Risolvere problemi di fisica e matematica grazie a questo software

Risolvere problemi di fisica e matematica grazie a questo software
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un gruppo di ricerca del Laboratorio nazionale Oak Ridge (ORNL) gestito dal dipartimento di Energia degli Stati Uniti, sta aggiornando continuamente una tecnologia che aiuterà gli scienziati computazionali a risolvere problemi, visualizzare dati e sviluppare metodologie di calcolo.

La descrizione matematica di un particolare fenomeno fisico come, ad esempio, la deformazione di un materiale soggetto a forze di natura aerodinamica, è ben racchiusa in una serie di sistemi di equazioni differenziali e relazioni integrali, conseguenza di teorie sviluppate attorno ad oggetti matematici come, ad esempio, tensori, che è possibile utilizzare per ottenere analiticamente la correlazione tra "forza che agisce in un punto della struttura" e "la deformazione che si osserva".

La rappresentazione visuale dei risultati può essere solamente qualitativa, essendo impossibile rappresentare "a mano libera" questi dati. Sono già disponibili da diversi anni software come Revit o Inventor (entrambi di proprietà della Autodesk) che permettono di rappresentare spazialmente i risultati di questi calcoli, ma i ricercatori vogliono puntare a qualcosa di più grande.

E' qui che entra in gioco ICE. Conosciuto come Eclipse Integrated Computational Environment, questo particolare sistema incorpora una suite completa di strumenti di calcolo scientifico progettati per risparmiare tempo e sforzi durante gli esperimenti di modellazione e simulazione. Il sistema di gestione del workflow consente di organizzare, elaborare ed analizzare i dati, e i problemi di natura fisica e matematica per semplificarne particolari simulazioni.

Accorpare queste risorse in un'unica piattaforma accelera sicuramente il processo che porta a nuove scoperte scientifiche. Utilizzando ICE, sviluppatori software, ingegneri, scienziati e programmatori possono definire matematicamente problemi, eseguire simulazioni localmente su personal computer o in remoto su altri sistemi, persino su supercomputer, e quindi analizzare risultati e archiviare dati. Recentemente, il team ha pubblicato un articolo su SoftwareX che descrive i potenziali benefici delle prossime versioni.

"Ciò che amo di questo progetto è rendere la complicata scienza computazionale automatica", ha dichiarato Jay Jay Billings, ricercatore nella Divisione Computer Science and Mathematics dell' ORNL che guida il team di sviluppo ICE. "Costruire sistemi di gestione del flusso di lavoro e strumenti di automazione è un tipo di futurismo ed è stimolante e gratificante operare al limite di ciò che è possibile".

I ricercatori utilizzano l'ICE per studiare argomenti in settori quali energia nucleare, astrofisica, materiali avanzati, scienza dei neutroni e calcolo quantistico, rispondendo a quesiti come il comportamento e degradamento delle batterie oppure descrivendo le meccaniche con le quali componenti stampati 3D si deformano quando esposti a fonti di calore.

Diversi fattori differenziano l'ICE da altri sistemi di gestione del flusso di lavoro. Ad esempio, poiché ICE esiste in un framework di software open source chiamato Eclipse Rich Client Platform, chiunque può accedervi, scaricarlo e utilizzarlo. Gli utenti possono inoltre creare combinazioni personalizzate di risorse riutilizzabili e implementare ambienti di simulazione su misura per dedicarsi a ricerche specifiche.

"Eclipse ICE è un eccellente esempio di come il software open source può essere sfruttato per accelerare la scienza e la scoperta, specialmente nel calcolo scientifico", ha dichiarato il direttore esecutivo della Eclipse Foundation, Mike Milinkovich. "La Fondazione Eclipse, attraverso il suo Science Working Group guidato dalla comunità, sta promuovendo soluzioni open source per la ricerca avanzata in tutti i settori della scienza".

Inoltre, ICE elude la curva di apprendimento lunga e ripida che di solito accompagna qualsiasi progetto di scienza computazionale. Sebbene altri sistemi richiedano una conoscenza approfondita del codice e del computer in questione, ICE consente agli utenti di iniziare immediatamente a semplificare i loro esperimenti, aiutandoli così a raccogliere dati e ottenere risultati molto più velocemente.

Nel corso di questo progetto, Billings ha anche sottolineato l'importanza dell'accessibilità e dell'usabilità per garantire che gli utenti di tutte le età e livelli di esperienza, compresi i non scienziati, possano utilizzare il sistema senza un precedente "addestramento".

"Il problema con molti sistemi di gestione del flusso di lavoro e con i codici di modellazione e simulazione in generale è che di solito sono inutilizzabili per i laici ('non addetti ai lavori')", ha detto Billings. "Abbiamo progettato ICE per essere utilizzabile e accessibile in modo che chiunque possa raccogliere un codice esistente e utilizzarlo per affrontare pressanti problemi di scienza computazionale".

ICE utilizza il linguaggio di programmazione Java per definire i flussi di lavoro, mentre altri sistemi utilizzano linguaggi più complessi. Infine, anziché affidarsi ai flussi di lavoro di tipo "Grid", ovvero raccolte prestabilite di processi di elaborazione ( e dunque spesso costituiti da processi "superflui", non necessari al particolare problema impostato dall'utente), l'ICE si concentra su flussi di lavoro flessibili, permettendo così un controllo interattivo, modificabile in corsa. In sostanza, i "Grid workflow" sono definiti da parametri rigorosi ed eseguiti senza intervento umano, ma ICE consente agli utenti di inserire ulteriori informazioni durante le simulazioni per produrre scenari più complicati.

"In ICE puoi avere un intervento umano durante il processo, il che significa che il programma può fermarsi, fare domande e ricevere istruzioni prima di riprendere le attività", ha detto Billings. "Questa funzione consente agli utenti del sistema di completare attività più complesse come il looping e la ramificazione condizionale".

Successivamente, il team di sviluppo intende combinare gli aspetti più pratici dell'ICE e di altri sistemi attraverso l'interoperabilità del flusso di lavoro, un concetto che fa riferimento alla capacità di due sistemi diversi di comunicare senza problemi. Combinare le migliori caratteristiche dei flussi di lavoro "grid" con quelli di modellazione e simulazione consentirebbe agli scienziati di affrontare sfide ancora più grandi e risolvere i misteri scientifici in modo più efficiente.

"Se sto usando ICE e qualcun altro sta usando un sistema diverso, vogliamo essere in grado di affrontare i problemi insieme, combinando le nostre risorse", ha detto Billings. "Con l'interoperabilità del flusso di lavoro, i nostri sistemi avrebbero un metodo standard di 'comunicare' l'uno con l'altro." Ed in effetti in questo concetto è espressa una analogia con ciò che spesso accade sopratutto in ambito accademico, all'interno del quale è facile imbattersi in testi che trattano del medesimo argomento ma che adottano simbologie e notazioni diverse tra loro, seppur corrette.

Per migliorare ulteriormente l'accessibilità e l'usabilità di ICE, il team sta anche sviluppando una versione "cloud" per fornire servizi di calcolo ancora più interattivi e semplificare i flussi di lavoro scientifici.

"Questo è ciò che la ricerca è, continuiamo a definire il prossimo passo per comprendere meglio il sistema", conclude Billings.

Le dinamiche tra umani e macchine si intrecciano sempre più, e per la trattazione di aspetti complessi come quelli attinenti all'analisi matematica ed alle meccaniche computazionali,
Tuttavia, l'IA è utilizzata anche per scopi apparentemente meno "accademici", come vi abbiamo raccontato nella news dedicata alla capacità di un robot di recitare in uno spettacolo teatrale.

FONTE: Phys
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