| |
|
 7-8,
2001
Kulturotwórcza część nauki nie wymaga żadnych innych uzasadnień,
jak pragnienie poznania świata.
" Wizerunki
niepewności" Rozmowa z prof. Michałem Kleiberem,
laureatem konkursu na Subsydium Profesorskie FNP 2001
Kwestionuje się czasami pojęcie nauki techniczne, w przeświadczeniu,
że technika opiera się na matematyce, fizyce, chemii. Fundacja
na rzecz Nauki Polskiej przyznaje swą doroczną nagrodę także
za osiągnięcia w naukach technicznych, a w tym roku subsydia
profesorskie otrzymali ich przedstawiciele.
- Nie wiem, czy jestem najwłaściwszą osobą do wyjaśnienia
tej wątpliwości - sam studiowałem matematykę w uniwersytecie
i mechanikę w politechnice. Wydaje mi się naiwny pogląd,
że to, co opiszą matematycy, odkryją fizycy czy uzyskają
chemicy, może być użyte w praktyce. Potrzebne jest ogniwo
pośrednie. Inaczej mówiąc, żeby wymyślić cokolwiek mądrego,
a jednocześnie stosowalnego, musi być ktoś, kto wie, na
czym mogłoby polegać wykorzystanie odkryć przyrodniczych
w praktyce, w szczególności w technice. Jednocześnie, ktoś
taki zwykle zajmuje się rozszerzaniem badań podstawowych
na te obszary, gdzie można się spodziewać czegoś ważnego
z punktu widzenia zastosowań. Najczęściej dzieje się to
we współpracy. W naszym instytucie tylko część, około 40
proc. profesorów, ma wykształcenie techniczne, inżynierskie.
Pozostali to matematycy, fizycy, informatycy, którzy wykonują
prace podstawowe ulokowane w kontekście zastosowań.
- IPPT jest ogniwem pośrednim między badaniami podstawowymi
i stosowanymi?
- Jestem przeciwnikiem tego podziału. Myślę, że mamy badania
poznawcze, gdzie nic innego jak dociekanie prawdy badaczy
nie interesuje, i badania (tych jest większość na świecie)
prowadzone, jak powiedziałem, w kontekście zastosowań.
- Słowo kontekst oznacza, jak rozumiem, szukanie odpowiedzi
na pytania wynikające z aktualnych ludzkich potrzeb, a granica
chyba nie jest ostra?
- Właśnie tak. Trzeba mieć konkretny pretekst - w poważnym
sensie tego słowa - żeby prowadzić badania, które będą
jednocześnie realne lub choćby potencjalnie użyteczne.
Programy naukowe Unii Europejskiej są tak pomyślane. Jeśli
np. fizyk wchodzi do któregoś z tych programów, to ma obowiązek
umieć powiedzieć coś na temat hipotetycznych zastosowań,
nie może poprzestać na konstatacji: chcę to robić, bo pociągają
mnie piękne równania.
- Nie należy jednak ignorować takiej motywacji.
- Naturalnie, że nie. Kulturotwórcza część nauki nie wymaga
żadnych innych uzasadnień, jak pragnienie poznania świata.
Moim zdaniem, na nią powinno iść mniej więcej 30 proc.
środków, natomiast resztę muszą otrzymywać takie badania,
o których wiemy, do czego ich wyniki mogą się przydać.
Jeśli przyniosą tylko 5 proc. znaczących osiągnięć technicznych,
to niemało. Uważam za wielką siłę mojego instytutu i innych
instytutów PAN to, że skupiają ludzi z obu nurtów, że tworzą
interdyscyplinarne zespoły badawcze. Uczelnie zorganizowane
wedle potrzeb dydaktycznych nie są w stanie tego robić,
w każdym razie bardzo im trudno.
- Czy podwójne studia Pana Profesora ułatwiają kierowanie
takim instytutem?
- Myślę, że tak.
- Ale skąd się wzięły takie wybory? Czy z tradycji?
- Mój ojciec był inżynierem i nie wyobrażał sobie, żeby jego
syn nie był inżynierem. Studiowałem więc inżynierię lądową
(specjalność ojca). Nie czułem się tam dobrze i zacząłem
studiować matematykę. Okazało się, czego nie byłem świadomy,
że mam w tym kierunku pewne zdolności i skończyłem uniwersytet
nieco wcześniej niż politechnikę. Później pracowałem i
w jednej, i w drugiej uczelni, aż wylądowałem w IPPT, co
sobie chwalę. Wiele lat spędziłem za granicą.
- Jako matematyk czy jako inżynier?
- Zawsze było to u mnie przemieszane, ale matematykiem przestałem
być stając się informatykiem. Do końca nie potrafię powiedzieć,
kim właściwie jestem.
- To przeszkadza czy stanowi walor?
- Sprawia pewien dyskomfort, choćby w wywiadach... Od dłuższego
czasu zajmuję się symulacjami komputerowymi zagadnień dużej
skali. Dwa lata spędziłem w specjalnej placówce od tych
spraw w uniwersytecie tokijskim, zajmując bardzo honorowe
stanowisko. Robiłem dużo symulacji, np. przepływu powietrza
przez płuco, co jest bardzo złożonym problemem z zakresu
mechaniki, ale także fizjologii, no i miało całkiem praktyczny
aspekt diagnostyczny.
- Było to we współpracy z lekarzami?
- Naturalnie.
- Czy musiał się Pan uczyć medycyny?
- Bardzo dużo. Teraz rozpoczynam współpracę ze stomatologami
z Włoch, Niemiec i Irlandii w zagadnieniu implantów zębowych.
Nie jest łatwo się porozumieć - zapewne za przyczyną obu
stron. Wspieram moje twierdzenia symulacjami komputerowymi
różnych zjawisk i procesów związanych z funkcjonowaniem
implantów. Razem uprawiamy coś, co nazywa się biomechaniką
medyczną. W maju mieliśmy kolejne już spotkanie z ortopedami
z całej Polski, którzy bardzo wiele od nas - mechaników
i informatyków - oczekują, tym razem w zakresie stosowania
implantów biodrowych i kolanowych.
- Gdzie jest najwięcej pytań? W mechanice i fizyce czy też
na tym obszarze, który Pan profesor nazwał kontekstem zastosowań,
tj. wykonania implantu, wszczepienia go itp.?
- Pytania są wszędzie. Implant, żeby już przy nim pozostać,
musi spełniać szereg warunków: mieć optymalny kształt,
z punktu widzenia jego pracy mechanicznej, musi dobrze
zespolić się z kością, być możliwie trwały itd. Ciągle
dyskutujemy z ortopedami widząc możliwości rozwiązań trochę
innych niż oni. Lekarze są bliżej człowieka i skupiają
się głównie na sposobie przeprowadzenia operacji, zabezpieczeniu
przed infekcjami, a my zastanawiamy się nad optymalnym
kształtem implantu, nad materiałami aktywnymi biologicznie.
Współpracujemy bardzo ściśle. Symulacja komputerowa umożliwia
zobaczenie różnych wariantów zachowania się implantu zależnie
od okoliczności zarówno mechanicznych, jak i medycznych.
- Symulacja komputerowa to jest coś, co ogromnie działa
na wyobraźnię. Laicy bywają skłonni przypisywać nieograniczone
wręcz możliwości komputerowi albo też (rzadziej) wątpić w
rzeczywistą ich przydatność.
- Do niedawna (od starożytności) panował pogląd, że nauka
to teoria i eksperyment - dwa filary, na których opiera
się jej paradygmat. W dzisiejszym świecie istnieją, wedle
mnie, trzy filary: teoria, eksperyment i symulacja komputerowa.
- Czy nie jest ona szczególnym rodzajem eksperymentu?
- Nie. Ma swoją autonomię, przy czym, trzeba podkreślić,
wszystkie trzy filary są niezbędne. Symulacja komputerowa,
która daje nam wspaniałe narzędzie, ma jedną wadę: dzieje
się w przestrzeni wirtualnej, co może grozić utratą kontaktu
z rzeczywistością. Jeżeli popełnimy błąd, możemy zabrnąć
na manowce i zacząć symulować zjawiska, które w rzeczywistości
w ogóle nie wystąpią. Nie można zatem wyrzec się eksperymentu
fizycznego, który z kolei ma tę ułomność, że robimy go
zawsze na bardzo uproszczonych modelach. Jeżeli zajmuję
się zjawiskami zachodzącymi w jakimś materiale, to wiem,
że próbkę tego materiału mogę np. rozciągnąć albo zgiąć
i zobaczyć, co się dzieje. Jeżeli chciałbym ją poddać działaniu
wielu czynników jednocześnie, natrafię na takie komplikacje,
że okaże się to niewykonalne. A takie właśnie sytuacje
występują w życiu i musimy je rozwiązywać. Jeśli ktoś ma
implant w biodrze, to ten implant jest poddawany obciążeniom
cyklicznie, setki tysięcy razy i dzieją się z nim jeszcze
różne inne rzeczy: skręcanie, zginanie, ściskanie, działanie
temperatury, reakcje chemiczne itd. Nie sposób odwzorować
tego w eksperymencie fizycznym. Próbujemy opisać całą tę
skomplikowaną sytuację jakąś teorią i zaprogramować w komputerze.
Przeprowadzamy niejako eksperyment fizyczny, ale w przestrzeni
wirtualnej. Komputer może zrobić z tym implantem czy z
próbką materiału wszystko, cokolwiek człowiek wymyśli.
- Jakiej wiedzy potrzeba, żeby zadać komputerowi taki eksperyment?
- Jest to podstawowe pytanie. Otóż, na etapie formułowania
teorii musimy wiedzieć, jakie są możliwości komputera,
przede wszystkim to, że do owej teorii możemy włączyć także
inne efekty niż te, które przewidywaliśmy w eksperymencie
fizycznym. Możemy np. zaprogramować wszczepienie implantu
komuś, kto musi codziennie przebywać setki tysięcy schodów,
w górę i w dół, co w życiu się nie zdarza. I możemy dzięki
temu zobaczyć zupełnie nowe zjawiska, których nie bylibyśmy
w stanie się domyślić. Symulacja komputerowa jest dzisiaj
elementem odkryć naukowych. Dam przykład. Kosmologów i
astronomów intryguje od dawna proces tworzenia się galaktyk
trwający setki milionów lat. Nie można tego obserwować,
trudno sobie wyobrazić jakikolwiek eksperyment fizyczny.
Specjaliści od symulacji komputerowej wzięli od astronomów
fotografie galaktyk będących w różnych fazach rozwoju i
na tej podstawie opracowali pogram, który symuluje ten
rozwój od początku do końca. Dzięki symulacji komputerowej
dokonano doniosłego odkrycia. Podobnych przykładów jest
więcej.
- Musi być jakiś wspólny poziom wiedzy specjalistycznej
i wiedzy informatycznej?
- Oczywiście, powstała (w Ameryce, będącej dla mnie wzorem
uprawiania nauki) nowa dziedzina, która nazywa się computational
science. U nas niektórzy mówią - nauki obliczeniowe, ja
wolę nazywać to modelowaniem i symulacją komputerową. Jeśli
na początku mówiłem, że nie bardzo wiem, kim jestem, to
najbliższa mi jest właśnie computational science.
- Na co przeznaczy Pan subsydium?
- Przede wszystkim na wsparcie moich młodych współpracowników,
których trudno zatrzymać w instytucie naukowym za 900 zł
miesięcznie, plus, powiedzmy, jeszcze 500 zł z jakiegoś
grantu, podczas gdy informatyk po studiach zarabia w Warszawie
4-5 tys. zł. Myślę, że uda mi się zatrzymać, na godziwych
warunkach, trzech zdolnych młodych ludzi, co będzie bardzo
cenne. Jakaś część pójdzie na kontynuację badań.
- Nad zagadnieniami "nieliniowej termomechaniki z uwzględnieniem
efektów losowych", jak to zapisano w komunikacie o przyznaniu
subsydium?
- Są to przede wszystkim problemy niezawodności i bezpieczeństwa
konstrukcji narażonych na ekstremalne obciążenia różnego
typu. Nie trzeba nikogo przekonywać, jak ważna jest niezawodność
np. reaktorów atomowych czy samolotów. Robi się więc symulację
komputerową najrozmaitszych sytuacji awaryjnych i analizuje
wszystkie występujące zjawiska, zachowanie wszystkich elementów
konstrukcji oraz całego układu, którego dotyczy takie zdarzenie
losowe. Możemy sobie wyobrazić most, którego element ma
wadę materiału przez nikogo nie wykrytą, mimo licznych
kontroli, albo wieżowiec, w który uderza potworna wichura,
jaka nigdy przedtem w tym rejonie nie wystąpiła. Może się
też zdarzyć, że kilka takich efektów losowych wystąpi jednocześnie
- wtedy zwykle następuje katastrofa. Otóż my, za pomocą
symulacji komputerowej, staramy się ocenić prawdopodobieństwo
podobnych sytuacji. Na ?normalną? symulację zachowania
się jakiegoś złożonego systemu nakładamy jeszcze ową niepewność
co do wystąpienia efektów losowych. Nazywamy to w naszym
żargonie ?modelowaniem i przetwarzaniem niepewności?. Element
niepewności istnieje we wszystkim, co nas otacza, ale jest
przeważnie pomijany. Wiemy, że dom, gdzie mieszkamy, zbudowali
inżynierowie obliczając różne parametry, tak żeby stał
on wiele lat, i nie zastanawiamy się nad tym, czy wyjątkowo
silny huragan może go zburzyć. Element niepewności najczęściej
związany jest z błędami popełnianymi przez człowieka. Badanie
go, nawet za pomocą symulacji komputerowej, jest ogromnie
trudne. Podstawę stanowi teoria prawdopodobieństwa, istniejąca
w matematyce od dziesiątków lat. Żeby ją stosować do zagadnień
technicznych, trzeba mieć wiedzę o materiałach, konstrukcjach,
samolotach, reaktorach, wieżowcach itp.
- I o czynnikach zewnętrznych, jakie działają lub mogą działać
na te wszystkie wytwory techniki?
- Oczywiście. Wracamy do początku rozmowy - do współpracy.
Nasza współpraca tworzy obszar nauk technicznych, o które
pani pytała.
- Jak zaawansowana jest dziedzina, którą Pan profesor uprawia,
owe computational sciences?
- Bardzo wiele rzeczy potrafimy już robić racjonalnie. Ale
bardzo wiele jest do zrobienia.
- Co to znaczy: racjonalnie?
- W wielu przypadkach potrafimy ocenić - z dużą dokładnością
- prawdopodobieństwo awarii, czyli obliczyć niepewność
prawidłowego funkcjonowania układu. Poza bezpieczeństwem
może to przynieść duże korzyści ekonomiczne, także estetyczne
(lżejszy most jest ładniejszy). Znając niepewność nie musimy
robić konstrukcji np. dwa razy wytrzymalszej niż to wynika
z tradycyjnych obliczeń, tylko można jej wytrzymałość bardzo
dokładnie oszacować.
- Gdzie jest kres tej racjonalności, jak daleko można dojść
w symulowaniu niepewności?
- Nie można zapewnić absolutnego bezpieczeństwa, zupełnie
wykluczyć awarii, ale już dzisiaj w wielu przypadkach potrafimy
powiedzieć, że jej prawdopodobieństwo wynosi np. 10-8,
czyli praktycznie w ciągu ludzkiego życia awaria się nie
zdarzy. Trzeba przy tym pamiętać, że zwiększenie bezpieczeństwa
kosztuje, i to tym więcej, im bardziej je zwiększamy. Pytamy,
jakie koszty społeczeństwo gotowe jest ponosić? Wszyscy
chcielibyśmy, żeby bilety samolotowe były tańsze, ale czy
zgodzimy się na obniżenie ceny kosztem większego ryzyka
wypadków? Odpowiedź na to pytanie nie należy do inżynierów.
Na szczęście.
- Sama świadomość, że można bardzo znacznie ograniczyć niepewność
przy budowaniu mostów, wieżowców, reaktorów już chyba daje
większe poczucie bezpieczeństwa?
- Tak. Na koniec powiem pani o innych pracach mojej grupy
badawczej. opracowaliśmy m.in. program symulacji procesu
głębokiego tłoczenia blachy, który jest o wiele bardziej
skomplikowany niż moglibyśmy to sobie wyobrazić patrząc
na karoserię samochodu. Używa się niezwykle kosztownych
matryc wykonanych z materiału o wielkiej wytrzymałości,
a i tak jest spory procent odpadów. Eksperymenty fizyczne
byłyby niesłychanie kosztowne, symulacja pozwala cały ten
proces przeanalizować i zobaczyć w formie animacji komputerowej.
Nasz program jest używany za granicą, a my go ciągle rozwijamy,
także w kierunku przewidywania niepewności rozmaitych parametrów
i elementów kolejnych faz tłoczenia. Pracujemy również
nad symulacją różnych konstrukcji budowlanych, gdy trzeba
ocenić prawdopodobieństwo awarii, żeby racjonalnie projektować.
- Jeżeli używamy liczby mnogiej mówiąc nauki techniczne,
to symulacja komputerowa jest jedną z nich?
- Moim zdaniem, tak.
Rozmawiała
Magdalena Bajer
Źródło:
|
|
|
