Till innehåll på sidan

Livsviktig matematik

Datorsimulering som minskar lidande och gynnar miljön

Forskaren Johan Hoffman använder en urgammal ekvation för att beskriva såväl turbulent strömning av luft kring flygplan som hjärtats blodflöde. Tack vare Nordens kraftigaste datorsystem och en unik beräkningsmetod kan ekvationen i dag förutsäga hur omvärlden kan påverkas av strömningen. Foto: Christer Gummeson

FORSKNING PÅ DJUPET

Publicerad 2012-09-10

Med hjälp av avancerade datorsimuleringar hoppas forskare på att kunna minska antalet djurförsök och skona miljön.
– Simulering skulle redan nu kunna minska produktion av industriella prototyper. Och snart kan datorsimulering användas som beslutstöd för vissa medicinska ingrepp, säger Johan Hoffman, professor i numerisk analys på KTH.

I sin forskning utvecklar Johan Hoffman och hans forskargrupp datorprogram som kan förutsäga hur turbulent strömning i vår omvärld kommer att se ut, och hur den kommer att påverka oss.

Strömningslära är knappast någon ny vetenskap – de matematiska ekvationerna som beskriver strömning har funnits i 250 år. Men i samband med datorernas framsteg de senaste decennierna har teknikens utveckling tagit ordentlig fart.

Johan Hoffman och hans forskarteam vid KTH:s Skolan för Datavetenskap och Kommunikation använder sig av Nordens mest kraftfulla datorsystem: 306 TF Cray XE6, även kallat Lindgren.

– Huvudfokus är att utveckla metoder för att kunna göra stora beräkningar av strömning i vatten, luft och blod, för att se hur strömningen påverkar funktionen av exempelvis flygplan, bilar, båtar, och människans tal- och hjärtfunktion, berättar Johan Hoffman.

Hans forskargrupp har redan bidragit till utvecklingsfrågor för industrins räkning, bland annat gällande framställningen av ljuddämpare till lastbilar.

– Vår simuleringsteknik kan bidra till stora miljöbesparingar, när fordonsindustrin kan framställa prototyper och göra mätningar utan att bygga upp produkterna rent fysiskt. Allt fler av produkternas funktioner och egenskaper kommer att kunna testas fullt ut på ritbordet och dataskärmen, säger Johan Hoffman.

År 2011 lyckades hans grupp förutsäga luftmotståndet för en hel bil genom matematiska beräkningar och datasimulering, och resultatet presenterades på Super Computing-konferensen SC11 i Seattle.

Liknande metodik användes också för att beräkna källor till buller från landningsställ på en workshop BANC-II, på konferensen AIAA i Colorado Springs 2012. Här visade sig KTH-forskarna höra till det absoluta toppskiktet i världen när det gäller strömningsberäkningar genom datorsimulering.

De fysiska tester som utfördes på ett riktigt landningsställ av Boeing och Nasa visade att den matematiska beräkningsmetoden var tillförlitlig. Resultaten från de digitala simuleringarna stämde väl överens med verkligheten.

– Faktum är att vi ligger så långt framme i vårt forskningsarbete att vi inte har någon annan forskargrupp att vända oss till för att få svar på våra frågor, säger Johan Hoffman.

Nya rön och nyheter i branschen delas och sprids på mässor och konferenser, och den svenska forskargruppen har även implementerat sin nya beräkningsteknik i mjukvara med öppen källkod, Unicorn (https://lanchpad.net/unicorn), en del av mjukvaruprojektet FEniCS (http://www.fenicsproject.org).

-Som forskare vill jag öka förståelsen i samhället för vilka möjligheter och begränsningar simuleringsmodellerna har. Vi kommer att kunna effektivisera utvecklingsprocessen genom att undvika kostsam prototyp-produktion. Vi kan även reducera antalet djurförsök, men våra medicinska datorsimuleringar vara beslutstöd för yrkesverksamma kirurger – inte bli en app som gemene man kan ladda ner till sin telefon, säger Johan Hoffman.

På senare tid har Johan Hoffman styrt allt mer av sitt forskningsarbete åt det medicinska hållet. I samarbete med KTH:s Skolan för Teknik och Hälsa, Umeå Universitet och Tekniska högskolan i Linköping har han bidragit till att skapa en datormodell av hjärtat, som visar hur blodet flödar.

Matematiska ekvationer beskriver hur blodet flödar utifrån ultraljudsmätningar av hjärtväggens rörelser.

– Simuleringsmodellen gör att vi får en ökad förståelse för hur hjärtat fungerar. Datormodellen kan ge en mer fullständig bild av blodflödet än den vi kan observera i hjärtat via ren bilddiagnostik som magnetröntgen och ultraljud, säger Johan Hoffman.

– Dessutom skulle vi kunna hitta de specifika behandlingar som är mest lämpade för individen, genom att exempelvis testa funktionen av olika sorters hjärtklaffar virtuellt före operation.

För att den här sortens projekt ska lyckas krävs investeringar i pålitliga beräkningsverktyg, noggranna kvalitetskontroller och kvantifiering av de fel som uppstår som ett resultat av approximationer i modellerna.

– Ett starkt argument för att fortsätta satsa på avancerade datorsimuleringar är att de i allt högre grad kommer att kunna ersätta djurförsök. I stället för att produkter och medicinska åtgärder testas på djur skulle testerna kunna utföras på datorns virtuella, mänskliga modeller, säger Johan Hoffman.

Han påpekar att området för datorsimulering förändras och utvecklas mycket snabbt, i takt med att datorernas prestanda ökar.

– För bara 20 år sedan arbetade vi forskare med tvådimensionella modeller i den här sortens projekt, men nu när vi jobbar i 3D kan vi göra alla undersökningar mer realistiska. Mitt mål är att modellerna också ska bli interaktiva, så användaren ska kunna uppleva att han eller hon går in och arbetar i ett virtuellt laboratorium, som i ett dataspel.

Vid den nya avdelningen High Performance Computing and Visualization (HPCViz), på KTH:s Skolan för Datavetenskap och Kommunikation, är Johan Hoffman ställföreträdande föreståndare. Målet är att HPCViz ska bli den ledande svenska forskningsmiljön för högpresterande beräkningar och avancerad datavisualisering.

– Det vi ser inom e-vetenskapen i stort i världen är att det samlas in maximala mängder data på alla fronter, och att vi nu ska lära oss att hantera, sortera och använda all data, säger Johan Hoffman.

– Min vision är att vi framöver ska kunna kombinera all data med avancerade simuleringsmodeller, för att bland annat kunna skapa modeller av hav och atmosfär. Där är vi nog om ytterligare något decennium.

För mer information, kontakta Johan Hoffman på 08-790 77 83, eller jhoffman@kth.se.

Katarina Ahlfort

Tre användningsområden för strömningslära

1. Medicin. Blodflödet i hjärtat kan beräknas genom en datamodell, och tekniken gör det möjligt att förutse hur hjärtat kommer att påverkas av exempelvis nya hjärtklaffar.

2. Aerodynamik. Beräkningar av luftmotstånd, bränsleförbrukning och buller kan genomföras utan att fysiska prototyper behöver tillverkas och testas.

3. Geofysik. Det går att förutse hur havsströmmarna skulle förändras vid byggnation av vindkraftverk till havs. Redan i förväg går det att lokalisera det viktigaste räddningsområdet vid oljeutsläpp till havs.

Hoffmans unika beräkningsmetodik

-Forskargruppen använder matematik för att optimera användningen av datorkraft genom att anpassa och avgränsa beräkningsmetoden. Genom så kallade adaptiva metoder, en sorts självlärande algoritmer, hittar forskarna de korrekta svaren med minsta möjliga arbete.

-Så här går det till: Strömningen beräknas med hjälp av ett rutnät av punkter, som är finmaskigt enbart i de områden som är viktiga för studien, exempelvis gällande bensinförbrukning eller blodflöde. Om rätt nätområde väljs ut för förfining, kan metoden med stor pålitlighet förutsäga den turbulenta strömningen, och möjliggöra tidigare ogenomförbara studier.

 

Läs mer om arbetet vid Computational Technology Laboratory

Läs mer om Johan Hoffman på hans webbsida