هوش مصنوعی انقلابی: از نجات جان تا شبیه‌سازی‌های باورنکردنی (فیلم تصادف و قلب)

هوش مصنوعیِ نویدبخش برای شبیه‌سازی‌های انقلابی: از تصادفات خودرو تا چالش‌های فضانوردی

مدل‌سازی چگونگی دگرگونی شکل خودروها در لحظه برخورد، واکنش فضاپیماها در مواجهه با شرایط سخت محیطی در فضا، یا میزان مقاومت پل‌ها در برابر نیروهای کششی، همه و همه حالا با اتکا به یک هوش مصنوعی نوین، ده‌ها هزار برابر سریع‌تر انجام می‌پذیرد. این چارچوب هوش مصنوعی، یک رویکرد همه‌کاره است که قادر است راه‌حل‌هایی را برای معادلات ریاضیِ وقت‌گیر، که در حوزه‌های گوناگون کاربرد دارند، پیش‌بینی کند. این معادلات، برای ایجاد مدل‌هایی از چگونگی انتشار سیالات یا جریان‌های الکتریکی در اشکال مختلف، مثلاً آنچه در آزمایش‌های مهندسی مرسوم استفاده می‌شود، ضروری هستند. جزئیات این پژوهش در مجله‌ی علمی Nature Computational Science به چاپ رسیده است.

این چارچوب که با نام DIMON (یادگیری اپراتور نقشه‌ی دفرمه‌شونده) شناخته می‌شود، در حل معادلات دیفرانسیل جزئی تخصص دارد؛ این معادلات در تقریباً تمامی پژوهش‌های علمی و مهندسی حضور دارند. با استفاده از این معادلات، پژوهشگران می‌توانند سیستم‌ها یا پدیده‌های دنیای واقعی را به صورت ریاضی مدل‌سازی کنند؛ مدل‌هایی که تغییرات اشیاء یا محیط‌ها را در طول زمان و مکان نشان می‌دهند.

خانم ناتالیا ترایانووا، استاد مهندسی پزشکی و طب در دانشگاه جانز هاپکینز و یکی از سرپرستان این تحقیق، در این باره می‌گوید: “اگرچه انگیزه‌ی اصلی ما برای توسعه‌ی این فناوری، ناشی از نیازهای پروژه‌های خودمان بود، اما فکر می‌کنیم این راه‌حلی است که تأثیر بسیار گسترده‌ای بر رشته‌های مختلف مهندسی خواهد داشت، چرا که بسیار جامع و مقیاس‌پذیر است.” او اضافه می‌کند: “این فناوری می‌تواند به طور کلی در هر مسئله‌ای در هر شاخه‌ای از علم یا مهندسی به کار رود، تا معادلات دیفرانسیل جزئی را در هندسه‌های مختلف حل کند، مانند آزمایش‌های تصادف، مطالعات ارتوپدی، یا سایر مسائل پیچیده‌ای که در آن‌ها شکل‌ها، نیروها و مواد دستخوش تغییر می‌شوند.”

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی ترایانووا، با نشان دادن کاربرد DIMON در حل مسائل دیگر مهندسی، این هوش مصنوعی جدید را بر روی بیش از ۱۰۰۰ “دوقلوی دیجیتال” قلب، که مدل‌های کامپیوتری بسیار دقیقی از قلب بیماران واقعی هستند، مورد آزمایش قرار دادند. این پلتفرم توانست پیش‌بینی کند که امواج الکتریکی چگونه در قلب‌ها با شکل‌های منحصربه‌فرد، منتشر می‌شوند و به دقتی فوق‌العاده دست یافت.

تیم ترایانووا برای پژوهش در مورد آریتمی قلبی، که به رخداد اختلال در رفتار سیگنال‌های الکتریکی در قلب و در نتیجه نامنظم شدن ضربان قلب اشاره دارد، به حل معادلات دیفرانسیل جزئی متکی است. با استفاده از “دوقلوهای دیجیتال” قلب، پژوهشگران می‌توانند تشخیص دهند که آیا بیماران ممکن است در معرض ابتلا به این وضعیت خطرناک و اغلب مرگبار قرار داشته باشند و روش‌های درمانی مؤثری را ارائه دهند.

تحولی در تشخیص و درمان بیماری‌های قلبی با فناوری‌های نوین

ترایانووا، که ریاست ائتلاف جانز هاپکینز برای نوآوری‌های تشخیصی و درمانی در حوزه‌ی قلب را بر عهده دارد، می‌گوید: “ما فناوری‌های جدیدی را به سمت کلینیک‌ها سوق می‌دهیم، اما بسیاری از راه‌حل‌های ما آنقدر زمان‌بر هستند که از لحظه‌ی اسکن قلب بیمار تا حل معادلات دیفرانسیل جزئی و پیش‌بینی خطر مرگ ناگهانی قلبی، حدود یک هفته زمان نیاز است. سپس ما بهترین برنامه‌ی درمانی را تعیین می‌کنیم.” او ادامه می‌دهد: “اما با این رویکرد جدید مبتنی بر هوش مصنوعی، سرعت به دست آوردن راه‌حل‌ها، باورنکردنی خواهد بود. زمان محاسبه‌ی پیش‌بینی برای یک “دوقلوی دیجیتال” قلب، از چندین ساعت به ۳۰ ثانیه کاهش خواهد یافت و این کار بر روی یک کامپیوتر رومیزی انجام می‌شود، نه یک ابرکامپیوتر، که این امر به ما اجازه می‌دهد آن را به بخشی از کارهای روزمره‌ی بالینی تبدیل کنیم.”

حل معادلات دیفرانسیل جزئی معمولاً با تقسیم شکل‌های پیچیده‌ای مانند بال‌های هواپیما یا اندام‌های بدن به شبکه‌ها یا مش‌هایی از اجزای کوچک انجام می‌شود. سپس، مسئله بر روی هر بخش ساده حل شده و دوباره با هم ترکیب می‌شود. اما اگر این شکل‌ها دستخوش تغییر شوند – مثل تصادفات یا تغییر شکل‌ها – شبکه‌ها باید به‌روزرسانی شوند و راه‌حل‌ها دوباره محاسبه شوند که این فرآیند می‌تواند زمان‌بر و پرهزینه باشد. DIMON این مشکل را با استفاده از هوش مصنوعی برای درک رفتار سیستم‌های فیزیکی در شکل‌های مختلف، حل می‌کند؛ بدون نیاز به محاسبه‌ی مجدد همه‌چیز از ابتدا برای هر شکل جدید.

به جای تقسیم شکل‌ها به شبکه‌ها و محاسبه‌ی مکرر معادلات، هوش مصنوعی این قابلیت را دارد که پیش‌بینی کند عواملی مانند گرما، تنش یا حرکت، بر اساس الگوهایی که یاد گرفته است، چگونه رفتار خواهند کرد. این امر باعث می‌شود کارهایی نظیر بهینه‌سازی طراحی یا مدل‌سازی سناریوهای خاص، بسیار سریع‌تر و کارآمدتر انجام شود.

تیم تحقیقاتی در حال تلاش برای گنجاندن پاتولوژی‌های قلبی که منجر به آریتمی می‌شوند، در چارچوب DIMON است. مینگ‌لانگ یین، پژوهشگر فوق دکتری مهندسی زیستی در جانز هاپکینز که این پلتفرم را توسعه داده است، می‌گوید: “به دلیل چندمنظوره بودن این فناوری، می‌توان از آن در بهینه‌سازی شکل و بسیاری از وظایف مهندسی دیگر که نیاز به حل مکرر معادلات دیفرانسیل جزئی بر روی شکل‌های جدید دارند، استفاده کرد.” او ادامه می‌دهد: “برای هر مسئله‌ای، DIMON ابتدا معادلات دیفرانسیل جزئی را بر روی یک شکل واحد حل می‌کند و سپس این راه‌حل را به چندین شکل جدید تعمیم می‌دهد. این قابلیت تغییر شکل، نشان‌دهنده‌ی چندمنظوره بودن فوق‌العاده‌ی آن است.”

یین همچنین گفت: “ما بسیار هیجان‌زده هستیم که این فناوری را در حل طیف وسیعی از مسائل به کار بگیریم و علاوه بر این، آن را در اختیار جامعه‌ی گسترده‌تری قرار دهیم تا به آن‌ها در تسریع راه‌حل‌های طراحی مهندسی‌شان کمک کنیم.”

سایر نویسندگان این مقاله شامل نیکلاس شارون از دانشگاه هیوستون، رایان برودی و مائورو ماجیونی (به عنوان نویسنده‌ی اصلی) از جانز هاپکینز و لو لو از دانشگاه ییل هستند. این تحقیق توسط منابع مالی متعددی از جمله کمک‌های مالی NIH (R01HL166759 و R01HL174440)، کمک مالی از بنیاد لدوک، فلوشیپ انجمن ریتم قلب، کمک هزینه‌های وزارت انرژی ایالات متحده (DE-SC0025592 و DE-SC0025593) و کمک هزینه‌های NSF (DMS-2347833، DMS-1945224 و DMS-2436738) و جوایز آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی (FA9550-20-1-0288، FA9550-21-1-0317 و FA9550-23-1-0445) حمایت شده است.