ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Eλληνας του ΜΙΤ προβλέπει τα ακραία συμβάντα

ellinas-toy-mit-provlepei-ta-akraia-symvanta-561389611

Ειδικότητά του είναι η πρόβλεψη ακραίων συμβάντων, αλλά και ο σχεδιασμός λύσεων για τη μείωση των επιπτώσεων. Ο Θεμιστοκλής Σαψής, αναπληρωτής καθηγητής Μηχανολογίας και Επιστήμης των Ωκεανών στο ΜΙΤ, έχει αναπτύξει εξαιρετικά πολύπλοκες υπολογιστικές μεθόδους, με τις οποίες μπορεί να εντοπίσει από πολύ νωρίς ένα αναπάντεχο καταστροφικό φυσικό ή μηχανικό φαινόμενο, που θα ξεσπάσει απροειδοποίητα σε ξηρά, θάλασσα ή αέρα όπως επικίνδυνες θαλασσοταραχές, ισχυρούς καύσωνες και έντονες βροχοπτώσεις, συμβάντα ρύπανσης σε μεγάλη κλίμακα, απρόβλεπτη εξαφάνιση ειδών. Τα φαινόμενα με τα οποία ασχολείται ο κ. Σαψής διέπονται από μη στατιστική ισορροπία, από εγγενή αβεβαιότητα, είναι ρευστά, χαοτικά, δηλαδή επηρεάζονται από απειροελάχιστα μικρούς παράγοντες, και είναι αδύνατον να προβλεφθούν με τα τυπικά υπολογιστικά μέσα.

Ο κ. Σαψής έλαβε πρόσφατα το επιστημονικό βραβείο στον τομέα Βασικών Επιστημών στον κλάδο των Μαθηματικών από το Ιδρυμα Μποδοσάκη, το οποίο έχει βραβεύσει από το 1993, 51 διαπρέπεις νέους επιστήμονες. «Αποτελεί για εμένα όχι μόνο μεγάλη τιμή και αναγνώριση, αλλά και βαριά ευθύνη, αφού με εντάσσει σε μια ξεχωριστή κοινότητα επιστημόνων με λαμπρή διαδρομή. Πολλοί από αυτούς τους επιστήμονες συνιστούν πρότυπο για εμένα» λέει για το βραβείο από έναν θεσμό «που γιορτάζει την επιστημονική αριστεία ως ένα ιδεώδες συλλογικό και όχι μόνο ως μια προσωπική διάκριση». Ο Θεμιστοκλής Σαψής αποφοίτησε από τη Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ το 2005 και έλαβε το διδακτορικό του από το τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του ΜΙΤ το 2011. Διετέλεσε ερευνητής Μαθηματικών στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και το 2013 επέστρεψε στο ΜΙΤ όπου κατέχει θέση αναπληρωτή καθηγητή. Εχει λάβει μέχρι στιγμής περισσότερα από 10 βραβεία και διακρίσεις.

Η συζήτηση μαζί του ήταν μια βουτιά στον συναρπαστικό κόσμο των χαοτικών ροών, της τυχαιότητας και των πιθανοτήτων. Τόσο όσον αφορά συμβάντα εν εξελίξει, όπως μια δασική πυρκαγιά, όσο και εξαιρετικά σπάνια φαινόμενα με μεγάλο χρονικό εύρος εκδήλωσης. «Σε μια δασική πυρκαγιά δεν μπορείς να κάνεις μια μονοσήμαντη πρόβλεψη με απόλυτη ακρίβεια, να πεις με σιγουριά προς τα πού θα κατευθυνθεί η φωτιά, καθώς οι άνεμοι σε μικρές κλίμακες είναι ένα χαοτικό σύστημα. Δημιουργείς, λοιπόν, πολύ γρήγορα έναν μικρό αριθμό σεναρίων με όλες τις δυνατές εκβάσεις, ακόμη και τις πιο επικίνδυνες αλλά λιγότερο πιθανές. Και είναι αυτές που ενδιαφέρουν περισσότερο, καθώς το πιθανότερο σενάριο είναι ενδεχομένως το λιγότερο χρήσιμο και αν ενεργήσεις με βάση αυτό, ενδέχεται να χάσεις πολλές ζωές», εξηγεί στην «Κ» ο κ. Σαψής.

Οπως περισσότερο σημαντικός από την άμεση πρόβλεψη είναι ο υπολογισμός της πιθανότητας εκδήλωσης ενός ακραίου συμβάντος σε βάθος ετών. «Η πρόβλεψη ενός κύματος καύσωνα ή μιας βροχόπτωσης πέντε ή δέκα ημέρες νωρίτερα δεν μας αφήνει τα περιθώρια σχεδιασμού. Ομως η πρόβλεψη ενός ακραίου καιρικού φαινομένου μεγάλων διαστάσεων που θα εκδηλωθεί μέσα στην επόμενη δωδεκαετία επιτρέπει τον σχεδιασμό μέτρων για την αποτροπή καταστροφών. Το ίδιο ισχύει και για άλλα συστήματα, για παράδειγμα ένα πλοίο, μια πετρελαϊκή εξέδρα, ένα αεροσκάφος, τα οποία ενδέχεται να δεχθούν, αιφνίδια, τεράστια κύματα ή πρωτοφανείς ροές αέρα. Η δουλειά μας είναι να αναπτύξουμε πολύ γρήγορα υπολογιστικές μεθόδους που θα εντοπίσουν το χειρότερο γεγονός το οποίο θα συμβεί μέσα στον χρόνο ζωής του πλοίου, της εξέδρας, του αεροσκάφους, ώστε αυτά να σχεδιαστούν κατάλληλα εξαρχής και να αντέξουν στο ακραίο καταστροφικό συμβάν».

ellinas-toy-mit-provlepei-ta-akraia-symvanta0
Τα φαινόμενα με τα οποία ασχολείται ο κ. Σαψής διέπονται από μη στατιστική ισορροπία, από εγγενή αβεβαιότητα, είναι ρευστά, χαοτικά, δηλαδή επηρεάζονται από απειροελάχιστα μικρούς παράγοντες, και είναι αδύνατον να προβλεφθούν με τα τυπικά υπολογιστικά μέσα.

Ο κ. Σαψής πραγματοποιεί προβλέψεις για τα τρία Οπλα των ΗΠΑ (Ναυτικό, Αεροπορία, Στρατό). «Πρόκειται για πολεμικά πλοία ή σκάφη διάσωσης, τα οποία μπαίνουν στην καταιγίδα, άρα έχουν περισσότερες πιθανότητες να εκτεθούν σε ακραίο συμβάν, το οποίο δεν αφορά μόνο ένα πλοίο ή ένα αεροπλάνο ή ελικόπτερο, αλλά εκατοντάδες, οπότε οι πιθανότητες καταστροφών πολλαπλασιάζονται. Οσο για το ακραίο συμβάν μπορεί να είναι, όπως λέμε, των 100, 500, 1.000 ή 10.000 ετών, ωστόσο αυτό δεν σημαίνει ότι θα συμβεί σε 100 ή 10.000 χρόνια, ενδέχεται να συμβεί πολύ σύντομα και αυτό οι κατασκευαστές πρέπει να το γνωρίζουν», σημειώνει ο διαπρεπής ειδικός, και δίνει ένα άλλο παράδειγμα. «Βρισκόμουν το 2012 στο Μανχάταν όταν έπληξε τη Νέα Υόρκη ένας ισχυρός τυφώνας, ο οποίος προκάλεσε ταυτόχρονα παλίρροια, άνοδο της στάθμης της θάλασσας και τεράστια κύματα που ξεπέρασαν τον φράχτη ύψους 8 μέτρων των εγκαταστάσεων του μετασχηματιστή ρεύματος του νότιου Μανχάταν και τον κατέστρεψαν, με αποτέλεσμα να μείνει η περιοχή για 12 ημέρες χωρίς ρεύμα. Ηταν ένα φαινόμενο που συμβαίνει μία φορά στα 400 χρόνια, και συνέβη τότε».

Ομως, η πρόβλεψη δεν είναι καθόλου εύκολη στα πολύπλοκα χαοτικά συστήματα. Παίρνει τη μορφή πρακτικά άπειρων ενδεχόμενων, το υπολογιστικό κόστος εξέτασης των οποίων είναι τόσο μεγάλο που δεν το αντέχουν ούτε οι πιο ισχυροί σύγχρονοι υπολογιστές. Τι κάνει ο κ. Σαψής με την ομάδα του; Ποσοτικοποιεί την αβεβαιότητα. Δηλαδή, με περίπλοκες υπολογιστικές τεχνικές που αναπτύσσει με τη βοήθεια των εφαρμοσμένων μαθηματικών, της θεωρίας πιθανοτήτων, της ανάλυσης μεγάλων δεδομένων, της τεχνητής νοημοσύνης και της μηχανικής μάθησης, εντοπίζει «εκείνον τον κρίσιμο, πολύ μικρό μόνο αριθμό ρεαλιστικών εκβάσεων που έχουν έστω και μία μικρή πιθανότητα να συμβούν».

Η οξείδωση των ωκεανών

Αυτή η δυνατότητα εντοπισμού των λίγων ανάμεσα σε απειράριθμα αποτυπώνεται σε ένα έργο που τρέχει ο κ. Σαψής για την οξείδωση των ωκεανών. «Στόχος μας είναι να βρούμε εκείνα τα σημεία στον ωκεανό που εμφανίζουν τις υψηλότερες τιμές οξείδωσης, η οποία έχει τρομακτικές επιπτώσεις στη θαλάσσια ζωή. Δεν γνωρίζουμε ποια είναι τα σημεία αυτά, η θαλάσσια περιοχή είναι τεράστια και συνεχώς μεταβαλλόμενη, και θα ήταν αδύνατο να τα ανακαλύψουμε με τον περιορισμένο αριθμό μικρών υποβρύχιων οχημάτων που διαθέτουμε για τις μετρήσεις. Ομως, με τους αλγόριθμους που έχουμε αναπτύξει μπορούμε να βρούμε με τα λίγα αυτά οχήματα, σε πολύ λίγο χρόνο, με μεγάλη ακρίβεια, τις προβληματικές περιοχές. Τα οχήματα συνεργάζονται μεταξύ τους και με το θαλάσσιο περιβάλλον και με βάση τις πληροφορίες που συλλέγουν αποφασίζουν ποιες είναι οι πιο πιθανές τοποθεσίες για την ακραία τιμή και κινούνται προς αυτές».

Το ακραίο γεγονός δεν είναι πάντα αρνητικό ή καταστροφικό. Μπορεί να είναι και η βέλτιστη δυνατή κατάσταση. Ο κ. Σαψής και η ομάδα του ενισχύουν το έργο βιολόγων για τον μετασχηματισμό ενός τύπου κυττάρων σε κάποιο άλλο, π.χ. κύτταρα του δέρματος σε νευρικά κύτταρα. «Περίπου 20.000 γονίδια με άγνωστο αριθμό ιδιοτήτων θα πρέπει να δοκιμαστούν σε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς ώστε να προκύψει το βέλτιστο αποτέλεσμα, κάτι εξαιρετικά σπάνιο. Εφαρμόζουμε και σε αυτά τα συστήματα τους αλγόριθμους για τον εντοπισμό ακραίων συμβάντων, μόνο που σε αυτήν την περίπτωση το ακραίο γεγονός δεν είναι μια καταστροφή, αλλά η κορυφαία απόδοση».

ellinas-toy-mit-provlepei-ta-akraia-symvanta2
Ο αναπληρωτής καθηγητής Μηχανολογίας και Επιστήμης των Ωκεανών στο ΜΙΤ Θεμιστοκλής Σαψής (πρώτος από δεξιά) με την ομάδα του.