{"id":2986,"date":"2017-03-22T11:48:07","date_gmt":"2017-03-22T10:48:07","guid":{"rendered":"http:\/\/gorowo.pl\/?p=2986"},"modified":"2017-03-22T11:48:30","modified_gmt":"2017-03-22T10:48:30","slug":"prototyp-chemicznego-komputera-wykrywa-sfere","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/2017\/03\/22\/prototyp-chemicznego-komputera-wykrywa-sfere\/","title":{"rendered":"Prototyp chemicznego komputera wykrywa sfer\u0119"},"content":{"rendered":"

Komputery chemiczne staj\u0105 si\u0119 coraz bardziej realne<\/strong>, udowadniaj\u0105 naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Okazuje si\u0119, \u017ce po zastosowaniu odpowiedniej strategii „uczenia” nawet stosunkowo prosty uk\u0142ad chemiczny mo\u017ce wykonywa\u0107 nietrywialne operacje. W najnowszych symulacjach komputerowych badacze wykazali, \u017ce w\u0142a\u015bciwie przeszkolone matryce chemicznie oscyluj\u0105cych kropel potrafi\u0105 z du\u017c\u0105 skuteczno\u015bci\u0105 wykrywa\u0107 kszta\u0142t sfery.<\/p>\n

<\/p>\n

Wsp\u00f3\u0142czesne komputery do oblicze\u0144 wykorzystuj\u0105 sygna\u0142y elektroniczne, czyli zjawiska fizyczne zwi\u0105zane z przep\u0142ywem \u0142adunk\u00f3w elektrycznych. Informacj\u0119 mo\u017cna jednak przetwarza\u0107 wieloma sposobami. Od pewnego czasu na \u015bwiecie trwaj\u0105 pr\u00f3by u\u017cycia w tym celu sygna\u0142\u00f3w chemicznych. Powstaj\u0105ce uk\u0142ady chemiczne realizuj\u0105 na razie tylko najprostsze operacje logiczne. Tymczasem w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie za pomoc\u0105 symulacji komputerowych wykazano, \u017ce nawet nieskomplikowane i ju\u017c dzi\u015b \u0142atwe do wykonania zestawy kropel, w kt\u00f3rych zachodz\u0105 oscyluj\u0105ce reakcje chemiczne, mog\u0105 przetwarza\u0107 informacj\u0119 w u\u017cyteczny spos\u00f3b, np. z du\u017c\u0105 dok\u0142adno\u015bci\u0105 wykrywa\u0107 kszta\u0142t okre\u015blonego obiektu tr\u00f3jwymiarowego lub poprawnie klasyfikowa\u0107 kom\u00f3rki nowotworowe na \u0142agodne i z\u0142o\u015bliwe.<\/p>\n

Wiele prac prowadzonych obecnie w laboratoriach koncentruje si\u0119 wok\u00f3\u0142 budowy chemicznych odpowiednik\u00f3w standardowych bramek logicznych. My podeszli\u015bmy do zagadnienia inaczej<\/em> \u2013 m\u00f3wi dr in\u017c. Konrad Gi\u017cy\u0144ski (IChF PAN) i wyja\u015bnia:\u00a0Badamy uk\u0142ady kilkunastu-kilkudziesi\u0119ciu kropel, w kt\u00f3rych propaguj\u0105 si\u0119 sygna\u0142y chemiczne, i ka\u017cdy traktujemy jako ca\u0142o\u015b\u0107, jako pewnego rodzaju sie\u0107 neuronow\u0105. Okazuje si\u0119, \u017ce takie sieci, nawet bardzo proste, ju\u017c po kr\u00f3tkim szkoleniu potrafi\u0105 sobie dobrze radzi\u0107 z do\u015b\u0107 wyrafinowanymi zagadnieniami. Na przyk\u0142ad nasz najnowszy uk\u0142ad bez wi\u0119kszego problemu wykrywa kszta\u0142t sfery w zbiorze wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych przestrzennych x, y, z<\/em>.<\/p>\n

Uk\u0142ady badane w IChF PAN dzia\u0142aj\u0105 dzi\u0119ki reakcji Bie\u0142ousowa-\u017baboty\u0144skiego zachodz\u0105cej w poszczeg\u00f3lnych kroplach. Reakcja ta ma charakter cykliczny: po zako\u0144czeniu jednego cyklu w roztworze odtwarzaj\u0105 si\u0119 reagenty niezb\u0119dne do rozpocz\u0119cia cyklu kolejnego. Nim reakcja ustanie kropla zazwyczaj wykonuje od kilkudziesi\u0119ciu do kilkuset oscylacji. Przebieg reakcji jest przy tym \u0142atwy do zaobserwowania, poniewa\u017c b\u0119d\u0105ca jej katalizatorem ferroina zmienia sw\u00f3j kolor w trakcie cyklu. W p\u0142ytkich naczyniach z cienk\u0105 warstw\u0105 roztworu efekt jest spektakularny: w cieczy pojawiaj\u0105 si\u0119 rozchodz\u0105ce si\u0119 na wszystkie strony barwne pasy \u2013 fronty chemiczne. W kroplach fronty tak\u017ce mo\u017cna zobaczy\u0107, jednak w praktyce o fazie cyklu \u015bwiadczy po prostu kolor kropli: gdy cykl si\u0119 zaczyna, kropla gwa\u0142townie si\u0119 „wzbudza” i zmienia kolor na niebieski, po czym stopniowo powraca do stanu pocz\u0105tkowego, w kt\u00f3rym ma kolor czerwony.<\/p>\n

Podstaw\u0105 dzia\u0142ania naszych uk\u0142ad\u00f3w jest wzajemna komunikacja mi\u0119dzy kroplami: gdy krople si\u0119 stykaj\u0105, wtedy pobudzenia chemiczne mog\u0105 si\u0119 przenosi\u0107 z kropli do kropli. Innymi s\u0142owy, jedna kropla mo\u017ce wzbudza\u0107 reakcj\u0119 w drugiej! Istotny przy tym jest fakt, \u017ce kropli wzbudzonej nie mo\u017cna od razu ponownie wzbudzi\u0107. M\u00f3wi\u0105c nieco kolokwialnie, przed kolejnym wzbudzeniem musi ona chwil\u0119 „odpocz\u0105\u0107”, \u017ceby potem wr\u00f3ci\u0107 do stanu pierwotnego<\/em> \u2013 t\u0142umaczy dr Gi\u017cy\u0144ski.<\/p>\n

Aby uk\u0142ad przetworzy\u0142 informacj\u0119, trzeba j\u0105 do niego wprowadzi\u0107, a po przetworzeniu odczyta\u0107. Wa\u017cna jest tak\u017ce mo\u017cliwo\u015b\u0107 kontrolowanego modyfikowania sposobu, w jaki uk\u0142ad przetwarza informacj\u0119. Do tych zada\u0144 badacze z IChF PAN u\u017cywali \u015bwiat\u0142a oraz dodatkowego (poza ferroin\u0105) katalizatora: rutenu. Reakcja Bie\u0142ousowa-\u017baboty\u0144skiego katalizowana rutenem ma bowiem wa\u017cn\u0105 cech\u0119: jest inhibitowana \u015bwiat\u0142em niebieskim, co oznacza, \u017ce przy intensywnym o\u015bwietleniu krople przestaj\u0105 oscylowa\u0107. Zmieniaj\u0105c o\u015bwietlenie konkretnej kropli mo\u017cna wi\u0119c decydowa\u0107, czy ma ona uczestniczy\u0107 w przetwarzaniu informacji czy nie, oraz wzbudza\u0107 j\u0105 wed\u0142ug dowolnie dobranego wzorca. W przypadku kropel s\u0142u\u017c\u0105cych do wprowadzania informacji, d\u0142u\u017cszy czas o\u015bwietlania mo\u017cna wtedy interpretowa\u0107 np. jako wi\u0119ksz\u0105 warto\u015b\u0107 wprowadzanej wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnej przestrzennej.<\/p>\n

W praktyce zmiany o\u015bwietlenia realizuje si\u0119 doprowadzaj\u0105c do ka\u017cdej kropli osobny \u015bwiat\u0142ow\u00f3d<\/em> \u2013 m\u00f3wi dr Gi\u017cy\u0144ski i podkre\u015bla, \u017ce wszystkie parametry symulacji \u2013 cykle reakcji chemicznych z wyra\u017anymi przej\u015bciami mi\u0119dzy stanami, propagowanie si\u0119 front\u00f3w chemicznych mi\u0119dzy kroplami, zatrzymywanie i wznawianie reakcji \u015bwiat\u0142em doprowadzanym \u015bwiat\u0142owodami oraz wytwarzanie zestaw\u00f3w kropel \u2013 zosta\u0142y dobrane na podstawie wcze\u015bniej przeprowadzonych eksperyment\u00f3w.<\/p>\n

W symulacjach, w kt\u00f3rych warszawscy naukowcy poszukiwali metod detekcji kszta\u0142tu sfery, rozpatrywano sieci kwadratowe z\u0142o\u017cone z 2×2, 3×3, 4×4 i 5×5 kropel. Aby odwzorowa\u0107 rzeczywiste tempo reakcji chemicznych przyjmowano, \u017ce kropla w stanie wzbudzonym sp\u0119dza jedn\u0105 sekund\u0119, a do stanu, w kt\u00f3rym mo\u017ce by\u0107 pobudzona ponownie, powraca po dziesi\u0119ciu sekundach.<\/p>\n

Przed rozpocz\u0119ciem procesu uczenia badacze musieli jeszcze stworzy\u0107 odpowiedni „podr\u0119cznik” z opisem sfery. W tym celu wygenerowano przypadkowy zestaw punkt\u00f3w, kt\u00f3rym przypisano warto\u015b\u0107 1 gdy dany punkt nale\u017ca\u0142 do sfery, albo warto\u015b\u0107 0, gdy punkt le\u017ca\u0142 poza ni\u0105. Tak przygotowana baza danych sta\u0142a si\u0119 podstaw\u0105 procesu nauki, w kt\u00f3rym ka\u017cda ze sk\u0142adowych punktu (x, y, z) decydowa\u0142a o czasie o\u015bwietlenia innej kropli wej\u015bciowej.<\/p>\n

Aby wytrenowa\u0107 uk\u0142ad kropel pod k\u0105tem wykrywania kszta\u0142tu sfery, badacze z IChF PAN u\u017cyli algorytm\u00f3w ewolucyjnych. Proces uczenia zaczyna\u0142 si\u0119 od losowego wygenerowania 30 wzorc\u00f3w o\u015bwietlenia uk\u0142adu, w kt\u00f3rych pewne krople s\u0142u\u017cy\u0142y do wprowadzania informacji, a pozostale pozostawa\u0142y nieaktywne przez czas b\u0119d\u0105cy przedmiotem optymalizacji. Po przetworzeniu przez uk\u0142ad kropli ca\u0142ej bazy danych sprawdzano, dla kt\u00f3rej kropli ewolucja jest najlepiej skorelowana z oczekiwanym wynikiem. Kropl\u0119 t\u0119 traktowano jako wyj\u015bciow\u0105. Z tak otrzymanej pierwszej generacji uk\u0142ad\u00f3w wybierano kilka najlepszych, „namna\u017cano” je wprowadzaj\u0105c po drodze niewielkie zmiany („mutacje”) w sposobach o\u015bwietlenia i cykl nauki rozpoczynano od pocz\u0105tku. Proces uczenia kontynuowano przez 500 generacji.<\/p>\n

Najlepsze wyniki osi\u0105gn\u0119li\u015bmy dla uk\u0142adu kropel 4×4. Wykazywa\u0142 on najwi\u0119ksz\u0105 skuteczno\u015b\u0107 w wykrywaniu kszta\u0142tu sfery, na poziomie 85%. Na dodatek nabywa\u0142 t\u0119 umiej\u0119tno\u015b\u0107 najszybciej, bo w ci\u0105gu zaledwie 150 generacji. Uk\u0142ad 5×5 by\u0107 mo\u017ce m\u00f3g\u0142by by\u0107 lepszy, ale \u017ceby to sprawdzi\u0107, proces uczenia nale\u017ca\u0142oby wyd\u0142u\u017cy\u0107 ponad 500 generacji<\/em> \u2013 m\u00f3wi dr Gi\u017cy\u0144ski.<\/p>\n

Uk\u0142ady kropel nie interpretuj\u0105 nap\u0142ywaj\u0105cych danych, jedynie szukaj\u0105 mi\u0119dzy nimi korelacji („kszta\u0142t\u00f3w”) podobnych do tej, w kt\u00f3rej znajdowaniu je wytrenowano. Zamiast wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych przestrzennych punkt\u00f3w z kszta\u0142tem sfery mo\u017cna wi\u0119c do nich wprowadza\u0107 dane o innym znaczeniu, np. powi\u0105zane z r\u00f3\u017cnymi cechami kom\u00f3rek nowotworowych. Uk\u0142ad m\u00f3g\u0142by w\u00f3wczas poszukiwa\u0107 „kszta\u0142tu” danych odpowiadaj\u0105cego np. nowotworom \u0142agodnym b\u0105d\u017a z\u0142o\u015bliwym.<\/p>\n

Rzeczywi\u015bcie, w jednej z naszych niedawnych publikacji, zrealizowanych we wsp\u00f3\u0142pracy z kolegami z Uniwersytetu w Jenie, pokazali\u015bmy, \u017ce uk\u0142ad 5×5 kropel potrafi\u0142 klasyfikowa\u0107 kom\u00f3rki nowotworowe z medycznej bazy danych CANCER z precyzj\u0105 si\u0119gaj\u0105c\u0105 97%. Za pomoc\u0105 klasycznych komputer\u00f3w osi\u0105ga si\u0119 lepsze wyniki, niemniej s\u0105 te\u017c na nich klasyfikatory dzia\u0142aj\u0105ce mniej wydajnie. Zatem chemiczne przetwarzanie informacji, cho\u0107 wci\u0105\u017c mocno niedoskona\u0142e, zaczyna oferowa\u0107 coraz ciekawsze i bardziej u\u017cyteczne mo\u017cliwo\u015bci<\/em> \u2013 podsumowuje dr Gi\u017cy\u0144ski.<\/p>\n

\u0179r\u00f3d\u0142o: kopalniawiedzy.pl<\/a><\/p>\n\"Facebook\"<\/a>\"twitter\"<\/a>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Komputery chemiczne staj\u0105 si\u0119 coraz bardziej realne, udowadniaj\u0105 naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Okazuje si\u0119, \u017ce po zastosowaniu odpowiedniej strategii „uczenia” nawet stosunkowo prosty uk\u0142ad chemiczny mo\u017ce wykonywa\u0107 nietrywialne operacje. W najnowszych symulacjach komputerowych badacze wykazali, \u017ce w\u0142a\u015bciwie przeszkolone matryce chemicznie oscyluj\u0105cych kropel potrafi\u0105 z du\u017c\u0105 skuteczno\u015bci\u0105 […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":2987,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0,"footnotes":""},"categories":[46],"tags":[49],"class_list":["post-2986","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-technologie","tag-technologie"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2986","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2986"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2986\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2988,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2986\/revisions\/2988"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2987"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2986"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2986"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/gorowo.pl\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2986"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}