Illinois team significantly improves BioCro software for growing virtual crops

ENG: A team from the University of Illinois has revamped the popular crop growth simulation software BioCro, making it a more user-friendly and efficient way to predict crop yield. The updated version, BioCro II, allows modelers to use the technology much more easily and includes faster and more accurate algorithms.

Credit: University of Illinois

“In the original BioCro, all the math that the modelers were using was mixed into the programming language, which many people weren’t familiar with, so it was easy to make mistakes,” said Justin McGrath, a Research Plant Physiologist for the U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS) at Illinois. “BioCro II separates those so modelers can do less programming and can instead focus on the equations.”

Separating the equations from the programming language allows researchers to try new simulations more easily. For example, if a project is looking at how a gene can help plants to use light more efficiently, the equations for that specific gene can be added to existing models, rather than having to change the entire model to include the new information. This development also allows for the software to operate well with other models, a large improvement from the original BioCro.

RO: O echipă de la Universitatea din Illinois a modernizat popularul software de simulare a creșterii culturilor BioCro, făcându-l mai ușor de utilizat și mai eficient în prezicerea randamentului culturilor. Versiunea actualizată, BioCro II, permite modelatorilor să utilizeze tehnologia mult mai ușor și include algoritmi mai rapizi și mai preciși.

“În versiunea originală a BioCro, toate calculele matematice pe care le foloseau modelatorii erau amestecate în limbajul de programare, cu care mulți oameni nu erau familiarizați, astfel încât greșelile se făceau ușor”, a declarat Justin McGrath, cercetător în domeniul fiziologiei plantelor pentru Departamentul de Agricultură al SUA, Serviciul de Cercetare Agricolă (USDA-ARS) din Illinois. “BioCro II le separă pe acestea, astfel încât modelatorii pot face mai puțină programare și se pot concentra în schimb pe ecuații.”

Separarea ecuațiilor de limbajul de programare le permite cercetătorilor să încerce mai ușor noi simulări. De exemplu, dacă un proiect analizează modul în care o genă poate ajuta plantele să utilizeze lumina mai eficient, ecuațiile pentru acea genă specifică pot fi adăugate la modelele existente, în loc să fie nevoie să se modifice întregul model pentru a include noile informații. Această dezvoltare permite, de asemenea, ca software-ul să funcționeze bine cu alte modele, ceea ce reprezintă o mare îmbunătățire față de BioCro original.

Source (RIPE, Illinois team significantly improves BioCro software for growing virtual crops, 28.02.2022)

Paper: Lochocki, E.B., Rohde, S., Jaiswal, D., Matthews, M.L., Miguez, F., Long, S.P. and McGrath, J.M., 2022. BioCro II: a software package for modular crop growth simulations. in silico Plants4(1), p.diac003.

DIY Digital Archaeology: New Methods for Visualizing Small Objects and Artefacts

ENG: The ability to visually represent artefacts, whether inorganics like stone, ceramic and metal, or organics such as bone and plant material, has always been of great importance to the field of anthropology and archaeology. Digital photography is the most commonly used method of visual representation, but despite its speed and efficiency, it often fails to faithfully represent the artefact being studied. In recent years, 3-D scanning has emerged as an alternative source of high-quality visualizations, but the cost of the equipment and the time needed to produce a model are often prohibitive.

Credit: Jacopo Niccolò Cerasoni

Now, a paper published in PLOS ONE presents two new methods for producing high-resolution visualizations of small artefacts, each achievable with basic software and equipment. Using expertise from fields which include archaeological science, computer graphics and video game development, the methods are designed to allow anyone to produce high-quality images and models with minimal effort and cost.

The first method, Small Object and Artefact Photography or SOAP, deals with the photographic application of modern digital techniques. The protocol guides users through small object and artefact photography from the initial set up of the equipment to the best methods for camera handling and functionality and the application of post-processing softwares.

The second method, High Resolution Photogrammetry or HRP, is used for the photographic capturing, digital reconstruction and three-dimensional modelling of small objects. This method aims to give a comprehensive guide for the development of high-resolution 3D models, merging well-known techniques used in academic and computer graphic fields, allowing anyone to independently produce high resolution and quantifiable models.

The SOAP and HRP protocols were developed using Adobe Camera Raw, Adobe Photoshop, RawDigger, DxO Photolab, and RealityCapture.

RO: Capacitatea de a reprezenta vizual artefacte, fie ele anorganice, cum ar fi piatra, ceramica și metalul, sau organice, cum ar fi osul și materialul vegetal, a fost întotdeauna de mare importanță pentru domeniul antropologiei și arheologiei. Fotografia digitală este cea mai frecvent utilizată metodă de reprezentare vizuală, dar deseori nu reușește să reprezinte cu fidelitate artefactul studiat în ciuda vitezei și eficienței sale. În ultimii ani, scanarea 3D a apărut ca o sursă alternativă de vizualizări de înaltă calitate, dar costul echipamentului și timpul necesar pentru a produce un model sunt adesea prohibitive.

Acum, o lucrare publicată în PLOS ONE prezintă două noi metode pentru producerea de vizualizări de înaltă rezoluție ale artefactelor mici, fiecare dintre ele realizabilă cu ajutorul unui software și al unui echipament de bază. Folosind expertiză din domenii care includ știința arheologică, grafica pe calculator și dezvoltarea de jocuri video, metodele sunt concepute pentru a permite oricui să producă imagini și modele de înaltă calitate cu efort și costuri minime.

Prima metodă, “Small Object and Artefact Photography” sau SOAP, se referă la aplicarea fotografică a tehnicilor digitale moderne. Protocolul îi ghidează pe utilizatori prin fotografierea obiectelor și artefactelor de mici dimensiuni, de la configurarea inițială a echipamentului până la cele mai bune metode de manipulare a aparatului foto și aplicarea softurilor de postprocesare.

Cea de-a doua metodă, fotogrammetria de înaltă rezoluție sau HRP, este utilizată pentru captarea fotografică, reconstrucția digitală și modelarea tridimensională a obiectelor mici. Această metodă își propune să ofere un ghid cuprinzător pentru dezvoltarea modelelor 3D de înaltă rezoluție, îmbinând tehnici bine cunoscute utilizate în domeniul academic și în cel al graficii computerizate, permițând oricui să producă în mod independent modele de înaltă rezoluție și cuantificabile.

Protocoalele SOAP și HRP au fost dezvoltate cu ajutorul Adobe Camera Raw, Adobe Photoshop, RawDigger, DxO Photolab și RealityCapture.

Source (Max Planck Institute, “DIY Digital Archaeology: New Methods for Visualizing Small Objects and Artefacts”, 13.04.2022)

Virtual reality tool to be used in the fight against disease

ENG: Advanced techniques in DNA and RNA sequencing have opened up the possibility of studying individual cells in tissue in a more comprehensive way than was previously possible. The big challenge with these sequencing techniques is that they lead to large amounts of data. To make this data comprehensible, each cell is mathematically positioned in three-dimensional space to form a “roadmap” of the cells, and how they relate to each other. However, these maps can be difficult to navigate using a regular desktop computer.

The Lund University team have developed the software CellexalVR; a virtual reality environment that enables researchers to use intuitive tools to explore all their data in one place. 3D maps of cells that have been calculated from gene activity and other information captured from individual cells can be displayed, and the researcher can clearly see which genes are active when certain cell types are formed. Using a VR headset, the user has a complete universe of cell populations in front of them, and can more accurately determine how cells relate to one another. Using two hand controllers, they can select cells of interest for further analysis with simple hand gestures as if they were physical objects. Since space is not an issue, it is possible to have several cellular maps in the same “room” and compare them side by side, something that is difficult on a traditional computer screen. Researchers can also meet in this VR world to analyse data together, despite being in different places geographically.

“Even if you are not familiar with computer programming, this type of analysis is open to everyone. A virtual world is a fast developing area of research that has enormous potential for scientists that need to access and process big-data in a more interactive and collaborative way”, concludes Shamit Soneji, researcher in computational biology at Lund University.

RO: Tehnicile avansate de secvențiere a ADN-ului și ARN-ului au deschis posibilitatea de a studia celulele individuale din țesuturi într-un mod mai cuprinzător decât era posibil până acum. Marea provocare a acestor tehnici de secvențiere este că ele conduc la cantități mari de date. Pentru a face aceste date inteligibile, fiecare celulă este poziționată matematic în spațiul tridimensional pentru a forma o “hartă” a celulelor și a modului în care acestea relaționează între ele. Cu toate acestea, aceste hărți pot fi dificil de navigat cu ajutorul unui calculator obișnuit.

Echipa de la Universitatea Lund a dezvoltat software-ul CellexalVR; un mediu de realitate virtuală care permite cercetătorilor să utilizeze instrumente intuitive pentru a explora toate datele într-un singur loc. Pot fi afișate hărți 3D ale celulelor care au fost calculate pe baza activității genelor și a altor informații capturate de la celule individuale, iar cercetătorul poate vedea clar ce gene sunt active atunci când se formează anumite tipuri de celule. Cu ajutorul unui set de căști VR, utilizatorul are în față un univers complet de populații de celule și poate determina cu mai multă precizie modul în care celulele relaționează între ele. Cu ajutorul a două controllere de mână, aceștia pot selecta celulele de interes pentru o analiză ulterioară cu ajutorul unor gesturi simple ale mâinilor, ca și cum ar fi obiecte fizice. Deoarece spațiul nu este o problemă, este posibil să existe mai multe hărți celulare în aceeași “cameră” și să fie comparate una lângă alta, ceea ce este dificil pe un ecran de computer tradițional. De asemenea, cercetătorii se pot întâlni în această lume virtuală pentru a analiza datele împreună, în ciuda faptului că se află în locuri diferite din punct de vedere geografic.

“Chiar dacă nu sunteți familiarizați cu programarea pe calculator, acest tip de analiză este disponibilă tuturor. O lume virtuală este un domeniu de cercetare în plină dezvoltare care are un potențial enorm pentru oamenii de știință care au nevoie să acceseze și să proceseze data într-un mod mai interactiv și mai colaborativ”, conchide Shamit Soneji, cercetător în domeniul biologiei computaționale la Universitatea Lund.

Source (Lund University, “WATCH: Virtual reality tool to be used in the fight against disease”, 23.11.2021)

Paper: Legetth, O., Rodhe, J., Lang, S., Dhapola, P., Wallergård, M. and Soneji, S., 2021. CellexalVR: A virtual reality platform to visualize and analyze single-cell omics data. IScience24(11), p.103251.

New Technique Offers Faster Security for Non-Volatile Memory Tech

ENG: Researchers have developed a technique that leverages hardware and software to improve file system security for next-generation memory technologies called non-volatile memories (NVMs). The new encryption technique also permits faster performance than existing software security technologies.

Credit: Glenn Carstens-Peters.

Traditionally, computers use two types of data storage. Dynamic random access memory (DRAM) allows quick access to stored data, but will lose that data if the system crashes. Long-term storage technologies, such as hard drives, are good at retaining data even if a system loses power – but store the data in a way that makes it slower to access. NVMs combine the best features of both technologies. However, securing files on NVM devices can be challenging. Existing methods for file system encryption use software, which is not particularly fast. Historically, this wasn’t a problem because the technologies for accessing file data from long-term storage devices weren’t particularly fast either.

“But now that NVMs are allowing faster access to file data, the software approach to file encryption has become a problem, because it slows down overall operations,” Abu Zubair says. “To address this challenge, we’ve developed a novel architecture that incorporates some elements of the encryption and decryption process into hardware, which is faster than software. As a result, processes that allow users to store and retrieve file data securely are significantly faster.”

In simulations, the researchers found that using their novel encryption architecture to secure files in NVMs slowed down operations by 3.8%, when running workloads that were representative of real-world applications. When using software approaches to provide security for the same workloads, operations slowed by about 200%. “If this was implemented in commercial processors, it would significantly improve performance for secure file operation in large data centers and cloud systems,” Abu Zubair says.

RO: Cercetătorii au dezvoltat o tehnică care utilizează hardware și software pentru a îmbunătăți securitatea sistemului de fișiere pentru tehnologiile de memorie de ultimă generație, numite memorii non-volatile (NVM). Noua tehnică de criptare permite o performanță mai rapidă decât tehnologiile de securitate software existente.

În mod tradițional, computerele folosesc două tipuri de stocare a datelor. Memoria dinamică cu acces aleatoriu (DRAM) permite accesul rapid la datele stocate, dar va pierde aceste date dacă sistemul se blochează. Tehnologiile de stocare pe termen lung, cum ar fi hard disk-urile, sunt bune pentru a păstra datele chiar dacă un sistem pierde energie – dar stochează datele într-un mod care face ca accesul la ele să fie mai lent. NVM-urile combină cele mai bune caracteristici ale ambelor tehnologii. Cu toate acestea, securizarea fișierelor pe dispozitivele NVM poate fi o provocare. Metodele existente de criptare a sistemului de fișiere utilizează software, care nu este deosebit de rapid. Din punct de vedere istoric, acest lucru nu a fost o problemă, deoarece nici tehnologiile de accesare a datelor din fișiere de pe dispozitivele de stocare pe termen lung nu erau deosebit de rapide.

“Dar acum, când NVM-urile permit un acces mai rapid la datele din fișiere, abordarea software pentru criptarea fișierelor a devenit o problemă, deoarece încetinește operațiunile generale”, spune Abu Zubair. “Pentru a aborda această provocare, am dezvoltat o arhitectură nouă care încorporează unele elemente ale procesului de criptare și decriptare în hardware, care este mai rapid decât software-ul. Ca urmare, procesele care permit utilizatorilor să stocheze în siguranță și să recupereze date din fișiere sunt semnificativ mai rapide.”

În cadrul simulărilor, cercetătorii au constatat că utilizarea noii arhitecturi de criptare pentru a securiza fișierele din NVM-uri a încetinit operațiunile cu 3,8%, atunci când au rulat sarcini de lucru reprezentative pentru aplicațiile din lumea reală. Atunci când se utilizează abordări software pentru a asigura securitatea acelorași sarcini de lucru, operațiunile au încetinit cu aproximativ 200%. “Dacă acest lucru ar fi implementat în procesoarele comerciale, ar îmbunătăți semnificativ performanța pentru operarea securizată a fișierelor în centrele de date mari și în sistemele cloud”, spune Abu Zubair.

Source (Matt Shipman, News NCSU, New Technique Offers Faster Security for Non-Volatile Memory Tech, 05.04.2022)

Paper: Kazi Abu Zubair and Amro Awad, North Carolina State University; David Mohaisen, University of Central Florida, “Filesystem Encryption or Direct-Access for NVM Filesystems? Let’s Have Both!,”, 28th IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA-22)

Desensitisation

Fragmente extrase din Manfred Spitzer, 2020. Demența digitală: Cum ne tulbură mintea noile tehnologii. Humanitas SA, capitolul 8. Jocuri digitale: note proaste, pag. 171-173, 176-177.

RO: “În ce privește empatia, trebuie amintit următorul studiu experimental al psihologilor americani Brad Bushman și Craig Anderson despre efectele violenței mediatice asupra comportamentului uman. Lucrarea lor are titlul Comfortably Numb (Confortabil insensibili). La un experiment de laborator au participat 320 de studenți egal împărțiți pe sexe, care au fost supuși următoarei proceduri: mai întâi li s‑a spus că e vorba de un experiment menit să stabilească ce jocuri preferă tinerii. Fiecărui student îi era oferit, la întâmplare, un joc video violent (Carmageddon, Duke Nukem, Mortal Kombat, Future Cop) sau un joc video nonviolent (Glider Pro, 3D Pinball, Ausin Powers, Tetra Madness); conducătorul experimentului fixa un cronometru la 20 de minute, îi înmâna subiectului un chestionar lung și îi spunea: ‘Când sună alarma, completează chestionarul. Între timp, eu trebuie să mă ocup de alt studiu, dar îți promit că mă întorc în 40 de minute. Te rog să nu pleci din cameră înainte să mă întorc, pentru că trebuie să‑ți mai pun câteva întrebări despre jocurile video. Ai înțeles?’

Studentul era lăsat singur. După ce se juca 20 de minute, alarma suna, iar subiectul trebuia să răspundă la chestionar, care conținea întrebări despre diverse aspecte ale jocului (acțiune, distracție, plictiseală, violență), urmate de alte două sute de întrebări plictisitoare despre persoana lui, puse acolo doar pentru a‑i ține ocupați pe subiecți. La trei minute după terminarea jocului video, conducătorul experimentului făcea să se audă din apropierea ușii camerei o scenă de șase minute jucată de actori care se certau. Existau două versiuni: subiecții bărbați auzeau doi bărbați care se ceartă, iar femeile auzeau două femei care se ceartă. Violența creștea treptat până se auzeau bufnitura unui scaun rupt, gemete și urlete de durere.

Când se trântea ușa, conducătorul experimentului pornea propriul lui cronometru pentru a măsura cât timp îi va lua subiectului din camera vecină (care trebuia să completeze chestionarul) pentru a sări în ajutorul victimei, care continua să geamă de durere. Ca să reacționeze, subiecții ocupați cu jocul video violent până în urmă cu trei minute au avut nevoie de un timp de cinci ori mai lung decât ceilalți. În unele cazuri nici măcar nu și‑au dat seama de ceartă. Iar când au observat‑o, nu i‑au dat importanță. Pe scurt: trăind de curând scene de violență digitală, au fost insensibili la violența percepută drept reală.

Sistemul nostru de valori bazat pe libertate, egalitate și dreptate socială presupune un altruism fundamental: numai în felul acesta societatea noastră poate funcționa. Studiile prezentate aici confirmă faptul că un consum activ sau pasiv de violență fictivă duce la o desensibilizare măsurabilă față de violența reală. Iar acest lucru se traduce printr‑o slabă disponibilitate de a‑ți ajuta semenii. Violența mediatică subminează fundamentele conviețuirii noastre sociale. Nu trebuie să ne fie indiferent modul în care copiii și tinerii își petrec timpul, pentru că fiecare acțiune lasă o urmă în creier. În cazul jocurilor pe calculator, e vorba mai cu seamă de înclinația spre violență, desensibilizare față de violența reală, izolare socială și un nivel scăzut de educație.”

Credit: Manfred Spitzer, Demența digitală, pag. 173

ENG: “As for empathy, the following experimental study by American psychologists Brad Bushman and Craig Anderson on the effects of media violence on human behaviour should be mentioned. Their work is entitled Comfortably Numb. In a laboratory experiment, 320 students, equally divided by gender, were subjected to the following procedure: first they were told that it was an experiment to determine which games young people preferred. Each student was randomly offered a violent video game (Carmageddon, Duke Nukem, Mortal Kombat, Future Cop) or a non-violent video game (Glider Pro, 3D Pinball, Ausin Powers, Tetra Madness); the experiment leader set a timer for 20 minutes, handed the subject a long questionnaire and told them: ‘When the alarm goes off, complete the questionnaire. In the meantime, I have another study to do, but I promise I’ll be back in 40 minutes. Please don’t leave the room before I get back, because I need to ask you a few more questions about video games. Got it?’

The student was left alone. After playing for 20 minutes, the alarm would go off and the subject would have to answer the questionnaire, which contained questions about various aspects of the game (action, fun, boredom, violence), followed by a couple of hundred more boring questions about himself, put there only to keep the subjects occupied. Three minutes after the end of the video game, the experiment’s leader would play a six-minute scene of the actors arguing from near the camera door. There were two versions: male subjects heard two men arguing, and women heard two women arguing. The violence gradually increased until the thud of a broken chair, groans and screams of pain could be heard.

As the door slammed, the experimenter would start his own stopwatch to measure how long it would take the subject in the next room (who had to fill in the questionnaire) to jump to the aid of the victim, who continued to moan in pain. Subjects engaged in violent video game play took took five times as long as others to react. In some cases they didn’t even notice the fight. And when they did notice it, they ignored it. In short: having recently experienced scenes of digital violence, they were insensitive to violence perceived as real.

Our value system based on freedom, equality and social justice requires a fundamental altruism: this is the only way our society can function. The studies presented here confirm that active or passive consumption of fictional violence leads to measurable desensitisation to real violence. And this translates into a low willingness to help your fellow human beings. Media violence undermines the foundations of our social coexistence. We should not be indifferent to how children and young people spend their time, because every action leaves a mark on the brain. In the case of computer games, it is mainly the inclination towards violence, desensitisation to real violence, social isolation and a low level of education.”

(traducere proprie)

Perseverance records the first ever sounds from Mars

ENG: For 50 years, interplanetary probes have returned thousands of striking images of the surface of Mars, but never a single sound. Now, NASA’s Perseverance mission has put an end to this deafening silence by recording the first ever Martian sounds, which can be listened to here. The scientific team for the French-US SuperCam2 instrument installed on Perseverance was convinced that the study of the soundscape of Mars could advance our understanding of the planet. This scientific challenge led them to design a microphone dedicated to the exploration of Mars, at ISAE-SUPAERO in Toulouse, France. Perseverance first recorded sounds from the Red Planet on February 19, 2021, the day after its arrival. These sounds fall within the human audible spectrum, between 20 Hz and 20 kHz. First of all, they reveal that Mars is quiet, in fact so quiet that on several occasions the scientists thought the microphone was no longer working. It is obvious that, apart from the wind, natural sound sources are rare.

Credit: NASA, JPL-Caltech  

In addition to this investigation, the scientists focused on the sounds generated by the rover itself , including the shock waves produced by the impact of the SuperCam laser on rocks, and flights by the Ingenuity helicopter. By studying the propagation on Mars of these sounds, whose behaviour is very well well understood on Earth, they were able to accurately characterise the acoustic properties of the Martian atmosphere. The researchers show that the speed of sound is lower on Mars than on Earth: 240 m/s, as compared to 340 m/s on our planet. However, the most surprising thing is that it turns out that there are actually two speeds of sound on Mars, one for high-pitched sounds and one for low frequencies. Sound attenuation is greater on Mars than on Earth, especially for high frequencies, which, unlike low frequencies, are attenuated very quickly, even at short distances. All these various factors would make it difficult for two people standing only five metres apart to have a conversation. They are due to the composition of the Martian atmosphere (96% CO2, compared to 0.04% on Earth) and the very low atmospheric surface pressure (170 times lower than on Earth).

RO: Timp de 50 de ani, sondele interplanetare au returnat mii de imagini impresionante ale suprafeței lui Marte, dar niciodată un singur sunet. Acum, misiunea Perseverance a NASA a pus capăt acestei tăceri asurzitoare, înregistrând primele sunete marțiene din istorie, care pot fi ascultate aici. Echipa științifică a instrumentului franco-american SuperCam2 instalat pe Perseverance a fost convinsă că studiul peisajului sonor de pe Marte ar putea să avanseze înțelegerea planetei. Această provocare științifică i-a determinat să proiecteze un microfon dedicat explorării planetei Marte, la ISAE-SUPAERO din Toulouse, Franța. Perseverance a înregistrat pentru prima dată sunete de pe Planeta Roșie la 19 februarie 2021, a doua zi după sosirea sa. Aceste sunete se încadrează în spectrul audibil uman, între 20 Hz și 20 kHz. În primul rând, ele relevă faptul că Marte este liniștită, de fapt atât de liniștită încât, în mai multe rânduri, oamenii de știință au crezut că microfonul nu mai funcționează. Este evident că, în afară de vânt, sursele naturale de sunet sunt rare.

Pe lângă această investigație, oamenii de știință s-au concentrat pe sunetele generate de rover, inclusiv pe undele de șoc produse de impactul laserului SuperCam asupra rocilor și pe zborurile efectuate de elicopterul Ingenuity. Prin studierea propagării pe Marte a acestor sunete, al căror comportament este foarte bine înțeles pe Pământ, ei au reușit să caracterizeze cu precizie proprietățile acustice ale atmosferei marțiene. Cercetătorii arată că viteza sunetului este mai mică pe Marte decât pe Pământ: 240 m/s, față de 340 m/s pe planeta noastră. Cu toate acestea, cel mai surprinzător lucru este faptul că se pare că există de fapt două viteze ale sunetului pe Marte, una pentru sunetele înalte și una pentru frecvențele joase. Atenuarea sunetului este mai mare pe Marte decât pe Pământ, în special pentru frecvențele înalte, care, spre deosebire de frecvențele joase, sunt atenuate foarte repede, chiar și la distanțe scurte. Toți acești factori diferiți ar face dificilă o conversație între două persoane aflate la o distanță de numai cinci metri. Ele se datorează compoziției atmosferei marțiene (96% CO2, față de 0,04% pe Pământ) și presiunii atmosferice foarte scăzute de la suprafață (de 170 de ori mai mică decât pe Pământ).

Source (cnrs, “Perseverance records the first ever sounds from Mars”, 01.04.2022)

Artificial neurons go quantum with photonic circuits

ENG: At the heart of all artificial intelligence applications are mathematical models called neural networks which are inspired by the biological structure of the human brain. Neural networks can be trained by tuning their internal structure until they become capable of human-level tasks: recognizing our face, interpreting medical images for diagnosis, even driving our cars. Having integrated devices capable of performing the computations involved in neural networks quickly and efficiently has thus become a major research focus, both academic and industrial.

One of the major game changers in the field was the discovery of the memristor, made in 2008. This device changes its resistance depending on a memory of the past current, hence the name memory-resistor, or memristor. Immediately after its discovery, scientists realized that (among many other applications) the peculiar behavior of memristors was surprisingly similar to that of neural synapses. The memristor has thus become a fundamental building block of neuromorphic architectures.

Credit: Equinox Graphics, University of Vienna

A group of experimental physicists from the University of Vienna, the National Research Council (CNR) and the Politecnico di Milano led by Prof. Philip Walther and Dr. Roberto Osellame, have now demonstrated that it is possible to engineer a device that has the same behavior as a memristor, while acting on quantum states and being able to encode and transmit quantum information. In other words, a quantum memristor. Realizing such device is challenging because the dynamics of a memristor tends to contradict the typical quantum behavior.

By using single photons, i.e. single quantum particles of lights, and exploiting their unique ability to propagate simultaneously in a superposition of two or more paths, the physicists have overcome the challenge. In their experiment, single photons propagate along waveguides laser-written on a glass substrate and are guided on a superposition of several paths. One of these paths is used to measure the flux of photons going through the device and this quantity, through a complex electronic feedback scheme, modulates the transmission on the other output, thus achieving the desired memristive behavior.

RO: În centrul tuturor aplicațiilor de inteligență artificială se află modele matematice numite rețele neuronale, care sunt inspirate de structura biologică a creierului uman. Rețelele neuronale pot fi antrenate prin reglarea structurii lor interne până când devin capabile să îndeplinească sarcini de nivel uman: să ne recunoască fețe, să interpreteze imagini medicale pentru diagnosticare, chiar să conducă mașini. Prin urmare, existența unor dispozitive integrate capabile să efectueze rapid și eficient calculele implicate în rețelele neuronale a devenit un obiectiv major al cercetării, atât în mediul academic, cât și în cel industrial.

Unul dintre cele mai importante schimbări în acest domeniu a fost descoperirea memristorului, făcută în 2008. Acest dispozitiv își schimbă rezistența în funcție de o memorie a curentului trecut, de unde și numele de rezistor de memorie. Imediat după descoperirea sa, oamenii de știință și-au dat seama că (printre multe alte aplicații) comportamentul deosebit al memristoarelor era surprinzător de asemănător cu cel al sinapselor neuronale. Astfel, el a devenit o componentă fundamentală a arhitecturilor neuromorfice.

Un grup de fizicieni experimentali de la Universitatea din Viena, de la Consiliul Național de Cercetare și de la Politehnica din Milano, condus de profesorii Philip Walther și Roberto Osellame, a demonstrat acum că este posibil să se creeze un dispozitiv care are același comportament ca un memristor, acționând în același timp asupra stărilor cuantice și fiind capabil să codifice și să transmită informații cuantice. Cu alte cuvinte, un memristor cuantic. Realizarea unui astfel de dispozitiv reprezintă o provocare, deoarece dinamica unui memristor tinde să contrazică comportamentul cuantic tipic.

Utilizând fotoni unici, adică particule cuantice unice de lumină, și exploatând capacitatea lor de a se propaga simultan într-o superpoziție de două sau mai multe căi, fizicienii au depășit provocarea. În experimentul lor, fotonii unici se propagă de-a lungul unor ghiduri de undă scrise cu laser pe un substrat de sticlă și sunt ghidați pe o suprapunere a mai multor căi. Una dintre aceste căi este folosită pentru a măsura fluxul de fotoni care trece prin dispozitiv, iar această cantitate, printr-o schemă electronică complexă de feedback, modulează transmisia pe cealaltă ieșire, obținând astfel comportamentul memristiv dorit.

Adapted and abridged from source (Universität Wien, “Artificial neurons go quantum with photonic circuits”, 24.03.2022)

Paper: Michele Spagnolo, Joshua Morris, Simone Piacentini, Michael Antesberger, Francesco Massa, Francesco Ceccarelli, Andrea Crespi, Roberto Osellame, Philip Walther, et al: “Experimental quantum memristor”. In: Nature Photonics, DOI: 10.1038/s41566-022-00973-5

BirdBot is energy-efficient thanks to nature as a model

ENG: Graceful, elegant, powerful – flightless birds like the ostrich are a mechanical wonder. Ostriches, some of which weigh over 100kg, run through the savanna at up to 55km/h. The ostrich’s outstanding locomotor performance is thought to be enabled by the animal’s leg structure. Unlike humans, birds fold their feet back when pulling their legs up towards their bodies. Why do the animals do this? Why is this foot movement pattern energy-efficient for walking and running? And can the bird’s leg structure with all its bones, muscles, and tendons be transferred to walking robots? Alexander Badri-Spröwitz has spent more than five years on these questions. At the Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), he leads the Dynamic Locomotion Group. His team works at the interface between biology and robotics in the field of biomechanics and neurocontrol. The dynamic locomotion of animals and robots is the group’s main focus. Together with his doctoral student Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz has constructed a robot leg that, like its natural model, is energy-efficient: BirdBot needs fewer motors than other machines and could, theoretically, scale to large size.

A person weighing over 100kg can also stand well and for a long time, but only with the knees ‘locked’ in an extended position. If the person were to squat slightly, it becomes strenuous after a few minutes. The bird, however, does not seem to mind its bent leg structure; many birds even stand upright while sleeping. The researchers built a robotic leg modeled after the leg of a flightless bird. They constructed their artificial bird leg so that its foot features no motor, but instead a joint equipped with a spring and cable mechanism. Each leg contains only two motors— the hip joints motor, which swings the leg back and forth, and a small motor that flexes the knee joint to pull the leg up. After assembly, the researchers walked BirdBot on a treadmill to observe the robot’s foot folding and unfolding. When standing, the leg expends zero energy because “the foot and leg joints don’t need actuation in the stance phase,” says Aghamaleki Sarvestani. “Springs power these joints, and the multi-joint spring-tendon mechanism coordinates joint movements. When the leg is pulled into swing phase, the foot disengages the leg’s spring – or the muscle-tendon spring, as we believe it happens in animals,” Badri-Spröwitz adds.

The treadmill is now switched back on, the robot starts running, and with each leg swing, the foot disengages the leg’s spring. To disengage, the large foot movement slacks the cable and the remaining leg joints swing loosely. This transition of states, between standing and leg swing, is provided in most robots by a motor at the joint. And a sensor sends a signal to a controller, which turns the robot’s motors on and off. “Previously, motors were switched depending on whether the leg was in the swing or stance phase. Now the foot takes over this function in the walking machine, mechanically switching between stance and swing. We only need one motor at the hip joint and one motor to bend the knee in the swing phase. We leave leg spring engagement and disengagement to the bird-inspired mechanics. This is robust, fast, and energy-efficient,” says Badri-Spröwitz.

RO: Grațioase, elegante, puternice – păsările care nu zboară, precum struțul, sunt o minune mecanică. Struții, care pot ajunge să cântărească peste 100 kg, aleargă prin savană cu până la 55 km/h. Se crede că performanța locomotorie remarcabilă a acestora este posibilă datorită structurii picioarelor. Spre deosebire de oameni, păsările își pliază picioarele înapoi atunci când le trag în sus spre corp. De ce fac acest lucru? De ce este acest model de mișcare a picioarelor eficient din punct de vedere energetic pentru mers și alergare? Și poate fi transferată structura picioarelor păsărilor, cu toate oasele, mușchii și tendoanele sale, la roboții care merg? Alexander Badri-Spröwitz a încercat să găsească răspuns acestor întrebări de peste cinci ani. La Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente, el conduce Grupul de Locomoție Dinamică. Echipa sa lucrează la interfața dintre biologie și robotică în domeniul biomecanicii și al neurocontrolului. Locomoția dinamică a animalelor și a roboților este principalul obiectiv al grupului. Împreună cu studentul său doctorand Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz a construit un picior de robot care, la fel ca modelul său natural, este eficient din punct de vedere energetic: BirdBot are nevoie de mai puține motoare decât alți roboți și ar putea, teoretic, să fie construit la dimensiuni mari.

Credit: MPI-IS

O persoană care cântărește peste 100 kg poate, de asemenea, să stea bine în picioare și pentru o perioadă lungă de timp, dar numai cu genunchii “blocați” în poziție întinsă. Dacă persoana ar trebui să se ghemuiască ușor, acest lucru devine obositor după câteva minute. Pasărea, însă, nu pare să se supere pe structura picioarelor îndoite; multe păsări chiar dorm în picioare. Cercetătorii au construit piciorul artificial de pasăre astfel încât să nu aibă niciun motor, ci o articulație echipată cu un mecanism cu arc și cablu. Fiecare picior conține doar două motoare – motorul articulației șoldului, care balansează înainte și înapoi, și un mic motor care flexează articulația genunchiului pentru a trage piciorul în sus. După asamblare, cercetătorii au plimbat BirdBot pe o bandă de alergare pentru a observa plierea și desfășurarea robotului. Când stă în picioare, piciorul nu consumă energie deoarece “articulațiile acestuia nu au nevoie de acționare în faza de sprijin”, spune Aghamaleki Sarvestani. “Arcurile alimentează aceste articulații, iar mecanismul multiarticular cu arcuri și tendoane le coordonează mișcările. Când piciorul este tras în faza de balansare, se dezactivează resortul mușchi-tendon, așa cum credem că se întâmplă la animale”, adaugă Badri-Spröwitz.

Acum, banda de alergare este pornită din nou, robotul începe să alerge, iar la fiecare legănare piciorul dezactivează resortul. Pentru a se decupla, mișcarea mare a piciorului slăbește cablul, iar articulațiile rămase se balansează liber. Această tranziție de stări, între statul în picioare și legănare, este asigurată în majoritatea roboților de un motor la articulație. Iar un senzor trimite un semnal către un controler, care pornește și oprește motoarele robotului. “Anterior, motoarele erau comutate în funcție de faptul dacă piciorul se afla în faza de balansare sau de poziție. Acum, piciorul preia această funcție, comutând mecanic între poziția de sprijin și cea de balansare. Avem nevoie doar de un singur motor la articulația șoldului și de un motor pentru a îndoi genunchiul în faza de balansare. Lăsăm angajarea și dezangajarea arcului piciorului pentru mecanica inspirată de păsări. Acest lucru este robust, rapid și eficient din punct de vedere energetic”, spune Badri-Spröwitz.

Adapted and abridged from source (Max Planck Institute, “BirdBot is energy-efficient thanks to nature as a model”, 16.03.2022)

Paper: Alexander Badri-Spröwitz, Alborz Aghamaleki Sarvestani, Metin Sitti, Monica A. Daley. BirdBot achieves energy-efficient gait with minimal control using avian-inspired leg clutching. Science Robotics, 2022; 7 (64) DOI: 10.1126/scirobotics.abg4055

DNA serves as starting point for the next data storage solution

ENG: Imagine Bach’s “Cello Suite No. 1” played on a strand of DNA. This scenario is not as impossible as it seems. Too small to withstand a rhythmic strum or sliding bowstring, DNA is a powerhouse for storing audio files and all kinds of other media. “DNA is nature’s original data storage system. We can use it to store any kind of data: images, video, music — anything,” said Kasra Tabatabaei, a researcher at the Beckman Institute for Advanced Science and Technology and a coauthor on this study. Expanding DNA’s molecular makeup and developing a precise new sequencing method enabled a multi-institutional team to transform the double helix into a robust, sustainable data storage platform.

 DNA data storage using natural and chemically modified nucleotides. Credit: Beckman Institute

Its longevity rivaled only by durability, DNA is designed to weather Earth’s harshest conditions — sometimes for tens of thousands of years — and remain a viable data source. Scientists can sequence fossilized strands to uncover genetic histories and breathe life into long-lost landscapes. Despite its diminutive stature, DNA is a bit like Dr. Who’s infamous police box: bigger on the inside than it appears. Another important aspect of DNA is its natural abundance and near-infinite renewability, a trait not shared by the most advanced data storage system on the market today: silicon microchips, which often circulate for just decades before an unceremonious burial in a heap of landfilled e-waste.

Envisioning the future of data storage, the interdisciplinary team examined DNA’s millennia-old MO. Then, the researchers added their own 21st-century twist. In nature, every strand of DNA contains four chemicals — adenine, guanine, cytosine, and thymine — often referred to by the initials A, G, C, and T. They arrange and rearrange themselves along the double helix into combinations that scientists can decode, or sequence, to make meaning. The researchers expanded DNA’s already broad capacity for information storage by adding seven synthetic nucleobases to the existing four-letter lineup. Because this team is the first to use chemically modified nucleotides for information storage in DNA, members innovated around a unique challenge: not all current technology is capable of interpreting chemically modified DNA strands. To solve this problem, they combined machine learning and artificial intelligence to develop a first-of-its-kind DNA sequence readout processing method. Their solution can discern modified chemicals from natural ones, and differentiate each of the seven new molecules from one another.

RO: Imaginați-vă “Suita pentru violoncel nr. 1” a lui Bach interpretată pe un fir de ADN. Acest scenariu nu este atât de imposibil pe cât pare. Prea mic pentru a rezista la un acord ritmic sau la o coardă de arcuș care alunecă, ADN-ul este un centru de putere pentru stocarea fișierelor audio și a altor tipuri de medii. “ADN-ul este sistemul original de stocare a datelor din natură. Îl putem folosi pentru a stoca orice tip de date: imagini, videoclipuri, muzică – orice”, a declarat Kasra Tabatabaei, cercetător la Beckman Institute for Advanced Science and Technology și coautor al acestui studiu. Extinderea compoziției moleculare a ADN-ului și dezvoltarea unei noi metode precise de secvențiere au permis unei echipe multi-instituționale să transforme dublul helix într-o platformă de stocare a datelor robustă și durabilă.

Longevitatea sa rivalizând doar cu durabilitatea, ADN-ul este conceput pentru a rezista în cele mai dure condiții de pe Pământ – uneori timp de zeci de mii de ani – și a rămâne o sursă de date viabilă. Oamenii de știință pot secvenția firele fosilizate pentru a descoperi istorii genetice și pentru a da viață unor peisaje demult pierdute. În ciuda dimensiunii sale mici, ADN-ul este un pic ca infama cutie de poliție a lui Dr. Who: mai mare în interior decât pare. Un alt aspect important al ADN-ului este abundența sa naturală și capacitatea sa de reînnoire aproape infinită, o trăsătură pe care nu o împărtășește cel mai avansat sistem de stocare a datelor de pe piață în prezent: microcipurile de siliciu, care circulă adesea doar câteva decenii înainte de a fi îngropate fără ceremonie într-o grămadă de deșeuri electronice depozitate la groapa de gunoi.

Imaginând viitorul stocării datelor, echipa interdisciplinară a examinat modul de operare milenar al ADN-ului. Apoi, cercetătorii au adăugat propria lor particularitate din secolul XXI. În natură, fiecare fir de ADN conține patru substanțe chimice – adenină, guanină, citozină și timină – denumite adesea prin inițialele A, G, C și T. Acestea se aranjează și se rearanjează de-a lungul dublei helixuri în combinații pe care oamenii de știință le pot decoda, sau secvenția, pentru a da sens. Cercetătorii au extins capacitatea deja largă a ADN-ului de stocare a informațiilor prin adăugarea a șapte nucleobaze sintetice la linia existentă de patru litere. Deoarece această echipă este prima care a folosit nucleotide modificate chimic pentru stocarea informațiilor în ADN, membrii ei au inovat în jurul unei provocări unice: nu toată tehnologia actuală este capabilă să interpreteze șirurile de ADN modificate chimic. Pentru a rezolva această problemă, ei au combinat învățarea mecanică și inteligența artificială pentru a dezvolta o metodă de procesare a citirii secvențelor de ADN, prima de acest fel. Soluția lor poate discerne substanțele chimice modificate de cele naturale și poate diferenția fiecare dintre cele șapte molecule noi una de alta.

Source (Beckman Institute, Jenna Kurtzweil, “Expanded alphabet, precise sequencing make DNA the next data storage solution”, 02.03.2022)

Paper: Tabatabaei, S.K., Pham, B., Pan, C., Liu, J., Chandak, S., Shorkey, S.A., Hernandez, A.G., Aksimentiev, A., Chen, M., Schroeder, C.M. and Milenkovic, O., 2021. Expanding the Molecular Alphabet of DNA-Based Data Storage Systems with Neural Network Nanopore Readout Processing. bioRxiv.

The physics of fire ant rafts could help engineers design swarming robots

ENG: Noah rode out his flood in an ark. Winnie-the-Pooh had an upside-down umbrella. Fire ants (Solenopsis invicta), meanwhile, form floating rafts made up of thousands or even hundreds of thousands of individual insects. A new study by engineers at CU Boulder lays out the simple physics-based rules that govern how these ant rafts morph over time: shrinking, expanding or growing long protrusions like an elephant’s trunk. The team’s findings could one day help researchers design robots that work together in swarms or next-generation materials in which molecules migrate to fix damaged spots.

In their latest study, Vernerey and lead author Robert Wagner drew on mathematical simulations, or models, to try to figure out the mechanics underlying these lifeboats. The team created a series of models that, essentially, turned an ant raft into a complicated game of checkers. The researchers programmed roughly 2,000 round particles, or “agents,” to stand in for the ants. These agents couldn’t make decisions for themselves, but they did follow a simple set of rules: the fake ants, for example, didn’t like bumping into their neighbors, and they tried to avoid falling into the water. When they let the game play out, Wagner and Vernerey found their simulated ant rafts behaved a lot like the real things. 

In particular, the team was able to tune how active the agents in their simulations were: were the individual ants slow and lazy, or did they walk around a lot? The more the ants walked, the more likely they were to form long extensions that stuck out from the raft—a bit like people funneling toward an exit in a crowded stadium. Wagner suspects fire ants use these extensions to feel around their environments, searching for logs or other bits of dry land.

RO: Noe a scăpat de potop într-o arcă. Winnie-the-Pooh avea o umbrelă cu susul în jos. Furnicile de foc (Solenopsis invicta) formează plute plutitoare alcătuite din mii sau chiar sute de mii de insecte individuale. Un nou studiu realizat de inginerii de la CU Boulder prezintă regulile simple, bazate pe fizică, care guvernează modul în care aceste plute de furnici se transformă în timp: se micșorează, se extind sau cresc proeminențe lungi precum trompa unui elefant. Descoperirile echipei ar putea ajuta într-o bună zi cercetătorii să proiecteze roboți care lucrează împreună în roiuri sau materiale în care moleculele migrează pentru a repara punctele deteriorate.

În ultimul lor studiu, Vernerey și autorul principal Robert Wagner s-au bazat pe simulări matematice, sau modele, pentru a încerca să înțeleagă mecanica care stă la baza acestor bărci de salvare. Echipa a creat o serie de modele care, în esență, au transformat o plută de furnici într-un joc complicat de dame. Cercetătorii au programat aproximativ 2.000 de particule rotunde, sau “agenți”, care să înlocuiască furnicile. Acești agenți nu puteau lua decizii de unii singuri, dar au urmat un set simplu de reguli: de exemplu, furnicilor false nu le plăcea să se lovească de vecinele lor și încercau să evite să cadă în apă. Când au lăsat jocul să se desfășoare, Wagner și Vernerey au descoperit că plutele lor simulate de furnici se comportau foarte asemănător cu cele reale. 

În special, echipa a fost capabilă să regleze cât de activi erau agenții din simulările lor: furnicile individuale erau lente și leneșe, sau se plimbau mult? Cu cât furnicile mergeau mai mult, cu atât era mai probabil ca ele să formeze extensii lungi care să iasă din plută – un pic ca oamenii care se îndreaptă spre o ieșire pe un stadion aglomerat. Wagner bănuiește că furnicile de foc folosesc aceste extensii pentru a pipăi în mediul lor, căutând bușteni sau alte bucăți de pământ uscat.

Source (CU Boulder Today, Daniel Strain, “The physics of fire ant rafts could help engineers design swarming robots”, 02.03.2022)

Paper: Wagner, R.J. and Vernerey, F.J., 2022. Computational exploration of treadmilling and protrusion growth observed in fire ant rafts. PLOS Computational Biology18(2), p.e1009869.