مهندسان برای طراحی خودروهای ایمن‌تر، فضاپیماهای مقاوم‌تر و پل‌های قوی‌تر، از مسائل ریاضی پیچیده استفاده می‌کنند که اساس فرآیندهای مهندسی هستند. به همین ترتیب، پزشکان نیز از مدل‌های ریاضی برای پیش‌بینی مشکلات قلبی با دقت بیشتر بهره می‌برند. این مسائل که به عنوان معادلات دیفرانسیل جزئی (PDE) شناخته می‌شوند، ستون فقرات علم و مهندسی هستند. اما حل آن‌ها، به‌ویژه برای شکل‌های پیچیده، ممکن است روزها یا حتی هفته‌ها طول بکشد.
اکنون، پژوهشگران دانشگاه جانز هاپکینز موفق به توسعه یک مدل هوش مصنوعی جدید به نام DIMON شده‌اند. این مدل قادر است این معادلات پیچیده را هزاران برابر سریع‌تر حل کند، آن هم مستقیماً روی کامپیوتر شخصی شما!
ناتالیا ترایانوا، استاد مهندسی زیست‌پزشکی و پزشکی در دانشگاه جانز هاپکینز، در این باره گفت:
اگرچه انگیزه اصلی توسعه این مدل از تحقیقات خود ما نشأت گرفت، اما ما معتقدیم که این راه‌حل می‌تواند تأثیر عظیمی بر حوزه‌های مختلف مهندسی بگذارد، زیرا بسیار عمومی و مقیاس‌پذیر است.
آزمایش DIMON بر روی مدل‌های دیجیتال قلب
معادلات دیفرانسیل جزئی (PDE) از رایج‌ترین مسائل ریاضی هستند که به تبدیل شرایط دنیای واقعی به مدل‌های ریاضی کمک می‌کنند. تا استفاده از پاسخ این معادلات می‌توان تغییرات آینده در اشیاء یا محیط‌ها را پیش‌بینی کرد. معمولاً حل این مسائل پیچیده به سوپرکامپیوترها سپرده می‌شود. اما با ظهور هوش مصنوعی، این فرآیند بسیار ساده‌تر و سریع‌تر شده است.
نام این مدل جدید هوش مصنوعی (DIMON) مخفف Diffeomorphic Mapping Operator Learning است. این تیم تحقیقاتی، DIMON را روی بیش از 1,000 مدل دیجیتال قلب که از داده‌های واقعی بیماران استخراج شده بود، آزمایش کردند و نتایج شگفت‌انگیز بود.
این مدل هوش مصنوعی به طور دقیق مسیرهای سیگنال‌های الکتریکی را در ساختارهای مختلف قلب پیش‌بینی کرد. در این آزمایش، محققان از معادلات دیفرانسیل جزئی برای بررسی آریتمی قلبی استفاده کردند. این اختلال زمانی رخ می‌دهد که سیگنال‌های الکتریکی قلب مختل شده و منجر به ضربان نامنظم قلب می‌شود. با استفاده از مدل‌های دوقلوی دیجیتال قلب، محققان توانستند خطر آریتمی، یک بیماری بالقوه مرگبار را پیش‌بینی کنند و درمان‌های مناسب برای این وضعیت را پیشنهاد دهند.
ناتالیا ترایانوا، مدیر اتحاد جانز هاپکینز برای نوآوری در تشخیص و درمان بیماری‌های قلبی-عروقی، توضیح داد:
ما فناوری‌های نوآورانه را وارد کلینیک می‌کنیم، اما بسیاری از راه‌حل‌های ما بسیار کند هستند. اکنون، از زمانی که قلب یک بیمار را اسکن می‌کنیم و معادلات دیفرانسیل جزئی را حل می‌کنیم تا خطر مرگ ناگهانی بیمار و بهترین روش درمان را پیش‌بینی کنیم، حدود یک هفته زمان نیاز داریم.
اما با استفاده از مدل DIMON، زمان پیش‌بینی به‌طور چشمگیری کاهش یافته و زمان مورد نیاز برای انجام محاسبات را از چند ساعت به تنها 30 ثانیه رسانده است. به علاوه، این فرآیند روی یک کامپیوتر ساده قابل انجام است، که آن را برای استفاده روزمره در کلینیک‌ها بسیار کاربردی می‌کند.
این موفقیت نشان می‌دهد که هوش مصنوعی DIMON نه‌تنها در پیش‌بینی سریع و دقیق بیماری‌های قلبی مؤثر است، بلکه پتانسیل آن برای سایر حوزه‌های مهندسی، از جمله تشخیص پزشکی، بسیار امیدوارکننده است.
کاربردهای متنوع در حوزه‌های مختلف علمی و مهندسی
DIMON با استفاده از هوش مصنوعی، رفتار سیستم‌های فیزیکی را در اشکال مختلف پیش‌بینی می‌کند. این مدل با یادگیری الگوها، می‌تواند عواملی مانند حرارت، تنش، و حرکت را پیش‌بینی کند و فرآیندهایی مانند بهینه‌سازی طراحی و مدل‌سازی شکل-خاص را با سرعت بیشتری انجام دهد.
مینگلانگ یین، پژوهشگر فوق دکتری مهندسی زیست‌پزشکی در دانشگاه جانز هاپکینز و توسعه‌دهنده پلتفرم DIMON، توضیح داد:
برای هر مسئله، ابتدا DIMON معادلات دیفرانسیل جزئی را روی یک شکل واحد حل کرده و سپس این راه‌حل را به اشکال جدید متعددی منتقل می‌کند. این توانایی تغییر شکل، نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری فوق‌العاده آن است.
DIMON می‌تواند در زمینه‌های گوناگونی مانند هوافضا، خودروسازی و مهندسی عمران به کار گرفته شود. با تسریع در شبیه‌سازی‌ها، این فناوری به مهندسان کمک می‌کند تا محصولات ایمن‌تر و کارآمدتری طراحی کنند.
ناتالیا ترایانوا در بیانیه مطبوعاتی اشاره کرد:
این فناوری می‌تواند اساساً روی هر مسئله‌ای، در هر حوزه علمی یا مهندسی که نیاز به حل معادلات دیفرانسیل جزئی روی هندسه‌های مختلف دارد، به کار گرفته شود؛ مانند آزمایش تصادف خودروها، تحقیقات ارتوپدی، یا سایر مسائل پیچیده‌ای که در آن‌ها اشکال، نیروها و مواد تغییر می‌کنند.
این تحقیقات به تازگی در مجله Nature Computational Science منتشر شده است.
منبع: Interestingengineering
