هوش مصنوعی جدید، مهندسی پیچیده را متحول می‌کند!

مدل‌سازی رفتار خودروها در تصادف و پاسخ فضانوردی به محیط‌های شدید با هوش مصنوعی جدید

مدل‌سازی نحوه تغییر شکل خودروها در تصادف، واکنش فضاپیماها به محیط‌های شدید یا مقاومت پل‌ها در برابر تنش‌ها، به لطف هوش مصنوعی جدیدی که امکان حل مسائل ریاضی بزرگ را بر روی کامپیوترهای شخصی فراهم می‌کند، می‌تواند هزاران بار سریع‌تر انجام شود. این چارچوب هوش مصنوعی یک رویکرد عمومی است که می‌تواند به سرعت راه‌حل‌هایی برای معادلات ریاضی زمان‌بر و رایج پیش‌بینی کند. این معادلات برای ایجاد مدل‌هایی از نحوه انتشار سیالات یا جریان‌های الکتریکی در هندسه‌های مختلف، مانند آنچه در آزمایش‌های مهندسی استاندارد استفاده می‌شود، ضروری هستند. جزئیات این تحقیق در نشریه Nature Computational Science منتشر شده است.

این چارچوب که DIMON (یادگیری اپراتور نگاشت دیفرومورفیک) نام دارد، به حل معادلات دیفرانسیل جزئی می‌پردازد که در تقریباً تمام تحقیقات علمی و مهندسی وجود دارند. با استفاده از این معادلات، محققان می‌توانند سیستم‌ها یا فرآیندهای دنیای واقعی را به نمایش‌های ریاضی تبدیل کنند که نشان‌دهنده تغییرات اشیاء یا محیط‌ها در طول زمان و فضا است.

ناتالیا ترایانووا، استاد مهندسی پزشکی و پزشکی در دانشگاه جانز هاپکینز و یکی از سرپرستان این تحقیق، گفت: “در حالی که انگیزه توسعه این فناوری از کار خودمان ناشی شد، ما فکر می‌کنیم که این یک راه‌حل است که تأثیر بسیار زیادی بر روی زمینه‌های مختلف مهندسی خواهد داشت زیرا بسیار عمومی و مقیاس‌پذیر است.” او افزود: “این فناوری می‌تواند به‌طور کلی بر روی هر مسئله‌ای در هر حوزه‌ای از علم یا مهندسی کار کند تا معادلات دیفرانسیل جزئی را در هندسه‌های مختلف حل کند، مانند آزمایش تصادف، تحقیقات ارتوپدی یا سایر مسائل پیچیده که در آن‌ها شکل‌ها، نیروها و مواد تغییر می‌کنند.”

به‌علاوه، تیم ترایانووا با نشان دادن کاربرد DIMON در حل سایر مسائل مهندسی، این هوش مصنوعی جدید را بر روی بیش از ۱۰۰۰ “دوقلوی دیجیتال” قلب، که مدل‌های کامپیوتری بسیار دقیقی از قلب بیماران واقعی هستند، آزمایش کردند. این پلتفرم توانست پیش‌بینی کند که چگونه سیگنال‌های الکتریکی از طریق هر شکل منحصر به فرد قلب منتشر می‌شوند و دقت پیش‌بینی بالایی را به دست آورد.

تیم ترایانووا برای مطالعه آریتمی قلبی، که به رفتار نادرست سیگنال‌های الکتریکی در قلب اشاره دارد و باعث ضربان نامنظم می‌شود، به حل معادلات دیفرانسیل جزئی وابسته است. با استفاده از دوقلوی دیجیتال قلب، محققان می‌توانند تشخیص دهند که آیا بیماران ممکن است به این وضعیت خطرناک و اغلب کشنده دچار شوند و روش‌های درمانی را برای آن پیشنهاد دهند.

نوآوری در تشخیص و درمان قلبی با فناوری‌های جدید

تریانووا، که رهبری ائتلاف جانز هاپکینز برای نوآوری در تشخیص و درمان قلبی را بر عهده دارد، گفت: “ما فناوری‌های نوینی را به کلینیک می‌آوریم، اما بسیاری از راه‌حل‌های ما به قدری کند هستند که از زمان اسکن قلب بیمار تا حل معادلات دیفرانسیل جزئی و پیش‌بینی خطر مرگ ناگهانی قلبی، حدود یک هفته طول می‌کشد. همچنین، ما بهترین برنامه درمانی را تعیین می‌کنیم.” او افزود: “با این رویکرد جدید مبتنی بر هوش مصنوعی، سرعتی که می‌توانیم راه‌حل‌ها را به دست آوریم، غیرقابل تصور است. زمان محاسبه پیش‌بینی یک دوقلوی دیجیتال قلب از چندین ساعت به ۳۰ ثانیه کاهش خواهد یافت و این کار بر روی یک کامپیوتر رومیزی انجام می‌شود، نه بر روی ابرکامپیوتر، که به ما این امکان را می‌دهد که آن را به بخشی از روند روزمره بالینی تبدیل کنیم.”

معادلات دیفرانسیل جزئی معمولاً با تقسیم اشکال پیچیده‌ای مانند بال‌های هواپیما یا اندام‌های بدن به شبکه‌ها یا مش‌هایی از عناصر کوچک حل می‌شوند. سپس مشکل بر روی هر قطعه ساده حل شده و دوباره ترکیب می‌شود. اما اگر این اشکال تغییر کنند – مانند تصادفات یا تغییر شکل‌ها – شبکه‌ها باید به‌روزرسانی شوند و راه‌حل‌ها دوباره محاسبه شوند که می‌تواند زمان‌بر و پرهزینه باشد. DIMON این مشکل را با استفاده از هوش مصنوعی برای درک رفتار سیستم‌های فیزیکی در اشکال مختلف حل می‌کند، بدون اینکه نیاز باشد همه چیز از ابتدا برای هر شکل جدید محاسبه شود.

به جای تقسیم اشکال به شبکه‌ها و حل مکرر معادلات، هوش مصنوعی پیش‌بینی می‌کند که عواملی مانند حرارت، تنش یا حرکت چگونه رفتار خواهند کرد بر اساس الگوهایی که یاد گرفته است، که این امر باعث می‌شود کارهایی مانند بهینه‌سازی طراحی یا مدل‌سازی سناریوهای خاص بسیار سریع‌تر و کارآمدتر انجام شود.

تیم تحقیقاتی در حال گنجاندن پاتولوژی قلبی که منجر به آریتمی می‌شود، در چارچوب DIMON است. مینگ‌لانگ یین، پژوهشگر فوق دکتری مهندسی زیستی جانز هاپکینز که این پلتفرم را توسعه داده است، گفت: “به دلیل چندمنظوره بودن این فناوری، می‌توان آن را در بهینه‌سازی شکل و بسیاری از وظایف مهندسی دیگر که نیاز به حل مکرر معادلات دیفرانسیل جزئی بر روی اشکال جدید دارند، به کار برد.” او ادامه داد: “برای هر مشکل، DIMON ابتدا معادلات دیفرانسیل جزئی را بر روی یک شکل واحد حل می‌کند و سپس راه‌حل را به چندین شکل جدید نگاشت می‌کند. این قابلیت تغییر شکل، چندمنظوره بودن فوق‌العاده آن را نشان می‌دهد.”

یین همچنین گفت: “ما بسیار هیجان‌زده هستیم که این فناوری را در حل بسیاری از مشکلات به کار بگیریم و همچنین آن را به جامعه وسیع‌تری ارائه دهیم تا به تسریع راه‌حل‌های طراحی مهندسی آن‌ها کمک کنیم.”

نویسندگان دیگر این مقاله شامل نیکلاس شارون از دانشگاه هیوستون، رایان برودی و مائورو ماجیونی (همکار اصلی) از جانز هاپکینز و لو لو از دانشگاه ییل هستند. این تحقیق با حمایت‌های مالی از جمله گرنت‌های NIH (R01HL166759 و R01HL174440)، گرنتی از بنیاد لدوک، فلوشیپ جامعه ریتم قلب، گرنت‌های وزارت انرژی ایالات متحده (DE-SC0025592 و DE-SC0025593) و گرنت‌های 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.