Các mô hình tính toán về tuyết, cát và nước được sử dụng trong những bộ phim hoạt hình như Frozen, Zootopia và Moana, đã được nhóm tác giả của chúng đưa vào đời thực.
Khi phiến tuyết nứt ra và trượt xuống dốc, rất khó có thể dự đoán được chính xác kích thước và hình dạng của trận lở tuyết được tạo ra.
Ông Chenfanfu Jiang, trợ lý giáo sư Khoa Máy tính và Khoa học Thông tin, là một chuyên gia về động lực học vật liệu xốp. Nhưng không như hầu hết các nghiên cứu về toán học ứng dụng và mô phỏng vật lý, công việc của Jiang đã được hàng triệu người trên thế giới chiêm ngưỡng. Trước khi tới làm việc ở Trường Công nghệ Penn thuộc ĐH Pennsylvania (Mỹ), ông đã phát triển các đồ họa máy tính cho ngành công nghiệp giải trí; các mô hình tính toán về tuyết, cát và nước của ông đã được sử dụng trong những bộ phim hoạt hình của hãng Disney như Frozen, Zootopia và Moana.
Mô phỏng tuyết trong phim hoạt hình Frozen (2013)
Bộ môn toán học tạo ra sức mạnh cho các mô phỏng kỹ thuật số chân thực đó giờ đây đã có ứng dụng trong đời thực. Jiang mới xuất bản một nghiên cứu trên tạp chí Nature Communications vào tháng 8/2018 về việc sử dụng các mô phỏng này để nắm bắt và dự đoán những biểu hiện phức tạp của một phiến tuyết có các vết nứt lan khắp.
Cùng với các đồng nghiệp của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zürich) và Đại học California (Mỹ), Jiang đã phát triển một mô hình số với độ chính xác cao và giống với các quan sát thực tế của hiện tượng lở phiến tuyết.
“Là một nhà nghiên cứu đồ họa máy tính, công việc của tôi luôn tập trung vào các mô hình tính toán hiệu quả, thiết thực và giống nhất với các hiện tượng tự nhiên. Trong đồ họa máy tính, lĩnh vực này thường được gọi là 'hoạt hình dựa trên vật lý',", Jiang cho hay.
Từ trước đến nay, hoạt hình dựa trên vật lý thường không chính xác so với các định luật vật lý trong đời thực, đơn giản vì quá khó để tính toán tạo ra các mô phỏng chính xác hoàn toàn, và thường thì ngành công nghiệp giải trí ưu tiên hiện thực thị giác hơn là tính chính xác vật lý. Bằng việc phát triển một kỹ thuật gọi là “Phương pháp điểm vật chất”, Jiang hy vọng sẽ thu được kết quả tốt nhất ở cả hai giới [thực ảo].
Mô phỏng 3D về tuyết lở và một số mô phỏng tuyết của Jiang | Nguồn: Penn Engineering “Bằng việc tiếp thu các ý tưởng và phát triển những thuật toán mới có
khả năng kết hợp được cả toán học ứng dụng, tính toán hiệu năng cao,
phân tích số và trực quan hóa hình ảnh như thực, tôi hy vọng có thể thu
hẹp khoảng cách giữa hoạt hình dựa trên vật lý và các kĩ thuật tính toán
truyền thống,” Jiang chia sẻ.
Các công cụ đồ họa máy
tính ứng dụng cho tình huống thực tế có khả năng cứu mạng con người. Lở
phiến tuyết đặc biệt nguy hiểm vì chúng thường gây ra bởi những khách bộ
hành và người trượt tuyết.
Sarah Perrin, Viện Công nghệ Liên
bang Thụy Sĩ, đã mô tả sự phức tạp của những trận tuyết lở mà Jiang và
các đồng nghiệp đang cố gắng mô hình hóa như sau:
Một trận lở phiến tuyết thường xảy ra khi quá tải trọng trên mặt tuyết, chẳng hạn khi một người trượt tuyết băng qua đó, hoặc khi khối tuyết bị mất ổn định do các tác nhân như vụ nổ. Vết nứt sẽ xuất hiện ở lớp dưới cùng của tuyết và có khả năng lan ra nhanh chóng. Lúc này, tuyết hoạt động theo nguyên tắc của cơ học vật rắn.
Khi vết nứt lan rộng, cấu trúc xốp của lớp yếu phía dưới gây ra sự sụp đổ dưới sức nặng của phiến tuyết trên bề mặt. Do khối lượng và độ dốc của núi, phiến tuyết được “giải phóng” và bắt đầu trượt trên lớp tuyết yếu hơn. Các va chạm, ma sát và nứt gãy mà khối tuyết rắn ở phía trên trải qua khi trượt xuống và vỡ vụn lại dẫn đến đặc tính chung như một chất lỏng.
Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã có thể mô phỏng sự sụp đổ của lớp đáy xốp trên diện rộng bằng cách sử dụng phương pháp liên tục. Ngoài ra, mô hình chỉ tích hợp tương đối ít tham số quan trọng cho thấy tuyết sẽ hoạt động như thế nào ở các giai đoạn khác nhau trong suốt quá trình; các tham số này bao gồm động lực học đứt gãy, ma sát, và độ nén dựa trên loại tuyết.
Không chỉ ứng dụng với tuyết, nghiên cứu của Jiang còn có các ứng dụng trong việc tìm hiểu các vụ lở đất do nước gây ra, di chuyển trầm tích, động lực học Trái Đất, hoặc các cơ chế đằng sau sự vận động trên bề mặt. Những ứng dụng kể trên đặc biệt phù hợp với các loại robot di chuyển bằng chân trên địa hình thay đổi như cát, bụi hoặc sỏi đá.
Theo Jiang, “Những nghiên cứu như thế này cho thấy đồ họa máy tính và kỹ thuật tính toán truyền thống có thể học hỏi lẫn nhau và cùng có lợi”.
Nguồn: