Aktualności

W maju 2021 roku, Narodowe Centrum Nauki (NCN) po raz kolejny zakwalifikowało do dofinansowania projekty OPUS w IPPT PAN.

OPUS to konkurs przeznaczony dla wszystkich badaczy, niezależnie od etapu kariery naukowej. W ramach realizacji projektu mogą oni otrzymać środki na zatrudnienie zespołu naukowców oraz zakupić lub wytworzyć aparaturę naukowo-badawczą, która jest niezbędna do ich realizacji. Możliwe jest także przyznanie stypendiów dla młodych badaczy.

Na listach rankingowych tego konkursu znalazły się trzy wyróżnione projekty naszych naukowców:

1. Projekt OPUS pt.: UCZENIE MASZYNOWE ZE WZMOCNIENIEM W ZAGADNIENIACH PÓŁAKTYWNEGO STEROWANIA KONSTRUKCJAMI I ZDECENTRALIZOWANEGO TŁUMIENIA DRGAŃ. OPRACOWANIE NOWYCH ALGORYTMÓW I OCENA ICH EFEKTYWNOŚCI

kierownik: dr hab. Łukasz Jankowski, prof. IPPT PAN

Celem projektu jest rozwój i weryfikacja fundamentalnie nowego i dotychczas nierozpoznanego podejścia do sterownia konstrukcjami:

• Opracowanie, adaptacja i zastosowanie algorytmów uczenia ze wzmocnieniem do zagadnień sterowania konstrukcjami.
• Analiza i optymalizacja ich efektywności i odporności w zadaniach półaktywnego, globalnego i zdecentralizowanego tłumienia drgań konstrukcji.
• Weryfikacja efektywności opracowanych metod w przykładach numerycznych i eksperymentalnych.

Motywacja: Aktywne sterowanie konstrukcjami można skrótowo określić jako – potencjalnie niebezpieczne – przeciw-działanie siłami zewnętrznymi. Intensywnie rozwijające się techniki sterowania półaktywnego polegają na fundamentalnie innej, zainspirowanej przyrodą idei dynamicznej samo-adaptacji: energooszczędnej adaptacji lokalnych własności konstrukcji. Techniki wykorzystywane podczas projektowania układów sterowania konstrukcjami są przeważająco klasyczne i analityczne. Są one sprawdzone i efektywne w zagadnieniach aktywnego sterowania konstrukcjami liniowymi. Znacznie trudniej jest je zastosować w wypadku sterowania półaktywnego. Wynika to z istoty półaktywnych aktuatorów, które są energooszczędne i często bezpieczne w razie awarii, ale trudne w efektywnym opisie metodami klasycznymi. Główną motywacją projektu jest potrzeba nowych, efektywnych i odpornych technik projektowania półaktywnego sterowania konstrukcjami. Uczenie ze wzmocnieniem (RL), nurt uczenia maszynowego, polega na idei uczenia się poprzez bezpośrednią interakcję z otoczeniem. Zastosowanie technik RL umożliwiło ostatnio osiągnięcie niezwykłych wyników: począwszy od nadludzkiego poziomu gry w szachy i Go, poprzez wznoszenie termiczne szybowców i pływanie falowaniem ciała, aż po autonomiczną jazdę samochodów. Dwie cechy algorytmicznej struktury RL (poszukiwanie metodą prób i błędów oraz wykorzystanie opóźnionego wzmocnienia) sprawiają, że RL doskonale nadaje się do zastosowania w trudnych problemach sterowania konstrukcjami. Okazuje się jednak, że RL jest w tym obszarze w dużym stopniu ignorowany! Dotychczas opublikowano zaledwie kilka prac, które – choć pionierskie – są ograniczone i dotyczą sterowania aktywnego oraz relatywnie prostych konstrukcji lub architektur RL. Celem projektu jest wypełnienie tej luki.

Planowane badania: Zamiast projektować algorytmy sterowania wprost, wykorzystamy techniki RL do autonomicznej nauki algorytmów metodą prób i błędów, poprzez wielokrotną interakcję z symulowanymi środowiskami wirtualnymi. Podstawowe narzędzia algorytmiczne zbudujemy zaczynają cod prostych konstrukcji i celów sterowania. Następnie rozważymy zdecentralizowane sterowanie konstrukcjami modularnymi i uogólnimy algorytmy w taki sposób, by były skuteczne w różnych geometrycznych konfiguracjach modułów oraz wykorzystywały czujniki jedynie ze swojego najbliższego otoczenia. Doprowadzi to do sterowanych konstrukcji modularnych z modułami typu „plug-and-play”. Dalszym celem będzie opracowanie sterowania na tyle odpornego na błędy, by być stosowalne do konstrukcji rzeczywistych. W trakcie badań dostosujemy, zaproponujemy i wykorzystamy szereg koncepcji: uczenie i sterowanie zespołowe, architekturę typu „actor-critic” itp. Efektywność algorytmów zostanie oceniona numerycznie i eksperymentalnie oraz porównana do wybranych algorytmów klasycznych.

Najważniejsze spodziewane efekty: Drgania konstrukcji to problem powszechny. Projekt przyczyni się do powstania efektywnych, lekkich i bezpiecznych konstrukcji poprzez opracowanie odpornych algorytmów energooszczędnego sterowania półaktywnego. W szczególności opracujemy:

• Nowe techniki RL uczące się odpornych algorytmów sterowania, stosowalnych globalnie i lokalnie do złożonych konstrukcji, w tym konstrukcji modularnych.
• Nowe algorytmy półaktywnego sterowania konstrukcjami.
• Specyficzne techniki RL promujące uogólnione, odporne algorytmy sterowania (uczenie i sterowanie zespołowe).

Spodziewamy się osiągnąć wartościowe i oryginalne wyniki publikowalne w najlepszych światowych czasopismach naukowych w obszarze mechaniki konstrukcji, konstrukcji inteligentnych i sterowania konstrukcjami.

2. Projekt OPUS pt.: NOWA GENERACJA SENSORÓW, BIOSENSORÓW I CHEMOSENSORÓW FALI LOVE'A O GIGANTYCZNEJ CZUŁOŚCI OPARTYCH O WYKORZYSTANIE METAMATERIAŁÓW

kierownik: dr hab. Piotr Kiełczyński, prof. IPPT PAN

W proponowanym projekcie autor poszukuje rozwiązania nowych pojawiających się problemów teoretycznych i praktycznych, wynikających z obecnego stanu sensorów ultradźwiękowych oraz rozwoju nowego rewolucyjnego rodzaju materiałów, zwanych metamateriałami. Większość nowoczesnych sensorów ultradźwiękowych wielkości fizycznych (np. lepkości), biosensorówi chemosensorów wykorzystuje mechaniczne fale powierzchniowe typu Love. Maksymalna czułość masowa istniejących czujników fal Love’a (S≈500 m^2⁄kg) zbliżyła się do poziomu nasycenia, ponieważ jej wielkość została osiągnięta głównie poprzez zwiększenie częstotliwości roboczej czujnika do ekstremalnie wysokich wartości ~ 1 GHz. Dalsze zwiększanie częstotliwości nie wchodzi w grę. Aby rozwiązać ten impas, autor projektu proponuje zastosowanie zupełnie nowego podejścia teoretycznego i eksperymentalnego poprzez zastosowanie niedawno odkrytych, nowatorskich materiałów rewolucyjnych, zwanych metamateriałami, o ich niezwykłych właściwościach, takich jak ujemna gęstość masy i moduł sprężystości. Przewidujemy, że czujniki fal miłości oparte na metamateriałach powinny być wielokrotnie (100-1000) bardziej czułe przy 1 MHz, niż istniejące czujniki fal Love’a, w punkcie pracy ~ 500 MHz. Celem naukowym proponowanego projektu jest opracowanie podstaw teoretycznych i modelu matematycznego fal powierzchniowych Love propagujących się w warstwowych falowodach metamateriałowych, stanowiących podstawę do dalszego rozwoju nowych czujników fal Love’ao niezwykle wysokich czułościach. Będzie to przełom, który może zrewolucjonizować projektowanie i konstrukcję czujników, biosensorów i chemosensorów pracujących w środowisku ciekłym i gazowym. Proponowany projekt stanowi zatem pionierski wkład w podstawowe badania nad metamateriałami i technologię czujników ultradźwiękowych. Teoria fal powierzchniowych miłości propagujących się w falowodach warstwowych metamateriałów (Direct and Inverse Sturm-Liouville Problems) nie została jeszcze przedstawiona w literaturze, dlatego proponowany projekt stanowi nowość światową, z teoretycznego oraz eksperymentalnego punktu widzenia. Metamateriały charakteryzują się zupełnie nieoczekiwanymi i niezwykłymi nowymi właściwościami, nieistniejącymi w konwencjonalnych materiałach, takimi jak ujemna efektywna gęstość masy o charakterze tensorycznym, ujemny efektywny moduł sprężystości, ujemny współczynnik Poissona, niewidzialność (maskowanie), superogniskowanie, super rozdzielczość , odwrotny efekt Dopplera, transmisja przez ultra-wąskie kanały, doskonałe absorbery fal itp. Fale Love’a sąto elastyczne fale powierzchniowe rozchodzące się w falowodach złożonych z elastycznej warstwy powierzchniowej osadzonej na elastycznym podłożu. W przypadku obciążenia na powierzchni lepko sprężystą cieczą lub gęstością masową ∆σ, prędkość fazowa i tłumienie fali Love’a zmieni się o ∆v i ∆α. Współczynnik czułości sensora fali Love’a w odniesieniu do obciążenia masowego definiuje się jako S = ∆v / ∆σ/ v. Autor projektu postawił następujące hipotezy badawcze: 1. Czujniki fal Love’a oparte na metamateriałach mogą osiągać gigantyczne czułości przy rozsądnie niskich częstotliwościach roboczych ~ 1 MHz (nie przy 500 MHz), 2. Przepływ mocy P1 w warstwie powierzchniowej (metamateriał) oraz P2 w podłożu (metamateriał) jest antyrównoległa, 3. integralność fali powierzchniowej Love jest zachowana, czoło fali jest ciągłe, 4. właściwy dobór parametrów metamateriału doprowadzi do zniesienia całkowitego przepływu mocy P = (P1 + P2 ) → 0. Proponowany projekt jest bardzo ambitny i wysoce innowacyjny z ogromnym potencjałem nowych, wymagających zastosowań, takich jak wykrywanie nanoskopowej ilości wirusów i bakterii lub resztkowych stężeń środków bojowych i leków. W pierwszym kroku musimy opracować od podstaw teorię fal powierzchniowych Love propagujących się w elastycznych falowodach z metamateriałów (badania podstawowe). Następnie będziemy musieli odpowiedzieć na wiele pytań bez odpowiedzi, dotyczących możliwych granic prędkości fazowej i prędkości energii fali Love’a (czy prędkość grupowa →0?), kierunków przepływu mocy w warstwie powierzchniowej (metamateriał) i podłożu (metamateriał), wpływ strat na krzywe dyspersji, całkowity przepływ mocy P itp.

3. Projekt OPUS pt.: HETEROGENICZNOŚĆ MIĘDZYKOMÓRKOWA KRZYŻOWEJ SYGNALIZACJI CYTOKIN: WYPEŁNIANIE LUK POMIĘDZY MOLEKULARNYMI ŹRÓDŁAMI A IMPLIKACJAMI TRANSLACYJNYMI

kierownik: dr hab. Michał Komorowski, prof. IPPT PAN

W organizmach wielokomórkowych, takich jak organizm ludzki, biliony komórek wielu różnych typów komórek komunikują się ze sobą, uwalniając tysiące typów cząsteczek, takich jak hormony, czynniki wzrostu, cytokiny lub chemokiny, aby koordynować organizm we wszystkich aspektach jego funkcji. Funkcjonowanie sygnalizacji biochemicznej jest jednak niezgodne z zasadami inżynierii komunikacyjnej. Na przykład inżynier projektujący system komunikacyjny użyłby kilku różnych elementów sygnalizacyjnych, zapewniając jednocześnie wysoką powtarzalność sygnału wyjściowego każdego elementu. Naturalna ewolucja przyniosła inne rozwiązanie: komórki mają wiele wzajemnie połączonych, skrzyżowanych ścieżek, które wytwarzają bardzo zmienne sygnały wyjściowe. W jaki sposób komórki mogą niezawodnie funkcjonować przy bardzo zmiennych wyjściach sygnalizacyjnych? Jakie jest wyjaśnienie architektury krzyżowej? Jakie są konsekwencje zmiennej sygnalizacji w krzyżowej architekturze dla zdrowia i choroby? Te pytania odzwierciedlają luki w naszym zrozumieniu działania sygnalizacji komórkowej.

W powszechnym przekonaniu wysoce zmienne sygnały wyjściowe pojedynczych komórek wynikają ze stochastyczności (szum molekularny) - a nie czynników deterministycznych - i dlatego zmniejszają precyzję sygnalizacji. W naszej ostatniej pracy, wykorzystującej syncytia dwujądrowe, wykazaliśmy, że mniej niż10% heterogeniczności między komórkami w odpowiedzi na cytokiny można przypisać szumowi szlaku sygnałowego wewnątrz komórki. Pozostałe 90% heterogeniczności między komórkami wynika ze zmienności fenotypowej. Co więcej, w naszej wcześniejszej pracy teoretycznej zasugerowaliśmy, że ekspansja komponentów sygnalizacyjnych, czy to receptorów, czy efektorów sygnałowych, poprzez powielanie i pozyskiwanie swobodnie działających sygnałów jest praktycznie jedyną dostępną strategią ewolucyjną mającą na celu osiągnięcie ogólnie wysokiej zdolności sygnalizacyjnej pomimo szumu molekularnego i niskich specyficzności. Ten sposób ekspansji wyjaśnia wysoce krzyżową architekturę ścieżek sygnałowych. Ponadto ostatnio zastosowaliśmy modelowanie probabilistyczne i teorię informacji, aby zaproponować analizę odpowiedzi frakcyjnej (FRA), która umożliwia systematyczne badanie struktury heterogeniczności między komórkami dla danych wielowymiarowych i wysokoprzepustowych w szerokim zakresie sytuacji, w których istotna jest analiza odpowiedzi w pojedynczych komórkach.

Głównym celem tego projektu jest podążanie ścieżkami badawczymi, które otworzyły nasze ostatnie prace, w celu rozwiązania konkretnych, długotrwałych problemów w sygnalizacji komórkowej:

• Cel 1: Scharakteryzowanie determinantów heterogeniczności komórkowej w odpowiedzi cytokinowej;
• Cel 2: Odkrycie sił ewolucyjnych, które mogły wpłynąć na ukształtowani krzyżowej architektury;
• Cel 3: Zbadanie wpływu starzenia się na odpowiedź cytokinową heterogeniczności komórkowej;
• Cel 4: Zbadanie wpływu heterogeniczności między komórkami na skuteczność hamowania pojedynczych komórek w komórkach nowotworowych zależnych od sygnalizacji EGF.

Dokładne implikacje zmienności międzykomórkowej i krzyżowej architektury szlaków sygnałowych dla zrozumienia funkcjonowania komórek, a także dla etiologii i leczenia chorób u ludzi dopiero zaczynają być poznawane. Na przykład najnowsze dowody ujawniły, że zmienność ekspresji genów między komórkami wzrasta wraz ze starzeniem. Poza tym w farmakologii zmienność międzykomórkowa działa jak katalizator zmiany paradygmatu w badaniach przedklinicznych, poprzez coraz większe uwzględnienie pomiarów pojedynczych komórek. Na przykład w przypadku raka częściowe zabijanie lub niecałkowite zahamowanie wzrostu klonalnych komórek nowotworowych jest poważnym problemem, którego nie można zbadać za pomocą pomiarów populacyjnych. Proponowany program badawczy ma na celu wypełnienie pewnych luk w naszym zrozumieniu, w jaki sposób należy uwzględnić heterogeniczność międzykomórkową i architekturę krzyżową, dążąc do zrozumienia funkcjonowania komórkowych systemów sygnalizacyjnych. W szczególności spodziewamy się wyjaśnienia, jakie czynniki determinują odpowiedzi poszczególnych komórek na stymulację na cytokiny, a także dostarczenia informacji na temat tego, jakie siły mogły ukształtować krzyżową architekturę sygnalizacji. Ponadto nasze wyniki mają na celu poznanie, w jaki sposób starzenie się zmienia heterogeniczność komórkową w odpowiedzi na cytokiny, tak aby w przyszłości heterogeniczność międzykomórkowa mogła przekształcić się w cechę ilościową porównywalną dla różnych osób oraz jako biomarker starzenia się lub podatności immunologicznej. Ponadto nasze eksperymenty mogą dostarczyć cennych informacji, które pozwolą na bardziej efektywny przedkliniczny rozwoju interwencji terapeutycznych w przekazywaniu sygnałów.