تصميم الذكاء الاصطناعي لغراء تحت الماء يلتصق كبرنقيل

في عالم المواد، يظهر الذكاء الاصطناعي كأداة قوية لتصميم غراءات جديدة. هذا المقال يستعرض كيف تم تصميم غراء تحت الماء يلتصق كبرنقيل.

تحدث عن منظر غير عادي: دمية مطاطية صفراء زاهية ملتصقة بصخرة رطبة على الساحل. تتعرض لموجات البحر لعدة أيام، لكنها لا تتحرك قيد أنملة – بفضل غراء فائق اللصق تم تصميمه بواسطة الذكاء الاصطناعي.

إذا كنت قد جربت من قبل إصلاح أنبوب أو سقف مسرب، فستعرف أن الغراء الكيميائي لا يعمل بشكل جيد. فالغراء الفائق يتصلب بسرعة مع الرطوبة، ولا يوجد وقت كبير لتطبيقه. كما أنه يميل إلى التصدع على الأسطح غير المستوية، مثل الصخور أو الأنابيب، وفي الظروف المالحة والرطبة.

تعتبر الهلاميات اللينة بديلاً أكثر مرونة، ولكن خصائصها القابلة للتمدد غالبًا ما تلغي تلك التي تجعلها لزجة. ومع ذلك، لطالما أراد العلماء استخدام الهلاميات كغراء في التطبيقات الطبية. يمكن أن يغلق هلام لزج عميق الجروح، ويعمل كضمادة أثناء الجراحة، ويساعد الأنسجة على الشفاء بشكل أسرع. يمكن أيضًا أن يغطي الأطراف الصناعية أو أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء.

المشكلة؟ يميل الجسم إلى أن يكون رطبًا وغير مستوٍ ومالحًا. لكن الطبيعة لديها حل. من البكتيريا إلى البرنقيل، والمحار، والقواقع، تقوم مجموعة من الكائنات بإفراز غراء بروتيني لزج يسمح لها بالانزلاق والزحف أو الإمساك بالأسطح الرطبة. هذه الغراءات أحيانًا تكون قوية لدرجة أنك تحتاج إلى أدوات لفك الكائنات منها.

الآن، قام فريق من اليابان والصين بتحويل هذه البروتينات الطبيعية إلى هلاميات لزجة واستخدموا الذكاء الاصطناعي لتخيل نسخ أكثر لزوجة. واحدة من إبداعات الذكاء الاصطناعي تمسكت بأسطح السيراميك والزجاج والمعادن في الماء المالح لأكثر من عام – مع كيلوغرام (حوالي 2.2 رطل) معلق منها. ونعم، لقد ألصقت أيضًا دمية مطاطية بصخرة ساحلية غير مضيافة. أخرى أغلقت أنبوب ماء مكسور لمدة خمسة أشهر. كانت النسختان أيضًا متوافقتين حيوانيًا مع الفئران، مما يشير إلى أن الغراء الفائق الذي تم إنشاؤه بواسطة الذكاء الاصطناعي لديه مستقبل في الطب.

قالت لورا روسو من جامعة ميلانو-بيكوكا، التي لم تشارك في الدراسة: “يمكن أن تكون الهلاميات الفائقة اللصق مثل هذه التي تلتصق بقوة بالأسطح غير المستوية والرطبة تحولًا كبيرًا للعديد من التطبيقات الطبية”.

انتفاخ الهلام

استخدام الذكاء الاصطناعي لاكتشاف وتصميم المواد ليس جديدًا. لكن الدراسات كانت تركز في الغالب على المواد الصلبة أو المواد الكيميائية الصغيرة. واحدة من هذه الدراسات وجدت ملايين البلورات غير المعروفة التي يمكن أن تكون مفيدة في تصميم الدوائر الدقيقة والبطاريات. أخرى، بالاشتراك مع نظام روبوتي، قامت بتخليق مجموعة متنوعة من المواد الجديدة تلقائيًا.

لكن بشكل ساخر، كانت الهلاميات اللينة دائمًا صعبة الفهم.

تمتلك المواد الصلبة غير العضوية هياكل وخصائص محددة جيدًا، مما يجعل من الأسهل تدريب الذكاء الاصطناعي على نمذجتها. بالمقابل، تتكون الهلاميات من جزيئات لينة تتوسع في الماء. تحتوي الجل على شبكات من الجزيئات التي تمتد “فروعًا” مثل الأشجار الصغيرة. تعتمد الهيكلية ثلاثية الأبعاد للجل على كيفية تفاعل كل فرع جزيئي مع الآخرين.

تتغير المواد أيضًا تحت الضغط وتنتفخ في البيئات الرطبة. هذه الخصائص هي عكس ما تريده في غراء فائق اللصق.

استخدام الذكاء الاصطناعي للعثور على “الهلاميات المناسبة لوظيفة معينة هو مهمة أكثر تعقيدًا بكثير” من اكتشاف المواد الصلبة، كتب روسو. تم استخدام الذكاء الاصطناعي فقط للتنبؤ بكيفية تصرف الهلاميات، مثل كيفية انتفاخها وما إذا كانت مفيدة لمشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد. ستحتاج إلى قاعدة بيانات كبيرة من البروتينات اللزجة ليتمكن الذكاء الاصطناعي من تعلم كيفية تصميمها – لكن لا توجد واحدة.

فكرة لزجة

استلهمت الدراسة الجديدة من حوالي 200 نوع تضخ بروتينات لزجة، بما في ذلك البكتيريا والبرنقيل. تم تسلسل العديد من هذه البروتينات.

من خلال فحص قواعد بيانات البروتين الحالية، لاحظ الفريق أي تسلسلات من الأحماض الأمينية يمكن أن تؤدي إلى بروتينات تبقى لزجة تحت الماء. ثم قاموا بتصميم وصنع 180 هلامًا، كل منها مبني من جزيئات لديها أعلى فرص للعمل كلاصقات طبيعية. في اختبارات المختبر، وثقوا لزوجتها، وانتفاخها، وكيف تصرفت في الماء الجاري.

باستخدام هذه البيانات، قام الفريق بتدريب الذكاء الاصطناعي لتصميم غراء هلاميات تحت الماء أكثر قوة. قاموا بإدخال أفضل نتائج الذكاء الاصطناعي مرة أخرى إلى الخوارزمية لتحسينها أكثر. بعد ثلاث دورات، تفوقت قوة التصاق أفضل ثلاث هلاميات بشكل كبير على مجموعة بيانات التدريب.

شملت هذه R1-Max، الجل الذي ألصق الدمية بالصخرة. تعتبر صخرة ساحلية رطبة وزلقة واحدة من أسوأ السيناريوهات للغراء. يمكن أن تمزق الأمواج بسهولة لعبة خفيفة الوزن، وتغير المد مستوى الرطوبة، وهو ما لا تستطيع معظم الغراء تحمله.

قال مؤلف الدراسة هيلونغ فان لـ Nature: “نريد أن نثبت أن هلامنا اللصق… يمكن أن يلصق الدمية بالصخرة الرطبة… والدمية لطيفة”. وبالرغم من الأمواج المتدفقة، أثبتت الدمية أنها عنيدة مثل البرنقيل على قمتها الصخرية.

في اختبار آخر، قام الهلام، الذي تم تشكيله مثل ضمادة كبيرة، بإصلاح أنبوب ينفث الماء على الفور. أغلق الجل الثقب لأكثر من خمسة أشهر، مما يشير إلى أنه يمكن استخدامه لإصلاح التسريبات الطارئة تحت الماء.

المادة أيضًا متوافقة حيوانيًا. عند إدخالها تحت جلد الفئران، استمرت الكائنات في حياتها دون ردود فعل مناعية ملحوظة أو آثار جانبية أخرى. “يمكن أن تكون الهلاميات الفائقة اللصق مثل هذه التي تلتصق بقوة بالأسطح غير المستوية والرطبة تحولًا كبيرًا للعديد من التطبيقات الطبية”، كتب روسو.

يمكن للذكاء الاصطناعي تصميم مواد لينة أخرى أيضًا، خاصة تلك ذات الاستخدامات الطبية. لكن سيتعين عليه التنقل في تعقيدات الأنسجة والأعضاء – قد لا تعمل هلامية مصممة للجلد على القلب أو الشرايين. يمكن أن تؤثر جزيئات مختلفة في كل عضو أيضًا على كيفية عمل الجل.

يعمل الفريق الآن على محاولة استكشاف “عقل” الذكاء الاصطناعي لمعرفة سبب لزوجة R1-Max. معرفة السبب الدقيق يمكن أن يؤدي إلى غراء بروتيني أفضل.

بشكل أوسع، يُظهر العمل أن “الذكاء الاصطناعي لم يعد مجرد أداة يتم استكشافها بحذر في علوم المواد”، كتب روسو. “لقد تم اعتماده بالفعل لتحسين ودعم تصميم وتوليد المواد.”

مع استمرار البحث في هذا المجال، من المحتمل أن نشهد ثورة في كيفية استخدام الغراءات في التطبيقات الطبية والصناعية.