О том, какие инженерные навыки пригодились на дне Ладоги, о правильном свете на тёмном поле и нелёгкой судьбе производственных мастерских в исследовательских институтах, рассказывает Михаил Дудаков, начальник экспериментальной мастерской Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН.

— Михаил Олегович, как начиналась ваша работа?

Михаил Дудаков, начальник экспериментальной мастерской Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН. Фото Андрея Афанасьева.

— Начиналась она в Институте озероведения РАН в Санкт-Петербурге, где мы делали подводные съёмки Ладожского озера. Я лично сконструировал несколько подводных аппаратов. Мы отсняли, в том числе, самые глубоководные участки дна. Сейчас, кстати, готовится очень серьёзная карта ландшафтов Ладожского озера как раз по результатам наших подводных съёмок. Это революция в данной области, потому что карта Ладоги, которая сейчас официально признана, от реальной заметно отличается. Там есть некоторые геологические образования, которые позволяют совсем по-другому взглянуть на ситуацию.

— Неужели на Ладоге такие глубины?

— Да, на Ладоге – до 230 метров. Поэтому и сложности с картой. Но дело даже не в том, что там большие глубины, это не такая серьёзная проблема. Там есть то, что геологи называют модным словом «неотектоника». И как раз субвертикальные склоны крайне сложны для изучения и картирования с использованием традиционных сонарных приборов, здесь реально выручает подводная видеосъёмка. У нас есть документальные подтверждения, которые говорят о том, что с точки зрения геологии некоторые процессы в озере произошли совсем недавно. Скальные разрушения появились явно после Ледникового периода.

— Наверняка это создаёт сложности при исследованиях дна?

— Совершенно верно, в Институте озероведения я столкнулся с огромными сложностями, которые люди испытывают при пробоотборе. Когда они работают с дночерпателем на глубинах 10, 20 или 30 метров, то проблемы нет никакой – это легко, с этим справляется студент, который первый раз приехал на практику. Но есть переход количества в качество: когда глубина начинает подбираться к 100 метрам, судно не поставить на якорь, и простенький пробоотбор превращается в сложнейшую задачу, которую могут решить единицы. В Институте озероведения остался всего один человек, которому десятилетия опыта позволяют эту задачу решать, и то далеко не со стопроцентным результатом. Вот представьте себе ситуацию: судно на поверхности воды, не заякорено, ветер. Его всегда несёт, оно всегда в дрейфе. И в этих условиях пытаются опустить дночерпатель, например, на 150 метров, воткнуть его в грунт и послать посыл, чтобы он закрылся. Время, за которое посыл доходит до 150 м – около двух минут. За это время судно за собой дночерпатель десять раз выдернет, когда посыл каким-то образом дойдет до дна, уже никакого смысла нет. Это операция, которая, казалось бы, примитивна на маленьких глубинах, на больших превращается в сложнейшую задачу.

Классический дночерпатель ДАК-250 и он же с установленным модулем управления. Фото Андрея Афанасьева.

— Как же быть?

— Я попытался применить свои небольшие познания для совершенствования дночерпательного и подобного классического гидробиологического оборудования Некоторым устройствам сейчас уже более ста лет, например, дночерпателю Эркмана-Берджа. Это примитивный прибор, но его конструкция оказалась настолько удачной, простой и надежной, что прибор несмотря на столетний юбилей массово используется по сей день. Достаточно быстро пришло понимание, что старое, проверенное десятилетиями оборудование, к которому люди привыкли, и все методики под него написаны, можно дооборудовать электронными «мозгами», заставив электронику управлять древней механикой. Окажется, что это совсем другого порядка устройство, переход в новое качество. И в Борке, где уже было налажено серийное производство этих приборов, сложились оптимальные условия для решения этой и подобных задач.

— Это может помочь при работе на глубине?

— Однозначно да. Смотрите, какая ситуация: например, большая глубина, люди кидают дночерпатель. Всё пока замечательно, но есть ключевой момент: отбор проб – достаточно дорогостоящее мероприятие, и судо-сутки стоят дорого, людям тяжело, поэтому проб не так много отбирается. Каждая проба даёт развёрнутую картину с точки зрения биоты на несколько десятков квадратных километров. Дночерпатель – это всего лишь большая коробка с захлопывающимися створками. Допустим, при погружении на дно он воткнулся не вертикально, а с некоторым углом, наклоном. И вот делается количественный разбор пробы, определяется, сколько было биоты на единицу площади. А когда мы забрали его с наклоном, у нас происходит уменьшение забираемой площади, соответственно, мы, если распространяем это на большую территорию, получаем данные с достаточно серьёзной погрешностью. И дело не в том, что мы под углом воткнулись, а в том, что мы не знаем, под каким углом. Допустим, это произошло на глубине 100 метров – никто не видел, что там было. Вытащили, грунт есть, дальше проводим анализ.

— И в чём проблема?

— Ошибка очень большая. Когда ошибка десятки процентов, а такое бывает – это для учёного трагедия. Это для всех естественных наук краеугольный камень: если у вас на входе будут сильно искаженные данные, то дальше можно ничего не делать, потому что на неправильных данных построить правильные выкладки невозможно. Больше того – они вас могут ещё больше запутать.

— Вы решили усовершенствовать устройство – это помогло?

— Реально помогло, уже несколько лет на Ладоге мы его используем. Оно зарекомендовало себя очень хорошо: можно работать в любую погоду, требования к квалификации человека, который работает с этим прибором, минимальны – ему просто надо быстро опустить до дна и поднять уже с пробой. После пробоотбора мы получаем данные о точной глубине (до одного сантиметра), температуре, отклонении от вертикали. В целом устройством можно работать быстрее.

— Зачем вам пришлось переезжать из Питера и переходить в другой институт, если у вас там и так всё получалось?

— Там у меня всё получилось, но здесь перспектив больше. Мне предложили возглавить эти мастерские, и я принял решение переехать.

Темнопольная чашка Петри. Фото Андрея Афанасьева.

— Не пожалели? Жизнь в Борке не каждому понравится, особенно после Северной столицы…

— Жизнь в Борке прекрасна. Когда я говорю людям, что до работы четыре минуты пешком мне завидуют. Вливание в новый коллектив – не могу сказать, что это легко. Но это всё равно преодолимо. А в плане комфортности жизни, возможности сконцентрироваться на работу – здесь всё очень хорошо. Огромный плюс совсем рядом Рыбинское водохранилище и несколько рек, идеально для тестирования оборудования.

— Чем вы сейчас занимаетесь?

— Сейчас у меня три основных направления. Первое – создание универсального управляющего модуля, который можно установить на огромное количество приборов. Приборы достаточно разные – батометры, сети планктонные, дночерпатели. Делать что-то на каждый конкретный прибор достаточно сложно, гораздо рациональнее сделать модуль, который работает в зависимости от того, как его будут использовать – у него только меняется прошивка, и он начинает вести себя соответствующим образом. А ещё можно взять этот отдельный модуль, загрузить в него прошивку, и он будет прекрасно работать логгером течения, глубины или температур, и всё это из разряда «дёшево и сердито».

— Вы пытаетесь сделать «волшебную палочку»?

— Почти. Просто каналов информации тут требуется не так много, точнее – он везде почти один и тот же. Значит, возможен универсальный вариант.

— Вы сделали такой?

— Да. Устройство уже испытывается, реально работает. Это универсальный модуль на огромный перечень гидробиологического оборудования. И ещё один маленький, но очень важный момент. У нас прицел не только на создание оборудования, чтобы оно здесь работало и всё было хорошо – у нас прицел ещё на то, чтобы это покупалось. Здесь выступает на первое место его стоимость. Процесс с дночерпателем уже достаточно длительное время шёл, но всё упиралось в одну маленькую проблемку, которая на самом деле совсем не маленькая: дело в том, что требовался исполнительный механизм, который бы под водой благополучно работал, погружаясь в грунт, на большой глубине, с разными вариантами ударов. Вся техника для подводных аппаратов стоит очень дорого, и это для дночерпателя катастрофа. То есть, у нас получалось изделие достаточно дорогое. К сожалению, невозможно из дорогих комплектующих сделать что-то дешёвое. В прошлом году у нас произошло очень хорошее продвижение: мы сильно упростили схему этого прибора, но в хорошем смысле упростили: у нас получилось сделать привод очень простым, дешёвым и при этом надёжным. Уже вроде всё, что можно было проверить, мы благополучно проверили. И сейчас по этой схеме мы мечтаем довести прибор до реального коммерческого использования.

— А есть спрос?

— Да, он есть. Приборы нужны очень многим. Во-первых, профильным институтам. Во-вторых, сейчас очень много предприятий, которые занимаются аквакультурой, и для них это тоже очень важно и востребовано. Там, конечно, не ахти какие глубины, но занимаются этим, как правило, совершенно не специалисты. Для такого варианта есть термин «дуракоустойчивость», и в данном случае это очень ценно. А для тех, кто работает на глубинах 100 метров и больше – это просто бесценно. Бывают ситуации, когда глубина – метр туда, метр сюда, а разница будет значительная. Бывает «мозаичное дно»: здесь песочек, здесь камни, а здесь – заиленные участки. И расстояния между ними могут быть сантиметры. Когда вручную работаешь, то на небольших глубинах опытный человек может понять, во что он втыкается. А если глубина большая или опыта мало?

— А что делает ваша электроника?

— Для современного микроконтроллера эти процессы, например, соударения с грунтом – это медленный, вялотекущий процесс. За это время он успевает опросить ускорение несколько тысяч раз. Все эти данные он аккуратно записывает, анализирует, по алгоритму определяет вероятность, что это было: то ли нас дернули за трос, то ли мы упали на скалы, где смысла срабатывать нет – мы с этих скал отобрать ничего не можем. Либо все нормально – мы попали в мягкий грунт, песок, потихоньку замедляемся, остановились, натуральные колебания грунта ощутили. Всё, после этого спокойно, тихо, мирно мы можем дать команду на срабатывание. При этом все данные записываются по глубине, температуре, по углам, по натуральным колебаниям земной коры. Тут есть ещё одна интересная догадка. Похоже, что эти колебания очень четко характеризуют грунты, которые не только в самом дночерпателе, но и осадки, которые находятся под ним на глубине несколько метров. Вся эта колебательная система живёт своей жизнью, причем эти натуральные колебания никак не связаны с той скоростью, с которой вы бросили черпатель.

— А вы с геофизиками по этому поводу разговаривали? У вас в Борке есть геофизическая обсерватория.

— Я с геологами разговаривал – к сожалению, это очень специфическая область. Здесь больше надо общаться с сейсмологами. Статьи на эту тему читал, более того – есть замечательные статьи по поводу советского опыта прогнозирования землетрясений, когда строили полигоны. Страна была богатая, закладывали огромные количества взрывчатки – на разных глубинах, поперёк, вдоль строений и так далее. Делали акселерограммы и благополучно понимали, что вне зависимости от того, как установлена взрывчатка, на какой глубине – натуральные колебания грунта от этого не зависят. Это именно механика самого колебательного процесса, обусловленная физическими свойствами грунта. И есть такая красивая идея – сделать базу данных с помощью хорошего специалиста по осадкам, чтобы потом в том же самом далёком рыбоводческом хозяйстве человек, отобрав пробу получил автоматическое заключение например, что это алевропесок с содержанием песчаной фракции 30% и алевритовой 50%.

— Вы хотите сказать, что подобного рода приборов нигде больше нет?

— Мы получили патент. Я не специалист по поиску, но, насколько я знаю, мы одни такие. Во всяком случае, в нашей стране такого точно нет.

— Удивительно, почему люди продолжают пользоваться столетним методом, не задумываясь, что можно его усовершенствовать? Ведь наверняка не только вы в этом соображаете.

— Это реально странная ситуация, и на этот вопрос у меня нет ответа. Сейсмоакустические методы дано существуют и успешно используются. Наша идея – это, скорее, нано-версия этих методов.

— А второе направление?

— Это подводная микроскопия, видеосъёмка подводных гидробионтов, подводного планктона, подводных простейших в естественной среде. Для этого мы делаем специализированную короткофокусную камеру либо берём микроскоп с не очень большим увеличением, помещаем его в защищенный корпус и заставляем по программе делать постоянную съёмку с высоким качеством. У нас есть хорошая макро подсветка. При этом мы в реальном времени даём картинку на поверхность, а эти кадры мы можем потом посмотреть с карты памяти. Для реальных съёмок миграции планктона, простейших — это очень интересно.

Подводный микроскоп. Фото Андрея Афанасьева.

— Это уже работает?

— Да, уже несколько сезонов. Но нет предела совершенству – тот агрегат, который у меня здесь лежит, позволяет, как мне кажется, сделать гораздо более интересные вещи. Для того, чтобы снимать в воде, нам надо, чтобы у источник света находился тоже в воде. Здорово, если у нас излучение той же самой диодной матрицы будет не в воздушном пузырьке, который мы загерметизировали, и потом этот несчастный свет рассеивается и преломляется на границы среды, переходя в воду – так теряется много света. Идея такая, что у нас свет излучается в среде с тем же коэффициентом преломления, что и в воде. Соответственно, когда нет никаких эффектов рассеивания и преломления, качество подсветки макрообъектов значительно возрастает, а это ключевой фактор для качественной макросъёмки, Эта примитивная идея, которая вроде бы лежит на поверхности.

— И тоже никто не додумался? Или вы просто не в курсе?

— Может быть, но я таких решений больше нигде не встречал. Сейчас есть интересные материалы, которые позволяют получить отливку такого типа, под вакуумом, без воздушных пузырьков и полостей. Вот, например, одно из известных классических приспособлений, используемых в гидробиологии – камера Богорова, её делали с шестидесятых годов прошлого века. А это – та же камера Богорова, но с подсветкой, современная, для многих вещей совершенно незаменимая.

Камера Богорова: классический и темнопольный вариант. Фото Андрея Афанасьева.

— В чём функциональный смысл этой камеры?

— Это такой органайзер пробы, чтобы при её разборе распределять и считать под микроскопом. Научное сообщество очень консервативно, выходить с чем-то принципиально новым по форме абсолютно нерационально. Надо давать людям то, к чему они привыкли, но с новым функционалом. Это сделанное по форме старой, классической камеры изделие, которое обладает возможностями, сильно отличающимися от неё. А именно позволяет организовать подсветку типа тёмное поле для любого бинокулярного микроскопа, имеет свой источник питания с возможностью автономной работы от аккумуляторов. При работе подсветка практически не нагревает пробу, что важно для живых организмов и значительно снижает испарения формалина или спирта при работе. С точки зрения света камера – это оптически гомогенная среда: коэффициент преломления корпуса близок к воде, и когда в камеру помещается проба с водой, она начинает вести себя, как своеобразный световод, причём свет с диодных матриц излучается под заданным углом к полированным поверхностям и многократно отражается. Угол подобран таким образом, чтобы свет мог попасть в объектив микроскопа, только рассеявшись или отразившись на объектах пробы.

— Вижу у вас микроскоп, под которым находятся подводные микроорганизмы. Их же, но уже увеличенными, мы видим на экране компьютера. Что это такое?

— Это стандартная картинка, которую даёт типовой бинокуляр с обычной макроподсветкой: никакой магии, ничего нового. А вот теперь мы запоминаем, как это выглядит, выключаем подсветку и включаем маленькую коробочку. Посмотрите, что произошло. Как мои товарищи говорят – это же как 3D! На самом деле, это не я придумал – это метод подсветки «тёмное поле». В интернете вы найдёте описание, как делается оптическая система для тёмного поля с помощью специальной диафрагмы, нескольких линз и так далее. Это не так-то просто, оно должно быть согласовано с самим объективом микроскопа, а ещё жутко неэнергоэффективно, потому что там процентов девяносто идёт только на нагрев, поскольку надо получить специфический световой конус. Мы создаём распределение световых лучей для эффекта тёмного поля не с помощью линз и диафрагмы – мы делаем его с помощью свойств материала, и в результате вся эта система ведёт себя, как световод, где угол падения равен углу отражения. Мы направляем свет под заданным углом, и дальше он как мячик отскакивает от стенок, а на торцах мы его специально глушим. Нам же важно, чтобы тонкие структуры гидробионтов были хорошо видны.

Гидробионты при макро и темнопольной подсветке. Фото Андрея Афанасьева.

— Учёные из института биологи внутренних вод уже оценили ваше изобретение?

— Да, и не только они. Камера уже работала на Белом и Чёрном морях, Ладожском озере. Она очень эффективна и для полевых и камеральных работ.

— Часто ли к вам обращаются, чтобы вы что-то новое сделали или усовершенствовали уже имеющиеся приборы?

— Достаточно часто. Возможность оперативно изготовить или модифицировать оборудование крайне важна для научных исследований. Специальный бинокулярный микроскоп, который имеет функцию тёмного поля, стоит от 700 тысяч и выше. Эта штучка, которую вы видите у меня на столе, стоит тысяч десять-двенадцать. Она способна дешёвый бинокуляр перевести на другой уровень. Когда её ставят в бинокулярный микроскоп, который стоит три с половиной миллиона и имеет прекрасно сделанную функцию тёмного поля – выигрыша это не дает никакого. Но оно даёт примерно ту же самую картинку, и здесь важна не только очевидная экономическая целесообразность. Дело ещё в том, что зачастую люди вынуждены в полевых условиях брать с собой старенький бинокуляр, потому что многие «зверюшки» после того, как их фиксируют, разрушаются. Оптимальный вариант посмотреть, ещё когда оно живое плавает, потому что характер движения у многих очень характерен. Соответственно, многие берут с собой бинокуляр, и в полевых условиях это устройство даёт фантастические результаты. Таких примеров очень много.

— В советские времена такие мастерские были при многих, если не при всех научно-исследовательских институтах. Сейчас их практически не осталось. У вас же эта структура сохранилась – как это удалось?

— В этом ещё одна уникальность Борка. Хотя когда-то здесь трудилось тридцать человек, а сейчас кроме меня работает ещё четыре. К сожалению, за исключением двух, они уже в преклонном возрасте, молодёжь почти не идёт. Я взял одного парня, пытаюсь его направлять «на путь истинный», учить, чего сам знаю, но всё очень непросто.

Михаил Дудаков. Фото Андрея Афанасьева.

— А правда, что сейчас молодёжь ничего не умеет делать руками, поскольку всё время сидит в гаджетах, и уроков труда больше в школе нет, только цифровые технологии?

— Это просто катастрофа. В Институте озероведения, который сейчас стал частью Федерального научного центра РАН, есть Институт информатики. На их станочной базе студенты проходят практику. Руководитель практики называет страшные цифры: только порядка шести процентов студентов он может допустить до станка. Это очень грустно. В наше время мы спокойно в пятом, шестом, седьмом классе пускали к фрезерному, сверлильному, токарному станку.

— Сейчас они, наверное, даже не знают, что это такое...

— Это правда. Единственное, что сейчас спасает – появилась возможность 3D печати, обработки на ЧПУ фрезерных и лазерных станках, есть возможность сделать печатную плату на заказ. В принципе, даже если человек не умеет молотка держать, он может на компьютере создать все необходимые файлы, отправить их, ему всё это сделают. Но, поверьте, это требует зачастую не меньших знаний и опыта.

— И, опять же, надо к кому-то обращаться.

— На компьютере вы можете сделать это сами, и напечатать сможете, но только если это что-то совсем не нагруженное, в крайнем случае прототип. В остальных случаях, если у вас нет производства, ваши возможности ограничены. Эта проблема существует. Поэтому такие мастерские нужны. В лабораториях рождается научная мысль, но её никогда не удастся реализовать в полной мере, если не будет людей, умеющих работать руками.