Ilmuwan ISTA memformalkan bagaimana padatan amorf belajar perilaku nontrivial
Bisakah kita memahami dan memprediksi bagaimana sistem yang kompleks belajar? Pemodelan pembelajaran dalam kerangka teori dalam padatan yang tidak teratur, para peneliti di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) membuat temuan mengejutkan yang mengingatkan pada filosofi Star Trek. Pekerjaan interdisipliner mereka menciptakan alat praktis untuk memahami dan melakukan desain terbalik dan merupakan langkah konkret menuju formalisasi pembelajaran dalam berbagai sistem. Hasilnya diterbitkan di Surat Ulasan Fisik.
Kecerdasan buatan generatif telah menjadi begitu luas sehingga sulit bagi siapa pun untuk mengklaim bahwa mereka tidak pernah berinteraksi dengan model bahasa yang besar. Tetapi, di luar mencerminkan penampilan kecerdasan, bagaimana sistem yang sangat kompleks dapat belajar dan mengembangkan perilaku tertentu? Pertanyaan yang sama tentang pembelajaran berlaku untuk berbagai fenomena di dunia nyata kita. Ini berkisar dari bagaimana evolusi bekerja hingga kabel otak kita hingga berbagai sistem fisik. “Tantangan utama adalah bahwa kami masih kekurangan kerangka kerja terpadu untuk menggambarkan pembelajaran secara sistematis,” kata Carl Goodrich, asisten profesor di Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Sekarang, ia bekerja sama dengan sesama postdoctoral Mengjie Zu dan kandidat PhD Aayush Desai untuk memajukan teori pembelajaran dalam sistem. Karya teoretis mereka menggunakan padatan yang tidak teratur-IE, bahan-bahan yang atomnya tidak diatur secara teratur pada grid-adalah langkah konkret menuju teori terpadu tentang bagaimana bahan dan sistem belajar, dan berfungsi sebagai alat praktis untuk merancang bahan baru. Lebih lanjut dapat memiliki konsekuensi di luar padatan yang tidak teratur, mungkin menjelaskan semua sistem, termasuk pembelajaran mesin.
Kelereng berwarna -warni dan licin dalam toples
Sistem dapat menampilkan perilaku yang berbeda atau melakukan berbagai tugas. Tetapi fisikawan teoretis, matematikawan, dan ilmuwan material bertanya apakah model tertentu dapat melakukan semua tugas ini secara bersamaan. Ini adalah prinsip “independensi”, yang didefinisikan sebagai fitur yang berbeda dalam suatu sistem atau bahan yang dapat disetel secara mandiri. Untuk membantu memvisualisasikan ini, Goodrich, Zu, dan Desai menggunakan model mainan yang sangat disederhanakan dari padatan amorf: bola kecil yang dapat dideformasi dalam wadah, seperti kelereng licin. Bola kecil ini memiliki warna yang berbeda untuk mewakili berbagai parameter dalam model. “Kita dapat dengan mudah membayangkan menerapkan kekuatan yang secara lokal merusak bola, tetapi bisakah kita menghubungkan parameter spesifik dalam model dengan hasil yang berbeda dan nonrandom?” tanya Goodrich. “Pada akhirnya, kami ingin memotong kompleksitas padatan yang tidak teratur dengan membuka potensi parameter mereka yang dapat disetel secara independen.” Sementara bidang berwarna -warni membantu memvisualisasikan model teoritis, penelitian aktual adalah dalam fisika teoritis dan matematika.
Memahami teori yang sudah lama berpuluh-puluh tahun
Dalam model teoritis padatan yang tidak teratur, para peneliti ISTA membayangkan parameter sebagai 'input' menjadi kotak hitam fisika. Apa yang keluar dari kotak hitam ini adalah berbagai fitur model atau 'perilaku.' Mereka berpendapat bahwa penelitian mereka memungkinkan mereka untuk memahami apa yang terjadi di dalam kotak hitam. “Matematika yang sebenarnya mungkin yang paling sederhana yang bisa dibayangkan dan masih memungkinkan untuk mencapai perilaku non-sepele,” kata Goodrich.
Namun, teori di balik matematika ini telah ada selama lima puluh tahun. Jadi mengapa masalah belum diselesaikan sejak lama? “Hanya dalam dekade terakhir bahwa kelas alat numerik telah matang sampai kita sekarang dapat menghitung matriks Jacobian tertentu,” Goodrich menjelaskan. “Ini memungkinkan kami untuk memecahkan kotak hitam fisika terbuka dan menarik kesimpulan yang solid.”
Temuan yang mengingatkan pada filosofi Star Trek
Secara tradisional, para ilmuwan material telah menyetel sifat material berdasarkan struktur kristal mereka, yang akan memerlukan perubahan struktural besar. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan semakin curiga bahwa modifikasi yang sangat kecil namun tepat dalam sifat padatan amorf dapat mengakibatkan perubahan besar dalam perilaku mereka. Penelitian dari Goodrich Group menunjukkan bahwa intuisi ini benar.
Dalam sebuah karya terbaru yang diterbitkan pada tahun 2024 di, Zu dan Goodrich menunjukkan bahwa desain terbalik dalam padatan yang tidak teratur lebih efektif dari yang diharapkan dalam banyak kasus. Desain terbalik adalah pendekatan penelitian di mana hasil atau fungsi yang diinginkan digunakan sebagai titik awal untuk merancang bahan, geometri, atau proses yang mencapai hasil itu. Arus mereka Surat Ulasan Fisik Publikasi membahas mengapa hal ini dimungkinkan sama sekali dan cara terbaik untuk menyetel properti material. Berdasarkan perhitungan Jacobian, mereka sekarang dapat mengadopsi sistem baru dan memprediksi hasil yang mereka tunjukkan dalam pekerjaan mereka sebelumnya. “Sebelum saya bergabung dengan kelompok Goodrich untuk postdoc saya, saya pikir hampir tidak mungkin untuk memprediksi perilaku sistem yang tidak teratur,” kata Zu, yang biasa mempelajari perilaku kristal selama PhD -nya. “Bekerja pada proyek ini, saya menyadari bahwa sistem yang tidak teratur memiliki potensi tak terbatas dalam merancang segala macam properti.”
Desai, yang berkontribusi pada pekerjaan itu sebagai bagian dari rotasi lulusannya di Goodrich Group, membuat hubungan mental dengan referensi Star Trek: “Apa yang baru saja dijelaskan Mengjie tentang temuan ini mengingatkan saya pada banyak 'keragaman tak terbatas dalam kombinasi tak terbatas,' atau idik, basis filsafat Vulcan.” Sedangkan Vulcans merancang idik untuk menghargai beragam variabel di alam semesta, dengan kuat percaya bahwa keragaman dan persatuan dapat hidup berdampingan dan keduanya berharga, Zu, Goodrich, dan Desai mulai mengungkap potensi tak terbatas dari padatan amorf.
Dari materi baru ke pembelajaran mesin?
Karya teoretis tim menampilkan hubungan 'disengaja' yang kuat antara input dan output dan dapat membuka kemungkinan untuk merancang atau menghasilkan bahan baru untuk memenuhi kebutuhan spesifik. “Pada prinsipnya, kami sekarang memiliki jalur ke depan untuk membuat bahan dengan kombinasi properti yang mungkin tidak mungkin,” kata Goodrich. Sebelumnya, para peneliti hanya bisa menyetel dua output secara independen dalam padatan amorf. Dalam pencarian mereka untuk melihat seberapa jauh mereka dapat mendorong gagasan kemandirian dalam model mereka, para peneliti ISTA mengeksplorasi berapa banyak dari 21 perilaku yang dapat mereka selamatkan dan berhasil menyetel semuanya. “Kami ingin melihat apakah ini bisa melangkah lebih jauh, dan melihat ke 16 perilaku lagi. Setelah mencapai penyetelan independen dari semua 37 output membuka mata kami pada apa yang tampak seperti kemungkinan tanpa batas,” jelas Zu.
Menurut tim, kerangka teori mereka dapat dengan mudah diterapkan pada hampir semua sistem yang dapat dipelajari. Contohnya bisa sejauh yang merancang nano yang kompleks dan fungsional atau algoritma pembelajaran mesin yang maju. Tetapi untuk saat ini, padatan amorf tetap menjadi model utama untuk kemajuan ini menuju bahasa umum pembelajaran lintas disiplin ilmu. “Melihat padatan yang tidak teratur, fisika tampaknya berbeda dari apa yang kami harapkan pada awalnya,” kata Goodrich. “Tapi di belakang, semuanya masuk akal.”
Publikasi:
Mengjie Zu, Aayush Desai, dan Carl P. Goodrich. 2025. Respons sepenuhnya independen dalam padatan yang tidak teratur.Surat Ulasan Fisik. Doi: 10.1103/physrevlett.134.238201
