Zajrzyj do wnętrza migającego płomienia świecy z tymi wydrukowanymi w 3D kształtami

fizyk z XIX wieku Michael Faraday Był znany nie tylko ze swojego fundamentalnego wkładu eksperymentalnego do elektromagnetyzmu, ale także z dyskursu publicznego. dla niego Coroczne wykłady bożonarodzeniowe W Instytucie Królewskim tradycja świąteczna trwa do dziś. Jeden z jego najsłynniejszych wykładów bożonarodzeniowych dotyczył tego tematu Historia chemiczna świecy. Faraday przedstawił swoje argumenty za pomocą prostego eksperymentu: umieścił świecę w szklance lampy, aby zablokować wszelkie bryzy i uzyskać „cichy płomień”. Faraday następnie zademonstrował, jak kształt płomienia kołysał się i zmieniał w odpowiedzi na zakłócenia.

„Nie możesz sobie wyobrażać, ponieważ widzisz wszystkie te języki naraz, że płomień ma ten szczególny kształt” — zauważył Faraday. „Płomień tej formy nigdy nie istnieje. Nigdy nie ma ciała płomienia, takiego jak to, które widziałem wznoszące się z kuli, w formie, w jakiej się wam ukazuje. Ma tak wiele różnych form i mijają się tak szybko, że oko nie jest w stanie rozpoznać Wszystkich oprócz jednego.”

Teraz naukowcy z MIT przenieśli prosty eksperyment Faradaya w XXI wiek. Marcus Boehler i postdoc Mario Milazzo połączyli obrazowanie w wysokiej rozdzielczości z głębokim uczeniem maszynowym, aby… sonifikuj jeden palnik świec. Następnie wykorzystali ten pojedynczy płomień jako podstawowy element konstrukcyjny, tworząc „muzykę” z jego słabej dynamiki i projektując nowe struktury, które można wydrukować w 3D na fizycznych obiektach. Buehler opisał tę i inne pokrewne prace na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w zeszłym tygodniu w Chicago.

tak jak my Wspomniałem wcześniejBuehler specjalizuje się w opracowywaniu modeli sztucznej inteligencji do projektowania nowych białek. Prawdopodobnie jest najbardziej znany z używania sonikacji do oświetlania szczegółów strukturalnych, które w innym przypadku mogłyby być nieuchwytne. Buehler stwierdził, że hierarchiczne elementy kompozycji muzycznej (wysokość, skala, dynamika, rytm) są podobne do hierarchicznych elementów struktury białka. Podobnie jak muzyka zawiera ograniczoną liczbę nut i strun oraz wykorzystuje różne kombinacje do komponowania muzyki, białka zawierają ograniczoną liczbę bloków budulcowych (20 aminokwasów), które mogą łączyć się na wiele sposobów, tworząc nowe struktury białkowe o unikalnych właściwościach. Każdy aminokwas ma specjalną sygnaturę akustyczną, która przypomina odcisk palca.

Kilka lat temu Buehler kierował zespołem naukowców z MIT Wyznaczanie struktury molekularnej białek w pajęczym jedwabiu Wątki dotyczące teorii muzyki do produkcji „Głos” Silka. Nadzieją było stworzenie radykalnie nowego sposobu tworzenia designerskich białek. ta praca Być może Wystawa sztuki akustycznej „Spider’s Canvas” w Paryżu w 2018 roku. Artysta Tomas Saraceno współpracował z inżynierami MIT, aby stworzyć interaktywny instrument przypominający harfę inspirowany siatką Cyrtophora citricula Pająk, z każdym pasmem „sieci” ustawionym na inny ton. Połącz te notatki w różnych stylach w trójwymiarowej strukturze internetowej, a będziesz mógł tworzyć melodie.

w 2019Zespół Buehlera opracował bardziej zaawansowany system tworzenia muzyki ze struktur białkowych, a następnie włączania muzyki z powrotem w celu stworzenia nowych białek, których nie ma w naturze. Celem było nauczenie się tworzenia podobnych sztucznych sieci pajęczych i innych struktur naśladujących proces pająka. W 2020 roku zespół Buehlera zastosował to samo podejście do modelowania właściwości wibracyjnych białka kolczastego odpowiedzialnego za współczynnik przenoszenia infekcji nowego koronawirusa (SARS-CoV-2).

Buehler uważał, że to podejście można by rozszerzyć na tyle, by zbadać ogień. „Ogień jest oczywiście cichy” – powiedział na konferencji prasowej. Jednak „Ogień ma wszystkie przedmioty Z wibrującego włókna lub wibrującej cząsteczki, ale z ciekawym dynamicznym wzorem. Gdybyśmy mogli je usłyszeć, jak by brzmiały? Czy możemy wcielić ogień? Czy możemy popchnąć kopertę, aby wygenerować materiały inspirowane biologią, które można naprawdę poczuć i dotknąć? „

Podobnie jak Faraday wieki temu, on i Milazzo rozpoczęli od prostego eksperymentu z użyciem płomienia pojedynczej świecy. (Większy pożar miałby tak duże turbulencje, że byłoby to bardzo trudne obliczeniowo, ale pojedynczy płomień można traktować jako podstawowy element budulcowy ognia). Naukowcy zapalili świecę w kontrolowanym środowisku, bez ruchu powietrza lub cokolwiek innego zewnętrznego. Sygnały – Cichy płomień Faradaya. Następnie odtwarzali dźwięki z głośnika i używali szybkiej kamery, aby uchwycić, jak płomienie błysnęły i zniekształcały się w czasie w odpowiedzi na te sygnały dźwiękowe.

„Są tworzone przez to różne kształty, ale za każdym razem nie są to te same kształty” – powiedział Buehler. „To dynamiczny proces, więc to, co widzisz [in our images] To tylko migawka. W rzeczywistości dla każdej prognozy sygnału audio są tysiące obrazów — krąg ognia. „

On i Milazzo następnie wyszkolili sieć neuronową, aby sklasyfikować oryginalne sygnały dźwiękowe, które utworzyły określony kształt płomienia. Skutecznie nadźwiękowiły częstotliwości wibracyjne ognia. Im gwałtowniej zostanie odchylony płomień, tym dramatyczniej zmieni się sygnał dźwiękowy. Pochodnia staje się rodzajem instrumentu muzycznego, na którym możemy „grać” wystawiając go na działanie prądów powietrza, np. po to, by płomień w określony sposób migotał – forma kompozycji muzycznej.

„Ogień jest wibracyjny, rytmiczny, powtarzalny i ciągle się zmienia, i to właśnie charakteryzuje muzykę” Buehler powiedział. „Głębokie uczenie pomaga nam wyodrębnić dane i określone wzorce ognia, a używając różnych wzorców w ogniu, możesz stworzyć orkiestrę różnych dźwięków”.

Buehler i Milazzo wykorzystali również różne kształty migających płomieni jako cegiełki do zaprojektowania nowych konstrukcji na komputerze, a następnie wydrukowania tych konstrukcji w 3D. „To trochę jak płomień ognia, który zamarza w czasie i może patrzeć na niego pod różnymi kątami” Buehler powiedział. „Możesz go dotykać i obracać, a drugą rzeczą, którą możesz zrobić, jest zajrzenie w płomienie, coś, czego żaden człowiek nigdy nie widział”.