8 научных открытий года — от строения Марса до нейросети для сельского хозяйства

В честь Дня науки рассказываем о самых заметных прорывах в мире науки и технологий, случившихся в 2021 году.

В прошлом году систему CRISPR-Cas9 впервые опробовали на целом организме: ввели «молекулярные ножницы» внутривенно шести пациентам и отредактировали ген, вызывающий транстиретиновый амилоидоз — болезнь, при которой белок транстиретин накапливается в жизненно важных органах. Уже через месяц концентрация белка в крови пациентов снизились на 50–90%, а серьёзных побочных эффектов не возникло. При этом сама CRISPR-Cas9 известна давно, а консолидированное мнение учёных сводится к тому, что она способна произвести революцию в лечении генетических нарушений. Раньше технологию использовали очень осторожно, чтобы избежать случайных правок в ДНК человека. Но теперь молекулярные ножницы ввели напрямую в кровоток — и это настоящий прорыв.

Сотрудники Лаборатории по искусственному интеллекту Сбера создали модель для интерпретации компьютерной томографии пациентов с Covid-19 с использованием технологий глубокого обучения. Используя данные КТ из различных медицинских центров — партнёров исследования, — нейросети сегментируют поражения, оценивают динамику состояния пациентов, относительный объём поражения и стадию повреждения лёгких.

Расчёты ИИ сравнили с результатами работы шести опытных радиологов. Оказалось, нейросети классифицируют тяжесть заболевания точнее врачей. Конечно, технология не заменит докторов, но поможет им быстрее принимать верные решения.

Потенциально термоядерная энергетика — решение многих проблем человечества. Она дешевле традиционного горючего топлива: один грамм дейтерия стоит $16 и эквивалентен 10 000 литров бензина. Она безопаснее атомной энергетики. А еще она не работает. Если коротко: во время термоядерной реакции получают меньше энергии, чем тратят на ее запуск.

Но американские физики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса смогли получить 1,3 МДж энергии — примерно в 25 раз больше, чем их предыдущий рекорд 55 кДж, зафиксированный в январе 2018 года. Да, на запуск установки потратили 1,9 МДж, но эффективность 70% означает, что производство безопасной и дешёвой энергии стало ближе.

Научная работа SberDevices обещает прорыв в области немой ЭЭГ-речи. В ходе испытаний наши коллеги использовали данные электроэнцефалограмм 270 людей, чтобы распознавать слова, которые они произносили мысленно. Распознавание немой ЭЭГ-речи вели с использованием сверхточной и рекуррентной нейронной сети.

В среднем по группе точность распознавания составила 88%. Работа направлена на развитие человеко-машинных интерфейсов, а её результаты помогут создать устройства распознавания речи для людей с нарушениями слуха и речи.

4 года назад геологический зонд InSight отправился на Марс. Теперь NASA опубликовала данные, полученные благодаря этому устройству. В частности, стало известно, что марсианское ядро состоит в основном из железа и никеля, а его диаметр — 3 660 км. А ещё, что внешняя кора Марса в среднем толще земной, а мантия сильно отличается по составу от мантии нашей планеты.

Открытия позволяют утверждать, что Марс и Земля сформированы из разных материалов, и помогут лучше понять геологическую историю каменистых планет.

Команды Sber AI, SberDevices и SberCloud представили первую в мире нейросеть ruDALL-E, которая умеет генерировать картинки по заданному описанию на русском языке. Сеть стала самым большим нейросетевым вычислительным проектом в России и СНГ. Есть два варианта: сверхбольшая ruDALL-E XL с 1,3 млрд параметров (код и набор параметров есть на Github) и гигантская ruDALL-E 12B XXL с 12 млрд параметров (доступна в подборке ruGPT-3 & family DataHub ML Space).

Изображения создаются в три этапа: одна нейросеть принимает текст и генерирует некоторое количество картинок, следующая выбирает самые удачные, а третья увеличивает их в размере без потери качества. Нейросеть можно испытать на демосайте, в мобильном приложении «Салют» и на умных устройствах Sber.

Раньше структуру белков определяли только с помощью кропотливых лабораторных анализов, процесс длился годы и стоил тысячи долларов. Сейчас ИИ-процесс стал быстрее и дешевле: программа RoseTTAFold раскрыла структуры сотен белков, а неделю спустя учёные DeepMind сообщили, что они сделали то же самое для 350 000 белков — 44% всех известных человеческих белков. К тому же, у этих алгоритмов открытый код, а значит, пользоваться им могут учёные со всего мира.

Редакция научного журнала Science назвала открытие одним из важнейших в 2021 году. По их мнению, предсказание конформации белковых молекул с помощью искусственного интеллекта навсегда изменит биологию, медицину и сам взгляд на жизнь человека.

Сколтех и Sber AI разработали методику обработки космических снимков MixChannel, которая поможет повысить точность обработки данных. Главная проблема подобных снимков в том, что за один проход спутника получается кадров немного и, как правило, с низким разрешением. Для обучения нейронных сетей нужно гораздо больше данных высокого качества, поэтому инженеры используют аугментацию — преобразование изображений.

Раньше не существовало эффективного средства аугментации сложных мультиспектральных данных, поэтому MixChannel стал большим событием в отрасли. Алгоритм значительно повышает точность в решении задач сегментации и классификации спутниковых снимков, что уже доказано на примере изучения лесов Архангельской области. У учёных было всего шесть кадров, но по результатам тестирования на трёх нейронных сетях новый метод превзошёл самые современные решения. Разработчики утверждают, что MixChannel можно применять для экологических исследований и точного земледелия.