科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

在工程和科學(xué)領(lǐng)域，偏微分方程扮演著舉足輕重的角色。在一項(xiàng)最新研究中，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一款名為“微分映射算子學(xué)習(xí)”（DIMON）的新人工智能（AI）模型，其能在個(gè)人電腦上解出復(fù)雜的偏微分方程，速度比以往快數(shù)千倍，有望在航空航天、汽車(chē)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域“大顯身手”。相關(guān)論文發(fā)表于9日出版的《自然·計(jì)算科學(xué)》雜志。

偏微分方程是常見(jiàn)的數(shù)學(xué)難題。人們借助這些方程，將現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測(cè)物體或環(huán)境未來(lái)可能出現(xiàn)的變化。例如，工程師用其來(lái)設(shè)計(jì)更安全的汽車(chē)、更具彈性的航天器以及更堅(jiān)固的橋梁；醫(yī)生則用其來(lái)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)心臟問(wèn)題。

在一項(xiàng)演示中，團(tuán)隊(duì)利用偏微分方程來(lái)研究心律失常。當(dāng)心臟因電信號(hào)紊亂而出現(xiàn)不規(guī)則跳動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生心律失常。他們?cè)?000多個(gè)真實(shí)患者的數(shù)字心臟模型上，測(cè)試了DIMON的性能。結(jié)果顯示，該模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了不同心臟結(jié)構(gòu)中的電信號(hào)通路，為治療心臟病提供了有力支持。

以往解決方案速度較慢。從掃描患者心臟、求解偏微分方程，到預(yù)測(cè)患者心源性猝死的風(fēng)險(xiǎn)并提出最佳治療方案，大約需要一周時(shí)間。而DIMON則將計(jì)算時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到30秒，極大加快了心臟病預(yù)測(cè)的速度。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，DIMON使用AI來(lái)預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)在不同形狀下的行為，幾乎可解決科學(xué)或工程領(lǐng)域的任何問(wèn)題，例如碰撞測(cè)試、骨科研究等領(lǐng)域涉及的多種幾何形狀的偏微分方程，以及與形狀、力和材料變化相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。