Считать в облаках: алгоритм взаимодействия капель поможет управлять бактериями

Российским ученым удалось найти математический алгоритм, который описывает взаимодействие капель в облаке. Используя возможности нейросети, они просчитали, каким образом луч света отражается, преломляется и распределяется между ними. Выявленные специалистами закономерности можно использовать для создания химического вычислителя или для управления живыми системами, такими, как, например, сообщества бактерий. Чтобы проиллюстрировать результаты своей научной работы, ученые с помощью искусственного интеллекта трансформировали сигналы капель в ноты и получили музыку, создаваемую облаком.

Последняя капля

Ученые ИТМО с коллегами из Тюменского университета с помощью нейросети создали математический алгоритм, который описывает взаимное влияние капель жидкости в облаке, например, таком, которое появляется, когда прыскают аэрозолем. Кроме фундаментального значения, научная работа позволит создать химический компьютер или управлять сложными живыми системами такими, как сообщества бактерий.

— Мы выявили взаимное влияние капель. И искусственный интеллект помог нам описать взаимозависимости, который естественный интеллект не смог бы обнаружить. Он проанализировал видеоизображение облака и составил карту, где видно, как одна капля, зависит от другой, — сказала ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Ирина Скорб.

Подобные облака химики называют капельными кластерами. Каждый из них — это самоорганизованная система частиц со своими принципами взаимодействия. Чтобы выявить эти принципы, ученые разработали специальную установку. В ней распылили жидкости и наблюдали реакцию между кристаллическим веществом меламином и циануровой кислотой. В следствие нее в капельках сформировались кристаллы.

Когда на облако падает луч света, внутри капель образуются блики, и кристаллы начинают мигать с разной частотой, передавая свет друг другу. Частицы вращаются, и блики, содержащиеся в каплях, от одного кристалла передаются другому. За счет этих отражений происходит коммуникация внутри всей системы, которую ученые и описали математически.

— В зависимости от размера кристаллы по-разному отражают свет. При этом они крутятся внутри капли. Мы видим свечение с разной интенсивностью и длительностью. Снимаем это на камеру и строем корреляции. Одна капля отражается в другой, и они влияют друг на друга. К тому же свет отражается в разных направлениях, — сказала Ирина Скорб.

Чтобы проиллюстрировать результаты вычислений, ученые добавили в нейросеть функцию трансформации сигналов капель в ноты. Для генерации музыки использовали целотоновую гамму, или иначе «расширенную», состоящую не из классических семи, а шести нот, что позволяет добавить джазовые нотки к звучанию микрооркестра — облака. Также можно выбрать количество и состав инструментов в оркестре, настроить ИИ на быстрое или медленное воспроизведение, в мажоре или миноре. Эти ноты также можно скачать и сыграть музыку облака на фортепиано.

— Главная цель работы — показать, как протекают процессы в подобных химических системах и как ими управлять. Но мы также научились перепрограммировать поведение капельного кластера. Меняя температуру воды в установке или объем реагентов, мы увеличиваем или уменьшаем размеры и число капель и наблюдаем, как меняется характер взаимодействия между ними. Нам удалось подтвердить факт того, что от одной капли может передаваться информация к другой. Это открывает возможности использования такой системы для создания химических вычислителей как альтернативу электронных устройств. Кроме того, такие системы совместимы с живыми системами, а значит, мы можем запрограммировать и их. Например, поместить в каплю бактерию и корректировать ее поведение, — пояснила Ирина Скорб.

Капля власти

По мнению руководителя проектов по искусственному интеллекту доцента ИРИТ-РтФ УрФУ Михаила Ронкина, возможности современных нейросетей пока очень ограничены, поэтому преобразование алгоритма взаимодействия капель в музыку можно считать скорее иллюстрацией, чем отражением реального обоюдного влияния.

— Сегодня мы имеем ИИ, который скорее копирует по «форме», нежели чем вникает в суть. Поэтому операцию «перевод в ноты» можно считать лишь некоторой аналогией сопоставленному процессу, а не какой-то глубокой и фундаментальной связью. То есть можно сказать, что в данном случае результат использования ИИ — это некоторая абстракция, замена мысленному эксперименту. Однако если такая аналогия может натолкнуть исследователей на дальнейшее более глубокое понимание изучаемого процесса, который, безусловно, интересен, то в этом нет ничего плохого, — сказал Михаил Ронкин.

Разработка ученых объясняет поведение капельного кластера. Под воздействием внешних условий система может вести себя по-разному, что и открывает возможности как для изучения поведения системы, так и в дальнейшем для управления ею, пояснил «Известиям» доцент кафедры математического моделирования и искусственного интеллекта ИКНиТ РУДН Дмитрий Диваков.

С фундаментальный точки зрения изучение самоорганизации систем — важная задача, которая могла бы дополнить представление о функционировании систем капель. Составной частью алгоритма выступает нейронная сеть, используемая для выявления взаимосвязей, что представляется вполне естественным исследовательским решением. А вот формирование музыкальных композиций на основе полученных данных кажется блестящим решением для популяризации результатов научного исследования, — сказал эксперт.

С помощью воздействия на капельные кластеры можно создать технологию получения веществ с заданными свойствами, которые будут производить микроорганизмы, уверен научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.

— Подобные алгоритмы можно использовать в биотехнологиях, когда в определенной среде нужно соединить различные организмы, сделать их более концентрированными, замедлить или ускорить их метаболизм. Это открывает множество возможностей для экспериментов в лабораториях и получение веществ с заданными свойствами, — сказал он.

С этим мнением согласен и заведующий лабораторией пролиферации клеток Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН Петр Чумаков. По его словам, в каплях можно разместить бактерии, секретирующие вещества, которые влияют на другие бактерии, и получать таким образом нужный результат.