Немецкая премия будущего

В минувший вторник, 3 декабря, в Доме немецкой экономики в Берлине состоялась торжественная церемония вручения Немецкой премии будущего. Напомню, что эта почётная награда была учреждена пять лет назад тогдашним президентом Германии Романом Херцогом – с тем, чтобы поддержать немецкую науку и, прежде всего, те её приоритетные направления, развитие которых способно обеспечить Германии ведущие позиции в сфере высоких технологий. Это означает, что при определении проекта-лауреата предпочтение отдаётся не фундаментальным изысканиям, а прикладным инновациям, то есть разработкам, в которых научные идеи нашли конкретное техническое воплощение. Помимо почётного диплома, победитель конкурса получает и денежное вознаграждение, составляющее 250 тысяч евро.

Как и в предыдущие годы, для участия в финале жюри отобрало четыре проекта. И хотя премии удостоился, естественно, лишь один из них, речь в сегодняшней передаче пойдёт о всех четырёх, поскольку каждый из них может с полным правом считаться выдающейся инновацией.

Начнём с системы под названием "Протектор" ("Protector"), разработанной группой инженеров концерна "ДаймлерКрайслер" в Штутгарте. Юрген Трост (Jürgen Trost), Лоренц Шеферс (Lorenz Schäfers) и Инго Шерхауфер (Ingo Scherhaufer) задались целью повысить уровень безопасности на автотрассах и создали систему аварийного торможения для грузовиков, способную не только самостоятельно реагировать на дорожную ситуацию, но и прогнозировать её. Дело в том, что наиболее тяжёлые автокатастрофы связаны, как правило, с наездами большегрузных автомомобилей на идущие впереди машины. Нередко эти наезды вызывают массовые столкновения, в которые оказываются вовлечены десятки машин. Жертвами таких автокатастроф в одной только Германии становятся около тысячи человек в год. А поскольку главная причина этих аварий – человеческий фактор, то есть невнимательность или усталость водителя, – создатели "Протектора" уверены, что их детище вскоре станет незаменимым помощником человека за рулём грузовика. Юрген Трост поясняет:

Система "Протектор" располагает встроенным радаром, который 10 раз в секунду регистрирует дорожную ситуацию перед машиной. Если расстояние до идущего впереди автомобиля начинает угрожающе сокращаться, система сперва подаёт сигнал водителю. Если же тот не реагирует, то включается сирена, чтобы предостеречь остальных участников дорожного движения, а уж затем, если надо, приводится в действие и экстренное торможение.

Глаза "Протектора" – это трёхлучевой радар, установленный впереди чуть выше бампера. Радар ощупывает трассу перед грузовиком на расстояние в 150 метров. Ночь или туман ему не помеха. Инго Шерхауфер поясняет:

Принцип радара основан на излучении электромагнитных волн. Они отражаются от расположенных впереди препятствий, возвращаются обратно, регистрируются и анализируются.

Вот в том, чтобы сделать этот анализ эффективным и точным, и состояла главная трудность. Ведь радар регистрирует все металлические препятствия без разбору – не только автомобили, но и ограждения, и фонарные столбы, и дорожные указатели. Так что "Протектор" – нечто большее, чем банальный радар, – говорит Инго Шерхауфер:

В автомобиле монтируется достаточно сложная система, состоящая из нескольких компонентов. Помимо радарной техники – излучателей и приёмников, – имеются ещё и бортовые компьютеры, соединённые в сеть и способные с высокой скоростью обмениваться информацией.

Именно это и позволяет "Протектору" оценивать дорожную ситуацию, поясняет Инго Шерхауфер:

Сравнивая скорость обнаруженных радаром объектов с собственной скоростью автомобиля, анализируя динамику перемещения объектов, компьютер легко классифицирует их, отличает подвижные препятствия от неподвижных. На основе этих данных он способен вовремя обнаружить потенциальную опасность, оценить степень угрозы и в случае необходимости принять соответствующие меры.

Сегодня испытания системы близятся к завершению. Ряд автотранспортных фирм согласились на то, чтобы их грузовики были оборудованы "Протектором". Суммарный пробег этих машин уже составил более миллиона километров. По отзывам водителей, система работает надёжно. Но получит ли она массовое распространение, как того ждут разработчики, пока неясно: ведь оборудование одного грузовика системой "Протектор" обойдётся предприятию в 2,5 тысячи евро. Юрген Трост говорит:

Поэтому, с одной стороны, мы постарались сделать систему как можно более доступной по цене, а с другой стороны, в обществе должны быть созданы такие условия, чтобы безопасность себя окупала, чтобы автопредприятию было выгоднее работать с более безопасными машинами.

Иными словами, речь идёт о введении налоговых льгот, которые поощряли бы автотранспортные фирмы к покупке грузовиков, обрудованных "Протектором". Но это – совсем другая тема, не имеющая прямого отношения к науке и технике. Мы же обратимся к следующему проекту, выдвинутому на соискание Немецкой премии будущего.

Сегодня практически во всех промышленно развитых странах первое место среди причин смерти занимают сердечно-сосудистые заболевания. Поскольку инфаркт миокарда является следствием нарушения кровоснабжения сердечной мышцы, врачи стараются своевременно выявить наличие сужений и жировых бляшек на внутренних стенках коронарных сосудов. Для такой диагностики в медицинской практике используется инвазивная коронарная ангиография. Эта процедура состоит в том, что врач вводит пациенту под местным наркозом через паховую вену тонкий гибкий катетер и продвигает его в направлении сердца, пока не достигнет коронарных сосудов. Рентгеноскопия позволяет следить за продвижением катетера и регистрировать опасные нарушения кровотока. К сожалению, эта процедура, хоть и стала уже рутинной, не всегда проходит гладко, а кроме того, позволяет судить лишь о ширине просвета сосудов, но не о состоянии их стенок. Теперь трое сотрудников фирмы "Siemens Medical Solutions" в городке Форхьхайме – Бернд Онезорге (Bernd Ohnesorge), Томас Флор (Thomas Flohr) и Рихард Хаусман (Richard Hausmann) – разработали новый компьютерный томограф, который, судя по всему, вытеснит коронарную ангиографию как способ диагностики. Бернд Онезорге говорит:

Это нужно представлять себе так: пациента укладывают на стол, вводят ему через вену на руке контрастное вещество и задвигают в трубу компьютерного томографа. Само исследование занимает примерно 15 секунд. Затем врачу нужно ещё 5-10 минут, чтобы обработать и оценить полученные снимки, и всё: диагноз готов.

Компьютерный томограф – это, по сути дела, всё тот же рентгеновский аппарат, только более совершенный. Его конструкция такова, что пациент облучается с разных сторон, и из полученных снимков компьютер составляет трёхмерное изображение тканей и органов. Вот только для исследования сердца эта технология до сих пор не годилась: из-за того, что сердце практически непрерывно находится в движении, его изображение неизменно получалось смазанным и нечётким. Теперь, с разработкой томографа "Sensation-16", ситуация изменилась, – говорит Рихард Хаусман:

Инновация, реализованная в этом томографе состоит, во-первых, в его технических характеристиках, которые позволяют делать очень быстро очень много снимков с выдержккой в 100 миллисекунд. А во-вторых, мы разработали программное обеспечение, дающее возможность получать высококачественные трёхмерные изображения сердца и коронарных сосудов.

Итак, томографу для снимка достаточно 0,1 секунды. Но это должна быть не любая, а строго определённая доля секунды. Бернд Онезорге поясняет:

Существует особенно подходящая фаза в сердечном цикле – так называемая диастола. Это период покоя между двумя сокращениями, когда сердечная мышца расслабляется, он длится примерно полсекунды. Наш прибор сконструирован очень хитро: одновременно с томографией у пациента снимается электрокардиограмма, которая и управляет томографом. В результате тот делает снимки только в моменты диастолы. А дальше данные обрабатываются компьютером.

Томас Флор добавляет:

Мы разработали специальные методики реконструкции изображения, которые позволяют чётко синхронизировать снимки с ЭКГ. Кроме того, нами созданы программы, благодаря которым с трёхмерной визуализацией легко справится любой кардиолог без специальной компьютерной подготовки.

Действительно, новый томограф позволяет получать на удивление чёткие снимки, на которых хорошо различимы структуры с линейными размерами до 0,5 миллиметра. Этого вполне достаточно, чтобы оценить состояние сосудов. Профессор Клаус Шмитт (Claus Schmitt), врач Немецкого кардиологического центра в Мюнхене, в восторге:

Я просто восхищён новой технологией. Она даёт нам снимки невиданного ранее качества. Уверен, что возможность получения таких чётких трёхмерных изображений сердца и коронарных сосудов обеспечит прорыв в кардиологии.

Это естественно, – добавляет Бернд Онезорге:

Важно то, что теперь патологические изменения сосудов можно будет выявлять на очень ранней стадии, когда они ещё не дают о себе знать. Между тем, именно такие бессимптомные аномалии и приводят, как правило, к самым тяжёлым инфарктам. Теперь же можно будет их своевременно обнаружить и принять соответствующие меры.

Есть у этой технологии и ещё одно преимущество. Хотя томограф нового типа стоит недёшево – 1 300 000 евро, – он даст большую экономию: вместо часов врач будет тратить на такое исследование лишь несколько минут. Так что не зря количество заказов на новый аппарат уже перевалило за 300.

Третья группа кандидатов в лауреаты Немецкой премии будущего представила проект, посвящённый разработке технологии пространственного зрения. По мнению Рудольфа Шварте (Rudolf Schwarte), профессора университета в Зигене, и его коллег Бернда Буксбаума (Bernd Buxbaum) и Торстена Голлевски (Torsten Gollewski), фоточип, позволяющий регистрировать трёхмерное изображение, совершит революцию во многих отраслях экономики. Ведь сегодня, – говорит профессор Шварте, – промышленные роботы работают вслепую:

Объект, который они обрабатывают, крепится на определённое место, все операции заранее программируются, и роботы их выполняют, даже если объекта на самом деле там нет.

Совсем иное дело – робот, обладающий пространственным зрением:

В тот момент, когда робот благодаря сенсорике получит трёхмерную информацию об окружающем пространстве, он станет гораздо более гибким в своих действиях, он обретёт способность по-разному обращаться с разными объектами: с куриным яйцом – иначе, чем со стальной деталью.

До сих пор инженерам удавалось технически реализовывать пространственное восприятие изображения с помощью сложных и дорогих лазерных радаров. Теперь исследователи из Зигена разработали оптоэлектронный микрочип, способный не только регистрировать интенсивность отражённого светового излучения, но и извлекать из него пространственную информацию. Принцип действия этого фотодетектора Бернд Буксбаум излагает так:

Мы имеем две прозрачных окошка, сквозь которые поступает входящий световой сигнал. Под воздействием этого сигнала в полупроводнике образуются носители заряда, и эти носители мы можем с помощью своего рода миниатюрных качелей распределять, направлять на два разных выхода. Это распределение между выходами строго соответствует частоте светового сигнала: скажем, пики волны – налево, впадины – направо. Любое изменение длины пути прохождения светового сигнала сбивает этот ритм. В этой зависимости и кроется информация о расстоянии до объекта.

Профессор Шварте добавляет:

Это означает, что от всего приёмника остался лишь этот фотодиод с двумя выходами – так называемый PMD-элемент (Photonic Mixer Device). Он даёт трёхмерное изображение в режиме реального времени.

Этот элемент размером со спичечную головку примерно в миллион раз меньше прежних приборов того же назначения и стоит лишь несколько центов. 264 таких элемента составляют фотоматрицу камеры, обладающей трёхмерным зрением. Её уже сегодня исследователи испытывают в автомобиле – в качестве прибора, предупреждающего водителя о приближении сзади машин, идущих на обгон: ведь зеркало заднего вида имеет, как известно, мёртвую зону. Торстен Голлевски преисполнен оптимизма:

Как только завершится стадия предварительного проектирования – а это должно произойти уже в будущем году, – мы тут же приступим к подготовке серийного производства. И в соответствии с нормальным циклом разработки новых моделей, принятом в автомобилестроении, уже через 3 года выйдем с этой техникой на рынок.

И всё же Немецкая премия будущего досталась другому проекту. Заместитель председателя Объединения немецкой промышленности Арендт Эткер (Arendt Oetker), заменявший на церемонии вручения премии отсутствовавшего по болезни президента Германии Йоханнеса Рау, объявил:

Немецкая премия будущего за 2002-й год присуждается госпоже профессору доктору Марии-Регине Кула и госпоже приват-доценту доктору Регине Поль!

Профессор Мариа-Регина Кула (Maria-Regina Kula) и доктор Мартина Поль (Martina Pohl), сотрудницы Института ферментных технологий в Юлихе при Дюссельдорфском университете, удостоились высокой награды за новаторскую разработку в области так называемой "мягкой химии". Как известно, в живом организме все реакции протекают с участием особых белков – ферментов, часто именуемых биокатализаторами. Благодаря научным работам исследовательниц, удостоенных теперь Немецкой премии будущего, ферментные технологии получают сегодня в химической промышленности всё более широкое распространение, поскольку позволяют сделать производство более экономичным и экологичным. Главная трудность состояла в том, что большинству ферментов для эффективной работы необходимы так называемые редокс-кофакторы, выполняющие роль своего рода источников энергии. Мартина Поль поясняет:

Эти биологические батареи, эти кофакторы, чрезвычайно дороги в производстве, а проблема заключается в том, что, в отличие от ферментов, которые в ходе реакции сами остаются неизменными, кофакторы расходуются. То есть для получения молекулы конечного продукта из молекулы исходного продукта необходима молекула кофактора, которая при этом разряжается. Это делало всю технологию несуразно дорогой.

Исследовательницам удалось решить проблему, выделив новый суперфермент – формиатдегидрогеназу, – способный снова заряжать биологические батареи. В результате кофакторы из "одноразовых" превращаются в "многоразовые". Мартина Поль говорит:

Формиатдегидрогеназе как ферменту для реакции нужна муравьиная кислота. При расщеплении муравьиной кислоты выделяется энергия, которая переносится на кофактор, так что батарея снова готова к работе, а остаток – это углекислый газ, и он просто улетучивается.

Такое хитроумное решение, помимо простоты и дешевизны, имеет и целый ряд других достоинств. Например, универсальность, поскольку во многих реакциях с участием самых разных ферментов для получения самых разных веществ используются один и тот же кофактор. А ещё – экологичность. Мартина Поль говорит:

Во-первых, в этой технологии в качестве растворителя используется обычная вода. Никаких органических растворителей не требуется. Во-вторых, реакция идёт при комнатной температуре. А в-третьих, единственным побочным продуктом этой технологии является углекислый газ.

На сегодня научная часть проекта завершена. Фермент стабилен, скорость реакции достаточно высока. Фирма "Degussa Feinchemie" в Ханау-Вольфганге уже запустила на базе технологий с использованием формиатдегидрогеназы массовое производство одного из препаратов против СПИДа и готовится в ближайшее время значительно расширить ассортимент.

Владимир Фрадкин, НЕМЕЦКАЯ ВОЛНА