Передовые технологии DARPA Идеи для российской космонавтики Инфраструктура исследований и разработок Министерства обороны США Национальные оборонные лаборатории и центры Ливерморская лаборатория Национальная лаборатория в Лос-Аламосе Лаборатория Линкольна Исследовательский центр Сухопутных войск США …. Управления по размещению госзаказа на оборонные исследования в университетах и корпорациях Управление научно-исследовательских работ ВВС Управление исследований ВМС Научно-исследовательское управление Сухопутных войск Управление передовых оборонных исследовательских проектов Управление исследований и разработок Инженерного корпуса Сухопутных войск Управление исследований и разработок Агентства национальной безопасности * Управление медицинских исследований и медицинской техники Сухопутных войск * Исключительно * Программа изучения рационализаторских предложений для небольших фирм университетские проекты DARPA в системе оборонных НИОКР США SBTT SBIR Управление исследований ВМС Национальные лаборатории и научные центры видов войск ВС корпорации, университеты малый бизнес Технологичный бизнес Общественные структуры DARPA Управление передовых оборонных исследовательских проектов создано в 1958 году с целью предотвращения внезапного для США появления новых технических средств вооруженной борьбы и поддержки прорывных исследований в интересах обороны. Сотрудники - менеджеры программ Средний возраст Годовой доход (год), gross Менеджер программ Дирекция Образование сотрудников - top университеты США Бюджет - внутренние административные расходы (включая менеджеров программ) Год создания 240 чел. 33,6% 37 лет $130,000 $90,000150,000 20% $ 3,1 млрд. $ 57 млн. 1958 Главный вопрос, на который должны ответить все программы DARPA: соответствуют ли они качественно новому передовому уровню, и действительно ли окажут долгосрочный эффект на Министерство обороны и войска под флагом США? DARPA: основные задачи Поддержание технологического превосходства США в военной области Предотвращение внезапного появления технологий способных представлять угрозу для национальной безопасности США Организация финансирования революционных и высокорентабельных фундаментальных исследований, вызывающих коренные изменения в военном деле Обеспечение практического использования вооруженными силами результатов, полученных в ходе этих исследований DARPA: стратегические направления Надежные защищенные самоформирующиеся сети Перспективные пилотируемые и беспилотные системы Повышение отношения численности непосредственных участников военных операций к численности тылового персонала Обнаружение, точное распознавание, слежение и уничтожение трудно обнаруживаемых целей Обнаружение, определение характеристик и оценка подземных сооружений Биореволюция Проведение операций в городских условиях Космос Ключевые технологии Бюджет DARPA Направления 2009 2010 2011 187 157 205 915 328 195 Прикладные 1 259 191 1 155 137 1 272 679 Разработки перспективных технологий 1 358 081 1 480 742 1 425 140 210 235 149 445 77 257 3 014 664 2 991 239 3 103 271 Фундаментальные исследования 100% Фундаментальные (базовые) исследования 90% Прикладные исследования 80% Разработка перспективных технологий Управления и обеспечения Управление и обеспечение 70% 60% ВСЕГО 50% 40% 30% 20% № Отдел Бюджет 1 Адаптивное системы (Adaptive Execution) 454 794 000 2 Оборонные исследования (Defense Sciences) 328 195 000 3 Инновации в информационных технологиях (Information Innovation) 416 087 000 4 Микросистемные технологии (Microsystems Technology) 689 066 000 5 Стратегические технологии (Strategic Technology) 746 486 000 6 Тактические технологии (Tactical Technology). 391 386 000 10% 0% 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. Организационная структура DARPA Администрация (21) - офис директора (6) - контакты с ВС (3) - спец.помощники (6) - внешние связи (4) - представительство ВВС (2) Адаптивные системы (всего 14, 3 pm) Оборонные исследования (всего 24, 15 pm) Инновации в информационных технологиях (всего 29, 19 pm) Микросистемные технологии (всего 23, 16 pm) Стратегические технологии (всего 26, 16 pm) Тактические технологии (всего 21, 14 pm) № Подразделения 1 Администрация (дирекция) Исследовательские подразделения: 2 - менеджеры программ - администрирование и обслуживание 3 Вспомогательные службы ВСЕГО: Сотрудники % 21 8,5 137 55,5 83 33,6 54 21,9 89 36 247 100 Технологические отделы Технологические отделы сосредоточивают свои усилия на получении новых знаний и разработке компонентов технологий, которые могут иметь важное значение для использования в интересах национальной безопасности Отдел оборонных исследований естественные науки материалы биология математика эффективность обучения человека технологии защиты от биологического оружия Отдел технологий микросистем основы фундаментальных наук электроника оптоэлектроника микроэлектромеханические системы (МЭМС) алгоритмы интеграция микросистем архитектура построения и применение микросистем Системные отделы Системные отделы реализуют программы разработки технологий, которые в дальнейшем могут быть использованы в специальных военных системах и занимаются решением проблем военной тематики Отдел тактических технологий перспективные системы оружия; наземные, воздушные, космические, морские платформы; беспилотные системы; перспективные космические системы; лазерные системы; нанесение высокоточных ударов Отдел стратегических технологий системы связи, стратегические и тактические сети, кибертехнологии глобальная тактическая разведка и наблюдение космические датчики и конструкции обеспечение достоверности информации обнаружение и определение характеристик подземных сооружений защита от химического и биологического оружия; морские операции действия объединенных сил действия в экстремальных условия Прикладные отделы Прикладные отделы реализуют программы разработки новых информационных технологий и универсальных платформ с использованием достижений, получаемых из широкого диапазона развивающихся технологических и социальных направлений. Отдел инноваций в информационных технологиях интеллектуальные системы когнитивные системы системы управления и контроля обработка лингвистической информации Высокопроизводительные и высокоприоритетные вычисления датчики и обработка данных саморазвивающиеся технологии самоформирующиеся, самоконфигурирующиеся сети защита информационного пространства Отдел адаптивных систем динамичные программы с повторяющимися циклами разработки проведение систематичных строгих оценок изучение новых методик заключения контрактов развитие крепких взаимосвязей Критерии отбора новых программ 1 2 Какие технологии могут быть разработаны (усовершенствованы) на основе предложенных идей? Что должно быть сделано, чтобы разработка завершилась успешно? Что нового она может внести в возможности перспективных средств вооруженной борьбы, в управление и строительство ВС? 3 Способны ли специалисты достигнуть поставленных целей, обеспечить получение заявленных результатов? 4 Кто может быть потребителем полученных результатов? 5 6 Сколько будет стоить выполнение программы исследований и разработок? Методология проведения исследований Создание технологической базы и отдельных элементов ВВТ Демонстрация перспективных технических концепций Промышленная разработка ВВТ Постановка образца на вооружение DARPA Производство малых партий ВВТ Обеспечивающие научнотехнологические программы Демонстрация технологий на уровне концепций систем оружия Демонстрация технологий на уровне концепций систем оружия Производство образца ВВТ Другие случаи Демонстрация технологий на уровне концепций систем оружия Демонстрация перспективных технических концепций Постановка образца на вооружение Основные результаты DARPA c 1960 г. по настоящее время Автоматическая винтовка М-16 Проект Vela Hotel 1960 г. Ракетаноситель «Сатурн» Наземная РЛС слежения Глобальная система определения местоположения GPS Технология ARPANet (база для создания Интернет) 1970 г. ОТР ATACMS Истребитель по технологии «стелт» (F-117) БЛА «Предатор» Опытовый корабль по технологии «стелт» Sea Shadow Машина-робот TMR Неохлаждаемый инфракрасный датчик 1980 г. Радиолокационная система разведки и целеуказания JSTARS Ракета-ловушка воздушного базирования MALD Комплект пехотинца будущего 1990 г. Ракета-носитель «Таурас» Авиационный боеприпас BAT 2000 г. БЛА «Глобал Хок» Истребитель JSF (F-35) Ударный БЛА UCAV Автоматизированный переводчик Командный пункт будущего In-Q-Tel Венчурный фонд In-Q-Tel создан в феврале 1999 года по инициативе ЦРУ и финансируется из его бюджета. 90 компаний 150 млн. USD 130 технологических решений 5800 бизнеспланов 1999-2006 К 2006 г. фонд рассмотрел 5800 бизнес-планов, инвестировал около 150 млн. USD в 90 компаний, внедрил 130 технологических решений в систему работы ЦРУ. In-Q-Tel: примеры проинвестированных проектов Компания Сайт Описание Browse3D www.browse3d.com Разработка продуктов для нахождения, просмотра, сохранения и анализа содержания web-страниц в трехмерном пространстве. Graviton www.graviton.com Разработка решений по управлению информацией с использованием беспроводных, самоорганизующихся микросенсорных сетей. Intelliseek www.intelliseek.com Разработка решений в области корпоративных знаний нового поколения. Media Snap www.mediasnap.com Разработка передовых продуктов и услуг, позволяющих устранять ограничения по управлению персональной информацией (HIPAA, GLB). Mohomine www.mohomine.com Разработка лицензионного и OEM-совместимого программного обеспечения, позволяющего проводить параллельную обработку структурированных и неструктурированных данных. SafeWeb www.safewebinc.com Ведущий поставщик систем безопасности для частных лиц и бизнеса на Web. Stratify www.stratify.com Одна из ведущих начинающих компаний по разработке программного обеспечения для обработки неструктурированных данных. Traction Разработчик инструментов коллективного использования, позволяющих интегрировать данные электронных сообщений, различных приложений и других источников и преобразовывать их в легко читаемый газетный формат. In-Q-Tel: сравнение с участниками рынка In-Q-Tel ускоряет доступ разведывательного сообщества к передовым IT-технологиям. Сферы деятельности: • • • • Информационная безопасность Использование сети Internet Распределенная архитектура Генерация знаний In-Q-Tel: управление проектами Основной акцент – на коммерциализуемых проектах. Коммерческие старт-апы Университеты Государственные НИЦ Развитие бизнеса / коммерциализация Продажа бизнеса Передача технологии в ЦРУ Решение об инвестировании принимается на основе трех факторов: • Финансовый прогноз развития компании, сделанный на основе ТЭО с учетом всех рисков; • Фактор полезности рассматриваемых технологий для задач ЦРУ с учетом рисков передачи технологии; • Система распределение доступных средств и человеческих ресурсов. Покупатели проинвестированных компаний: Инфраструктура нового поколения 2009 2007 2009 г. 2007 г. 2001 2001 г. Вовлечение в решение задач обороны и безопасности государства самых широких слоев общества – от венчурных инвесторов и крупных университетских объединений, до современных социальных сетей и технологий коллективного общественного разума. Intelligence Advanced Research Projects Activity Задачей IARPA является организация НИОКР при взаимодействии со сложившимся в США Разведывательным Сообществом (Intelligence Community - IC), которое в расширенном понимании включает в себя не только 16 национальных разведок, но и дополнительно 1271 государственных организаций, 1931 коммерческих компаний, и включающих в себя около 854 000 граждан США. Приоритетные технологии: Инновационные системы сбора данных из многих источников, ранжирование и оценка достоверности источников; Интеллектуальный анализ, использование технологий виртуальных миров, использование социально-культурных и языковых факторов в обработке данных; Системы информационной безопасности. Стратегией Программы стимулирования венчурных проектов в обороне является привлечение венчурных инвесторов для взаимодействия с малыми инновационными предприятиями, разработчиками новых технологий, использование которых будет способствовать достижению задач Минобороны. Управление вооружений МО Инновационные компании Коньюктура рынка информационные технологии биотехнологии энергетика нанотехнологии и новые материалы аэрокосмические технологии Партнерами программы в настоящее время являются более 20 венчурных фондов: Paladin Capital Group, Greylock Partners, GSR Partners, RockPort Capital Partners, Battery Ventures, Lightspeed Venture Partners, JAFCO Ventures и др. Advanced Research Projects Agency - Energy Агентство передовых исследований в области энергетики - новое агентство в структуре Министерства энергетики США, созданное в целях финансирования научных исследований и разработок перспективных энергетических технологий. Миссией ARPA-E является разработке новых энергетических технологий, которые должны привести к значительному понижению импорта энергоносителей, снижению выбросов (в том числе парниковых газов) и повышению энергоэффективности. С точки зрения построения исследовательской работы и организационной структуры ARPA-E создано по образцу DARPA. Несмотря на то, что ARPA-E создано по образцу DARPA, при проектировании агентства активно применялась и афишировалась одна из новейших форм стимулирования новых технологий – технология коллективного общественного разума (hive mind), которая является продолжением ранее разработанных форм вовлечения широких масс граждан в решение задач обороны и безопасности государства. Новые идеи Откуда новые идеи? 1. Коммуникации 2. Crowdsourcing 3. А как же security? Новые идеи Сначала - КТО, а потом ЧТО. Джим Коллинз, Good to Great Новые идеи: результат коммуникаций Университеты (MIT, BU, Stanford) Крупные промышленные корпорации (Boeing, Raytheon) Малые инновационные предприятия (Boston Dynamics) Общественные организации (The Association of Old Crows - технологии РЭБ, психологические операции и дезинформации.) № Стадия 1 Ранняя: инициация информаци онных потоков 2 Поздняя: рост информаци онных сообществ Поиск потенциальных исполнителей работ по контрактам Научнотехнические конференции, семинары, Основные этапы - Привлечение ведущих ученых, отдельных круглые столы исследовательских групп - Привлечение к проблеме внимания отдельных исследователей - Организация семинаров, рабочих групп, неформальные переговоры по проблеме - Семинары, круглые столы - Конференции Web: darpa.mil, YouTube, Facebook, iTunes, Twitter Head hunting поиск лучших менеджеров программ Консультации в отрасли Новые идеи: crowdsourcing Краудсорсинг (англ. crowdsourcing, crowd — «толпа» и sourcing — «использование ресурсов») — передача определённых производственных функций неопределённому кругу лиц на основании публичной оферты, не подразумевающей заключение трудового договора. Термин впервые введён писателем Джеффом Хауи (Jeff Howe) и редактором журнала Wired Марком Робинсоном (Mark Robinson). Новые идеи: crowdsourcing Новые идеи: crowdsourcing Defense OSINT. Резервистами подписываются индивидуальные контракты на определенное количество часов работы в месяц, каждый получает бесплатное аппаратное и программное обеспечение, с ними проводятся специализированные шестичасовые online-курсы. При этом выданные компьютеры могут быть установлены в любом удобном для работы и оговоренном в контракте месте, в том числе и дома. Очевидно и то, что через эти аппаратные средства, являющиеся по сути ПЭВМ для служебного пользования, обеспечивается и доступ в Интернет. Привлекаемые резервисты не получают никакого денежного поощрения, но они могут рассчитывать на благодарность от командования, медали за заслуги и достижения (Army Achievement Medal, Army Commendation Medal и Meritorious Service Medal) и даже на Новые идеи: crowdsourcing DARPA Network Challenge Новые идеи: crowdsourcing Health Проект "Сохраним 100 тысяч жизней" стоимостью $8,5 млн. и продолжительностью 12 мес. позволил сократить число смертей от предотвратимых врачебных ошибок в США на 100 тыс. в год (25%). Суть проекта – выработать с помощью crowdsourcing (участвовал персонал 3 тыс. госпиталей США (75% всех госпиталей) набор простых, понятных и не требующих особых знаний и/или усилий рекомендаций для обслуживающего медицинского персонала госпиталей. Новые идеи: crowdsourcing LC-MS Combo - массспектрометр жидкостной хроматографии высокого разрешения. Новые идеи: crowdsourcing Crowdsourcing: коллективные предсказания Новые идеи: crowdsourcing Unconventional Warfighters ..DARPA ищет «футуристов, изобретателей, любителей (даже поверхностных) военной тематики, которые могут взглянуть на войну с нетрадиционной точки зрения». В настоящее время только 1% населения США работает на оборону страны. В своем новом бюджете на 2011 год DARPA выделяет 25 млн. долл. на создание инструментов, которые позволят вовлечь в оборонную сферу остальные 99% граждан. Миллионы людей в США готовы предложить свои навыки и время для помощи государственным структурам в случаях стихийных бедствий вроде землетрясения Гаити или политического кризиса. Разумеется, есть еще большее количество людей, готовых внести свой вклад в национальную безопасность. Новые идеи: crowdsourcing Примеры из российской практики: 1. Witology – www.witology.com 2. Проект «Сбербанк-21» - определение видение офиса Сбербанка в 21 веке 3. «Design Thinking Lab 2011» - прототип для ВТБ24 за девять дней Новые идеи: crowdsourcing Структура успеха 1. Эффективно сочетать существующие идеи 2. Ставить четкие цели 3. Предлагать людям предпринимать маленькие, но эффективные шаги 4. Использовать интуитивно понятные инструменты 5. Вовлечение сообщества Security 1. Теневые зоны Национальные лаборатории, секретные статьи бюджетов, коллаборация с другими ведомствами 2. Избыточность Финансирование внешних проектов и программ, невозможность выделения информации о стратегических направлениях 3. Дезинформация Неотличимая от реальности дезинформация о перспективных направлениях и достижениях (новые идеи 2011 года). Живые фабрики Living Foundries Living Foundries: мечта программы Полимеры Целлюлоза Инструкции и команды ДНК Катализаторы Электронные / оптические материалы Прородный газ Реактивы Молекулы Сахар Топлива Лекарства Полиэтиленте рефталат Уголь Мультиклеточные объекты «клеточноподобная» фабрика Серийное производство в нужном месте, в нужное время, и с необходимыми характеристиками. Самовосстанавливающ иеся системы Бесклеточные системы Мы только прикасаемся к границам возможного Инженерная биология сегодня – это вопрос исключительно времени и денег Достижения (всего $ * годы до разработки) [$*время] наименьшая бактерия дрожжи Годовой бюджет DARPA SOA (сервисориентированная архитектура) Область «живых фабрик» метаболическая инженерия (подбор путей обмена веществ у генетически измененного организма) совокупность генетических циклов редактированный геном Сложность генома* (количество подсаженных / модифицированных генов) * Сложность генома - суммарная длина различных присутствующих в геноме последовательностей, оцениваемая по их реассоциации в процессе ренатурации ДНК: как правило, С. г. выражается в парах нуклеотидов или в любых единицах массы (Дальтонах и др).; при ренатурации ДНК величина Cot1/2 пропорциональна С. Новый подход: отделение разработки от производства посредством технологических стандартов и унифицированных биоблоков SOA (сервис-ориентированная архитектура): узкоспециальный, экспериментальный, дорогостоящий процесс Цель: иерархическая инженерия Большие системы Много итераций Выделение генетических функций и назначения отдельных генов для управления сложностью генома Малые системы Нет итераций Разделение разработки и производства Применение Пример такого подхода Применение Совместная разработка и производство Средства проектирования 4 мес. >20х итераций Унификация и модульный принцип представления участков генов и клеточных каркасов Блоки и устройства Унифицированные хорошо изученные блоки и устройства, то есть удобные для CAD-средств проектирования Производство Автоматизированный синтез участков и сборка ДНК в унифицированном клеточном каркасе Испытания и отладка Оперативное распознавание SNP с высокой производительностью и количественная оценка структуры клетки ~10⁵ попыток 7 лет (SOA) • Натуральные блоки не реализуют свой функционал за пределами своего природного ареала • Не все блоки существуют в естественном виде • Неизвестные правила проектирования • Отсутствует инструментарий создания надежных конструкций SOA New Программирование клеток на высокоуровневом языке программирования и сборка генетического кода Совместная разработка и производство Трансформация (3 нед.) ДНК Трансформация +20х Идентификация/модификация потенциальных генов Сборка возможным каскадом реакций Синтез ДНК Трансфектирование в клеточный каркас Испытания Отладка Время (мес.) Что необходимо для создания Живых фабрик Ускорение развития биодизайна, биосборки и испытательных циклов, а также увеличение сложности биосистем, которые могут быть собраны. Что необходимо Средства проектирования, которые охватывают процессы от высокоуровневого описания до сборки в клетке Модульные генетические блоки, которые позволяют комбинированным биосистемам быть разработанными и воспроизводимо собранными Быстрое построение, развитие и манипуляция генетическими данными в разработках Процесс определения характеристик биосистемы и ее отладки, который связан с циклом проектирования. Технологические вызовы • Интероперабельные инструменты для разработки, моделирования и производства • Хорошо изученные, унифицированные и ортогональные свойствам друг друга генетические блоки • Масштабируемые, дешевые, с высокой точностью воспроизведения технологические процессы синтеза ДНК с коротким временем обработки • Испытательные платформы и каркасы, которые легко и предсказуемо объединяют новые генетические разработки • Обнаружение точного местоположения ошибок и определение характеристик структуры клетки Этот список не является всеобъемлющим: по мере развития программы могут быть выделение и предложены и другие области научных исследований. Открытая и удобная платформа для инженерной биологии. Примеры клеточной терапии Примеры клеточной терапии Новый зуб из стволовых клеток Новый зуб японские исследователи выращивали из небольшой группы клеток, полученной в результате сложных манипуляций со стволовыми клетками мыши. Соединив внутри капли специального геля два разных вида стволовых клеток и подвергнув их дополнительной обработке, ученые сначала получили зародыш будущего зуба. Далее смесь из клеток двух типов была помещена в лунку, оставшуюся у мыши на месте ранее удаленного под наркозом резца. Примеры клеточной терапии Из стволовых клеток выращен сегмент кишечника Использовались как ЭСК, так и и ПСК человека. Через 28 дней сформировалась трехмерная ткань, напоминающая кишечник человеческого плода. В ней содержались все основные типы кишечных клеток: энтероциты, бокаловидные клетки, ацидофильные энтероциты (клетки Панета) и кишечные аргентаффиноциты (клетки Кульчицкого). Ткань приобрела и всасывающую, и секреторную функции нормального человеческого кишечника, также формировать кишечные стволовые клетки. Примеры клеточной терапии Выращена миниатюрная человеческая печень Исследователи Уэйк-Форестского университета впервые создали в лабораторных условия функционирующую человеческую печень, пока, правда, миниатюрную. Печень выращена из человеческих незрелых эндотелиоцитов (клеток выстилки кровеносных сосудов). клеток печени и Следующим этапом работы будет имплантация таких органов животным с целью тестирования их функций в условиях живого организма. После этого основной задачей будет выращивание печени, размер которой позволит трансплантировать ее человеку. Искусственный яичник человека Группе специалистов под руководством Сандры Карсон (Sandra Carson) из университета Брауна удалось вырастить первые яйцеклетки в органе, созданном в лаборатории: пройден путь от стадии "молодого граафова пузырька" до полного взросления. Фото Carson Lab/Brown University Искусственный яичник изготовляется на каркасе из агарозного геля при самосборке клеток нескольких типов (тека, гранулёзные). Он может стать источником яйцеклеток как для ЭКО, так и для научных исследований (напр., клонирования). Всё, что можно представить, можно осуществить. Климент Стоун