Platform AI berdasarkan prinsip Onsager umum untuk membina termodinamik tersuai

Editor |. gagal.

Baru-baru ini, pasukan penyelidik dari Universiti Nasional Singapura, Agensi Sains, Teknologi dan Penyelidikan Singapura (

A*STAR

), Universiti Teknologi Nanyang dan Akademi Sains China membangunkan platform kecerdasan buatan berdasarkan prinsip Onsager umum : S-OnsagerNet, yang boleh dimuat turun terus daripada Ketahui penerangan makrodinamik mana-mana sistem pelesapan rawak daripada pemerhatian trajektori mikroskopiknya. Kaedah ini secara serentak membina koordinat termodinamik yang dipermudahkan dan menerangkan dinamik pada koordinat ini. Para penyelidik menunjukkan keberkesanannya melalui kajian teori dan pengesahan eksperimen regangan rantai polimer panjang dalam bidang gunaan luaran. Secara khusus, tiga koordinat termodinamik yang boleh ditafsir dipelajari dan landskap dinamik regangan polimer dibina, termasuk pengenalpastian keadaan stabil dan peralihan dan kawalan kadar regangan. Pendekatan umum ini boleh digunakan untuk menangani pelbagai aplikasi saintifik dan teknologi.

Penyelidikan yang bertajuk "

Membina termodinamik tersuai menggunakan pembelajaran mendalam

", telah diterbitkan dalam "Nature Computational Science" pada 29 Disember 2023.

Pautan kertas:

https://www.nature.com/articles/s43588-023-00581-5

Kaedah saintifik moden menggunakan pendekatan universal untuk memastikan kemajuan yang mantap dan tidak bercanggah dalam pemahaman kita tentang alam semula jadi: teori baharu perlu dihipotesiskan dan diuji terhadap data terkumpul sebelum ini, serasi dengan prinsip saintifik asas dan boleh disahkan secara eksperimen.

Malangnya, tiada resipi algoritma universal untuk melakukan ini dalam sistem yang kompleks untuk memudahkan penemuan.

Jadi, setakat ini, hanya fenomena fizikal yang paling asas (biasanya statik, dalam keseimbangan) boleh diterangkan oleh satu set persamaan intuitif. Banyak fenomena dinamik, tiada keseimbangan yang menentukan kefungsian biologi, jirim pekat lembut dan kimia diterangkan oleh undang-undang empirikal yang sangat hampir.

Kemajuan dalam kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin menawarkan kemungkinan penyelesaian dipacu data untuk cabaran ini.

Hubungan timbal balik Onsager ialah hubungan timbal balik antara pekali dalam hukum fenomenologi linear yang menerangkan proses termodinamik tak boleh balik. Ia adalah pantulan pembalikan masainvarian bagi persamaan gerakan mikroskopik zarah pada skala makroskopik. Hubungan ini ditubuhkan pada tahun 1931 oleh Lars Onsager. Lars Onsager telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Kimia 1968 untuk penemuannya tentang hubungan timbal balik ini.

Di sini, penyelidik membangunkan platform kecerdasan buatan - Stochastic OnsagerNet (S-OnsagerNet), yang boleh menemui penerangan termodinamik yang boleh ditafsir dan tertutup bagi sistem dinamik pelesapan stokastik arbitrari terus daripada pemerhatian trajektori mikroskopik.

Terdapat dua pendekatan utama untuk memahami dan meramal kelakuan proses dinamik daripada data: tidak berstruktur dan berstruktur. Kaedah S-OnsagerNet tergolong dalam kategori yang terakhir. Sehingga kini, terdapat kekurangan pendekatan berstruktur umum untuk memodelkan dinamika disipatif, bukan keseimbangan dan bunyi bising yang sering timbul dalam bahan lembut, biofizik dan aplikasi lain. Para penyelidik secara khusus menyasarkan jenis masalah ini berdasarkan prinsip Onsager klasik.

Penerangan termodinamik makroskopik sistem fizikal sangat dicari untuk cerapan yang mereka sediakan. Walau bagaimanapun, untuk sistem dinamik kompleks am, membina penerangan termodinamik intuitif untuk analisis dan kawalan seterusnya adalah tugas yang sukar. Pendekatan S-OnsagerNet menangani cabaran ini.

Ilustrasi: Aliran kerja keseluruhan kaedah yang dicadangkan. (Sumber: kertas)

Untuk dinamik mikroskopik tertentu, penerangan termodinamik makroskopik dipelajari dengan membina koordinat tertutup dimensi rendah secara serentak (memastikan kebolehtafsiran separa) dan undang-undang evolusi masa pada koordinat ini. Tidak seperti pendekatan kecerdasan buatan umum, platform ini sememangnya mengehadkan carian kepada undang-undang evolusi yang berkaitan secara fizikal. Khususnya, para penyelidik memastikan keserasian dengan pengetahuan saintifik sedia ada dengan membina seni bina rangkaian saraf berdasarkan prinsip Onsager umum.

Para penyelidik menunjukkan pendekatan mereka dengan mempelajari dinamik regangan rantai polimer yang mengandungi sehingga 900 darjah kebebasan, memampatkannya menjadi penerangan termodinamik yang melibatkan hanya tiga koordinat makroskopik, yang dikawal dalam data pengiraan dan eksperimen Dinamik regangan Polimer.

Ilustrasi: persediaan simulasi, visualisasi data, trajektori regangan ramalan dan sebenar serta statistiknya. (Sumber: Kertas)

Penyelidikan membina gambaran tenaga makroevolusi dan mendedahkan kewujudan keadaan stabil dan keadaan peralihan. Ini boleh dilihat sebagai persamaan keadaan dinamik. Penguasaan persamaan tersebut membolehkan reka bentuk eksperimen pengiraan pengesahan, termasuk tafsiran koordinat termodinamik dan kawalan kadar regangan polimer.

Ilustrasi: Landskap tenaga potensi yang dipelajari. (Sumber: Kertas)

Para penyelidik melanjutkan ini lagi untuk menjalankan eksperimen regangan DNA molekul tunggal dan menunjukkan bahawa penerangan termodinamik mereka boleh digunakan untuk membezakan antara polimer regangan pantas dan perlahan, jauh melebihi keupayaan pelabelan manusia semasa. Tambahan pula, korelasi turun naik yang diramalkan yang diperoleh daripada landskap tenaga bebas adalah konsisten dengan data eksperimen.

Ilustrasi: Analisis data eksperimen. (Sumber: kertas)

Untuk menunjukkan lagi kebolehgunaan umum, para penyelidik menggunakan S-OnsagerNet untuk memperoleh dinamik makroskopik wabak spatial.

Ilustrasi: Visualisasi data dan hasil ramalan. (Sumber: kertas)

Potensi kebolehgunaan kaedah yang dicadangkan dalam kajian ini melangkaui polimer dan dinamik wabak untuk memasukkan proses pelesapan yang kompleks secara umum, seperti lipatan protein, pemasangan sendiri dan sistem kaca.

Terdapat banyak hala tuju penyelidikan yang layak pada masa hadapan untuk menambah baik lagi keteguhan dan kepelbagaian kaedah yang dicadangkan. Seseorang boleh menggunakan kaedah ini untuk mengkaji termodinamik makroskopik sistem lain yang menarik minat saintifik.

Atas ialah kandungan terperinci Platform AI berdasarkan prinsip Onsager umum untuk membina termodinamik tersuai. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!