Το Pesquisadores του Emory University ανέπτυξε ένα προσαρμοσμένο νευρωνικό δίκτυο για την ανάλυση της συμπεριφοράς των φορτισμένων σωματιδίων. Η τεχνολογία πέτυχε μεγαλύτερη από 99% ακρίβεια στη χαρτογράφηση πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων. Η λεπτομερής μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Proceedings του National Academy του Sciences. Η καινοτομία συνδυάζει πειραματικά εργαστηριακά δεδομένα με προηγμένη επεξεργασία τεχνητής νοημοσύνης. Το αποτέλεσμα εκθέτει φυσικά μοτίβα που παρέμειναν κρυφά στην παραδοσιακή επιστήμη.
Το σκονισμένο πλάσμα περιέχει ιονισμένο αέριο και φορτισμένα μικροσκοπικά στοιχεία. Η κατάσταση της ύλης Esse υπάρχει τόσο στο διάστημα όσο και στο καθημερινό επίγειο περιβάλλον. Η νέα μέθοδος επέτρεψε στους επιστήμονες να παρακολουθούν την τρισδιάστατη κίνηση δεκάδων σωματιδίων μέσα σε έναν ελεγχόμενο θάλαμο κενού. Η τεχνητή νοημοσύνη επεξεργάστηκε αυτές τις τροχιές για να συμπεράνει τις ακριβείς δυνάμεις που διέπουν τη συλλογική συμπεριφορά. Η προσέγγιση λύνει ένα μακροχρόνιο πρόβλημα σχετικά με τον τρόπο μέτρησης των άμεσων αλληλεπιδράσεων σε συστήματα με πολλά στοιχεία.
Το νευρωνικό Rede προσδιορίζει δυνάμεις έλξης και απώθησης
Η ερευνητική ομάδα χώρισε την κίνηση των σωματιδίων σε τρία κύρια στοιχεία για να διευκολύνει την ανάλυση. Ο πρώτος παράγοντας περιλαμβάνει τη δύναμη έλξης, η οποία συνδέεται άμεσα με την ταχύτητα του στοιχείου. Το δεύτερο συστατικό περιλαμβάνει εξωτερικές περιβαλλοντικές δυνάμεις, όπως η δράση της βαρύτητας στη μάζα. Η τρίτη πτυχή καταγράφει τις άμεσες και συνεχείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ίδιων των σωματιδίων. Το νευρωνικό δίκτυο εκπαιδεύτηκε με πραγματικές τροχιές που καταγράφηκαν στο εργαστήριο. Το σύστημα ήταν σε θέση να ανιχνεύσει ασύμμετρες λεπτομέρειες που οι συμβατικές μέθοδοι αγνοούσαν.
Τα δεδομένα αποκάλυψαν μια ιδιόμορφη δυναμική μεταξύ των κινούμενων στοιχείων. Ένα σωματίδιο που πηγαίνει μπροστά μπορεί να προσελκύσει αυτό που έρχεται ακριβώς πίσω. Το υστερούν σωματίδιο, από την άλλη πλευρά, απωθεί πάντα τον ηγέτη. Η μη αμοιβαία δράση Essa εμφανίζεται συχνά σε φυσικά συστήματα πολλών σωμάτων. Οι ερευνητές συγκρίνουν αυτό το πρακτικό αποτέλεσμα με δύο βάρκες που διασχίζουν τα νερά μιας λίμνης. Το wake που δημιουργείται από κάθε σκάφος επηρεάζει το άλλο διαφορετικά, ανάλογα με τη σχετική θέση τους. Το υπολογιστικό μοντέλο πέτυχε συντελεστή προσδιορισμού πάνω από 0,99 όταν πρόβλεψε την ακριβή επιτάχυνση των σωματιδίων.
Το Descoberta αμφισβητεί τις θεωρίες της κλασικής φυσικής
Οι προηγούμενες θεωρίες της φυσικής υπέθεταν απλούστερους κανόνες για αυτά τα συστήματα. Η κλασική βιβλιογραφία ανέφερε ότι το φορτίο ενός σωματιδίου σκόνης αυξανόταν αναλογικά με την ακτίνα του. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τη νέα τεχνολογία δείχνουν ότι η πραγματική σχέση είναι πολύ πιο περίπλοκη. Το φορτίο ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με την πυκνότητα και τη θερμοκρασία του πλάσματος στο περιβάλλον. Ο μαθηματικός εκθέτης που παρατηρείται κατά τη διάρκεια των δοκιμών είναι μεταξύ 0,30 και 0,80. Η τιμή Esse αυξάνεται σταθερά με την αύξηση της πίεσης του αερίου περιβάλλοντος.
Outra κοινή παραδοχή μεταξύ των επιστημόνων ήταν η απόσταση μεταξύ των στοιχείων. Η αρχαία θεωρία έλεγε ότι οι δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων έπεφταν εκθετικά με την απόσταση, χωρίς να εξαρτώνται από το μέγεθός τους. Η τρέχουσα ανάλυση αποκάλυψε μια σαφή και άμεση εξάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων από τη διάσπαση της δύναμης. Το πρόσθετο Experimentos που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα επιβεβαίωσε αυτές τις σημαντικές αποκλίσεις από την καθιερωμένη βιβλιογραφία.
- Η καινοτόμος μέθοδος κατέστησε δυνατή τη μέτρηση φορτίων με πρωτοφανή ακρίβεια στον τομέα της φυσικής.
- Το ανεξάρτητο εργαστήριο Testes επικύρωσε τις μάζες που υπολογίστηκαν από το σύστημα τεχνητής νοημοσύνης.
- Η πίεση του αερίου υποβάθρου επηρεάζει άμεσα τη συμπεριφορά και την αύξηση του εκθέτη.
- Τα μήκη θωράκισης καταγράφηκαν με λεπτομέρεια που δεν είχαν επιτευχθεί ποτέ πριν από τους ερευνητές.
Ο Justin Burton, καθηγητής πειραματικής φυσικής στο ίδρυμα, εξήγησε πώς λειτουργεί το εργαλείο. Ο Ele τόνισε ότι η μέθοδος δεν λειτουργεί ως απλό μαύρο κουτί που παρέχει αποτελέσματα χωρίς εξήγηση. Η δομή του νευρωνικού δικτύου σέβεται όλους τους φυσικούς περιορισμούς που είναι ήδη γνωστοί στην επιστήμη. Το βασικό χαρακτηριστικό Essa επιτρέπει στους ερευνητές να ανακαλύπτουν νέες πληροφορίες με υψηλή αξιοπιστία.
Το Plasma με σκόνη αποτελεί μεγάλο μέρος του σύμπαντος
Το πλάσμα ταξινομείται ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης στη σύγχρονη φυσική. Τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα κινούνται ελεύθερα μέσα σε αυτή τη δομή. Η κατάσταση Esse αποτελεί περίπου το 99,9% ολόκληρου του ορατού σύμπαντος. Το Ele σχηματίζει τεράστια φυσικά φαινόμενα, από ηλιακούς ανέμους μέχρι κεραυνούς κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Η ειδική για τη σκόνη έκδοση προσθέτει φορτισμένους κόκκους που αλλάζουν την προεπιλεγμένη συμπεριφορά του υλικού. Το σύστημα Esse εμφανίζεται φυσικά στους δακτυλίους του πλανήτη Saturno και σε άλλους διαστημικούς σχηματισμούς.
Το φαινόμενο επηρεάζει άμεσα και την εξερεύνηση του διαστήματος. Na Lua, η ασθενής βαρύτητα αφήνει σωματίδια σκόνης να επιπλέουν στο περιβάλλον. Τα στοιχεία Esses καταλήγουν να κολλάνε στις διαστημικές στολές των αστροναυτών κατά τη διάρκεια των αποστολών. Na Terra, ο αντίκτυπος συμβαίνει σε περιβαλλοντικές καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Τα φορτισμένα σωματίδια αιθάλης που δημιουργούνται στις πυρκαγιές μπορούν να επηρεάσουν τα ραδιοσήματα. Η παρεμβολή Essa διακόπτει τη ζωτική επικοινωνία μεταξύ των πληρωμάτων της πυροσβεστικής στο πεδίο.
Οι επιστήμονες αναδημιουργούν αυτές τις ακραίες συνθήκες μέσα στο εργαστήριο για ασφαλή μελέτη. Το Eles αιωρεί πλαστικές μικροσφαίρες σε θάλαμο κενού και ρυθμίζει την εσωτερική πίεση. Ο στόχος είναι η προσομοίωση πραγματικών συνθηκών που βρίσκονται στη φύση ή το διάστημα. Η τεχνική τομογραφικής απεικόνισης που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιεί ένα φύλλο λέιζερ που σαρώνει ολόκληρο τον όγκο του θαλάμου. Μια κάμερα υψηλής ταχύτητας καταγράφει γρήγορες διαδοχικές εικόνες. Οι εικόνες Essas στη συνέχεια συνδυάζονται για την ανακατασκευή τρισδιάστατων τροχιών σε αρκετά λεπτά πειράματος.
Η τεχνική Validação διασφαλίζει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων
Η ερευνητική ομάδα έλαβε αυστηρά μέτρα για να διασφαλίσει την εγκυρότητα της μελέτης. Οι επιστήμονες επικύρωσαν το μοντέλο με δύο εντελώς ανεξάρτητους τρόπους για να συμπεράνουν τη μάζα κάθε σωματιδίου. Οι τιμές που ελήφθησαν συμπίπτουν τέλεια μεταξύ τους. Οι αριθμοί ταιριάζουν επίσης με άμεσες μετρήσεις που έγιναν με χρήση παραδοσιακής οπτικής μικροσκοπίας. Η ισχυρή εσωτερική συνέπεια του Essa αυξάνει την εμπιστοσύνη της επιστημονικής κοινότητας στις δυνάμεις που συνάγονται από την τεχνητή νοημοσύνη.
Το νευρωνικό δίκτυο σχεδιάστηκε για να ενσωματώνει συγκεκριμένες φυσικές συμμετρίες. Το σύστημα μπορεί να χειριστεί σωματίδια που δεν είναι πανομοιότυπα μεταξύ τους. Η εκπαίδευση τεχνητής νοημοσύνης χρησιμοποίησε περιορισμένο όγκο πειραματικών δεδομένων. Ο περιορισμός Essa απαιτούσε τη δημιουργία μιας εξαιρετικά συγκεκριμένης και βελτιστοποιημένης αρχιτεκτονικής λογισμικού. Οι εβδομαδιαίες συνεδρίες Reuniões που πραγματοποιήθηκαν για περισσότερο από ένα χρόνο βοήθησαν στη βελτίωση της δομής του κώδικα. Η συνεχής προσπάθεια κατέληξε σε ένα σχετικά απλό αλλά εξαιρετικά ισχυρό υπολογιστικό μοντέλο για έρευνα.
Ο Ilya Nemenman, καθηγητής θεωρητικής φυσικής, τόνισε τη σημασία της ακρίβειας που επιτυγχάνεται. Ο Ele εξήγησε ότι η υψηλή ακρίβεια του συστήματος κατέστησε δυνατή τη διόρθωση παλιών ανακρίβειων που περιόρισαν την πρόοδο της περιοχής. Το μοντέλο προσφέρει τώρα λεπτομερείς ποσοτικές περιγραφές που απλά δεν υπήρχαν πριν. Ο Wentao Yu υπηρέτησε ως ο πρώτος συγγραφέας του έργου κατά τη διάρκεια του διδακτορικού του στο Emory University. Ο Ele αυτή τη στιγμή συνεχίζει την ερευνητική του καριέρα στο Caltech. Ο Eslam Abdelaleem, συν-συγγραφέας της μελέτης, εργάζεται ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Georgia Tech.
Το Tecnologia ανοίγει τις πόρτες για σπουδές στη βιολογία και τη βιομηχανία
Το πλαίσιο λογισμικού που αναπτύχθηκε στο πανεπιστήμιο παρουσιάζει μεγάλη πρακτική ευελιξία. Το σύστημα λειτουργεί αποτελεσματικά σε κανονικό επιτραπέζιο υπολογιστή, χωρίς να απαιτεί υπερυπολογιστές. Οι ερευνητές μπορούν να προσαρμόσουν το εργαλείο για να μελετήσουν τα κολλοειδή σε βιομηχανικά χρώματα. Το σύστημα εφαρμόζεται επίσης τέλεια στην ανάλυση των συλλογικών αλληλεπιδράσεων σε ομάδες ζωντανών κυττάρων. Η Ilya Nemenman σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει παρόμοιες ιδέες στον τομέα της βιολογίας. Το Ele θα μελετήσει τη συλλογική κίνηση σε βιολογικά συστήματα κατά τη διάρκεια μιας ερευνητικής πρακτικής άσκησης στο Alemanha.
Ο Vyacheslav Lukin, διευθυντής προγράμματος στο National Science Foundation, αξιολόγησε τον αντίκτυπο του έργου. Η Ele επαίνεσε ιδιαίτερα τη διεπιστημονική συνεργασία μεταξύ διαφορετικών τμημάτων. Η τεχνολογική πρόοδος συνδυάζει πολύπλοκη φυσική του πλάσματος με σύγχρονα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης. Η στρατηγική ένωση Essa μπορεί να ωφελήσει άμεσα την κατανόηση των ζωντανών συστημάτων στο μέλλον. Η έρευνα έλαβε την κύρια οικονομική της υποστήριξη από το NSF. Το έργο περιλάμβανε επίσης πρόσθετους πόρους που παρέχονται από το Simons Foundation.
Οι επιστήμονες βλέπουν τεράστιες δυνατότητες εφαρμογής σε τομείς όπως η ιατρική ογκολογία. Η κατανόηση των συλλογικών αλληλεπιδράσεων των κυττάρων μπορεί να ρίξει φως στις διαδικασίες μετάστασης του καρκίνου. Η μέθοδος προσφέρει ένα σταθερό σημείο εκκίνησης για την εξαγωγή νόμων σε συστήματα όπου οι άμεσες αλληλεπιδράσεις είναι δύσκολο να μοντελοποιηθούν. Το Justin Burton συγκρίνει την υπεύθυνη χρήση της τεχνητής νοημοσύνης με την ιστορική αποστολή της εξερεύνησης του άγνωστου. Η μελέτη δείχνει ξεκάθαρα ότι η τεχνολογία μπορεί να προχωρήσει πολύ