Как учёные делают нашу жизнь ярче, дольше и удобнее: 10 полезных научных открытий и изобретений XXI века

1. Технологии 3D‑печати

Первые 3D‑принтеры появились ещё в 1980‑х, но только в XXI веке они стали применяться повсеместно. Устройства стали дешевле, а в качестве расходных материалов для них сейчас используют не только пластик, но и металлы, бетон, продукты и даже живые клетки.

Крупнейшее здание, напечатанное на 3D‑принтере, — муниципалитет Дубая (ОАЭ) площадью 641 кв. м. Двухэтажное футуристическое здание высотой 9,5 м создано из материала на основе гипса. А в Амстердаме с помощью 3D‑принтеров возвели 12‑метровый пешеходный мост из нержавеющей стали.

Израильские учёные использовали 3D‑принтер для печати искусственного сердца. Экспериментальный орган размером с вишню состоял из гидрогеля на основе живых клеток, которые образовывали камеры и кровеносные сосуды. А французская компания Poietis создала искусственную кожу с четырёхмерной структурой, которая поможет пациентам после ожогов и серьёзных травм, и разработала технологии печати других тканей человеческого организма.

В повседневной жизни 3D‑печати тоже найдётся место. Например, можно заказать обычный 3D‑принтер для создания пластиковых фигурок и деталей или пойти дальше и купить устройство для печати еды: от пиццы до десертов и декора для изысканных блюд. В глобальной же перспективе 3D‑печать еды должна снизить количество пищевых отходов на планете и сделать даже диетические блюда весьма аппетитными.

2. Дополненная реальность

Её часто путают с виртуальной реальностью, но это совершенно разные технологии. Виртуальная реальность — полностью цифровой мир, который вы можете видеть через специальные очки или шлем с экранами для каждого глаза. С помощью технологии дополненной реальности цифровые объекты добавляются в картину привычного нам реального мира.

Корни дополненной реальности лежат в XX веке, но только несколько лет назад вычислительные мощности позволили внедрять технологию практически везде — от школ и детских садов до сборочных линий на автомобильных заводах. И для этого не нужно сложных дорогих устройств — достаточно обычного смартфона.

Работает это достаточно просто. Камера смартфона или другого гаджета снимает всё вокруг, а гироскоп или акселерометр следят за изменением положения устройства в пространстве. Потом на изображение с камеры накладываются нужные объекты — подсказки, надписи или забавные виртуальные персонажи. Они двигаются вместе с изображением с камеры, а когда вы смотрите на экран, то видите сразу две реальности — нашу объективную и цифровую.

С дополненной реальностью проще учить новые языки: например, смартфон может распознавать объекты вокруг и подписывать их. Хирургам технология помогает проводить операции, а инженерам — собирать сложные устройства, давая подсказки в процессе. Водители могут пользоваться навигацией в дополненной реальности, когда карта маршрута выводится поверх дороги, дизайнеры — показывать клиентам новый интерьер в квартире перед ремонтом. А в ресторане посетитель может ещё до подачи блюда рассмотреть его со всех сторон прямо в своей тарелке, которая пока физически пуста.

3. Полностью искусственное сердце

Рабочие прототипы человеческих органов существовали давно, но чаще всего это были сложные стационарные системы, с которыми вряд ли получится выйти за пределы больницы. В 2021 году учёные и врачи смогли впервые разработать и имплантировать полностью искусственное сердце.

Бригада хирургов в госпитале Университета Дьюка под руководством Джейкоба Шредера и Кармело Милано провела успешную замену органа 39‑летнему Мэтью Муру, страдавшему сердечной недостаточностью. С имплантатом он сможет вести практически привычную жизнь — жить в окружении родных, воспитывать двухлетнего сына, ходить в магазин и на работу, путешествовать.

Единственное неудобство — искусственное сердце питается от внешнего аккумулятора, которого хватает примерно на 4 часа. Контроллер для управления устройством также вынесен за пределы человеческого тела. Поэтому пациенту придётся носить с собой сумку весом около 4 килограммов и регулярно подключаться к компьютеру в госпитале для контроля состояния устройства.

4. Многоразовые ракеты

Компания SpaceX разработала ракеты, которые можно восстановить и использовать повторно. Эта эффективная и дешёвая альтернатива одноразовым ракетам способна снизить стоимость доставки грузов на орбиту.

Первый повторный запуск ракеты состоялся 30 марта 2017 года. SpaceX отправила в космос Falcon 9 — модель с девятью жидкостными двигателями Merlin, которые работают на керосине марки RP‑1 и жидком кислороде. Позднее запустили Falcon Heavy с тремя модифицированными первыми ступенями Falcon 9: одну использовали в качестве центрального блока, две — в роли боковых ускорителей.

Многоразовой можно назвать не всю ракету, а только её первую из двух ступеней. На ней установлены системы для возврата и вертикального приземления на посадочную площадку или плавающую в океане платформу. Ступень выдерживает до десяти стартов.

Позднее компания Blue Origin, основанная главой Amazon Джеффом Безосом, запустила свою многоразовую одноступенчатую ракету New Shepard. Она работает на водороде и кислороде и предназначена для суборбитальных полётов. New Shepard подходит для космического туризма, но, в отличие от Falcon, не сможет вывести на орбиту искусственные спутники Земли.

5. Батареи высокой плотности

Новым автономным устройствам нужно много энергии, чтобы они как можно дольше обходились без розетки. Вместе с тем батареи должны быть компактными и безопасными — например, не взрываться при сильном нагреве или механических повреждениях.

Команда Центра технологий аккумуляторов и накопления энергии (BEST) в Пенсильвании создала безопасный и мощный литий‑ионный аккумулятор, который позволит электромобилю пройти до 1,6 миллиона километров. Во время тестов в него в буквальном смысле забивали гвозди, чтобы вызвать короткое замыкание. Но температура повреждённой ячейки повысилась всего на 100 градусов Цельсия — а в обычной батарее разница составила бы 1 000 градусов Цельсия.

Прорыв совершили и исследователи Samsung: они разработали твердотельный литий‑металлический аккумулятор плотностью 900 Вт·ч/л. Он на 50% компактнее существующих батарей и создан без использования жидкого электролита. Со временем аккумулятор не деградирует — объём заряда, который он может накопить, остаётся прежним.

6. Бионическая рука

Бионические протезы в XXI веке способны практически полностью заменить естественные конечности. Учёные обеспечили не только возможность двигать ими, как собственными руками, но даже вернули способность чувствовать — импульсы ощущений передаются прямо в мозг.

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса в США создали MPL (Modular Prosthetic Limb — модульный протез конечности), который может выполнять почти все движения, на которые способна человеческая рука. В нём установлено более 100 датчиков, а также специальные моторы, которые обеспечивают привычную силу и ловкость.

Протез снабжён тактильными сенсорами и позволяет определять расположение, температуру и текстуру предметов. А нейронный интерфейс обеспечивает интуитивно понятное и естественное управление искусственной рукой — достаточно подумать о действии, чтобы выполнить его.

7. Графен

Существование первого известного истинно двумерного кристалла (с кристаллической решёткой толщиной в один атом) в 2004 году впервые подтвердили экспериментально учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов, и в 2010‑м они получили Нобелевскую премию по физике.

По сути, графен — это плёнка из графита (кристаллизованного углерода) толщиной в один атом. Её долго не могли получить из‑за нестабильности. Гейм и Новосёлов использовали подложку из окисленного кремния, чтобы стабилизировать двумерную плёнку.

Графен очень прочный и при этом крайне гибкий. Он проводит ток, а электроны в нём движутся стремительнее, чем во всех известных материалах. В частности, в 100 раз быстрее, чем в кремнии, из которого производят современные процессоры.

Используя графен, можно создавать сверхтонкие фильтры, сенсорные дисплеи, датчики, высокоэффективные каталитические ячейки, наноканалы для работы с ДНК, компоненты для высокоточной электроники. Графеновые чипы повысят производительность компьютеров и ускорят передачу данных, сделают устройства мощнее и компактнее.

8. Беспилотные автомобили

Достижения искусственного интеллекта, большие вычислительные мощности, высокая скорость беспроводной передачи данных и точные датчики — всё это послужило основой для создания автомобилей, которые могут обходиться без водителя. Они сканируют дорожную обстановку в режиме реального времени, распознают пешеходов и дорожные знаки и могут за доли секунды принять решение в сложной ситуации.

В 2021 году Tesla Model 3 с системой FSD (Full Self‑Driving — полностью автономное управление) самостоятельно проехала из Сан‑Франциско в Лос‑Анджелес и обратно — это около 2 400 км пути. Машина успешно справилась с задачей даже на загруженных городских улицах и сделала две остановки для зарядки аккумулятора.

Но автопилот разрабатывается не только для личных автомобилей. Например, в США стартап Waymo в 2020 году запустил сервис беспилотных такси. Машин немного, но поездки доступны всем желающим.

В России беспилотные такси появятся этой осенью — правда, пока в экспериментальном режиме. Участники тестирования, которых отберёт компания, смогут прокатиться в машине без водителя в районе Ясенево в Москве.

Ещё одно применение беспилотных авто — грузоперевозки. Платформа NVIDIA Drive уже помогает дальнобойщикам в дороге, а скоро сможет заменить их на стандартных маршрутах. Tesla и другие компании также работают в этом направлении.

9. Редактирование генов

В 2012 году Дженнифер Дудна из США и Эммануэль Шарпантье из Франции разработали молекулярный инструмент CRISPR‑Cas9, который называют «генетическими ножницами». За этот научный прорыв в 2020 году они получили Нобелевскую премию по химии.

CRISPR‑Cas9 позволяют редактировать гены растений и животных. Это открывает новые возможности для селекции и способно остановить распространение заболеваний — например, если изменить гены комаров, они не смогут переносить малярию и болезнь Лайма.

CRISPR‑Cas9 уже внёс свой вклад в лечение рака. Ведутся исследования, которые в перспективе могут избавить от наследственных болезней и генетических мутаций.

Но считать, что CRISPR‑Cas9 откроет дорогу ГМО, неверно. Во‑первых, генетически модифицированные организмы впервые получили ещё в 1972 году. CRISPR‑Cas9 может лишь повысить точность изменения ДНК и избавить от негативных побочных эффектов.

К слову, карта генома человека — тоже достижение XXI века. Основная часть работ по проекту Human Genome Project завершилась в 2003 году.

10. Человекоподобные роботы

Робот Atlas от Boston Dynamics — любимец интернета: он умеет делать сальто, удержится на ногах после сильных ударов, способен преодолевать препятствия и даже танцевать. Разработчики называют его исследовательской платформой, призванной раздвинуть границы мобильности всего тела, и самым динамичным человекоподобным роботом.

На самом деле у Atlas и других моделей Boston Dynamics — например, робособаки Spot и робота‑грузчика Stretch — есть глубокий практический смысл. Они способны заменить людей в сложных или опасных условиях: искать пострадавших под завалами зданий или в пожарах, исследовать отдалённые районы, доставлять грузы и круглосуточно выполнять скучные рутинные операции.

Есть у человекоподобных роботов и другие применения. Например, разрабатываются модели‑консультанты, компаньоны и официанты, помощники для людей с ограниченными возможностями.

А российский робот Фёдор даже побывал в космосе в 2019 году. Он умеет водить автомобиль и квадроцикл, открывать двери, подниматься по ступеням, проходить лабиринт, стрелять и работать с дрелью.