生物材料由单独的部件组成，包括将燃料转化为运动的微型发动机。这创造了运动模式，并且材料通过不断消耗能量以一致的流动来塑造自身。这种连续驱动的材料被称为“活性物质”。细胞和组织的力学可以通过活性物质理论来描述，活性物质理论是理解生命材料的形状、流动和形式的科学框架。活性物质理论由许多具有挑战性的数学方程组成。来自德累斯顿马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所 (MPI-CBG)、德累斯顿系统生物学中心 (CSBD) 和德累斯顿工业大学的科学家现已开发出一种算法，并在开源超级计算机代码中实现，首次能够在现实场景中求解活性物质理论方程。这些解决方案使我们距离解决细胞和组织如何形成形状以及设计人造生物机器这一百年之谜又近了一大步。
生物过程和行为通常非常复杂。物理理论为理解它们提供了精确和定量的框架。活性物质理论提供了一个框架来理解和描述活性物质的行为，活性物质是由能够将化学燃料(“食物”)转化为机械力的各个成分组成的材料。来自德累斯顿的几位科学家是这一理论发展的关键，其中包括马克斯·普朗克复杂系统物理研究所所长 Frank Jülicher 和 MPI-CBG 所长 Stephan Grill。利用这些物理原理，可以通过数学方程来描述和预测活跃生命物质的动力学。然而，这些方程极其复杂且难以求解。因此，科学家需要超级计算机的力量来理解和分析生命物质。预测活性物质的行为有不同的方法，一些方法侧重于微小的单个粒子，另一些方法研究分子水平的活性物质，还有一些方法研究大规模的活性流体。这些研究帮助科学家了解活性物质在空间和时间的不同尺度上如何表现。
解决复杂的数学方程
德累斯顿工业大学德累斯顿系统生物学中心 (CSBD) 教授、马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所 (MPI-CBG) 研究组组长、德累斯顿工业大学院长 Ivo Sbalzarini 研究小组的科学家德累斯顿工业大学计算机科学学院现已开发出一种计算机算法来求解活性物质方程。他们的研究成果发表在《流体物理学》杂志上，并登上了封面。他们提出了一种算法，可以求解三维和复杂形状空间中活性物质的复杂方程。“随着时间的推移，我们的方法可以处理三维空间中的不同形状，”该研究的第一作者之一、研究数学家阿比纳夫·辛格 (Abhinav Singh) 说道。他继续说道：“即使数据点分布不规则，我们的算法也采用了一种新颖的数值方法，可以无缝地适应复杂的生物现实场景，从而准确地求解理论方程。使用我们的方法，我们最终可以了解活性材料在移动和非移动场景中的长期行为，以预测其动态。此外，理论和模拟可用于对生物材料进行编程或创建纳米级发动机以提取有用的功。” 另一位第一作者是 Philipp Suhrcke，毕业于德累斯顿工业大学计算建模与仿真硕士学位。项目补充道，“得益于我们的工作，科学家现在可以预测组织的形状或生物材料何时变得不稳定或失调，这对于理解生长和疾病的机制具有深远的影响。 ”
供每个人使用的强大代码
科学家们使用开源库 OpenFPM 实现了他们的软件，这意味着它可以免费供其他人使用。OpenFPM 由 Sbalzarini 小组开发，旨在实现大规模科学计算的民主化。作者首先开发了一种定制计算机语言，允许计算科学家通过指定数学符号中的方程来编写超级计算机代码，并让计算机完成创建正确程序代码的工作。因此，他们不必每次编写代码都从头开始，从而有效地将科学研究中的代码开发时间从数月或数年减少到数天或数周，从而提供了巨大的生产力提升。由于研究三维活性材料的巨大计算需求，由于使用了 OpenFPM，新代码可以在共享和分布式内存多处理器并行超级计算机上进行扩展。尽管该应用程序设计为在功能强大的超级计算机上运行，但它也可以在常规办公计算机上运行以研究二维材料。
该研究的首席研究员 Ivo Sbalzarini 总结道：“我们十年的研究致力于创建这个模拟框架并提高计算科学的生产力。现在，这一切都汇集在一个工具中，用于理解生命材料的三维行为。我们的代码开源、可扩展且能够处理复杂的场景，为活性材料建模开辟了新途径。这可能最终引导我们了解细胞和组织如何获得其形状，解决困扰科学家几个世纪的形态发生的基本问题。但它也可能帮助我们设计出组件数量最少的人造生物机器。”
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