Декомпозиционно-ориентированная структура для совместной оптимизации и пространственной упаковки взаимосвязанных систем с физическими взаимодействиями

Взаимосвязи структура-свойство являются основополагающими для биологии, химии и науки о материалах, где функция, реактивность и физический ответ возникают из пространственной, химической и периодической организации. Механистическое объяснение этих взаимосвязей требует интерпретации структурных доказательств с помощью научных принципов и физических ограничений, начиная с стереохимии и связи и заканчивая симметрией, энергиями и периодическим порядком. Однако применение искусственного интеллекта к этому процессу представляет собой общую задачу представления и логического вывода: модели должны сохранять информацию о структурах, характерную для области, и демонстрировать, как конкретные доказательства поддерживают предсказания в этих рамках. Здесь мы представляем SciReasoner, многомодальную научную модель, основанную на native структурной логике, охватывающую белки, небольшие молекулы и неорганические кристаллы. SciReasoner дискретизирует координаты, топологии и периодические связи в единый словарь, учитывающий структуру, рассматривая структурные токены как адресуемые единицы доказательства во время логического вывода. В контролируемом по гомологии прогнозировании систематики генов SciReasoner улучшает аннотацию клеточных компонентов для белков с низкой гомологией и сиротоподобных белков, увеличивая $F_{\max}$ с 0.42 до 0.55. В химии он увеличивает точность одностадийного ретросинтеза с 0.63 до 0.72, генерируя следы разрыва на уровне фрагментов и проверки предшественников. В науке о материалах его представления разделяют элементарные и композитные фазы и разрешают режимы с высоким и низким энергетическим зазором. По 86 тестовым задачам SciReasoner достигает лучших в своем классе результатов по 67 задачам. Двойная слепая экспертная оценка оценивала его логические следы как предпочтительные или хотя бы сопоставимые с таковыми у модели большого языка передового уровня в 98% случаев. Делая структуру проверяемым субстратом для логического вывода в рамках научных ограничений, SciReasoner связывает точное предсказание с интерпретируемым научным выводом.

Обнаружение падений имеет важное значение для ухода за пожилыми людьми и интеллектуального наблюдения; однако существующие подходы на основе компьютерного зрения в основном рассматривают его как классификацию статической позы или сопоставление дискретных временных шаблонов, в корне упуская нестабильную динамику человеческой опорной системы. В данной статье предлагается основанная на физике структура для обнаружения падений, которая трактует падение как событие утраты устойчивости в связанной динамической системе. Мы вводим новую архитектуру двойной LTC, состоящую из подсистемы центра масс (CoM) и подсистемы базы поддержки (BoS), обе реализованы как нейронные сети с жидкими временными константами (LTC), которые непрерывно моделируют эволюцию инерциальной траектории и адаптацию к контакту с землёй с помощью адаптивных временных констант. Физическая интерпретируемость движения при падении. Обучаемый модуль связывания имитирует физическое взаимодействие между двумя подсистемами, в то время как классификатор стабильности Manifold работает в объединённом латентном пространстве для обнаружения пересечения границы через метрики стабильности, вдохновлённые методом Ляпунова. Дополнительное проецирование контрфактической траектории и оценка времени до столкновения (TTC) дальше позволяют оценить необратимость и осуществить раннее предупреждение. Архитектура разработана для поддержки парадигмы предсказания с тремя состояниями (Нормально, Падает, Упал); в этом предварительном исследовании мы проверяем основную способность различения стабильности на датасете из двух классов (Нормально против Падает), оставляя полную трехстадийную временную трансформацию для будущей работы. В отличие от традиционных конвейеров CNN-RNN, предлагаемая формулировка кодирует механическую инерцию непрерывного времени, что позволяет создать сеть с менее чем 50 тыс. параметров, способную выполнять вывод в реальном времени на устройствах с ограниченными ресурсами. Обширные эксперименты демонстрируют конкурентоспособную точность с превосходной физической интерпретируемостью, подтверждая её эффективность для визуального обнаружения падений при низких вычислительных затратах.

Пространственная и одноклеточная транскриптомика являются трансформирующими подходами в расшифровке клеточной динамики. Поскольку основной парадигмой для реконструкции путей развития клеток является вывод траекторий, этот процесс критически важен. Однако существующие методы требуют значительного ручного вмешательства и знаний о разнородных инструментах, что создает значительные барьеры для эффективного анализа траекторий. Чтобы преодолеть этот разрыв, мы предлагаем SpaCellAgent — автономную многоагентную структуру, которая автоматизирует анализ спатиовременных данных и генерацию нарративов от начала до конца. SpaCellAgent использует многоагентную архитектуру для стратегического планирования рабочего процесса, динамический движок оркестровки инструментов для адаптивного выбора алгоритмов и модуль самоэволюции, который поэтапно уточняет производительность на основе обратной связи. Мы оцениваем SpaCellAgent на шести разнородных наборах данных, охватывающих сложные временные траектории развития, различные платформы секвенирования и пространственно разрешенные архитектуры тканей. SpaCellAgent последовательно демонстрирует улучшение аналитической эффективности более чем на 40% при сохранении производительности, соответствующей экспертным стандартам. Конвертируя спецификации на естественном языке в оптимизированные аналитические рабочие процессы и полностью автоматизируя конвейер, SpaCellAgent демократизирует продвинутое спатиовременное моделирование и устанавливает масштабируемую, управляемую агентами парадигму для вычислительной биологии. Код и материалы доступны по адресу https://github.com/LittleXH-shw/SpaCellAgent.

Динамический оптимальный транспорт объединяет оптимальный транспорт, механику жидкостей и теорию градиентного течения в рамках непрерывной динамики, предлагая язык, учитывающий геометрию, для применения в физике, биологии и машинном обучении. Однако традиционные формулировки рассматривают его как задачу ограниченной оптимизации, которая должна явно удовлетворять уравнению сохранения массы, что затрудняет реконструкцию базовой динамики напрямую из данных. Мы предлагаем энергетический вариационный метод для динамического оптимального транспорта (EVMDOT), который реформулирует проблему в рамках энергетической вариационной теории, сочетая карту потока, принцип наименьшего действия и принцип максимальной диссипации. Карта потока преобразует ограниченную задачу в неограниченную, автоматически обеспечивая выполнение уравнения сохранения массы, в то время как баланс между консервативными и диссипативными силами определяет поле скоростей. Примененный к уравнению Фоккера-Планка, EVMDOT восстанавливает как энергетический ландшафт, так и ландшафт Уаддингтона напрямую из временных данными о плотности. В ходе численных экспериментов мы выяснили, что EVMDOT достигает внутреннего баланса между количеством и качеством данных: достаточное количество данных компенсирует ограниченное качество данных, что делает реконструкцию устойчивой к выбору окна наблюдения. Мы также применили EVMDOT к набору данных Инициативы нейровизуализации болезни Альцгеймера (ADNI) для вывода потенциального ландшафта амилоидного бета и тау, выявляя два минимума, соответствующих когнитивно нормальному состоянию и стадии болезни Альцгеймера, а также переходный путь между ними.

Реакционно-диффузионные системы могут создавать пространственные шаблоны, такие как полосы и пятна, благодаря нестабильности, вызванной диффузией. Управление этими шаблонами от одной конфигурации к другой можно сформулировать как задачу оптимального управления. Когда управление осуществляется на всей пространственной области, условия существования и оптимальности хорошо изучены. Тем не менее, на практике управление может действовать только на части области. Рассматривая реакционно-диффузионную систему Nodal-Lefty в качестве примера, мы анализируем ситуацию, когда управление ограничено подсистемой. Мы выводим явную верхнюю границу потерь оптимальности, определяемую как разница между оптимальной стоимостью подсистемы и полной оптимальной стоимостью. Исходя из этой границы, мы получаем явную формулу для минимального размера области управления, необходимого для достижения целевого шаблона с заданной точностью. Мы также рассматриваем случай, когда управление распределено по нескольким несоединенным регионам вместо одного, с той же общей площадью, и доказываем, что распределенная конфигурация дает более строгую границу при естественных условиях на пространственную структуру цели. Численные иллюстрации подтверждают теоретические результаты и показывают, что область управления, охватывающая примерно сорок процентов области, достаточна для изменения системы от полос к пятнам с высокой точностью.

Гипероднородные системы, определяемые аномальным подавлением крупномасштабных флуктуаций плотности, являются парадигмой неравновесной самоорганизации. Хотя механизмы, лежащие в основе самоорганизации гипероднородных состояний, были широко изучены, энергетика этого процесса остается неизученной. Это поднимает фундаментальный вопрос: какова энергетическая стоимость самоорганизации гипероднородной системы? В нашей работе мы рассматриваем этот вопрос на нескольких системах с шариками, подверженных шуму, взятых из области мягких материалов и машинного обучения, в которых гипероднородность может быть вызвана настройкой корреляций шума. Несмотря на их различные микроскопические динамики, мы выявляем универсальное поведение во всех системах: гипероднородные состояния являются максимально необратимыми, что количественно определяется скоростью производства энтропии. Кроме того, мы разрабатываем формулировку интеграла по траектории для скорости производства энтропии, основанную непосредственно на микроскопической динамике, что объясняет наши наблюдения. Наша работа устанавливает прямую связь между возникающей длинноRange структурой и временной необратимостью и открывает новый путь к исследованию энергетических затрат гипероднородной самоорганизации, которая повсеместно встречается в физике, биологии и материаловедении.