#моделирование

Группа российских исследователей, в которую вошли океанологи Санкт-Петербургского университета, выявила существование ранее неизвестных механизмов распространения «волн Россби». В ходе работы им удалось зафиксировать точки, где перенос энергии прекращается, а траектории движения воды претерпевают изменения. Дополнительно ученые обнаружили асимметрию в динамике волновых процессов, зарождающихся у западных и восточных прибрежных течений.

Рост средней продолжительности жизни и старение населения формируют новые требования к системе государственного планирования. Для обоснованного распределения ресурсов в сфере здравоохранения, пенсионного обеспечения и социальной поддержки необходимы достоверные данные о возрастной структуре общества. Сегодня для этого применяют специальные математические модели, позволяющие прогнозировать изменения. Проблема в том, что их создавали еще в прошлом веке. Они не учитывают существующие демографические закономерности и улучшение качества современной жизни. Их использование часто ведет к значительным погрешностям в расчетах, что, в свою очередь, делает невозможным своевременное перераспределение бюджетных средств между ключевыми государственными структурами. Ученые Пермского Политеха предложили новую модель для прогнозирования продолжительности жизни, которая работает с точностью 99,7%. Ее можно применять для планирования в сфере здравоохранения, пенсионного обеспечения и социальной поддержки.

Инженеры «Газпром нефти» разработали установку, которая воссоздает геолого-физические условия залежей конкретного месторождения. С ее помощью специалисты подбирают оптимальные материалы для повышения эффективности добычи нефти методом гидравлического разрыва пласта.

Исследователи из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Харбинского политехнического университета и Университета Цзянсу (Китай) опубликовали работу, в которой представили первую эмпирическую модель для объяснения и прогнозирования сенсорного поведения иерархических трехфазных систем на основе углеродных нанотрубок в широком диапазоне температур (от –170 °C до 90 °C).

Ученые теоретически предсказали устойчивый к нагреву двумерный материал на основе нитрида цинка и ванадия, который эффективнее некоторых аналогов поглощает ультрафиолет и преобразует его энергию в электрический заряд. Благодаря таким свойствам новое соединение потенциально может стать основой для создания миниатюрных фотодетекторов, солнечных батарей и гибких оптоэлектронных устройств.

Слушатели узнают, как применяются методы молекулярного моделирования.

Дмитрий Глуховец, руководитель лаборатории оптики океана Института океанологии РАН и доцент кафедры термогидромеханики МФТИ рассчитал, как солнце прогревает толщу Черного моря в районе Геленджика с апреля по сентябрь. Разработанная им региональная модель учитывает увеличение мутности воды, вызванное повышенным содержанием растворенного органического вещества, что не было реализовано в предыдущих подходах. Результаты помогут точнее предсказывать температурный режим прибрежных вод и состояние морских экосистем.

Ежегодно тысячам людей устанавливают титановые эндопротезы суставов. Успех приживления зависит от микрорельефа: идеальная шероховатость помогает костной ткани врастать в имплант, а хаотичная или слишком гладкая поверхность приводит к отторжению в 5% случаев. Для создания нужного рельефа применяют электроэрозионную обработку — с помощью искр выплавляют нужную геометрию даже на сверхпрочных сплавах. Но они бьют случайно, а чтобы предсказать форму каждой ямки, нужны сложные расчеты, которые требуют суперкомпьютеров и много времени. Поэтому производители действуют методом проб и ошибок. Ученые Пермского Политеха впервые в России разработали 3D-модель, которая с точностью 98% прогнозирует изменение поверхности импланта. Это позволяет за секунды рассчитать режим обработки и получить идеальный рельеф до запуска станка.

Ученые из МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали математический аппарат для описания процессов, важных для будущей магнитной памяти, спинтроники и терагерцовой физики. Предложенный теоретический метод описывает инерционную динамику намагниченности ферромагнитных наночастиц в условиях теплового шума и внешнего магнитного поля. Результаты работы позволят ускорить разработку устройств сверхбыстрой магнитной памяти и терагерцовой спинтроники.

Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН показали, как с помощью электронного пучка управлять плазмой, в которой присутствуют пылевые частицы. Такой пучок вводится прямо в плазменный объем, изменяя при этом не только траектории движения частиц, но и свойства самой плазмы. Такой подход актуален для систем газоочистки и плазмохимических реакторов.

Ученые из МФТИ провели сравнение двух подходов построения вычислительных сеток для цилиндрических тел: блочно-структурированных и химерных. Эти сетки применяются для описания геометрических областей сложной формы, отличной от прямоугольника. Они выяснили, что для разных прикладных задач выгоднее разные подходы, и получили данные, помогающие вычислителям выбрать правильно.

Физтехи промоделировали морскую сейсморазведку в условиях арктического шельфа, учитывающую одновременно присутствие ледяного покрова, многолетней мерзлоты, слоистого морского дна и нефтяной залежи. Оказалось, что каждый из этих факторов оставляет в сейсмограмме характерный след, по которому можно идентифицировать залежь и выбрать оптимальное расположение источников и приемников.

Ученые Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова и Северо-Кавказского горно-металлургического института рассчитали толщину перовскита, который может повысить КПД солнечных элементов до 24,3%. Над исследованием работали доктор физико-математических наук Ахмед Кармоков, кандидат технических наук Олег Молоканов, кандидат физико-математических наук Рита Кармокова, доктор технических и экономических наук Евгений Козырев и инженер центра микроэлектроники и нанотехнологий КБГУ Артур Агоев.

Геологи используют оптоволоконные кабели в медной оболочке, чтобы предсказывать извержения вулканов и землетрясения по изменениям лазерного «эха». Однако при создании волокна, в процессе его остывания, медь сжимается сильнее стекла и создает микроизгибы. Это искажает сигнал: меняется время задержки и падает интенсивность, из-за чего специалист может пропустить первые признаки надвигающейся катастрофы. Причина этих деформаций кроется в неточных компьютерных моделях, которые игнорируют разную температуру застывания кварца и металла. Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха разработали трехмерную модель, которая впервые учитывает разные тепловые режимы застывания слоев.

Группа ученых из МФТИ и их иностранных коллег нашла способ измерить «расстояние» в сети, где каждая связь может объединять произвольное число элементов.

Каждый день поисковые системы, онлайн-кинотеатры, интернет-магазины и банковские приложения обрабатывают миллионы пользовательских запросов — открыть сайт, загрузить видео, выполнить сложный расчет. За этим стоит планировщик (диспетчер задач), который решает, на какой из тысяч серверов отправить каждую задачу, чтобы ответ пришел быстрее и ни один компьютер не перегрелся. Существующие методы используют ограниченную информацию: одни смотрят только на длину очереди, другие ошибаются в прогнозах, третьи применяют искусственный интеллект, но часто требуют больших вычислительных ресурсов и значительных затрат. В итоге одни устройства простаивают, другие перегружены, а пользователи ждут ответа дольше обычного. Ученые Пермского Политеха разработали новый метод распределения задач, который учитывает не только прогноз времени выполнения, но и его достоверность. Это сокращает время отклика на 8-10%, а также улучшает равномерность загрузки серверов на 60-70% без использования дорогостоящего оборудования.

Астрофизики из МФТИ, Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН и США выяснили, что магнитосфера молодой звезды может полностью изменить направление ее дрейфа. Трехмерные магнитогидродинамические расчеты впервые учли весь комплекс взаимодействий между планетой, диском и звездным магнитным полем в единой самосогласованной симуляции.

Современные авиационные материалы должны быть легкими и сверхпрочными, чтобы выдерживать высокие нагрузки. Для этого в основной металл добавляют другие металлы — их называют легирующими элементами. Они помогают создать сложную внутреннюю структуру: микроскопические кристаллы (зерна), границы между ними и мелкие включения. Именно эти включения могут значительно повысить прочность сплава. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая показывает, как такие частицы влияют на поведение материала и внутри зерен, и на их границах. Реакция сплава на экстремальные нагрузки зависит от того, как расположены элементы структуры, а также от размера и состава включений. Модель поможет ускорить разработку новых сплавов: инженеры смогут заранее, на этапе проектирования, оценивать поведение материала и подбирать структуру, которая обеспечит нужные прочность, пластичность и долговечность.

Доцент факультета экономических наук НИУ ВШЭ Анастасия Анцыгина разработала модель распределения призов, которая максимально стимулирует активность участников соревнований. Она предложила пересмотреть классический принцип «победитель получает все» и в некоторых случаях предлагать небольшую награду даже проигравшему. По ее мнению, это может повысить мотивацию участников и сделать соревнование более конкурентным.

Исследователи из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ совместно с коллегами из Франции и Китая доказали, что эффект, который научное сообщество долго считало несомненным доказательством наличия топологической сверхпроводимости (и, следовательно, наличия частиц Майораны), может возникать и по совершенно банальным причинам — из-за тепловых эффектов. Работа ставит под сомнение интерпретацию множества экспериментов, проведенных за последние годы в разных лабораториях мира.

Исследователи выявили серьезный недостаток в широко используемой эволюционной модели — ингибиторной каскадной модели (ICM). Оказалось, ее предсказательная сила обусловлена не биологическими механизмами, а математическим артефактом, связанным с методом стандартизации данных.

Рождение и созревание иммунных Т-клеток, пик их численности в четыре года, спад в юности, затем новые подъемы к 40 и к 64 годам — исследователи Центра математического моделирования в разработке лекарств Первого МГМУ разработали математическую модель, которая впервые позволяет количественно оценить, как стареет иммунная система человека на протяжении всей жизни — от первых дней до глубокой старости. При этом модель помогает не только рассчитать скорость старения иммунитета, но и понять, как происходит адаптация иммунных клеток после удаления тимуса — главной «фабрики» Т-клеток.

Современные металлические имплантаты для суставов сегодня успешно заменяют изношенные кости, но часто оказываются слишком жесткими для организма. Со временем это приводит к разрушению ткани вокруг протеза, его расшатыванию и необходимости повторной операции. Перспективной альтернативой считаются углерод-углеродные композиты, которые способны «срастаться» с живой костью. Однако до сих пор инженеры не могли точно предсказать, как именно этот процесс влияет на прочность конструкции, используя для расчетов упрощенные и неточные модели. Ученые Пермского Политеха впервые разработали модель, которая впервые реалистично описывает врастание кости в имплантат и позволяет точнее прогнозировать его долговечность.

Российские ученые из МИЭМ ВШЭ разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. При работе электродвигателей или другого оборудования их электронные детали (особенно транзисторы) сильно нагреваются, потому что при прохождении тока неизбежно выделяется тепло. Когда происходят резкие перепады температуры при включении и выключении устройства, параметры транзисторов меняются, и техника может выйти из строя.

Российские ученые из МФТИ с коллегами из Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН и Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН разработали инновационный метод для расчета равновесного распределения несмешивающихся жидкостей в пористой среде. Результаты применения этого метода можно использовать в разработках по повышению нефтеотдачи и гидрологии, а также геологического СО2-хранения.

Ученые из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ с коллегами впервые создали полную компьютерную модель сильного взаимодействия магнонов и фотонов в системе на основе железо-иттриевого граната и сверхвысокочастотного резонатора. Это исследование актуально для спинтронных и квантовых приложений, например для создания высокочувствительных сенсоров и элементов квантовых систем.

Человечество могло уже десятки раз «не заметить» сигналы от внеземных цивилизаций — и не узнать об этом. Пересчитав шансы обнаружения техносигнатур за последние 65 лет, астрофизик показал, что для удачного перехвата сигналов их должны были быть миллионы. Выходит, космос может быть не «тихим», просто мы ищем слишком ограниченно и недолго.

Исследователи НИУ ВШЭ проанализировали, насколько эффективно мировой рынок генеративного искусственного интеллекта превращает инвестиции в реальные доходы, и пришли к выводу: сегодня искусственный интеллект развивается быстрее, чем окупается.

Ученые Сеченовского Университета разработали лабораторную модель печени, способную воспроизводить реакции человеческой ткани на лекарственные препараты.

Ключевой проблемой в лечении онкологических заболеваний считается пластичность опухолевых клеток — их способность из стабильного положения переходить в подвижное и образовывать метастазы. Традиционно такая смена состояний объяснялась биохимическими реакциями, однако ученые все чаще стали находить доказательства того, что важную роль в этом процессе играют и физические силы, в частности, гравитация. Однако ранее проведенные эксперименты не смогли объяснить механизм этого явления, что исключало возможность использовать полученные знания для создания новых терапевтических подходов. Ученые Пермского Политеха впервые создали математическую модель, объясняющую, как именно гравитация меняет состояние клетки. Это открывает путь к развитию новых стратегий лечения через управление механическим состоянием опухолей.

Изучать болезни сердца можно не только на целом органе, но и с помощью клеточных моделей. Например, культуры кардиомиоцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Исследователи МФТИ использовали такие клетки сердца для изучения развития аритмии и реакции на фармакологическую стимуляцию с помощью аналога адреналина. Полученные данные пригодятся для построения математических моделей сердца и прогнозирования поведения сердечной ткани.

Ключевая деталь протеза — гильза, которая принимает на себя всю нагрузку при движении. С помощью 3D-печати ее изготавливают по индивидуальным параметрам тела, но из-за анатомических особенностей давление в ней распределяется неравномерно, что со временем может приводить к повреждениям и угрозе безопасности. Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования» для решения этой проблемы. На основе компьютерного моделирования в самые нагруженные зоны гильзы локально встраивают углепластиковые нити, что позволяет на 40% усилить конструкцию.

Доцент Международного института экономики и финансов (МИЭФ) НИУ ВШЭ Дмитрий Макаров проанализировал работы известных экономистов Питера Карра и Люжень Ву и показал, что их «новая» модель оценки опционов — уже известная экономистам парадигма из теории оценки активов, но в других единицах измерения стоимости. Такая путаница может иметь отрицательные последствия для ученых и реальных участников финансового рынка.

Новая математическая модель показала, что внеземные цивилизации могут общаться не сложными посланиями, а простыми сигналами, по структуре напоминающими «фонарики» светлячков. Такой подход, по мнению ученых, может стать новым этапом в программе поиска инопланетного разума (SETI).

Российские ученые разработали модель, которая показывает, как перераспределяются заряды внутри структуры металл / графен в контакте с электролитом. Она поможет предсказывать электрохимические свойства таких гетероструктур, что важно для развития электрокатализа и электрохимических биосенсоров.

Уровень шума в пассажирском салоне — один из ключевых факторов, определяющих качество поездки. Даже при высокой скорости и безупречной безопасности избыточный шум и вибрации способны вызывать усталость и снижать концентрацию человека. Именно поэтому при разработке комплексов uST инженеры уделяют особое внимание снижению акустической нагрузки, сочетая тесты с методами компьютерного моделирования.

С каждым годом количество операций по эндопротезированию неуклонно растет. Металлические имплантаты, будучи слишком жесткими, со временем разрушают кость пациента, приводя к повторным операциям. Однако более перспективные протезы из углеродного композита накапливают при нагрузке микротрещины. Существующие методы расчета не дают врачам узнать, как это скажется на прочности всей детали, что делает неэффективным широкое внедрение таких материалов в медицину. Ученые Пермского Политеха разработали первую в мире двухуровневую компьютерную модель, способную предсказать, как микроскопические повреждения внутри угле-углеродного композита влияют на его прочность и долговечность в условиях реальной эксплуатации.

Современный интернет, цифровая связь и медицина сильно зависят от качества оптоволоконных кабелей. Однако их производство — сложный процесс, где ошибка в доле миллиметра или градуса ведет к порче всей заготовки. Основная сложность заключается в том, что промышленные станки запрограммированы для обработки деталей строго определенных, эталонных размеров. Однако реальное сырье в силу технологических особенностей всегда имеет небольшие отклонения. В этом случае технологи вынуждены подбирать настройки оборудования «на глаз», что резко увеличивает долю брака и снижает эффективность производства оптического волокна. Ученые Пермского Политеха создали инженерный инструмент, который рассчитывает идеальные параметры для любой заготовки. Внедрение метода позволит в два раза ускорить обработку и на 75% снизить долю бракованной продукции.

Вложения в космическую отрасль приносят экономике значительную выгоду. Согласно расчетам сотрудников факультета экономических наук НИУ ВШЭ и организации «Агат» госкорпорации «Роскосмос», каждый вложенный в космический проект рубль способен приносить более 5 рублей валовой добавленной стоимости и почти 3 рубля налоговых доходов федерального бюджета. Ученые предложили модель, которая позволяет обосновывать решения о бюджетном финансировании не только с точки зрения отраслевых задач, но и с позиции вклада в макроэкономические показатели и структурное развитие экономики.

Сотрудники лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ перебрали более четырех тысяч структур соединений молибдена и серы в поисках стабильных нанокластеров. Им удалось обнаружить 29 устойчивых вариантов, лишь семь из которых были обнаружены ранее экспериментально. Также исследователи выявили, возможно, наименьшую плоскую наноструктуру Mo-S: метастабильное кольцо из 10 атомов молибдена и 20 атомов серы. Исследование открывает путь к созданию новых катализаторов или компонентов для литий-ионных аккумуляторов на основе идентифицированных нанокластеров.

Полимерные покрытия многие годы служат основой защиты различных металлоконструкций. Они применяются как в бытовой технике, так и на сложных инженерных объектах, в том числе и в транспортных системах. Однако в транспортной отрасли, особенно там, где создаются крупногабаритные и аэродинамически сложные машины, традиционные технологии порошкового окрашивания оказываются недостаточно эффективными. Подвижной состав для комплексов uST имеет уникальный дизайн с большой площадью остекления и требует идеального качества покрытия. Из-за этого белорусские инженеры столкнулись с задачей, которую оказалось невозможно решить стандартными методами.

Ежегодно люди по всему миру сталкиваются с необходимостью восстановления после тяжелых травм, операций и возрастных изменений. Наибольшие трудности возникают при лечении масштабных повреждений костей, когда собственных ресурсов организма для заживления уже недостаточно. Существующие хирургические методики, в том числе аутопластика (пересадка собственных тканей пациента), не только требуют длительного восстановления, но и создают дополнительные медицинские риски. Ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, чтобы выявить оптимальные условия для регенерации костной ткани. Полученные результаты дают возможность проектировать структуру имплантатов, которая обеспечит максимально быстрое и качественное восстановление при серьезных повреждениях.

Фотополимер — специальный пластик для высокоточной 3D-печати. Часто применяется в ювелирном деле, медицине и особенно в литейной промышленности, позволяя создавать сложные детали с внутренними каналами, например, турбинные лопатки. Однако в процессе термообработки до 450°C, необходимой для выжигания прототипа, материал расширяется, вызывая микротрещины в керамической форме. Это приводит к браку при заливке металлом. Применяемые сегодня расчетные модели не учитывают, что при нагреве меняется вязкоупругое поведение фотополимера — сочетание его упругости и способности течь, — что и вызывает ошибки прогнозирования и производственные дефекты. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали принципиально новую программу, которая принимает в расчет оба этих ключевых параметра и предсказывает поведение пластика на 97%.

Современная экономика остро зависит от стабильности топливно-энергетического комплекса. Однако его основа, нефтедобыча, сталкивается с истощением легкодоступных запасов. Для оценки их потенциала инженеры используют геолого-гидродинамическое моделирование, позволяющее испытывать стратегии разработки в виртуальной среде и создавать цифровых двойников месторождений. Тем не менее, традиционные подходы к проектированию, основанные на двумерных картах, не дают точной информации о строении пластов. Это ведет к неоптимальной расстановке скважин и потере значительных объемов нефти. Ученые Пермского Политеха разработали методику генерирования множества 3D-моделей с возможностью выбора наиболее достоверных, описывающих реальное геологическое строение месторождений. Исследование позволяет существенно сократить неопределенность в оценке нефтяных запасов и уменьшить количество моделей для анализа.

Управление большими группами взаимодействующих объектов стало одной из ключевых технологических проблем. Ученые из разных научных областей предлагали свои решения, но столкнулись с ограничениями. Существующие подходы либо оказываются неэффективными при масштабировании, либо не способны учитывать множество важных факторов. Ученые Пермского Политеха нашли решение этой проблемы в природе, исследовав механизм коллективного выживания императорских пингвинов. Они усовершенствовали разработанную ранее математическую модель самоорганизации и впервые проанализировали поведение каждого агента в отдельности, раскрывая механизмы перехода от индивидуальных действий к общим. Это исследование открывает практические перспективы в различных областях — от создания роев медицинских нанороботов, способных точечно доставлять лекарства к опухолям, до проектирования автономных систем для работы в экстремальных условиях Арктики и космоса.

Коллектив ученых из МФТИ, НИИСИ и Университета Иннополис разработал и детально сравнил между собой ряд высокоэффективных модификаций численного метода, основанного на гибридном подходе с использованием так называемых Химерных сеток. Этот подход позволяет значительно повысить точность и одновременно снизить ресурсоемкость компьютерного моделирования упругих волн в средах со сложной геометрией. Разработка имеет огромное значение для таких критически важных областей, как сейсмическая разведка полезных ископаемых и ультразвуковая дефектоскопия материалов, например, железнодорожных рельсов. 

Физики-теоретики из МФТИ, СПбГУ, Владимирского государственного университета и Университета Вестлейк в Китае предложили и обосновали новую платформу, способную формировать пространственное распределение света по внешнему сигналу.

Костная ткань человека обладает сложной пористой структурой, идеально адаптированной к нагрузкам. Однако при серьезных травмах она не всегда способна к регенерации, что требует замены участка имплантатом. Создать такой искусственный аналог сложно: он должен быть одновременно устойчивым к внешнему давлению, как натуральная кость, и иметь пористую структуру для прорастания клеток и сосудов. Существующие технологии не позволяют одновременно удовлетворить оба требования — традиционные методы создания простых геометрий и современное 3D-моделирование либо дают прочность без оптимальной биосовместимости, либо наоборот. В результате вживленные конструкции часто отторгаются, что ведет к повторным операциям и увеличивает сроки восстановления. Ученые Пермского Политеха разработали «цифровой конструктор» для создания скаффолдов, который позволяет одновременно управлять механическими свойствами и геометрией структур. Это обеспечивает оптимальное сочетание стойкости и совместимости с живыми тканями, необходимое для успешного приживления имплантатов и сокращения периода лечения.

Долгие годы ученых и философов привлекала идея, что человечество может жить внутри масштабной компьютерной симуляции, подобно тому, как это показано в фильме «Матрица». Однако новое исследование опровергло эту теорию.

Ученые из Института автоматизации проектирования РАН и Московского физико-технического института смоделировали структуру и процесс разрушения легких сплавов. Модель позволит определять межремонтный интервал авиационного оборудования и оптимизировать производство комплектующих, что повысит безопасность полетов.