Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии ФБТ-2025
«Цифровое материаловедение: новые свойства для новой реальности».
Актуальность
Компьютерное моделирование позволяет не только сократить время разработки, но и свести к минимуму натуральные испытания. Большой объем данных экспериментальных исследований прошлого заложили фундамент создания новой цифровой материаловедческой реальности, позволил выявить закономерности и предложить на их основе алгоритмы для дальнейших исследований. Уже реализованы и успешно применяются алгоритмы поиска новых кристаллических структур, безусловным лидером среди которых является разработка профессора Артема Оганова — компьютерная программа USPEX, при помощи которой уже удалось предсказать и синтезировать новые сверхтвердые и сверхпроводящие материалы.
Проблема доступности информации в цифровом материаловедении
Одной из ключевых задач современного материаловедения является обеспечение доступности информации о материалах для широкого круга исследователей, разработчиков и производителей. В условиях глобализации и цифровизации науки важно не только создавать новые материалы, но и обеспечивать их эффективное использование через удобные системы поиска и анализа данных. Однако на практике существуют значительные ограничения, связанные с отсутствием универсальных платформ для поиска материалов по характеристикам.
Сегодня многие предприятия используют локальные программные продукты, которые позволяют хранить и анализировать данные о материалах внутри компании. Эти системы обычно разрабатываются под конкретные задачи и содержат информацию о материалах, используемых в производстве или разработке данного предприятия. На уровне всей отрасли или между предприятиями практически отсутствуют универсальные платформы, где можно было бы искать материалы по характеристикам.
Кроме этого, индустриальные заказчики часто недооценивают потенциал моделирования свойств материалов, что замедляет развитие цифрового материаловедения в промышленности. Однако, если правильно продемонстрировать преимущества этой технологии и устранить существующие барьеры, она может стать мощным инструментом для повышения конкурентоспособности компаний и создания инновационных продуктов. Решение этой проблемы требует совместных усилий со стороны научных учреждений, производственных компаний и органов государственной власти.
Многие индустриальные заказчики рассматривают моделирование как дополнительную статью расходов, которая не всегда гарантирует ожидаемый результат. Они полагаются на традиционные методы испытаний и физического прототипирования, считая их более надежными и проверенными временем. Однако это мнение основано на устаревших представлениях, так как современные методы моделирования позволяют значительно сократить временные и финансовые затраты на разработку новых материалов или оптимизацию существующих продуктов.
Сложность интерпретации результатов
Результаты численного моделирования часто представляются в виде сложных графиков, математических формул или объемных дата-сетов, которые могут быть непонятны специалистам, не обладающим соответствующей научной подготовкой. Инженеры и менеджеры среднего звена, принимающие решения на производстве, могут испытывать трудности при интерпретации данных, что снижает доверие к методам моделирования.
Отсутствие четких критериев для оценки эффективности
В отличие от традиционных методов производства, где экономическая эффективность легко измеряется через количество выпущенных единиц продукции или стоимостью сырья, результаты моделирования сложно оценить в конкретных показателях. Отсутствие четко определенных ключевых показателей эффективности для оценки пользы от использования цифровых технологий делает их менее привлекательными для руководителей компаний.
Высокие первоначальные инвестиции
Внедрение методов моделирования требует значительных начальных вложений: покупка лицензий на программное обеспечение, создание и модернизация вычислительной инфраструктуры, обучение персонала. Для многих предприятий, особенно малых и средних, такие затраты могут быть неподъемными. Кроме того, эффект от внедрения может проявиться только через несколько лет, что снижает интерес к данной технологии среди компаний, ориентированных на краткосрочную прибыль.
Риск ошибок в моделировании
Хотя современные методы моделирования достигли высокой точности, они все еще не являются абсолютно безошибочными. Некоторые заказчики опасаются, что использование моделирования может привести к ошибкам в прогнозировании свойств материалов, что повлечет за собой дополнительные затраты на корректировку проекта или даже отказ от него. Этот риск особенно актуален для компаний, работающих в регулируемых отраслях, таких как авиакосмическая промышленность или медицина, где любая ошибка может иметь серьезные последствия.
Несмотря на вышеописанные проблемы, моделирование свойств материалов предлагает множество преимуществ, которые могут быть выгодны для индустриальных заказчиков.
Потенциальная выгода от использования моделирования
Сокращение времени разработки
Моделирование позволяет быстро тестировать различные варианты материалов и конструкций без необходимости создания физических прототипов. Это значительно ускоряет процесс разработки материалов и позволяет быстрее выходить на рынок.
Оптимизация затрат
За счет уменьшения количества физических экспериментов и испытаний снижаются операционные расходы. Кроме того, моделирование помогает избежать дорогостоящих ошибок на поздних этапах разработки, когда изменения становятся более затратными.
Повышение качества продукции
Моделирование обеспечивает более глубокое понимание структурных и функциональных свойств материалов, что позволяет создавать продукты с улучшенными характеристиками. Например, использование методов молекулярной динамики может помочь разработать материалы с повышенной прочностью или термоустойчивостью.
Инновационный потенциал
Моделирование открывает возможности для создания совершенно новых материалов, которые невозможно получить традиционными методами. Это особенно важно для компаний, стремящихся занять лидирующие позиции на рынке за счет инноваций.
Пять шагов к преодолению барьеров
Для повышения мотивации заказчиков необходимо преодолеть барьеры, связанные с восприятием моделирования как инструмента для разработки новых материалов. Для этого необходимо проделать следующие шаги:
Просветительская работа
Разработка образовательных курсов и семинаров для инженеров и менеджеров, направленных на повышение осведомленности о возможностях цифрового материаловедения. Это поможет устранить недопонимание и повысить доверие к технологии.
Демонстрация успешного опыта
Демонстрация успешного опыта и представление реальных примеров успешного применения моделирования в различных отраслях может убедить скептически настроенных заказчиков в его эффективности. Особенно важно показывать экономические и технические преимущества, полученные в результате использования данной технологии.
Комбинированный подход
Создание гибридных подходов при помощи комбинирования методов моделирования с традиционными экспериментальными исследованиями может сделать переход к цифровым технологиям более плавным и приемлемым для консервативных компаний.
Формирование отраслевых стандартов
Разработка стандартов для проведения и оценки результатов моделирования позволит увеличить доверие к этой технологии и сделать ее более доступной для широкого круга пользователей.
Поддержка со стороны государства
Государственные программы поддержки и гранты для предприятий, внедряющих цифровые технологии, могут снизить финансовую нагрузку на компании и стимулировать их к использованию методов моделирования.
Заключение
Развитие направления цифрового материаловедения подразумевает воспитание профессионалов, обладающих компетенцией в широком пространстве знаний: химия, физика, компьютерные и инженерные науки. Человек, работающий в области цифрового материаловедения, должен обладать практическими опытом, чтобы иметь представление о технологических возможностях и ограничениях при создании новых материалов. Вырастить такого специалиста достаточно затратно, но ожидаемый эффект будет многократно превосходить вложенные средства. Главное — побудить заказчика в лице индустриальных партнеров создать соответствующий запрос. Для этого необходима просветительская работа среди индустриальных заказчиков, проведение мероприятий, нацеленных на объяснение пользы от внедрения новых технологий, демонстрация успешных примеров.
Следующий шаг — создание инфраструктуры для единого цифрового пространства, в котором будет отслеживаться весь жизненный цикл от создания материала, изготовления деталей до окончания жизни материала и даже его переработки и вторичного использования.
Параллельно с просветительской работой и созданием инфраструктуры необходимо вводить стимулирующие программы для поддержки развития направления цифрового материаловедения. Это позволит укрепить связи между исследовательскими организациями и индустриальными партнерами.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
