Техника позволяет оценить силу, действующую на каждую песчинку в дюне

Бразильские исследователи разработали методику, которая по изображениям оценивает силу, действующую на каждую песчинку в дюне. Этот метод, основанный на численном моделировании и искусственном интеллекте (ИИ), преобразует изучение динамики гранулярных систем и открывает путь к исследованию ранее неизмеряемых физических процессов. Области применения варьируются от гражданского строительства до исследования космоса.

Исследование сосредоточилось на «барханных дюнах» — серповидных структурах, острия которых ориентированы по направлению ветра или потока воды. Несмотря на огромную разницу в масштабах — от лабораторных 10 сантиметров до марсианских в 1 километр — их динамика очень схожа. Однако прямое измерение силы на каждом зерне (от 100 тысяч в лаборатории до 10¹⁷ на Марсе) было невозможным.

Решение заключалось в сочетании экспериментов с подводными дюнами и высокоточных 3D-симуляций, которые рассчитывают динамику каждого зерна. Эти симуляции создают карты сил, недоступные для прямого измерения. Затем реальные изображения дюн сопоставлялись с картами сил из симуляций, и на этой основе обучалась сверточная нейронная сеть (CNN) для оценки результирующих сил по обычным снимкам. Сеть смогла обобщить предсказания даже для форм, которые ранее не видела.

Методология применима не только к песку, но и к любым гранулярным системам (лёд, соль, синтетические частицы), если есть точная симуляция их поведения. Техника может быть адаптирована для изучения речного заиления, эрозии пляжей, перемещения песка в портах и промышленных стоков, что поможет прогнозировать и смягчать ущерб. В случае Марса она позволяет по доступным изображениям оценить интенсивность ветров в прошлом и эволюцию дюн в будущем.