DIMON: تقنية جديدة لسرعة حل المعادلات التفاضلية في الهندسة والطب

تم تطوير إطار عمل DIMON الذي يستخدم الذكاء الاصطناعي لتسريع حل المعادلات التفاضلية الجزئية المعقدة في مختلف المجالات مثل الهندسة والطب. يساهم هذا الابتكار في تحسين التشخيص الطبي، خاصة في أمراض القلب، كما يسهل تحليل الأنظمة الهندسية المعقدة مثل تصميم المركبات والجسور. يعتمد النظام على التنبؤ بالحلول بناءً على الأنماط المكتسبة، مما يوفر وقتًا وجهدًا كبيرين مقارنة بالتقنيات التقليدية.

الذكاء الاصطناعي يُسرّع من حل المعادلات الرياضية المعقدة لتحسين التصميمات الهندسية والتشخيصات الطبية

نشرت دراسة جديدة في مجلة Nature Computational Science تفاصيل تطوير إطار عمل ذكاء اصطناعي جديد يُعرف باسم "DIMON" (Diffeomorphic Mapping Operator Learning). يهدف هذا الإطار إلى تسريع حل المعادلات التفاضلية الجزئية، التي تُعد أساسية في العديد من المجالات العلمية والهندسية، مما يجعل الحواسيب الشخصية قادرة على حل مشاكل رياضية معقدة كانت تتطلب سابقًا قدرات الحواسيب الخارقة.

موضوعات مرشحة

تطور القدرات المعقدة للإنسان قد يعود إلى أسلاف مشتركة مع القردة

تطبيقات واسعة في الهندسة والطب

إطار العمل "DIMON" يقدم نهجًا عامًا وسريعًا للتنبؤ بحلول المعادلات الرياضية المستخدمة في نمذجة الأنظمة الفيزيائية، مثل كيفية تشوه السيارات أثناء الاصطدامات، أو استجابة المركبات الفضائية للظروف البيئية القاسية، أو مقاومة الجسور للضغوط. باستخدام هذه المعادلات، يمكن للباحثين تحويل الأنظمة والعمليات الحقيقية إلى تمثيلات رياضية تُظهر كيفية تغير الأشياء عبر الزمن والمساحة.

قالت ناتاليا تريانوفا، أستاذة الهندسة الطبية الحيوية والطب في جامعة جونز هوبكنز وأحد قادة هذا البحث: "رغم أن الدافع لتطوير هذه التقنية جاء من عملنا الخاص، إلا أننا نعتقد أن تأثيرها سيكون واسع النطاق على العديد من مجالات الهندسة. إنها حل يمكن تطبيقه على أي مشكلة في أي مجال علمي أو هندسي يتطلب حل المعادلات التفاضلية الجزئية بأشكال متعددة، مثل اختبار التصادم، أبحاث تقويم العظام، أو غيرها من المشاكل المعقدة".

موضوعات مرشحة

طرق فعالة لتطويل الشعر بشكل صحي.. نصائح غذائية وعادات يومية تُحدث الفرق

تسريع التشخيص الطبي باستخدام التوائم الرقمية

اختبرت تريانوفا وفريقها قدرة "DIMON" على معالجة أكثر من 1000 "توأم رقمي" للقلب، وهي نماذج حاسوبية دقيقة تمثل قلوب مرضى حقيقيين. وقد أظهر النظام قدرة فائقة على التنبؤ بكيفية انتشار الإشارات الكهربائية عبر أشكال القلوب المختلفة، مع تحقيق دقة تشخيصية عالية.

يعتمد فريق تريانوفا على حل المعادلات التفاضلية الجزئية لدراسة اضطراب نظم القلب، وهو خلل في الإشارات الكهربائية للقلب يؤدي إلى نبضات غير منتظمة. باستخدام التوائم الرقمية، يمكن للباحثين التنبؤ بما إذا كان المرضى معرضين لخطر الإصابة بهذه الحالة التي قد تكون مميتة، واقتراح طرق العلاج المناسبة. وأوضحت تريانوفا قائلة: "ندخل تكنولوجيا جديدة إلى العيادة، ولكن معظم حلولنا الحالية بطيئة للغاية، حيث يستغرق الأمر حوالي أسبوع من لحظة فحص قلب المريض وحتى التوصل إلى حل المعادلات التفاضلية لتحديد ما إذا كان المريض معرضًا لخطر الموت القلبي المفاجئ وما هو أفضل علاج له". وأضافت: "مع هذا النهج الجديد للذكاء الاصطناعي، فإن سرعة الحصول على الحل مذهلة؛ إذ ستنخفض مدة الحسابات من ساعات طويلة إلى 30 ثانية فقط، وستتم العملية باستخدام حاسوب مكتبي بدلاً من حاسوب خارق، مما يسمح بإدماج التقنية في العمل السريري اليومي".

حلول مبتكرة لتحديات الهندسة

عادةً ما تُحل المعادلات التفاضلية الجزئية بتقسيم الأشكال الهندسية المعقدة -مثل أجنحة الطائرات أو أعضاء الجسم- إلى شبكات صغيرة. يتم حل المشكلة لكل جزء صغير ومن ثم إعادة دمج الحلول. ولكن إذا تغيرت هذه الأشكال، مثلما يحدث في الاصطدامات أو التشوهات، يجب تحديث الشبكات وإعادة الحسابات، مما يُعد مكلفًا من حيث الوقت والموارد.

يُعالج إطار العمل "DIMON" هذه المشكلة باستخدام الذكاء الاصطناعي لفهم كيفية تصرف الأنظمة الفيزيائية عبر أشكال مختلفة، دون الحاجة إلى إعادة الحساب من البداية لكل شكل جديد. بدلاً من ذلك، يتنبأ الذكاء الاصطناعي بكيفية تصرف العوامل مثل الحرارة أو الإجهاد أو الحركة بناءً على الأنماط التي تعلمها، مما يجعله أسرع وأكثر كفاءة في تصميم النماذج ومحاكاة السيناريوهات.

موضوعات مرشحة

هل قطتك تحتاج إلى رفيق؟ اكتشف إشارات تدل على حاجتها إلى العناية والرفقة

استخدامات مستقبلية واسعة النطاق

وفقًا لمينغلانغ ين، زميل ما بعد الدكتوراه في الهندسة الطبية الحيوية بجامعة جونز هوبكنز والذي طور المنصة: "يعمل إطار العمل DIMON أولاً على حل المعادلات التفاضلية الجزئية لشكل واحد، ثم ينقل الحل إلى أشكال جديدة متعددة. هذه القدرة على التعامل مع الأشكال المختلفة تُبرز مرونته الكبيرة". وأضاف: "نحن متحمسون لاستخدامه في العديد من المشكلات، كما نخطط لتوفيره للمجتمع العلمي الأوسع لتسريع تصميماتهم الهندسية".

يشير الفريق أيضًا إلى أن التكنولوجيا يمكن استخدامها لتحسين تصميم الأشكال وحل المشكلات الهندسية المعقدة التي تتطلب حل المعادلات التفاضلية على أشكال متغيرة بشكل متكرر. هذا يجعل "DIMON" منصة متعددة الاستخدامات في الهندسة والطب، مع إمكانيات كبيرة لتحسين الكفاءة ودقة التنبؤ في العديد من المجالات العلمية.