На изображении представлена концепция, созданная искусственным интеллектом.
В мире фотоники и оптических технологий произошёл значительный прорыв. Исследователи представили OptoGPT — инновационный инструмент на базе архитектуры большой языковой модели (LLM), способный за доли секунды прогнозировать оптимальную структуру многослойных оптических плёнок. Эти сложные конструкции, состоящие из чередующихся тонких слоёв различных материалов, являются сердцем множества современных устройств: от солнечных панелей и телескопов до умных окон и микроскопов. Традиционное проектирование таких систем — трудоёмкий процесс, требующий глубоких знаний и месяцев расчётов. OptoGPT кардинально меняет этот подход, предлагая быстрые и эффективные решения.
Что такое многослойные оптические плёнки и в чём сложность их проектирования?
Многослойные оптические плёнки — это высокотехнологичные структуры, где каждый слой, толщиной в нанометры, вносит свой вклад в общие световые свойства системы. Подбор материалов и их толщины для достижения нужного эффекта — например, максимального пропускания или отражения определённых длин волн — является сложнейшей инженерной задачей. Для её решения традиционно используется метод «обратного проектирования»: учёные задают желаемые оптические характеристики и пытаются вычислить конфигурацию слоёв, которая к ним приведёт.
До сих пор основными инструментами были численное моделирование и методы глубокого обучения. Однако у них есть существенные недостатки. Численные методы требуют огромных вычислительных ресурсов и времени, особенно при смене целевой задачи. Методы глубокого обучения часто ограничены в типах структур, которые они могут проектировать, и не всегда учитывают такие важные аспекты, как разнообразие (возможность предложить несколько вариантов дизайна) и гибкость (свобода выбора материалов и диапазонов толщин). Как отмечает профессор Л. Джей Мао из Мичиганского университета, эта область долгое время оставалась малодоступной для новичков из-за высокой сложности входа.
Как работает OptoGPT?
Исследователи, чья работа опубликована в журнале «Оптоэлектронный прогресс», нашли элегантное решение, позаимствовав идеи из обработки естественного языка. Они использовали архитектуру трансформеров, лежащую в основе современных языковых моделей вроде GPT. В OptoGPT «словами» стали параметры материалов и их толщины, а «предложениями» — полные конструкции многослойных плёнок. Модель, обученная на огромных массивах данных, научилась понимать связи между этими «словами» и генерировать новые, оптимизированные «предложения» — то есть проекты плёнок с заданными свойствами.
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
На диаграмме показан процесс работы OptoGPT: система комбинирует возможные материалы и толщины слоёв, чтобы найти наилучшую комбинацию для заданных оптических свойств.
Революционная скорость и эффективность
Результаты впечатляют. OptoGPT создаёт оптимизированные проекты всего за 0,1 секунды. Более того, предложенные им конструкции в среднем содержат на шесть слоёв меньше, чем решения, полученные предыдущими методами. Это напрямую ведёт к упрощению и удешевлению производства.
Для проверки точности модель сравнили с базой из 1000 известных и проверенных плёночных структур. Расхождение между предсказаниями OptoGPT и реальными данными составило всего 2,58%, а оптические свойства созданных плёнок были всего на 2,96% хуже эталонных. Если же модель сфокусировать на конкретной задаче (например, на создании покрытия для радиационного охлаждения) и использовать локальную оптимизацию, её точность возрастает на 24%, а расхождение снижается до 1,92%.
Интересно, что анализ работы модели показал, как она интуитивно группирует материалы по их свойствам в абстрактном пространстве параметров, что свидетельствует о глубоком понимании ею физических закономерностей.
Широкие перспективы применения
Универсальность и точность OptoGPT открывают двери для прорывов в различных областях. Инструмент может радикально повысить эффективность солнечных батарей, улучшив поглощение света, или создать более совершенные линзы для телескопов с заданными отражающими свойствами. «Умные» окна, автоматически регулирующие прозрачность в зависимости от температуры и освещённости, также станут более совершенными и доступными благодаря этой технологии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.