Une nouvelle recherche du MIT explore le feu sous toute une série de nouvelles perspectives. La recherche utilise des approches d’apprentissage en profondeur qui extraient les caractéristiques vibratoires des flammes en tant qu’objets scintillants et les traduisent en sons et en matériaux.
Le physicien du XIXe siècle Michael Faraday était connu non seulement pour ses contributions expérimentales fondamentales à l’électromagnétisme, mais aussi pour ses prises de parole en public. Ses conférences annuelles de Noël à la Royal Institution sont devenues une tradition de vacances qui se poursuit à ce jour. L’une de ses conférences de Noël les plus célèbres concernait l’histoire chimique d’une bougie. Faraday a illustré ses propos par une expérience simple : il a placé une bougie à l’intérieur d’un verre de lampe afin de bloquer toute brise et d’obtenir « une flamme silencieuse ». Faraday a ensuite montré comment la forme de la flamme scintillait et changeait en réponse aux perturbations.
« Vous ne devez pas imaginer, parce que vous voyez ces langues toutes à la fois, que la flamme a cette forme particulière », a observé Faraday. « Une flamme de cette forme ne l’est jamais à aucun moment. Jamais un corps de flamme, comme celui que vous venez de voir sortir de la boule, n’a la forme qu’il vous apparaît. Il se compose d’une multitude de formes différentes, se succédant l’un à l’autre si vite que l’œil ne peut les connaître que tous à la fois. »
Aujourd’hui, les chercheurs du MIT ont introduit la simple expérience de Faraday dans le 21e siècle. Markus Buehler et son post-doctorant, Mario Milazzo, ont combiné l’imagerie haute résolution avec l’apprentissage automatique en profondeur pour sonifier une seule flamme de bougie. Ils ont ensuite utilisé cette flamme unique comme élément de base, créant de la « musique » à partir de sa dynamique scintillante et concevant de nouvelles structures qui pourraient être imprimées en 3D dans des objets physiques. Buehler a décrit cela et d’autres travaux connexes lors de la réunion de l’American Physical Society la semaine dernière à Chicago.
MIT
Comme nous l’avons signalé précédemment, Buehler se spécialise dans le développement de modèles d’IA pour concevoir de nouvelles protéines. Il est peut-être mieux connu pour avoir utilisé la sonification pour éclairer des détails structurels qui pourraient autrement s’avérer insaisissables. Buehler a découvert que les éléments hiérarchiques de la composition musicale (hauteur, gamme, dynamique, tempo) sont analogues aux éléments hiérarchiques de la structure des protéines. Tout comme la musique a un nombre limité de notes et d’accords et utilise différentes combinaisons pour composer de la musique, les protéines ont un nombre limité de blocs de construction (20 acides aminés) qui peuvent se combiner de plusieurs façons pour créer de nouvelles structures protéiques aux propriétés uniques. Chaque acide aminé a une signature sonore particulière, semblable à une empreinte digitale.
Il y a plusieurs années, Buehler a dirigé une équipe de scientifiques du MIT qui a cartographié la structure moléculaire des protéines dans les fils de soie d’araignée sur la théorie musicale pour produire le « son » de la soie. L’espoir était d’établir une nouvelle façon radicale de créer des protéines de créateurs. Ce travail a inspiré une exposition d’art de sonification, « Spider’s Canvas », à Paris en 2018. L’artiste Tomas Saraceno a travaillé avec des ingénieurs du MIT pour créer un instrument interactif semblable à une harpe inspiré du web d’un Cyrtophora citricola araignée, avec chaque brin de la « toile » accordé à une hauteur différente. Combinez ces notes dans divers motifs dans la structure 3D du Web et vous pouvez générer des mélodies.
En 2019, l’équipe de Buehler a développé un système encore plus avancé pour créer de la musique à partir d’une structure protéique, puis reconvertir la musique pour créer de nouvelles protéines inédites dans la nature. L’objectif était d’apprendre à créer des toiles d’araignées synthétiques similaires et d’autres structures qui imitent le processus de l’araignée. Et en 2020, l’équipe de Buehler a appliqué la même approche pour modéliser les propriétés vibrationnelles de la protéine de pointe responsable du taux de contagion élevé du nouveau coronavirus (SARS-CoV-2).
Markus Bühler
Buehler s’est demandé si cette approche pouvait être suffisamment étendue pour étudier le feu. « Les flammes, bien sûr, sont silencieuses », a-t-il déclaré lors d’une conférence de presse. Cependant, « Le feu a tous les éléments d’une corde vibrante ou d’une molécule vibrante mais dans un modèle dynamique qui est intéressant. Si nous pouvions les entendre, à quoi ressembleraient-ils ? Pouvons-nous matérialiser le feu ? Pouvons-nous repousser les limites pour générer des des matériaux que vous pourriez réellement sentir et toucher à partir de cela ? »
Comme Faraday des siècles auparavant, Buehler et Milazzo ont commencé par une expérience simple impliquant une seule flamme de bougie. (Un feu plus important aura tellement de perturbations qu’il deviendra trop difficile en termes de calcul, mais une seule flamme peut être considérée comme un élément de base du feu.) Les chercheurs ont allumé une bougie dans un environnement contrôlé, sans mouvement d’air ni aucun autre élément externe. signaux—la flamme tranquille de Faraday. Ensuite, ils ont joué des sons à partir d’un haut-parleur et ont utilisé une caméra à grande vitesse pour capturer comment la flamme scintillait et se déformait au fil du temps en réponse à ces signaux acoustiques.
Simulation d’assemblage de flammes dans une princesse dans un jardin de conte de fées.
Markus Buehler et Mario Milazzo, MIT
« Il y a des formes caractéristiques qui sont créées par cela, mais ce ne sont pas les mêmes formes à chaque fois », a déclaré Buehler. « Il s’agit d’un processus dynamique, donc ce que vous voyez [in our images] n’est qu’un aperçu de ceux-ci. En réalité, il y a des milliers et des milliers d’images pour chaque attente du signal acoustique – un cercle de feu. »
Lui et Milazzo ont ensuite formé un réseau de neurones pour classer les signaux audio originaux qui ont créé une forme de flamme donnée. Les chercheurs ont efficacement sonifié les fréquences vibratoires du feu. Plus une flamme dévie violemment, plus le signal audio change radicalement. La flamme devient une sorte d’instrument de musique, dont on peut « jouer » en l’exposant à des courants d’air, par exemple, pour faire clignoter la flamme d’une manière particulière – une forme de composition musicale.
« Le feu est vibratoire, rythmique et répétitif, et change continuellement, et c’est ce qui définit la musique », a déclaré Buehler. « L’apprentissage en profondeur nous aide à exploiter les données et les modèles de feu particuliers, et avec différents modèles de feu, vous pouvez créer cet orchestre de sons différents. »
Buehler et Milazzo ont également utilisé les différentes formes de flammes scintillantes comme blocs de construction pour concevoir de nouvelles structures sur ordinateur, puis imprimer ces structures en 3D. « C’est un peu comme figer la flamme d’un feu dans le temps et pouvoir la regarder sous différents angles », a déclaré Buehler. « Vous pouvez le toucher, le faire pivoter, et l’autre chose que vous pouvez faire est de regarder à l’intérieur des flammes, ce qu’aucun humain n’a jamais vu. »