Как использовать науку для создания лучшего пряничного домика?
Миранда Шваке много думала об этом. Студентка Массачусетского технологического института (MIT) на факультете материаловедения и инженерии (DMSE) является частью группы Kitchen Matters — группы аспирантов, которые используют еду и кухонные инструменты для объяснения научных концепций через короткие видео и просветительские мероприятия.
В прошлом группа рассматривала такие темы, как почему шоколад «схватывается» (становится трудно работать с ним при плавлении, когда в него попадает вода) и как сделать изомальт — сахарное стекло, через которое каскадёры прыгают в боевиках.
Два года назад, когда группа делала видео о том, как построить структурно устойчивый пряничный домик, Шваке изучала кулинарные книги в поисках переменной, которая дала бы наиболее драматические различия в печенье.
Она сосредоточилась на масле, которое содержит воду, превращающуюся в пар при высоких температурах выпечки, создавая воздушные карманы в печенье. Шваке предположила, что уменьшение количества масла приведёт к получению более плотного пряника, достаточно прочного, чтобы держаться вместе в виде домика.
«Эта гипотеза является примером того, как изменение структуры может влиять на свойства и производительность материала», — сказала Шваке в восьмиминутном видео.
Научный потенциал
То же любопытство по поводу свойств и производительности материалов движет её исследованиями в области высоких затрат на электроэнергию при вычислениях, особенно для искусственного интеллекта. Шваке разрабатывает новые материалы и устройства для нейроморфных вычислений, которые имитируют работу мозга, обрабатывая и сохраняя информацию в одном месте.
Она изучает электрохимические ионные синапсы — крошечные устройства, которые можно «настроить» для регулировки проводимости, подобно тому, как нейроны усиливают или ослабляют связи в мозге.
«Если вы посмотрите на искусственный интеллект, в частности, на обучение действительно больших моделей, это потребляет много энергии. И если вы сравните это с количеством энергии, которое мы потребляем как люди, когда учимся чему-то, мозг потребляет намного меньше энергии», — говорит Шваке. «Это привело к идее найти более вдохновлённые мозгом, энергоэффективные способы создания искусственного интеллекта».
Её научный руководитель Билге Йилдиз подчёркивает: «Одна из причин, по которой мозг так эффективен, заключается в том, что данные не нужно перемещать туда-сюда».
Научные корни
Дочь морского биолога и отца-электрика, Шваке с юных лет была погружена в науку. «Наука всегда была частью того, как я понимала мир», — говорит она.
«Я была одержима динозаврами. Я хотела быть палеонтологом, когда вырасту», — говорит она. Но её интересы расширились. В средней школе в Чарльстоне, Южная Каролина, она присоединилась к соревнованиям FIRST Lego League по робототехнике, создавая роботов для выполнения таких задач, как толкание или вытягивание предметов. «Мои родители, особенно папа, очень активно участвовали в школьной команде и помогали нам проектировать и строить нашего маленького робота для соревнований».
Её мать изучала, как загрязнение влияет на популяции дельфинов для Национального управления океанических и атмосферных исследований. Это оказало большое влияние.
«Это был пример того, как наука может быть использована для понимания мира, а также для того, чтобы выяснить, как мы можем его улучшить», — говорит Шваке. «И это то, что я всегда хотела делать с наукой».
Её интерес к материаловедению проявился позже, в старшей школе, где она познакомилась с междисциплинарным предметом, сочетающим физику, химию и инженерию для изучения структуры и свойств материалов и использования этих знаний для разработки новых.
Вызов в области энергетики искусственного интеллекта
В MIT она продолжила исследовать энергетические технологии. Она познакомилась с Йилдизом во время встречи в Zoom на первом курсе аспирантуры, осенью 2020 года, когда кампус всё ещё работал по строгим протоколам Covid-19.
Лаборатория Йилдиза изучает, как заряженные атомы, или ионы, движутся через материалы в таких технологиях, как топливные элементы, батареи и электролизеры.
Исследования лаборатории в области мозгоподобных вычислений разжигали воображение Шваке, но её также привлекал способ Йилдиза говорить о науке.
«Это не было основано на жаргоне и подчёркивало базовое понимание того, что происходит — ионы идут сюда, а электроны идут сюда — чтобы понять, что происходит в системе», — говорит Шваке.
Этот образ мышления сформировал её подход к исследованиям. Её ранние проекты были сосредоточены на свойствах, необходимых для эффективной работы этих устройств — быстрая работа, низкое энергопотребление и совместимость с полупроводниковой технологией — и на использовании ионов магния вместо водорода, который может улетучиваться в окружающую среду и делать устройства нестабильными.
Её нынешний проект, на котором сосредоточена её кандидатская диссертация, направлен на понимание того, как внедрение ионов магния в оксид вольфрама, металл, электрические свойства которого можно точно настроить, изменяет его электрическое сопротивление.
«Я пытаюсь понять, как именно эти устройства изменяют проводимость канала», — говорит Шваке.
Сообщество имеет значение
Шваке не только активна в лаборатории. В Kitchen Matters она и её коллеги из DMSE организуют стенды на местных мероприятиях, таких как Cambridge Science Fair и Steam It Up, программа после уроков с практическими занятиями для детей.
«Мы сделали „pHun with Food“ с „fun“, написанным через pH, так что у нас был сок капусты в качестве индикатора pH», — говорит Шваке. «Мы позволили детям проверить pH лимонного сока, уксуса и средства для мытья посуды, и они весело смешивали разные жидкости и смотрели на все разные цвета».
Она также занимала должность социального председателя и казначея в Совете аспирантов DMSE, Совете по материалам для выпускников. Будучи студенткой Калифорнийского технологического института, она проводила мастер-классы по науке и технологиям для Robogals, студенческой группы, которая поощряет молодых женщин делать карьеру в науке, и помогала студентам подавать заявки на летние стипендии для научных исследований в школе.
Для Шваке эти опыты отточили её способность объяснять науку разным аудиториям, навык, который она считает жизненно важным, независимо от того, представляет ли она на детском празднике или на научной конференции.
«Я всегда думаю: с чего моя аудитория начинает и что мне нужно объяснить, прежде чем я смогу перейти к тому, что я делаю, чтобы всё имело для них смысл?» — говорит она.
Шваке видит способность общаться как центральную в построении сообщества, что она считает важной частью проведения исследований. «Это помогает распространять идеи. Всегда полезно получить новый взгляд на то, над чем вы работаете», — говорит она. «Я также думаю, что это сохраняет наш рассудок во время обучения в аспирантуре».
Йилдиз считает участие Шваке в жизни сообщества важной частью её резюме. «Она занимается всеми этими мероприятиями, чтобы мотивировать более широкое сообщество заниматься исследованиями, интересоваться наукой, заниматься наукой и технологиями, но эти способности помогут ей также добиться успехов в её собственных исследованиях и академических начинаниях», — говорит он.
После получения докторской степени Шваке хочет применить свою способность общаться в академических кругах, где она хотела бы вдохновлять следующее поколение учёных и инженеров. Йилдиз не сомневается, что она будет процветать.
«Я думаю, она идеально подходит, — говорит Йилдиз. — Она блестящая, но одной гениальности недостаточно. Она настойчива, устойчива. Вам действительно нужны эти качества вдобавок к этому».
1. Какие научные концепции объясняет группа Kitchen Matters через кулинарию?
Группа Kitchen Matters объясняет научные концепции через кулинарию, используя еду и кухонные инструменты для демонстрации различных процессов. Например, они рассматривают, почему шоколад «схватывается» при попадании в него воды, и как сделать изомальт — сахарное стекло. Также они изучают, как построить структурно устойчивый пряничный домик.
2. Какие проблемы в области искусственного интеллекта решает Миранда Шваке?
Миранда Шваке разрабатывает новые материалы и устройства для нейроморфных вычислений, которые имитируют работу мозга. Она изучает электрохимические ионные синапсы — устройства, которые можно «настроить» для регулировки проводимости. Её цель — найти более энергоэффективные способы создания искусственного интеллекта.
3. Какие факторы влияют на выбор Мирандой Шваке темы для исследования пряничного домика?
Миранда Шваке сосредоточилась на масле в пряничном тесте, так как оно содержит воду, которая превращается в пар при высоких температурах выпечки, создавая воздушные карманы в печенье. Она предположила, что уменьшение количества масла приведёт к получению более плотного пряника, достаточно прочного, чтобы держаться вместе в виде домика. Это пример того, как изменение структуры может влиять на свойства и производительность материала.
4. Какие навыки и качества Миранды Шваке помогают ей в научных исследованиях?
Миранда Шваке обладает навыками объяснения науки разным аудиториям. Она считает, что важно понимать, с чего начинает её аудитория, и что ей нужно объяснить, прежде чем переходить к более сложным темам. Это помогает ей распространять идеи и получать новые взгляды на свою работу.
5. Какова роль сообщества в научных исследованиях, по мнению Миранды Шваке?
Миранда Шваке видит способность общаться как центральную в построении сообщества. Она считает, что участие в жизни сообщества важно для мотивации других людей заниматься исследованиями, интересоваться наукой и технологиями. Она также считает, что это помогает сохранять рассудок во время обучения в аспирантуре.