Ученые превратили пламя свечи в звук и распечатали его на 3D-принтере

Маркус Бюлер из Массачусетского технологического института создал систему для преобразования пламени свечи в материалы, напечатанные на 3D-принтере. Вместе с постдоком Марио Милаццо он получил изображение звука пламени высокого разрешения при помощи глубокого машинного обучения. 

Бюлер специализируется на разработке моделей искусственного интеллекта для фолдинга белков. Ранее он использовал ультразвук для подсвечивания неуловимых глазу структурных деталей. Бюлер обнаружил, что иерархические элементы музыкальной композиции (высота тона, диапазон, динамика, темп) аналогичны иерархическим элементам белковой структуры. Подобно тому, как музыка имеет ограниченное количество нот и аккордов, белки имеют ограниченное количество строительных блоков (20 аминокислот), которые могут комбинироваться любым количеством способов для создания новых структур с уникальными свойствами. 

Несколько лет назад Бюлер возглавил группу ученых из Массачусетского технологического института, которые сопоставили молекулярную структуру белков в паучьих шелковых нитях с музыкальной теорией, чтобы воспроизвести «звук» шелка. Эта работа вдохновила создателей выставки «Холст паука» в Париже в 2018 году. Художник Томас Сарацено работал с инженерами МТИ над созданием интерактивного инструмента, похожего на арфу, вдохновленного паутиной паука Cyrtophora citricola. 

В 2019 году команда Бюлера разработала еще более продвинутую систему создания музыки из белковой структуры, а затем обратного преобразования музыки для создания новых белков, не встречающихся в природе. Цель состояла в том, чтобы научиться создавать синтетические паутины и другие структуры, имитирующие жизнедеятельность паука. В 2020 году команда Бюлера применила тот же подход для моделирования вибрационных свойств шиповидного белка, ответственного за высокую скорость заражения коронавирусом (SARS-CoV-2).

Ученый решил расширить этот подход на изучение огня. По его словам, «огонь имеет все элементы вибрирующей струны или вибрирующей молекулы, но в динамическом паттерне, который интересен»

Подобно Фарадею, Бюлер и Милаццо начали с простого эксперимента с пламенем одной свечи. Они зажгли свечу в контролируемой среде, без движения воздуха или каких-либо других внешних факторов. Затем исследователи воспроизвели звуки из динамика и использовали высокоскоростную камеру, чтобы запечатлеть, как пламя мерцает и деформируется с течением времени в ответ на эти акустические сигналы.

«При этом создаются характерные формы, но они не всегда одинаковы», — сказал Бюлер. — «Это динамический процесс, поэтому то, что вы видите, — это просто их снимок. На самом деле существуют тысячи и тысячи изображений для каждого ожидания акустического сигнала — огненный круг».

Бюлер и Милаццо обучили нейронную сеть для классификации исходных звуковых сигналов, создавших заданную форму пламени. Исследователи смогли озвучить вибрационные частоты огня. Выяснилось, что, чем сильнее отклоняется пламя, тем сильнее меняется звуковой сигнал. Таким образом, пламя становится своего рода музыкальным инструментом, на котором можно «играть», подвергая его воздействию воздушных потоков.

«Огонь вибрирует, ритмичен, повторяется и постоянно меняется, и это то, что определяет музыку», — сказал Бюлер. — «Глубокое обучение помогает нам анализировать данные и определенные модели огня, а с различными моделями огня вы можете создать оркестр из разных звуков».

Бюлер и Милаццо также использовали различные формы мерцающего пламени в качестве строительных блоков для проектирования новых структур на компьютере, а затем распечатывали их на 3D-принтере. «Это как заморозить пламя костра во времени и посмотреть на него под разными углами», — сказал Бюлер. — «Вы можете прикоснуться к нему, повернуть его, а еще вы можете заглянуть внутрь пламени, чего ни один человек никогда не видел». 

Этот подход глубокого обучения позволил команде создать «синтетические» строительные блоки с одним пламенем. Затем команда могла направить эти строительные блоки на самосборку в необычных конфигурациях. «Мы можем попросить алгоритм глубокого обучения нарисовать гору с козой или сказочный сад», — сказал Бюлер. — «Но вместо того, чтобы рисовать его из обычных цветов и штрихов, мы рисуем его из пламени как из строительных блоков, формируя сложное, динамичное расположение правильно расположенных языков пламени, которое самособирается и образует невероятную конструкцию».

В смежной работе команда Бюлера также разработала метод преобразования текста в материал, который может превращать мысли человека (в виде напечатанных слов) в материю — по сути, собирая новые мультиматериальные композиты, напечатанные на 3D-принтере, из человеческого языка.

Система сочетает в себе модель преобразователя, используемую для описания языков, с нейронной сетью, обученной переводить слова в изображения. Таким образом, пользователь просто вводит текст в компьютер, описывая то, что он хочет создать. Система переводит эти слова и создает соответствующие изображения, а в результате получается физическое трехмерное представление текста, которое пользователь может держать в руках.

По мнению исследователей, такой подход к глубокому обучению сделает разработку биоматериалов менее сложной задачей.