Ученые ТюмГУ и ИТМО разработали алгоритм, который позволяет заглянуть внутрь распыленного облака жидкости и расшифровать паттерны поведения капель.
Изучение этих химических процессов открывает возможности создания вычислителей для программирования живых систем, например, кластеров бактерий, а также решения сложных задач, с которыми не справляются современные компьютеры.
Как работает капельный кластер?
Распыленная в воздухе жидкость образует облако капель — именно по такому принципу работают знакомые нам аэрозоли, например, духи или спрей от боли в горле. Это облако химики называют капельным кластером, явление было открыто 20 лет назад ученым ТюмГУ Александром Федорцом.
Капельный кластер — это самоорганизованная система частиц со своими принципами взаимодействия. Внутри такого скопления жидкости капли способны передавать информацию от одной к другой, образуя целую коммуникационную сеть.
Такую систему можно запрограммировать на решение определенных задач (например, для генерации случайных чисел), но нужно понимать, по каким принципам она функционирует и как ей управлять.
Из-за быстроты реакций и невозможности «поймать» движение капель сделать это затруднительно. Разработка ученых ИТМО и ТюмГУ позволяет наблюдать за процессами внутри таких систем и отслеживать закономерности поведения частиц в них.
Проникнуть в облако капель
Ученые ТюмГУ собрали специальную установку, с помощью которой можно наблюдать за реакцией между меламином и циануровой кислотой в распыленном облаке жидкости.
С этими реагентами ученые ИТМО работают давно и могут с точностью рассчитать, как именно внутри частиц жидкости пройдет процесс образования супрамолекулярных кристаллов (кристаллов из более двух молекул, тесно связанных и взаимодействующих друг с другом). Эти кристаллы видны внутри капель, что позволяет отслеживать изменения их поведения в ходе реакции и фиксировать их.
Когда на облако падает луч света, внутри капель образуются блики и кристаллы начинают мигать с разной частотой, транслируя данные о своем состоянии. Частицы вращаются, и блики, в которых закодирована информация, содержащаяся в каплях, от одного кристалла передаются другому. За счет этих отражений происходит коммуникация внутри системы.
Расшифровать послание
Считать данные, передаваемые каплями, и перевести их на знакомый нам язык помогает разработанный учеными алгоритм:
- снимки химической реакции загружаются в нейросеть
- нейросеть обнаруживает взаимосвязи в поведении частиц
- нейросеть преобразует данные в карту, на которой капли обозначаются разными цветами (в зависимости от частоты вращения и интенсивности свечения)
Это дает возможность не только послушать музыку, созданную природой, но и вычислить принципы функционирования подобных систем.
Музыка капельного кластера
Из тяги к искусству ученые добавили в нейросеть функцию трансформации сигналов капель в ноты. Оказалось, что «общение» частиц может звучать — эту творческую разработку назвали «микрооркестром» левитирующего капельного кластера.
Для генерации музыки используется целотоновая гамма, или иначе «расширенная» гамма, состоящая из шести нот, что позволяет добавить джазовые нотки к звучанию «микрооркестра».
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 капельного кластера» на фортепиано.
Подводя итог
Главная цель работы исследователей — показать, как протекают процессы в подобных химических системах и как ими управлять.
Команда ученых научилась перепрограммировать поведение капельного кластера: меняя температуру воды в установке или объем реагентов, можно увеличивать или уменьшать размеры и число капель, наблюдать, как меняется характер взаимодействия между ними.
Исследователям 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 можно запрограммировать и их. Например, поместить в каплю бактерию и корректировать ее поведение.