Las simulaciones de HPC ayudan a los investigadores a desarrollar tecnología de rastreo artificial

Hola, ¿qué tal colega?. Yo soy Simón Sánchez y en el día de hoy vamos a hablar sobre Las simulaciones de HPC ayudan a los investigadores a desarrollar tecnología de rastreo artificial

Desde la aplicación de la ley hasta la detección del cáncer, la extraordinaria capacidad de los perros para oler los primeros signos de peligro y enfermedad está recibiendo una atención cada vez mayor por parte de los investigadores, con buenas razones.

A pesar de los enormes avances en la tecnología de aplicación de la ley, todavía no existe ningún instrumento hecho por el hombre que pueda detectar la presencia de explosivos como el sofisticado sistema de rastreo de un perro. Algunos expertos creen que supera el sentido del olfato humano en un factor de al menos 10.000 y posiblemente hasta 100.000. Incluso en el mundo actual de la alta tecnología, los perros entrenados siguen siendo los mejores detectores de bombas.

En el campo médico, los perros han demostrado la capacidad de detectar ciertos cánceres en sus primeras etapas, cuando la posibilidad de cura es mayor. Los estudios han documentado la capacidad de los perros para distinguir a las personas con cáncer de los controles sanos olfateando el aliento o la piel con una precisión de entre el 88% y el 97%.

«La nariz del perro es el estándar de oro para la detección de trazas químicas», explica Brent Craven, investigador del Laboratorio de Dinámica de Gas y del Laboratorio de Investigación Aplicada de la Universidad Penn State. Craven y su equipo, que incluye a los Dres. Gary Settles y Eric Paterson del Departamento de Ingeniería Mecánica están utilizando modelos informáticos para estudiar el olfato canino para ayudar a desarrollar tecnologías de «rastreadores artificiales».

«Estamos tratando de entender qué hace que los perros sean tan eficientes en esta área», dice Craven. Analizó la aerodinámica interna y los fenómenos de transporte en la nariz canina utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD). Grandes simulaciones paralelas en computadoras de alto rendimiento en Penn State con el software AcuSolve CFD (ACUSIM Software, Inc.) producen terabytes de datos. Uno de los desafíos fue la incapacidad del software de visualización para manejar los modelos muy grandes requeridos para este estudio.

«La complejidad de la nariz del perro rivaliza con el pulmón humano con sus muchas y diversas vías respiratorias ramificadas, y es esencial que entendamos exactamente cómo funciona», dice Craven. «La construcción de un modelo de computadora virtual en 3D y la ejecución de simulaciones con un modelo tan complicado pueden requerir casi 100 millones de células; no todo el software de visualización CFD puede manejar un conjunto de datos tan grande».

Para abordar este desafío, Craven y otros investigadores de Penn State recurrieron al software de visualización científica EnSight Gold de Computational Engineering International, Inc. El software admite modelos muy grandes que contienen millones o miles de millones de nodos, lo que proporciona capacidades de procesamiento y renderizado en paralelo. intenso para aplicaciones como la animación del flujo de aire. Los investigadores también utilizaron scripts de Python para automatizar el análisis y la visualización de datos.

Su proyecto de rastreador artificial comenzó hace tres años con imágenes de resonancia magnética de alta resolución de un perro cadáver. Craven luego los reconstruyó en un modelo de computadora virtual de una nariz canina y, utilizando datos experimentales de olfateo de perros vivos, pudo simular el flujo de aire a través de él. El modelo puede inspirar, expirar u oler constantemente, por lo que Craven puede analizar la dinámica de fluidos de la detección de trazas en el mejor rastreador de la naturaleza.

«Una de las preguntas que estamos tratando de responder es por qué los perros huelen tan rápido», dice Craven. Utilizando software de visualización, pueden analizar los resultados de la simulación de su modelo de un Labrador Retriever olfateando a 5 Hz (5 olfateos por segundo), la frecuencia nominal de olfateo de un perro de ese tamaño. El objetivo final es crear una nariz de perro virtual completa, con receptores de olor virtuales ubicados en la parte posterior de la nariz.

El modelo informático es capaz de mostrar el papel de las diversas estructuras anatómicas de la nariz canina en la respiración y el olfato. Estos incluyen el vestíbulo nasal, que filtra y distribuye el aire inhalado dentro de la cavidad nasal y dirige un chorro de aire exhalado; las vías respiratorias, que filtran, calientan / enfrían, humedecen el aire inhalado y deshumidifican el aire exhalado; y las vías respiratorias olfativas, donde se detectan trazas químicas.

Craven le da crédito a un equipo multidisciplinario que involucra a varias universidades por el éxito que han tenido, incluidos doctores de la facultad de anatomía y fisiología. Ed Morrison y Eleanor Josephson de la Universidad de Auburn, el profesor de bioingeniería Andrew Webb y el Dr. Thomas Neuberger de Penn State y los Dres. Gary Settles y Eric Paterson. «El alcance del proyecto sniffer abarca muchas áreas de la ciencia y la ingeniería, desde la anatomía, la biología e incluso la neurociencia hasta la bioingeniería, la ingeniería mecánica y la ingeniería química», explica. «Nuestras técnicas de modelado y renderizado están atrayendo el interés de investigadores en muchos de estos diferentes campos».

Craven y sus colegas publicaron recientemente algunos de sus hallazgos en la edición de noviembre de 2007 de The Anatomical Record en un artículo titulado «Reconstrucción y análisis morfométrico de las vías respiratorias nasales del perro (Canis familiaris) e implicaciones para el flujo de aire olfativo». «. Sus esfuerzos futuros se enfocan en incorporar el movimiento de las fosas nasales, la deposición de vapor y partículas, y patrones de receptores en la nariz de su perro virtual. La validación experimental (velocimetría de resonancia magnética) de estos esfuerzos también está en curso.

El objetivo final de crear un rastreador artificial eficiente no es reemplazar a los perros, dice Craven, sino complementarlos en una amplia gama de aplicaciones como detección de cáncer, detección de explosivos, búsqueda y rescate, prohibición aplicaciones militares y de drogas.

De hecho, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa está animando a organizaciones de investigación experimentadas a participar en su nuevo programa «RealNose», diseñado para construir una nariz artificial basada en los receptores olfativos reales de un perro real que puede oler una amplia gama de sustancias químicas. con la misma precisión y fiabilidad.

“Existe un enorme potencial para la tecnología de rastreadores artificiales. Pueden ser portátiles, como ‘aspiradoras’, o pueden montarse en un robot para permitir que la movilidad salga y busque rastros de productos químicos «, dice Craven.» Como ingenieros, ciertamente podemos diseñar una nariz artificial, pero avances en la tecnología de simulación y la visualización ahora nos permiten analizar lo real y crear un verdadero diseño biomimético «.

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