсолютные длительности звуков и подробно описать формантные характеристики записанный материал подвергся анализу с применением электроакустических методов – осциллографии и спектрографии.

—  При помощи осциллограммы можно определить границы гласных и согласных звуков, а также способ артикуляции согласных звуков. Однако, используя одну только осциллограмму, практически невозможно определить, какой именно звук произносится. Поэтому для более детального анализа и определения ряда и подъема гласных, места и способа артикуляции согласных звуков мы получили спектрограммы, представляющие собой графики зависимости спектра звуковых частот от времени. В результате применения такого комплексного подхода, нам удалось установить степень соответствия между аналогичными согласными фонемами двух языков и обнаружить различия в артикуляции и акустических характеристиках звуков китайского и корейского языка. Мы провели сопоставление слоговых структур обоих языков, составили описание акустических свойств основных аллофонов всех согласных фонем, сделали статистический подсчет соответствий. Было установлено в общей сложности 40 регулярных фонетических соответствий, из них 32 соответствия между фонемами, обладающими аналогичным способом артикуляции, 4 регулярных соответствия в паре аффриката-взрывная, 3 – в паре фрикатив-взрывная и 1 – в паре аффриката-фрикатив, — пояснил Артем Ташлыков.

Молодой исследователь составил таблицу, которая содержит все уникальные соответствия слогов между китайским и корейским языком, на основе которой производились вычисления, создал таблицы частоты возникновения фонетических соответствий. Также была сформирована сводная таблица выявленных регулярных соответствий с классификацией фонем по способу артикуляции, в которой было наглядно продемонстрировано наличие или отсутствие регулярных соответствий между теми или иными фонемами китайского и корейского языков.

— В моей работе систематизирован обширный эмпирический материал и создана основа для дальнейших теоретических и прикладных исследований в области сопоставительной фонетики языков Восточной Азии. А практическая значимость моего исследования состоит в том, что оно содержит информацию, полезную для одновременного изучения китайского и корейского языков. Результаты моей работы могут быть использованы при разработке учебных пособий и методик преподавания, ориентированных на студентов, владеющих одним из языков и изучающих второй, — сказал Артем Ташлыков.

Влияние воды на продольный гигагерцовый модуль упругости гидрогеля на основе коллагена методами оптической спектроскопии исследовала студентка кафедры физических методов исследования твердого тела Физического факультета Новосибирского государственного университета Анна Лактионова под научным руководством кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Института автоматики и электрометрии СО РАН Валерии Зыковой. Данные этого исследования стали основой для магистерской диссертации, которую она успешно защитила в этом году. В своей работе она применила оптические методы исследования — спектроскопию рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) и спектроскопию комбинационного рассеяния света (КРС).

— Изменение упругих свойств биообъектов может быть связано с нарушениями функционирования живых клеток, в таких случаях информация об упругом модуле играет ключевую роль. В настоящее время активно развивается бесконтактная и неинвазивная методика для характеризации вязкоупругих свойств материалов – спектроскопия рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ), которая хорошо себя зарекомендовала в приложении к биомедицинским задачам. Спектроскопия РМБ позволяет получать информацию о скорости звука в веществе и о гигагерцовом упругом модуле. Однако при исследовании реальных биотканей возникают трудности в интерпретации экспериментальных данных, которые связаны с многокомпонентным составом изучаемых объектов и небольшими изменениями величины упругого модуля вследствие возникающих в биообъекте патологий. Это связано с тем, что основной вклад в значение модуля упругости в случае реальных тканей вносит водная составляющая, содержание которой достаточно велико для случая биологических образцов. По этой причине исследователи часто используют вместо реальных тканей более простые модельные двухкомпонентные объекты, представляющие собой гидрогели, в частности, гидрогели на основе коллагена. За счет варьирования содержания воды достигаются различные параметры вязкоупругих свойств, тем самым гидрогели имитируют свойства широкого многообразия реальных тканей, — объяснила Анна Лактионова.

Для проведения исследований были изготовлены образцы гидрогелей на основе коллагена с различным содержанием воды. Далее с помощью ряда оптических методик (РМБ, КРС, низкочастотного КРС и деполяризованного рассеяния света) Анна охарактеризовала упругие и релаксационные свойства изготовленных гидрогелей. Измерение спектров производилось во время сушки образцов гидрогелей на воздухе. Делалось это для того, чтобы пронаблюдать, как в зависимости от содержания воды в образце изменяются его упругие свойства, определяемые из параметров спектра рассеяния света.При дегидратации образца от наиболее гидратированного состояния (содержание воды 99,5 %) до полностью сухого модуль упругости увеличивается в 6 раз. При этом значительный рост наблюдается при концентрациях белка выше 60 %. Для подробного изучения такого поведения понадобилось два спектрометра, позволяющих синхронно измерять спектры РМБ и КРС. В связи с этим возникли некоторые трудности. Устройства находились в разных помещениях, что могло повлиять на точность измерений: пока образец переносили из одного кабинета в другой, он мог подвергнуться нежелательному воздействию внешних факторов, что привело бы к его дополнительному подсыханию. Для характеризации содержания воды в образцах и их упругого модуля от одной и той же точки в процессе сушки, участники эксперимента, который проводился в Лаборатории спектроскопии конденсированных сред Института автоматики и электрометрии СО РАН, установили оптоволоконный канал между двумя спектрометрами. Данное техническое решение реализовано впервые в России.

Анализ зависимости позиции бриллюэновких линий от концентрации белка в гидрогеле показал, что значение гигагерцового упругого модуля меняется почти в 6 раз внутри полного диапазона концентраций (содержание воды 0 – 100 %). Это очень значительное изменение. Ранее в литературе было продемонстрировано, что в случае воздействия химических обработок оно составляет всего несколько процентов. Данный факт в полной мере показывает сильное влияние воды. Полученная концентрационная зависимость величины упругого модуля была описана моделью, рассматривающей гидрогель в виде жесткого белкового каркаса, заполненного водой.

— Из анализа формы бриллюэновского спектра гидрогелей была получена нетривиальная зависимость ширины линии РМБ от содержания белка. Принято считать, по крайней мере, для однокомпонентных систем, что ширина бриллюэновской линии характеризует вязкость исследуемого объекта. Однако в нашем случае все оказалось не так просто. При высыхании гидрогеля ширина линии РМБ действительно увеличивалась до концентраций белка  около 70%, где наблюдался экстремум зависимости. При дальнейшей дегидратации, вплоть до полностью сухого коллагена, ширина линий РМБ сужалась. По нашим предположениям, причина такого неожиданного результата заключается во влиянии релаксационных процессов на форму спектра РМБ гидрогеля. Для подтверждения данной гипотезы потребовались проведение исследования с применением еще одной спектроскопической методики– спектроскопии деполяризованного рассеяния света, — рассказала Анна Лактионова.

Комплексное сравнение поведения ширины линии РМБ и формы деполяризованного спектра, позволило убедиться в релаксационной природе уширения бриллюэновской линии при изменении содержания воды. Результаты спектроскопии РМБ гидрогелей с различным содержанием воды для нескольких температур (25, 0, -10 °C) дополнительно подтвердили влияние релаксационных процессов на ширину бриллюэновской линии, — объяснила Анна Лактионова.  

Анализ полученных результатов позволил получить полную информацию о характере взаимодействия биополимерной матрицы с водной компонентой и детально изучить вопрос влияния водной составляющей на параметры бриллюэновского спектра гидрогеля различной степени гидратации. Участники исследования пришли к выводу: проделанная работа демонстрирует перспективность комплексного применения спектроскопических методик (РМБ, КРС, низкочастотного КРС и деполяризованного рассеяния света) для характеризации свойств гидрогелей и изучения вопроса взаимодействия воды с белковой матрицей.

— Изучать влияние воды на упругие свойства гидрогеля на основе коллагена с помощью оптических методов очень важно, потому что такой объект является достаточно простым для интерпретации спектральных данных, при этом он способен имитировать механические свойства более сложных биообъектов. Данная работа на примере таких простых объектов показывает возможности методов оптической спектроскопии, которые в будущем могут быть использованы для исследования более сложных реальных тканей, — сказала Анна Лактионова.