Una representación de la variedad de materiales bajo investigación por su potencial para controlar la formación de hielo. Crédito:Michael B. Davies
Científicos de Cambridge han desarrollado un algoritmo de inteligencia artificial capaz de vencer a los científicos al predecir cómo y cuándo diferentes materiales forman cristales de hielo.
El programa, IcePic, podría ayudar a los científicos atmosféricos a mejorar los modelos de cambio climático en el futuro. Los detalles se publican hoy en la revista PNAS .
El agua tiene algunas propiedades inusuales, como expandirse cuando se convierte en hielo. Comprender el agua y cómo se congela alrededor de diferentes moléculas tiene implicaciones de gran alcance en una amplia gama de áreas, desde los sistemas meteorológicos que pueden afectar a continentes enteros hasta el almacenamiento de muestras de tejidos biológicos en un hospital.
La escala de temperatura Celsius fue diseñada con base en la premisa de que es la temperatura de transición entre el agua y el hielo; sin embargo, mientras que el hielo siempre se derrite a 0°C, el agua no necesariamente se congela a 0°C. El agua todavía puede estar en forma líquida a -40°C, y son las impurezas en el agua las que permiten que el hielo se congele a temperaturas más altas. Uno de los principales objetivos del campo ha sido predecir la capacidad de diferentes materiales para promover la formación de hielo, conocida como la "capacidad de nucleación de hielo" de un material.
Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado una herramienta de 'aprendizaje profundo' capaz de predecir la capacidad de formación de núcleos de hielo de diferentes materiales, y que pudo vencer a los científicos en un 'cuestionario' en línea en el que se les pidió que predijeran cuándo se formarían los cristales de hielo. formulario.
El aprendizaje profundo es cómo la inteligencia artificial (IA) aprende a extraer información de los datos sin procesar. Encuentra sus propios patrones en los datos, liberándolos de la necesidad de intervención humana para que pueda procesar los resultados de forma más rápida y precisa. En el caso de IcePic, puede inferir diferentes propiedades de formación de cristales de hielo alrededor de diferentes materiales. IcePic ha sido entrenado en miles de imágenes para que pueda observar sistemas completamente nuevos e inferir predicciones precisas a partir de ellos.
Un material extraño promueve el crecimiento de hielo en una película de agua. Crédito:Michael B. Davies
El equipo preparó un cuestionario en el que se pedía a los científicos que predijeran cuándo se formarían cristales de hielo en diferentes condiciones mostradas por 15 imágenes diferentes. Luego, estos resultados se compararon con el rendimiento de IcePic. Cuando se puso a prueba, IcePic fue mucho más preciso para determinar la capacidad de nucleación de hielo de un material que más de 50 investigadores de todo el mundo. Además, ayudó a identificar dónde se estaban equivocando los humanos.
Michael Davies, un Ph.D. estudiante en el laboratorio ICE en el Departamento de Química de Yusuf Hamied, Cambridge, y el University College London, Londres, primer autor del estudio, dijo:"Fue fascinante saber que las imágenes de agua que mostramos IcePic contienen suficiente información para predecir realmente nucleación de hielo.
"A pesar de que nosotros, es decir, los científicos humanos, tenemos una ventaja inicial de 75 años en términos científicos, IcePic pudo hacer algo que nosotros no pudimos".
Determinar la formación de hielo se ha vuelto especialmente relevante en la investigación del cambio climático.
El agua se mueve continuamente dentro de la Tierra y su atmósfera, condensándose para formar nubes y precipitándose en forma de lluvia y nieve. Diferentes partículas extrañas afectan la forma en que se forma el hielo en estas nubes, por ejemplo, las partículas de humo de la contaminación en comparación con las partículas de humo de un volcán. Comprender cómo las diferentes condiciones afectan a nuestros sistemas de nubes es esencial para obtener predicciones meteorológicas más precisas.
"La nucleación del hielo es realmente importante para la comunidad científica atmosférica y el modelado climático", dijo Davies. "Por el momento, no existe una forma viable de predecir la nucleación del hielo que no sean experimentos directos o simulaciones costosas. IcePic debería abrir muchas más aplicaciones para el descubrimiento". Hemos estado pensando en cómo se forma el hielo en los cirros, todo mal
