Šimon Kratochvíl: Úspěšný finalista SOČ o využití otevřených dat a strojového učení ve fyzice

Jak byste představil téma své SOČ práce? Kdo ji vedl?
Moje práce se jmenuje Využití otevřených dat pro předpovědi nových materiálů s pomocí strojového učení. Psal jsem ji pod vedením doktora Pavla Ondračky z Ústavu fyziky a technologií plazmatu. Na našem gymnáziu jsou v septimě povinné ročníkové práce. Tušil jsem, že bych se chtěl věnovat něčemu na pomezí fyziky a informatiky. Právě toto téma, které jsem našel přes web Masarykovy univerzity, mě zaujalo tím, jak pěkně propojuje obě oblasti.

Jak dlouho jste na práci pracoval a co všechno to obnášelo?
Na projektu pracuji již přes rok, přičemž jsem začal v březnu 2024. V průběhu jsem si musel osvojit některé fyzikální principy týkající se materiálů jako takových a zároveň programování v Pythonu, pomocí kterého jsem trénoval modely strojového učení.

Jak vlastně probíhá trénování strojového učení v této oblasti?
Dnes je běžné, že výzkumníci si vytvářejí vlastní učicí data, na kterých své modely trénují. Výhodou může být spolehlivost těchto dat, nevýhodou naopak časová náročnost. Moje práce je unikátní v tom, že využívá volně dostupné materiálové simulace, což umožňuje efektivnější modelování bez nutnosti vytváření vlastních dat. Výzvou ale bylo ověřit, zda jsou tato data dostatečně kvalitní a tím pádem použitelná.

Co jsou to otevřená data materiálových simulací?
Jsou to digitální data popisující vlastnosti, chování a reakce různých materiálů získaná simulacemi nebo experimenty – a zároveň poskytovaná veřejně bez zásadních restrikcí. To znamená, že taková data může kdokoliv volně používat, analyzovat, šířit a opakovaně využívat například při výzkumu, výuce, vývoji nových produktů nebo simulačním modelování v průmyslu a akademii.

Jaký je praktický postup? Jak modelujete materiály pomocí strojového učení?
Vezmete například deset tisíc struktur s různými krystalickými mřížkami. Model se učí, jak atomy v těchto strukturách interagují. Výsledný model pak umožňuje simulovat chování atomů v prostoru – například změnu krystalické struktury materiálu po zahřátí. Je to přibližná metoda – není tak přesná jako například řešení Schrödingerovy vlnové rovnice (která je z definice exaktní, na druhou stranu pro rozumně velké systémy naprosto nepoužitelná), ale je diametrálně méně výpočetně náročná a stále dostatečně přesná pro mnoho aplikací.

Jaké jsou konkrétní aplikace tohoto přístupu v praxi?
Modelování materiálů má široké využití – od simulací virů, spike proteinu SARS-CoV-2, až po klasické materiály. Výhodou je, že můžete například modelovat drahé nebo nebezpečné materiály bez nutnosti s nimi fyzicky pracovat v laboratoři, což opět šetří čas i peníze. Moje práce rozšiřuje možnosti modelování díky novému přístupu v podobě využívání otevřených dat.

Jak se vám spolupracovalo s vaším školitelem?
S Pavlem Ondračkou se mi spolupracovalo skvěle. Společně jsme si práci systematicky naplánovali, takže jsem nikdy neměl pocit, že bych nevěděl, co dělat.

Co vám práce na projektu přinesla?
Především jsem měl možnost si vyzkoušet opravdový vědecký výzkum. Psaním odborné práce již na střední škole mám nepochybně výrazně ulehčenou práci do budoucna, ať už mluvíme o bakalářce, nebo čemkoliv jiném. Jak už jsem zmiňoval, naučil jsem se základy Pythonu, což se hodí v přírodních vědách obecně. Navíc mám teď lepší přehled o tom, co všechno se dá ve fyzice studovat.

Plánujete studovat fyziku i dál?
Ano, rád bych studoval fyziku. Zatím nechávám otevřené dveře více podoborům, protože mě zajímá spousta oblastí, ale fyzika je jasná volba.

Doporučil byste středoškolákům zapojit se do Středoškolské odborné činnosti?
Určitě. Každému, kdo má zájem o vědu v jakékoliv její podobě, bych to doporučil.

Děkujeme za rozhovor a přejeme hodně úspěchů v dalším studiu i výzkumu!