Un team di ingegneri dell'Università del Michigan ha sviluppato un innovativo algoritmo di intelligenza artificiale chiamato OptoGPT, in grado di rivoluzionare la progettazione di dispositivi ottici come celle solari, telescopi e finestre intelligenti. Questa nuova tecnologia promette di velocizzare e ottimizzare il processo di design di strutture multistrato ottiche, aprendo nuove possibilità in diversi campi applicativi.
OptoGPT sfrutta l'architettura computazionale alla base di ChatGPT per lavorare a ritroso, partendo dalle proprietà ottiche desiderate per arrivare alla struttura materiale in grado di fornirle. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Opto-Electronic Advances.
Funzionamento e vantaggi di OptoGPT
L'algoritmo è in grado di progettare strutture di film multistrato ottici - costituite da sottili strati sovrapposti di materiali diversi - per una varietà di scopi:
- Massimizzare l'assorbimento della luce nelle celle solari
- Ottimizzare la riflessione nei telescopi
- Migliorare la produzione di semiconduttori con luce UV estrema
- Regolare meglio il calore negli edifici con finestre intelligenti
Uno dei principali vantaggi di OptoGPT è la sua velocità: produce progetti in appena 0,1 secondi, praticamente in tempo reale. Inoltre, i design generati contengono in media sei strati in meno rispetto ai modelli precedenti, risultando più facili da produrre.
Un approccio innovativo ispirato ai modelli linguistici
Per automatizzare il processo di progettazione delle strutture ottiche, il team di ricerca ha adattato un'architettura di trasformatore - il framework di apprendimento automatico utilizzato in modelli linguistici come ChatGPT e Bard - ai propri scopi specifici.
Il professor L. Jay Guo, autore corrispondente dello studio, spiega: "In un certo senso, abbiamo creato frasi artificiali per adattarsi alla struttura del modello esistente". OptoGPT tratta i materiali di un certo spessore come parole, codificando anche le loro proprietà ottiche associate come input. Cercando correlazioni tra queste "parole", il modello prevede la parola successiva per creare una "frase" - in questo caso un progetto per una struttura di film multistrato ottico - che raggiunge la proprietà desiderata, come un'elevata riflessione.
Test e validazione del modello
I ricercatori hanno testato le prestazioni del nuovo modello utilizzando un dataset di validazione contenente 1.000 strutture di progettazione note, comprensive di composizione del materiale, spessore e proprietà ottiche. Confrontando i progetti di OptoGPT con il set di validazione, la differenza tra i due era solo del 2,58%, inferiore alle proprietà ottiche più vicine nel dataset di addestramento (2,96%).
Analogamente ai modelli linguistici di grandi dimensioni, OptoGPT è addestrato su una grande quantità di dati ed è in grado di rispondere bene a compiti generali di progettazione ottica in tutto il campo.
Ottimizzazione locale e analisi statistica
Per migliorare ulteriormente l'accuratezza, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di ottimizzazione locale, regolando le variabili entro determinati limiti. Durante i test, questa ottimizzazione ha migliorato l'accuratezza del 24%, riducendo la differenza tra il dataset di validazione e le risposte di OptoGPT all'1,92%.
Il team ha anche utilizzato una tecnica statistica per mappare le associazioni che OptoGPT compie. Quando mappati in uno spazio 2D, i materiali si raggruppano per tipo, come metalli e materiali dielettrici. Questo pattern ha senso dal punto di vista ottico, aiutando a validare ulteriormente l'accuratezza di OptoGPT.
Prospettive future
OptoGPT si configura come un algoritmo di design inverso, partendo dall'effetto desiderato e lavorando a ritroso per arrivare al design del materiale. Rispetto agli approcci precedenti, offre maggiore flessibilità, consentendo a ricercatori e ingegneri di progettare strutture di film multistrato ottici per un'ampia gamma di applicazioni.
Questa innovazione potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo di nuovi dispositivi ottici in diversi settori, dalla produzione di energia solare all'astronomia, passando per l'edilizia sostenibile e l'industria dei semiconduttori.
L'argomento principale di cui si parla è lo sviluppo di un nuovo algoritmo di intelligenza artificiale chiamato OptoGPT per la progettazione di dispositivi ottici. Facendo una digressione storica, possiamo notare come l'ottica abbia radici antichissime che risalgono all'antica Grecia.
Già nel V secolo a.C., il filosofo Empedocle teorizzava che la luce fosse emessa dagli occhi, permettendo così la visione. Successivamente, Aristotele confutò questa teoria, sostenendo invece che la luce fosse una qualità inerente agli oggetti trasparenti. Fu però solo nel XI secolo che lo scienziato arabo Alhazen gettò le basi dell'ottica moderna con il suo Libro dell'ottica.
Un grande balzo in avanti si ebbe nel XVII secolo con Isaac Newton, che dimostrò come la luce bianca fosse in realtà composta da tutti i colori dello spettro visibile. Questa scoperta rivoluzionaria aprì la strada a numerose applicazioni pratiche, tra cui la creazione di lenti più efficaci per telescopi e microscopi.
La natura e le leggi della natura giacevano nascoste nella notte. Dio disse: "Sia Newton!" e tutto fu luce.
Questa famosa citazione di Alexander Pope sottolinea l'importanza delle scoperte di Newton nel campo dell'ottica.
Nel corso dei secoli, la comprensione della luce e delle sue proprietà ha portato allo sviluppo di tecnologie sempre più sofisticate. La fotonica, branca della fisica che studia la generazione, il controllo e la rilevazione di fotoni, ha aperto nuove frontiere nell'informatica e nelle telecomunicazioni.
Una curiosità interessante riguarda il fenomeno della birifrangenza, scoperto nel 1669 dal fisico danese Erasmus Bartholinus studiando cristalli di calcite. Questo effetto ottico, che causa una doppia rifrazione della luce, trova oggi applicazioni in vari campi, dalla microscopia alla fotografia.
L'avvento dell'intelligenza artificiale nel campo dell'ottica, esemplificato da OptoGPT, rappresenta un ulteriore passo avanti in questa lunga storia di scoperte e innovazioni. La capacità di progettare strutture ottiche complesse in tempi rapidissimi apre scenari entusiasmanti per il futuro, promettendo di accelerare lo sviluppo di tecnologie in settori cruciali come l'energia solare e l'astronomia.
