นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเอมอรีได้รวมโครงข่ายประสาทเทียมที่ออกแบบเป็นพิเศษเข้ากับข้อมูลในห้องปฏิบัติการทดลอง ผลที่ได้เผยให้เห็นรูปแบบที่ซ่อนอยู่ก่อนหน้านี้ในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคพลาสมากับฝุ่น ความแม่นยำเกิน 99% ในการอธิบายกองกำลังที่ไม่ซึ่งกันและกัน งานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในรายงานการประชุมของ National Academy of Sciences
พลาสมาฝุ่นประกอบด้วยก๊าซไอออไนซ์ที่มีอนุภาคที่มีประจุขนาดเล็กมาก ระบบนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในอวกาศ เช่น ในวงแหวนดาวเสาร์ และในสภาพแวดล้อมภาคพื้นดินด้วย เช่น ควันจากไฟป่า นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเคลื่อนไหวสามมิติของอนุภาคหลายสิบชิ้นในห้องสุญญากาศที่มีการควบคุม จากนั้นพวกเขาใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่ออนุมานพลังที่ควบคุมพฤติกรรมโดยรวม
แบบจำลอง AI เรียนรู้แรงระหว่างอนุภาคด้วยความแม่นยำสูง
ทีมงานได้แยกการเคลื่อนที่ของอนุภาคออกเป็นสามองค์ประกอบหลัก หนึ่งในนั้นคือแรงลากที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว อีกประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับพลังสิ่งแวดล้อม เช่น แรงโน้มถ่วง ส่วนที่สามจะบันทึกปฏิสัมพันธ์โดยตรงระหว่างอนุภาค โครงข่ายประสาทเทียมที่ได้รับการฝึกฝนด้วยวิถีจริงจะบันทึกรายละเอียดที่ไม่สมมาตร อนุภาคนำหน้าสามารถดึงดูดอนุภาคที่อยู่ด้านหลังได้ ในขณะที่อนุภาคตามหลังจะผลักไสผู้นำเสมอ
การไม่ตอบแทนซึ่งกันและกันนี้ปรากฏในหลายระบบของร่างกาย นักวิจัยเปรียบเทียบปรากฏการณ์นี้กับเรือสองลำที่แล่นข้ามทะเลสาบและก่อให้เกิดคลื่น การปลุกของแต่ละคนจะส่งผลต่ออีกฝ่ายแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่สัมพันธ์กัน แบบจำลองนี้ได้รับค่าสัมประสิทธิ์การกำหนดมากกว่า 0.99 เมื่อทำนายความเร่งของอนุภาค
- ระบบทำให้สามารถวัดน้ำหนักบรรทุกและความยาวของเกราะได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน
- การทดลองอิสระตรวจสอบมวลที่อนุมานโดย AI
- ผลลัพธ์ขัดแย้งกับสมมติฐานทางทฤษฎีคลาสสิกเกี่ยวกับสัดส่วนระหว่างขนาดและน้ำหนักบรรทุก
จัสติน เบอร์ตัน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทดลอง เน้นว่าวิธีนี้ใช้ไม่ได้ผลเหมือนกล่องดำ โครงสร้างเครือข่ายเคารพข้อจำกัดทางกายภาพที่ทราบ และยังช่วยให้เราค้นพบสิ่งที่ยังไม่รู้อีกด้วย
สมมติฐานทางทฤษฎีแบบคลาสสิกไม่ได้ต่อต้านข้อมูลใหม่
ทฤษฎีก่อนหน้านี้สันนิษฐานว่าประจุของอนุภาคฝุ่นจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของรัศมี ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์มีความซับซ้อนมากขึ้น มันแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและอุณหภูมิของพลาสมา เลขชี้กำลังที่สังเกตได้อยู่ระหว่าง 0.30 ถึง 0.80 และเพิ่มขึ้นตามแรงดันแก๊สพื้นหลัง
ข้อสันนิษฐานทั่วไปอีกประการหนึ่งถือได้ว่าแรงระหว่างอนุภาคตกลงแบบทวีคูณตามระยะทาง โดยไม่คำนึงถึงขนาด การวิเคราะห์พบว่าขนาดอนุภาคขึ้นอยู่กับแรงสลายตัวอย่างชัดเจน การทดลองเพิ่มเติมยืนยันความเบี่ยงเบนเหล่านี้
อิลยา เนเมนมัน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎี อธิบายว่าความแม่นยำสูงทำให้สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนเก่าๆ ได้ แบบจำลองนำเสนอคำอธิบายเชิงปริมาณที่ไม่เคยมีมาก่อน Wentao Yu ผู้เขียนคนแรกทำงานในโครงการนี้ในฐานะนักศึกษาปริญญาเอกที่ Emory และตอนนี้กำลังศึกษาวิจัยที่ Caltech Eslam Abdelaleem ผู้ร่วมเขียน ทำหน้าที่เป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกที่ Georgia Tech
พลาสมาที่เต็มไปด้วยฝุ่นปรากฏขึ้นในสภาพแวดล้อมตั้งแต่ชีวิตประจำวันไปจนถึงจักรวาล
พลาสมาเรียกว่าสถานะที่สี่ของสสารเนื่องจากอิเล็กตรอนและไอออนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ มันคิดเป็นประมาณ 99.9% ของเอกภพที่มองเห็นได้ ตั้งแต่ลมสุริยะไปจนถึงฟ้าผ่า รุ่นฝุ่นจะเพิ่มเม็ดที่มีประจุซึ่งเปลี่ยนพฤติกรรม
บนดวงจันทร์ แรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอทำให้อนุภาคฝุ่นลอยและเกาะติดกับเสื้อผ้าของนักบินอวกาศ ในเหตุการณ์ไฟป่าบนโลก อนุภาคเขม่าที่มีประจุอาจรบกวนสัญญาณวิทยุที่นักดับเพลิงใช้ ในห้องปฏิบัติการ นักวิทยาศาสตร์แขวนไมโครสเฟียร์พลาสติกไว้ในห้องสุญญากาศ และปรับความดันเพื่อจำลองสภาวะจริง
เทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์ที่พัฒนาขึ้นในห้องทดลองของ Burton ใช้แผ่นเลเซอร์ที่จะสแกนปริมาตร กล้องความเร็วสูงจะบันทึกภาพที่เมื่อรวมกันแล้ว จะสร้างวิถี 3D ใหม่ในเวลาไม่กี่นาที
แนวทางนี้ปูทางไปสู่ระบบหลายร่างกายอื่นๆ
เฟรมเวิร์กที่พัฒนาขึ้นที่ Emory ทำงานบนคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปทั่วไป สามารถนำไปปรับใช้เพื่อศึกษาคอลลอยด์ในสีและหมึกอุตสาหกรรม หรือปฏิกิริยารวมกลุ่มในกลุ่มเซลล์ของสิ่งมีชีวิต Nemenman วางแผนที่จะประยุกต์แนวคิดที่คล้ายกันในการศึกษาการเคลื่อนไหวโดยรวมในระบบชีวภาพระหว่างการฝึกงานในประเทศเยอรมนี
Vyacheslav Lukin ผู้อำนวยการโครงการของ National Science Foundation กล่าวชื่นชมความร่วมมือแบบสหวิทยาการ ความก้าวหน้านี้ผสมผสานพลาสมาฟิสิกส์และปัญญาประดิษฐ์เข้าด้วยกัน และอาจเป็นประโยชน์ต่อการทำความเข้าใจระบบสิ่งมีชีวิต
การวิจัยได้รับการสนับสนุนเบื้องต้นจาก NSF ด้วยเงินทุนเพิ่มเติมจากมูลนิธิ Simons ผู้เขียนเน้นย้ำว่าความสำเร็จขึ้นอยู่กับการออกแบบเครือข่ายอย่างระมัดระวังและการตีความผลลัพธ์โดยมนุษย์
รายละเอียดทางเทคนิคของการทดลองช่วยเสริมความน่าเชื่อถือ
นักวิจัยได้ตรวจสอบแบบจำลองด้วยวิธีอิสระสองวิธีเพื่ออนุมานมวลของแต่ละอนุภาค ค่าที่ตรงกันและตรงกับการวัดโดยตรงด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ความสม่ำเสมอภายในนี้จะเพิ่มความมั่นใจในจุดแข็งที่อนุมานได้
โครงข่ายประสาทเทียมประกอบด้วยสมมาตรทางกายภาพและจัดการกับอนุภาคที่ไม่เหมือนกัน การฝึกอบรมใช้ข้อมูลการทดลองในปริมาณจำกัด ซึ่งต้องใช้สถาปัตยกรรมเฉพาะ การประชุมรายสัปดาห์ตลอดระยะเวลากว่าหนึ่งปีได้ปรับปรุงโครงสร้างให้กลายเป็นโมเดลที่ค่อนข้างเรียบง่ายแต่ทรงพลัง
ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นมีมากกว่าฟิสิกส์ของพลาสมา
นักวิทยาศาสตร์มองเห็นศักยภาพในด้านต่างๆ เช่น วัสดุอุตสาหกรรมและชีววิทยา ตัวอย่างเช่นในมะเร็ง การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของเซลล์โดยรวมสามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการแพร่กระจายได้ วิธีการนี้เป็นจุดเริ่มต้นในการอนุมานกฎหมายในระบบที่ปฏิสัมพันธ์โดยตรงยากต่อการสร้างแบบจำลอง
Burton เปรียบเทียบการใช้ AI อย่างมีความรับผิดชอบกับภารกิจในการสำรวจสิ่งที่ไม่รู้จัก เขาเชื่อว่าเครื่องมือนี้เมื่อถูกใช้อย่างดีจะเปิดประตูสู่อาณาจักรแห่งการค้นพบใหม่โดยสิ้นเชิง
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าปัญญาประดิษฐ์สามารถทำได้มากกว่าการวิเคราะห์หรือการทำนาย ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมจะช่วยเปิดเผยกฎแห่งธรรมชาติที่ยังคงซ่อนเร้นอยู่