• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16.03.2022
Университет ИТМО
3 798

В ИТМО разработали метод цифровизации наноматериалов для алгоритмов искусственного интеллекта

4.7

Ученые Университета ИТМО разработали алгоритм, который автоматически определяет размеры, форму, структуру поверхности наноматериалов и формирует их индивидуальных цифровых двойников. Разработка позволит строить более эффективные предсказательные модели в области материаловедения, а также осуществлять обратный дизайн структур от их свойств к способу получения. Это придаст импульс созданию новых материалов с заранее заданными текстурными свойствами для биомедицины, оптики и биотехнологии.

В ИТМО разработали метод цифровизации наноматериалов для алгоритмов искусственного интеллекта / ©Getty images / Автор: Андрей Чернов

Машинное обучение и ИИ активно используются в органической и медицинской химии, однако до сих пор существует большой недостаток данных о наноматериалах, а также их цифровых представлений. Морфология, то есть распределение по размерам, форма и структура поверхности, описываются существующими инструментами неполно. Например, зачастую форму частиц обозначают тривиальными названиями (сферическая, кубическая и так далее), которые не только не несут количественной информации о форме, но и не позволяют судить о схожести/различиях между разными формами.

Размеры описываются средним значением и иногда его разбросом, чего недостаточно для характеризации большинства систем. Структура поверхности не учитывается совсем. Отсутствие системного подхода к параметризации и упрощенное описание изучаемых систем тормозит появление эффективных инструментов для поиска новых наноматериалов с исключительными свойствами, а также исследований в этой сфере, в том числе с использованием методов искусственного интеллекта.

Новый метод ученых Университета ИТМО позволит решить эту проблему. Исследователи разработали алгоритм, который всесторонне описывает морфологию наноматериалов, находит похожие по свойствам и подсказывает параметры синтеза для разработки новых структур по желаемым характеристикам. Алгоритм анализирует изображение наноматериала с электронного микроскопа, экстрагирует (то есть извлекает) нужные характеристики и затем составляет списки параметров, представленных в виде числовых значений.

Обычно подобная подготовительная работа проводится вручную: ученому приходится просматривать множество статей в поиске нужных параметров и синтетических процедур (концентрация веществ, температура, при которой может быть синтезирован наноматериал). «Наш алгоритм сравнивает списки чисел, “выжимает” наиболее значимую информацию из изображения наноматериала, отбрасывает шумы. Подобное сжатие позволяет получить небольшой точный набор признаков, из которого мы можем не только узнать интересующие параметры, но и в обратном порядке, основываясь на них, восстановить структуру или создать новую, — объясняет автор исследования, аспирант Университета ИТМО Никита Серов.

— Еще инструмент может находить по изображению похожие наноматериалы, это работает примерно как поиск в Google или Яндекс.Картинках. Вы делаете запрос, добавляете иллюстрацию, и алгоритм находит наиболее схожие системы из базы данных и предлагает способы их получения. Весь процесс занимает меньше минуты, тем не менее планируется дальнейшая оптимизация алгоритма. Это открывает новые возможности для исследований».

Ученый добавляет, что алгоритм может распознавать как изображения, полученные при помощи электронной микроскопии, так и нарисованные собственноручно. Для этого необходимо загрузить рисунок контура исследуемой наночастицы, например, в форме круга, квадрата. Также можно обозначить поверхность структуры — шипы, бугорки, отверстия.

Для проверки алгоритма исследователи ИТМО использовали собственную базу данных синтезов карбоната кальция. Это вещество часто встречается в природе: у многих живых существ из него состоят панцири, и это неслучайно. С точки зрения химического синтеза, это довольно простой материал, его легко видоизменять и получать структуры с очень разнообразной и сложной морфологией. Затем ученые продемонстрировали работоспособность системы на данных по синтезу наночастиц золота, экстрагированных из научных статей.

Контроль над морфологическими параметрами наночастиц необходим, чтобы определять их поведение в живом организме, токсичность, безопасность, а также разрабатывать перспективные материалы для биомедицины, терапии, биотехнологии. «Морфология наноматериалов очень влияет на их поведение в клетках и иммунный ответ живого организма. Например, размер наночастиц определяет, в каких органах человека они будут накапливаться — в почках, печени или будут долго циркулировать в кровотоке. Форма может влиять на метаболизм клеток. При изменении площади поверхности наноматериала могут активизироваться его антибактериальные или токсические свойства», — подчеркивает Никита Серов.

Ученые планируют продолжить работу над предсказательной моделью, проверить ее на практике, осуществив синтез отсутствующей в базе данных системы по рекомендациям модели, а также расширить базу данных и сделать общедоступный и удобный ресурс для пользования по всему миру. Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Университет ИТМО (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 13:10
Полина Меньшова

Хотя доступ к словам, синтаксическим структурам и нелингвистическим символам способен облегчить некоторые когнитивные процессы, язык вряд ли можно считать основой любой формы мышления. К такому выводу пришли ученые из США, проанализировав данные исследований за последние 20 лет.

6 часов назад
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

Вчера, 10:10
Александр Березин

Восемьдесят лет назад началось наступление советских войск в Белоруссии — операция «Багратион». Дальше случилось нечто крайне необычное: Ставка рассчитывала ударить на 150-200 километров в глубину. Но в итоге наступать пришлось на 600 километров. Почему немецкий фронт так быстро развалился, хотя войска Гитлера в 1944 году были материально обеспечены лучше, чем когда-либо еще во Второй мировой войне? И отчего Красная армия не смогла до конца воспользоваться плодами своих побед?

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

20 июня
МПСУ

Эмоциональное выгорание ИТ-специалиста напрямую связано с его личностными характеристиками. С профессиональными перегрузками и стажем связи нет. К такому выводу пришли ученые МПСУ, которые исследовали ИТ-специалистов двух компаний. Жизнестойкость, то есть способность человека выдерживать стрессовые ситуации без снижения успешности деятельности, в совокупности с внутренней положительной мотивацией формируют иммунитет к эмоциональному выгоранию специалиста в ИТ-сфере. Блокаторами стали интерес к работе и профессиональная удовлетворенность.

Вчера, 13:10
Полина Меньшова

Хотя доступ к словам, синтаксическим структурам и нелингвистическим символам способен облегчить некоторые когнитивные процессы, язык вряд ли можно считать основой любой формы мышления. К такому выводу пришли ученые из США, проанализировав данные исследований за последние 20 лет.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно