Микрооркестр парящих капель. Ученые научили нейросеть создавать джазовую музыку из облака капель

3 августа 2024 4 мин.

Ученые ИТМО с коллегами из Тюменского университета (ТюмГУ) создали алгоритм, который расшифровывает паттерны поведения капель внутри распыленного над водой облака. 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.

Полученные данные нейросеть также способна переводить в ноты — в результате чего «коммуникацию» частиц можно «услышать». В работе представлен первый случай наблюдения за реакциями внутри левитирующего скопления капель.

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 из 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 или поиска выхода из лабиринта), 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 Тюменского университета позволяет наблюдать за процессами внутри таких систем и отслеживать закономерности поведения частиц в них.

В специальной установке, собранной в ТюмГУ, в распыленном облаке жидкости наблюдается реакция между меламином и циануровой кислотой. С этими реагентами ученые ИТМО работают давно и могут с точностью рассчитать, как именно внутри частиц жидкости пройдет процесс образования супрамолекулярных кристаллов, то есть 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.

Считать данные, передаваемые каплями, и перевести их на знакомый нам язык помогает разработанный учеными алгоритм. Снимки химической реакции загружаются в нейросеть. Она обнаруживает взаимосвязи в поведении частиц и преобразует данные в карту, на которой в зависимости от частоты вращения и интенсивности свечения капли обозначаются разными цветами. Это дает возможность не только послушать музыку, созданную природой, но и вычислить принципы функционирования подобных систем.

Главная цель работы — показать, как протекают процессы в подобных химических системах и как ими управлять. Но мы также научились перепрограммировать поведение капельного кластера. Меняя температуру воды в установке или объем реагентов, мы увеличиваем или уменьшаем размеры и число капель и наблюдаем, как меняется характер взаимодействия между ними. Нам 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 мы можем запрограммировать и их. Например, поместить в каплю бактерию и корректировать ее поведение.

Екатерина Скорб, профессор, ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО

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 не из классических семи, а 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.

Исследование поддержано грантом РНФ №24-13-0035.

Тюльпановые деревья и углерод. Ученые нашли новый тип древесины Опять тревожно? Птичий грипп грозит пандемией