Les scientifiques de Cambridge ont développé un algorithme artificiellement intelligent capable de battre les scientifiques pour prédire comment et quand différents matériaux forment des cristaux de glace.
Le programme – IcePic – pourrait aider les scientifiques de l’atmosphère à améliorer les modèles de changement climatique à l’avenir. Les détails sont publiés aujourd’hui dans la revue PNAS.
L’eau a des propriétés inhabituelles, comme l’expansion lorsqu’elle se transforme en glace. Comprendre l’eau et la façon dont elle gèle autour de différentes molécules a des implications considérables dans un large éventail de domaines, des systèmes météorologiques qui peuvent affecter des continents entiers au stockage d’échantillons de tissus biologiques dans un hôpital.
L’échelle de température Celsius a été conçue en partant du principe qu’il s’agit de la température de transition entre l’eau et la glace ; cependant, alors que la glace fond toujours à 0°C, l’eau ne gèle pas nécessairement à 0°C. L’eau peut encore être sous forme liquide à -40°C, et ce sont les impuretés de l’eau qui permettent à la glace de geler à des températures plus élevées. L’un des principaux objectifs du domaine a été de prédire la capacité de différents matériaux à favoriser la formation de glace, connue sous le nom de «capacité de nucléation de la glace» d’un matériau.
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé un outil d’apprentissage en profondeur capable de prédire la capacité de nucléation de la glace de différents matériaux et qui a pu battre les scientifiques dans un « quiz » en ligne dans lequel on leur demandait de prédire quand les cristaux de glace formulaire.
L’apprentissage en profondeur est la façon dont l’intelligence artificielle (IA) apprend à tirer des enseignements des données brutes. Il trouve ses propres modèles dans les données, le libérant du besoin d’intervention humaine afin qu’il puisse traiter les résultats plus rapidement et plus précisément. Dans le cas d’IcePic, il peut déduire différentes propriétés de formation de cristaux de glace autour de différents matériaux. IcePic a été formé sur des milliers d’images afin qu’il puisse examiner des systèmes complètement nouveaux et en déduire des prédictions précises.
L’équipe a mis en place un questionnaire dans lequel les scientifiques ont été invités à prédire quand les cristaux de glace se formeraient dans différentes conditions illustrées par 15 images différentes. Ces résultats ont ensuite été mesurés par rapport aux performances d’IcePic. Lorsqu’il a été mis à l’épreuve, IcePic a été beaucoup plus précis dans la détermination de la capacité de nucléation de la glace d’un matériau que plus de 50 chercheurs du monde entier. De plus, cela a aidé à identifier où les humains se trompaient.
Michael Davies, un doctorat. étudiant au laboratoire ICE du département de chimie Yusuf Hamied, Cambridge, et de l’University College London, Londres, premier auteur de l’étude, a déclaré: « C’était fascinant d’apprendre que les images d’eau que nous avons montrées à IcePic contiennent suffisamment d’informations pour prédire réellement nucléation de la glace.
« Bien que nous, c’est-à-dire des scientifiques humains, aient une longueur d’avance de 75 ans sur le plan scientifique, IcePic était toujours capable de faire quelque chose que nous ne pouvions pas. »
La détermination de la formation de la glace est devenue particulièrement pertinente dans la recherche sur le changement climatique.
L’eau se déplace continuellement dans la Terre et son atmosphère, se condensant pour former des nuages et se précipitant sous forme de pluie et de neige. Différentes particules étrangères affectent la façon dont la glace se forme dans ces nuages, par exemple, les particules de fumée provenant de la pollution par rapport aux particules de fumée d’un volcan. Comprendre comment différentes conditions affectent nos systèmes de nuages est essentiel pour des prévisions météorologiques plus précises.
« La nucléation de la glace est vraiment importante pour la communauté scientifique atmosphérique et la modélisation climatique », a déclaré Davies. « Pour le moment, il n’existe aucun moyen viable de prédire la nucléation de la glace autre que des expériences directes ou des simulations coûteuses. IcePic devrait ouvrir beaucoup plus d’applications pour la découverte. »
Prédiction précise de la nucléation de la glace à partir d’eau à température ambiante, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2205347119.