Max Home IndustryТребуется огромное количество компьютерных симуляций, чтобы создать такое устройство, как МРТ-сканер, которое может отображать ваш мозг, обнаруживая электромагнитные волны, распространяющиеся через ткани. Сложная часть состоит в том, чтобы выяснить, как электромагнитные волны будут реагировать при контакте с материалами в устройстве.
Исследователи SMU разработали алгоритм, который можно использовать в широком спектре областей — от биологии и астрономии до военных приложений и телекоммуникаций — для более эффективного и точного создания оборудования.
В настоящее время на моделирование могут уйти дни или месяцы. А из-за стоимости существует ограничение на количество симуляций, обычно выполняемых для этих устройств. Исследователи из SMU при помощи грантов Исследовательского управления армии США и Национального научного фонда обнаружили способ сделать более быстрый алгоритм для этих симуляций.
«Мы можем сократить время моделирования с одного месяца до одного часа», — сказал ведущий исследователь Вэй Цай, заведующий кафедрой прикладной математики Клементса в SMU. «Мы совершили прорыв в этих алгоритмах».
«Эта работа также поможет создать виртуальную лабораторию для ученых, чтобы моделировать и исследовать солнечные элементы с квантовыми точками, которые могут производить чрезвычайно маленькое, эффективное и легкое солнечное военное оборудование», — сказал д-р Джозеф Майерс, отдел математических наук Управления армейских исследований. начальник.
Доктор Бо Ван, научный сотрудник SMU (Южный методистский университет), и Вэньчжун Чжан, аспирант университета, также внесли свой вклад в это исследование. Исследование было опубликовано сегодня в SIAM Journal on Scientific Computing .
Алгоритм может иметь важное значение в ряде научных областей.
«Электромагнитные волны существуют как излучение энергии зарядов и других квантовых процессов», — пояснил Кай.
К ним относятся радиоволны, микроволны, свет и рентгеновские лучи. Электромагнитные волны также являются причиной того, что вы можете использовать мобильный телефон, чтобы поговорить с кем-то в другом штате, и почему вы можете смотреть телевизор. Короче говоря, они повсюду.
Инженер или математик сможет использовать алгоритм для устройства, задача которого — определять определенную электромагнитную волну. Например, она или он потенциально могут использовать его для разработки солнечной батареи, которая служит дольше и меньше существующих.
«Чтобы разработать батарею небольшого размера, вам необходимо оптимизировать материал, чтобы получить максимальную скорость преобразования энергии света в электричество», — сказал Цай. «Инженер может найти этот максимальный коэффициент конверсии, быстрее проведя моделирование с помощью этого алгоритма».
Или алгоритм может помочь инженеру разработать сейсмический монитор для прогнозирования землетрясений, отслеживая упругие волны в земле, — отметил Кай.
«Это все волны, и наш метод применим к разным видам волн», — сказал он. «Мы разработали широкий спектр приложений».
Компьютерное моделирование показывает, как материалы в таком устройстве, как полупроводниковые материалы, будут взаимодействовать со светом, что, в свою очередь, дает представление о том, что будет делать конкретная волна при контакте с этим устройством.
При производстве многих устройств, использующих световые взаимодействия, используется процесс изготовления путем наложения материала друг на друга в лаборатории, как и в случае с Lego. Это называется многослойной средой. Затем компьютерное моделирование анализирует слоистую среду с использованием математических моделей, чтобы увидеть, как рассматриваемый материал взаимодействует со светом.
Исследователи SMU нашли более эффективный и менее затратный способ решения уравнений Гельмгольца и Максвелла — сложные для решения, но важные инструменты для предсказания поведения волн.
Проблема взаимодействия источника волн и материалов в структуре слоев была очень сложной задачей для математиков и инженеров в течение последних 30 лет.
Профессор Вен Чо Чу из отдела электротехники и компьютерной инженерии Purdue, ведущий мировой эксперт в области вычислительной электромагнетизма, сказал, что проблема «заведомо сложна».
Комментируя работу Цая и его команды, Чу сказал: «Их результаты показывают отличную сходимость с небольшими ошибками. Я надеюсь, что их результаты будут широко приняты».
Новый алгоритм модифицирует математический метод, называемый быстрым мультипольным методом, или FMM, который считался одним из 10 лучших алгоритмов 20-го века.
Чтобы протестировать алгоритм, Цай и другие исследователи использовали ManeFrame II SMU — один из самых быстрых академических суперкомпьютеров в стране — для запуска множества различных симуляций.