นักวิจัยชาวอเมริกันใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อสร้างแผนที่อนุภาคในพลาสมาด้วยความแม่นยำสูง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Emory ได้พัฒนาโครงข่ายประสาทเทียมแบบกำหนดเองเพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมของอนุภาคที่มีประจุ เทคโนโลยีนี้มีความแม่นยำมากกว่า 99% ในการทำแผนที่การโต้ตอบที่ซับซ้อน การศึกษาโดยละเอียดได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Proceedings of the National Academy of Sciences นวัตกรรมนี้รวมข้อมูลห้องปฏิบัติการทดลองเข้ากับการประมวลผลปัญญาประดิษฐ์ขั้นสูง ผลลัพธ์ที่ได้เผยให้เห็นรูปแบบทางกายภาพที่ยังคงซ่อนอยู่ในวิทยาศาสตร์ดั้งเดิม

พลาสมาที่เต็มไปด้วยฝุ่นประกอบด้วยก๊าซไอออไนซ์และองค์ประกอบจุลทรรศน์ที่มีประจุ สถานะของสสารนี้มีอยู่ทั้งในอวกาศและในสภาพแวดล้อมภาคพื้นดินในชีวิตประจำวัน วิธีการใหม่นี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเคลื่อนที่สามมิติของอนุภาคหลายสิบชิ้นภายในห้องสุญญากาศที่มีการควบคุมได้ ปัญญาประดิษฐ์ได้ประมวลผลวิถีเหล่านี้เพื่ออนุมานแรงที่แน่นอนที่ควบคุมพฤติกรรมโดยรวม แนวทางนี้ช่วยแก้ปัญหาที่มีมายาวนานเกี่ยวกับวิธีการวัดการโต้ตอบโดยตรงในระบบที่มีส่วนประกอบจำนวนมาก

โครงข่ายประสาทเทียมระบุแรงดึงดูดและแรงผลัก

ทีมวิจัยได้แบ่งการเคลื่อนที่ของอนุภาคออกเป็น 3 องค์ประกอบหลักเพื่อช่วยในการวิเคราะห์ ปัจจัยแรกเกี่ยวข้องกับแรงลากซึ่งเชื่อมโยงโดยตรงกับความเร็วขององค์ประกอบ องค์ประกอบที่สองประกอบด้วยแรงแวดล้อมภายนอก เช่น การกระทำของแรงโน้มถ่วงต่อมวล ด้านที่สามจับปฏิสัมพันธ์โดยตรงและต่อเนื่องระหว่างอนุภาคเอง โครงข่ายประสาทเทียมได้รับการฝึกฝนด้วยวิถีโคจรจริงที่บันทึกไว้ในห้องปฏิบัติการ ระบบสามารถตรวจจับรายละเอียดที่ไม่สมมาตรซึ่งวิธีการทั่วไปมองข้ามไป

ข้อมูลเผยให้เห็นไดนามิกที่แปลกประหลาดระหว่างองค์ประกอบที่เคลื่อนไหว อนุภาคที่ไปข้างหน้าสามารถดึงดูดอนุภาคที่เข้ามาด้านหลังได้ ในทางกลับกัน อนุภาคที่ตามหลังจะผลักผู้นำออกไปเสมอ การกระทำที่ไม่ตอบแทนกันนี้เกิดขึ้นบ่อยครั้งในระบบทางกายภาพของหลาย ๆ ร่างกาย นักวิจัยเปรียบเทียบผลที่เกิดขึ้นจริงนี้กับเรือสองลำที่แล่นข้ามน่านน้ำในทะเลสาบ การปลุกที่เกิดจากเรือแต่ละลำจะส่งผลต่อเรือลำอื่นที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของเรือแต่ละลำ แบบจำลองการคำนวณได้รับค่าสัมประสิทธิ์การกำหนดที่สูงกว่า 0.99 เมื่อคาดการณ์ความเร่งที่แน่นอนของอนุภาค

การค้นพบท้าทายทฤษฎีฟิสิกส์คลาสสิก

ทฤษฎีฟิสิกส์ก่อนหน้านี้ใช้กฎเกณฑ์ที่ง่ายกว่าสำหรับระบบเหล่านี้ วรรณกรรมคลาสสิกระบุว่าประจุของอนุภาคฝุ่นเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของรัศมี ข้อมูลที่รวบรวมโดยเทคโนโลยีใหม่แสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์ที่แท้จริงมีความซับซ้อนมากขึ้น ประจุจะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและอุณหภูมิของพลาสมาในสิ่งแวดล้อม เลขชี้กำลังทางคณิตศาสตร์ที่สังเกตได้ระหว่างการทดสอบอยู่ระหว่าง 0.30 ถึง 0.80 ค่านี้จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามแรงดันแก๊สพื้นหลังที่เพิ่มขึ้น

ข้อสันนิษฐานทั่วไปอีกประการหนึ่งในหมู่นักวิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับระยะห่างระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ทฤษฎีโบราณระบุว่าแรงระหว่างอนุภาคลดลงแบบทวีคูณตามระยะทาง โดยไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค การวิเคราะห์ในปัจจุบันเผยให้เห็นการพึ่งพาขนาดอนุภาคโดยตรงอย่างชัดเจนต่อการสลายตัวของแรง การทดลองเพิ่มเติมที่ดำเนินการโดยทีมงานยืนยันความเบี่ยงเบนที่สำคัญเหล่านี้จากวรรณกรรมที่จัดตั้งขึ้น

• วิธีการที่เป็นนวัตกรรมใหม่ทำให้สามารถวัดโหลดได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในสาขาฟิสิกส์
• การทดสอบในห้องปฏิบัติการอิสระตรวจสอบมวลที่คำนวณโดยระบบปัญญาประดิษฐ์
• แรงดันก๊าซพื้นหลังส่งผลโดยตรงต่อพฤติกรรมและการเพิ่มขึ้นของเลขชี้กำลัง
• ความยาวของเกราะป้องกันได้รับการบันทึกอย่างละเอียดซึ่งนักวิจัยไม่เคยทำได้มาก่อน

จัสติน เบอร์ตัน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทดลองที่สถาบันแห่งนี้ อธิบายวิธีการทำงานของเครื่องมือนี้ เขาเน้นย้ำว่าวิธีการนี้ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นกล่องดำธรรมดาที่ให้ผลลัพธ์โดยไม่มีคำอธิบาย โครงสร้างของโครงข่ายประสาทเทียมเคารพข้อจำกัดทางกายภาพทั้งหมดที่วิทยาศาสตร์รู้อยู่แล้ว คุณลักษณะพื้นฐานนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถค้นพบข้อมูลใหม่ที่มีความน่าเชื่อถือสูง

พลาสมาที่เต็มไปด้วยฝุ่นถือเป็นส่วนใหญ่ของจักรวาล

พลาสมาจัดอยู่ในสถานะที่สี่ของสสารในฟิสิกส์สมัยใหม่ อิเล็กตรอนและไอออนเคลื่อนที่อย่างอิสระภายในโครงสร้างนี้ สถานะนี้คิดเป็นประมาณ 99.9% ของเอกภพที่มองเห็นได้ทั้งหมด มันก่อให้เกิดปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอันยิ่งใหญ่ ตั้งแต่ลมสุริยะไปจนถึงฟ้าผ่าระหว่างเกิดพายุ รุ่นเฉพาะสำหรับฝุ่นจะเพิ่มเม็ดที่มีประจุซึ่งเปลี่ยนลักษณะการทำงานเริ่มต้นของวัสดุ ระบบนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในวงแหวนของดาวเสาร์และในการก่อตัวของอวกาศอื่นๆ

ปรากฏการณ์นี้ยังส่งผลโดยตรงต่อการสำรวจอวกาศอีกด้วย บนดวงจันทร์ แรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอทำให้อนุภาคฝุ่นลอยอยู่ในสิ่งแวดล้อม องค์ประกอบเหล่านี้จะติดอยู่กับชุดอวกาศของนักบินอวกาศระหว่างภารกิจ บนโลกผลกระทบเกิดขึ้นในสถานการณ์ฉุกเฉินด้านสิ่งแวดล้อม อนุภาคเขม่าที่มีประจุซึ่งเกิดจากไฟป่าสามารถรบกวนสัญญาณวิทยุได้ การรบกวนนี้เป็นอุปสรรคต่อการสื่อสารที่สำคัญระหว่างเจ้าหน้าที่ดับเพลิงในภาคสนาม

Leia Também

ผู้หญิงรายงานบาดแผลทางจิตใจหลังถูกบันทึกว่ามีกิจกรรมทางเพศโดยไม่ได้รับความยินยอมที่บ้าน

ผู้เล่น New York Red Bulls อาศัยอยู่กับพ่อแม่แม้จะมีเงินเดือนระดับมืออาชีพก็ตาม

IPods แบบคลาสสิกกลับมาได้รับความนิยมในหมู่ผู้ใช้ Gen Z เนื่องจากข้อบกพร่องด้านความปลอดภัย

นักวิทยาศาสตร์สร้างสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ขึ้นใหม่ภายในห้องปฏิบัติการเพื่อความปลอดภัยในการศึกษา พวกเขาแขวนไมโครบีดพลาสติกไว้ในห้องสุญญากาศและปรับความดันภายใน เป้าหมายคือการจำลองสภาพจริงที่พบในธรรมชาติหรืออวกาศ เทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์ที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการใช้แผ่นเลเซอร์ที่กวาดปริมาตรทั้งหมดของห้องเพาะเลี้ยง กล้องความเร็วสูงบันทึกภาพต่อเนื่องอย่างรวดเร็ว ภาพเหล่านี้จะถูกนำมารวมกันในภายหลังเพื่อสร้างวิถีสามมิติขึ้นใหม่โดยใช้เวลาทดลองหลายนาที

การตรวจสอบทางเทคนิครับประกันความถูกต้องแม่นยำของผลลัพธ์

ทีมวิจัยใช้มาตรการที่เข้มงวดเพื่อรับรองความถูกต้องของการศึกษา นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบแบบจำลองด้วยสองวิธีที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ในการอนุมานมวลของแต่ละอนุภาค คุณค่าที่ได้รับนั้นสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์แบบ ตัวเลขยังตรงกับการวัดโดยตรงที่ทำโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบดั้งเดิม ความสอดคล้องภายในที่แข็งแกร่งนี้เพิ่มความเชื่อมั่นของชุมชนวิทยาศาสตร์ต่อพลังที่อนุมานโดยปัญญาประดิษฐ์

โครงข่ายประสาทเทียมได้รับการออกแบบมาเพื่อรวมเอาความสมมาตรทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจงเข้าด้วยกัน ระบบสามารถจัดการกับอนุภาคที่ไม่เหมือนกันได้ การฝึกอบรมปัญญาประดิษฐ์ใช้ข้อมูลการทดลองในปริมาณที่จำกัด ข้อจำกัดนี้จำเป็นต้องสร้างสถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ที่มีความเฉพาะเจาะจงสูงและได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมที่สุด การประชุมรายสัปดาห์ที่จัดขึ้นนานกว่าหนึ่งปีช่วยปรับปรุงโครงสร้างโค้ด ความพยายามอย่างต่อเนื่องส่งผลให้เกิดแบบจำลองการคำนวณที่ค่อนข้างเรียบง่ายแต่ทรงพลังมากสำหรับการวิจัย

Ilya Nemenman ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เน้นย้ำถึงความสำคัญของความแม่นยำที่ได้รับ เขาอธิบายว่าระบบที่มีความแม่นยำสูงทำให้สามารถแก้ไขความไม่ถูกต้องเก่าๆ ที่จำกัดความก้าวหน้าในพื้นที่ได้ ขณะนี้แบบจำลองมีคำอธิบายเชิงปริมาณโดยละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน Wentao Yu ทำหน้าที่เป็นผู้เขียนคนแรกของโครงการนี้ในช่วงปริญญาเอกที่ Emory University ปัจจุบันเขากำลังทำงานด้านการวิจัยที่คาลเทค ผู้ร่วมเขียนการศึกษา Eslam Abdelaleem ทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Georgia Tech

เทคโนโลยีเปิดประตูสู่การศึกษาด้านชีววิทยาและอุตสาหกรรม

เฟรมเวิร์กซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นในมหาวิทยาลัยนำเสนอความสามารถรอบด้านในทางปฏิบัติที่ยอดเยี่ยม ระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพบนคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปทั่วไป โดยไม่ต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ นักวิจัยสามารถปรับใช้เครื่องมือเพื่อศึกษาคอลลอยด์ในสีอุตสาหกรรมได้ ระบบยังนำไปใช้ได้อย่างสมบูรณ์แบบกับการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ร่วมกันในกลุ่มเซลล์ที่มีชีวิต Ilya Nemenman วางแผนที่จะใช้แนวคิดที่คล้ายกันในสาขาชีววิทยา เขาจะศึกษาการเคลื่อนไหวโดยรวมในระบบชีวภาพระหว่างการฝึกงานด้านการวิจัยในประเทศเยอรมนี

Vyacheslav Lukin ผู้อำนวยการโครงการของ National Science Foundation ประเมินผลกระทบของโครงการ เขาชื่นชมความร่วมมือแบบสหวิทยาการระหว่างแผนกต่างๆ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีผสมผสานฟิสิกส์พลาสมาที่ซับซ้อนเข้ากับเครื่องมือปัญญาประดิษฐ์ที่ทันสมัย การรวมตัวทางยุทธศาสตร์นี้จะเป็นประโยชน์โดยตรงต่อการทำความเข้าใจระบบสิ่งมีชีวิตในอนาคต การวิจัยได้รับการสนับสนุนทางการเงินเบื้องต้นจาก NSF โครงการนี้ยังอาศัยแหล่งข้อมูลเพิ่มเติมที่มูลนิธิไซมอนส์มอบให้

นักวิทยาศาสตร์มองเห็นศักยภาพมหาศาลในการนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น มะเร็งวิทยาทางการแพทย์ การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ร่วมกันของเซลล์สามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการแพร่กระจายของมะเร็งได้ วิธีการนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่ชัดเจนสำหรับการอนุมานกฎหมายในระบบที่ปฏิสัมพันธ์โดยตรงยากต่อการสร้างแบบจำลอง Justin Burton เปรียบเทียบการใช้ปัญญาประดิษฐ์อย่างมีความรับผิดชอบกับภารกิจประวัติศาสตร์ในการสำรวจสิ่งที่ไม่รู้จัก การศึกษาแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเทคโนโลยีสามารถไปได้ไกล