Physics-informed deep learning for stochastic particle dynamics estimation

统计物理学 布朗运动 介观物理学 计算机科学 扩散 弹道 时间分辨率 随机建模 随机微分方程 粒子(生态学) 朗之万动力 随机过程 生物系统 物理 数学 应用数学 海洋学 量子力学 地质学 统计 天文 生物 热力学
作者
Yongyu Zhang,Jia‐Lin Zhu,Hao Xie,Yan He
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (9)
标识
DOI:10.1073/pnas.2418643122
摘要

Single-particle tracking has enabled quantitative studies of complex systems, providing nanometer localization precision and millisecond temporal resolution in heterogeneous environments. However, at micro- or nanometer scales, probe dynamics become inherently stochastic due to Brownian motion and complex interactions, leading to varied diffusion behaviors. Typically, analysis of such trajectory data involves certain moving-window operation and assumes the existence of some pseudo–steady states, particularly when evaluating predefined parameters or specific types of diffusion modes. Here, we introduce the stochastic particle-informed neural network (SPINN), a physics-informed deep learning framework that integrates stochastic differential equations to model and infer particle diffusion dynamics. The SPINN autonomously explores parameter spaces and distinguishes between deterministic and stochastic components with single-frame resolution. Using the anomalous diffusion dataset, we validated SPINN’s ability to reduce frame-to-frame variability while preserving key statistical correlations, allowing for accurate characterization of different stochastic processes. When applied to the diffusion of single gold nanorods in hydrogels, the SPINN revealed enhanced microrheological properties during hydrogel gelation and uncovered interfacial dynamics during dextran/tetra-PEG liquid–liquid phase separation. By improving the temporal resolution of stochastic dynamics, the SPINN facilitates the estimation and prediction of complex diffusion behaviors, offering insights into underlying physical mechanisms at mesoscopic scales.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
呆子发布了新的文献求助10
1秒前
tgb123完成签到,获得积分10
1秒前
核桃发布了新的文献求助10
1秒前
23完成签到,获得积分10
2秒前
飞跃发布了新的文献求助10
2秒前
2秒前
3秒前
123发布了新的文献求助10
3秒前
5秒前
脑洞疼应助紧张的秋采纳,获得10
5秒前
HSTrigger发布了新的文献求助10
5秒前
佳丽发布了新的文献求助10
5秒前
123发布了新的文献求助10
6秒前
王多鱼完成签到,获得积分10
6秒前
苏三问发布了新的文献求助10
7秒前
guan完成签到,获得积分10
7秒前
清脆的机器猫完成签到,获得积分10
8秒前
研友_VZG7GZ应助harry采纳,获得10
8秒前
梓歆发布了新的文献求助10
9秒前
大个应助大卓神采纳,获得10
10秒前
ZZzz发布了新的文献求助10
11秒前
科研通AI2S应助佳丽采纳,获得10
11秒前
啦啦啦啦发布了新的文献求助10
11秒前
qq完成签到,获得积分10
11秒前
15秒前
15秒前
郑启完成签到 ,获得积分10
15秒前
wanci应助yanziwu94采纳,获得10
15秒前
16秒前
Kxxxx完成签到,获得积分20
17秒前
JLnaruto发布了新的文献求助10
17秒前
陈尴尬发布了新的文献求助10
17秒前
脑洞疼应助哇咔咔采纳,获得10
17秒前
18秒前
123完成签到,获得积分20
20秒前
CodeCraft应助无语的南松采纳,获得10
21秒前
美好坤发布了新的文献求助10
21秒前
21秒前
22秒前
远上寒川完成签到,获得积分10
22秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Cronologia da história de Macau 5000
Merrill's Atlas of Radiographic Positioning and Procedures - 3-Volume Set, 16th Edition 2000
SIEMENS EDA Calibre SVRF (Standard Verification Rule Format) Manual 2021 600
Matrix Methods in Data Mining and Pattern Recognition 510
Interactions of Vowel Quality and Prosody in East Slavic 500
Vander's Renal Physiology第10版 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7092145
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 8749242
关于积分的说明 18505318
捐赠科研通 6642962
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3136416
关于科研通互助平台的介绍 2243559
邀请新用户注册赠送积分活动 2111191