Введение

Американский материаловед и инженер Маркус Бюлер – американский материаловед и инженер в Массачусетском технологическом институте (MIT), где он занимает должность профессора инженерных наук имени McAfee. Он является членом факультета Департамента гражданского и экологического строительства МТИ, где руководит Лабораторией атомистической и молекулярной механики (LAMM), а также членом Центра вычислительной науки и инженерии МТИ (CCSE) в Колледже вычислительной техники Шварцмана. Его научные интересы охватывают как науку, так и искусство, и он также является композитором экспериментальной, классической и электронной музыки, интересующимся звуковой визуализацией. Он выступил с несколькими докладами на TED о своей работе. В период с 2013 по 2020 год он занимал должность заведующего Департаментом гражданского и экологического строительства МТИ. Его исследовательская и преподавательская деятельность сосредоточена на применении вычислительного материаловедения для понимания функциональных свойств материалов в биологических и синтетических материалах, в частности, механических свойств и наноинженерии многомасштабных материалов. Его работа объединяет материаловедение, инженерию, математику и установление связей между природными материалами и искусством посредством теории категорий. Работая на стыке искусства и науки, он также является композитором музыки, интересующимся звукообразованием, и разработал метод преобразования структуры материала в музыкальную форму и наоборот, осуществляя материализацию звуковой информации при создании биоматериалов и проектировании белков. Он разработал материомузыкальную композиционную технику. В 2020 году он создал музыкальную композицию на основе патогена COVID-19, демонстрируя взаимосвязь между искусством и наукой.

Образование и карьера

До прихода в MIT в 2005 году он занимал должность директора по многомасштабному моделированию и интеграции программного обеспечения в Центре моделирования материалов и процессов Калтеха, в составе подразделения химии и химической инженерии. Он получил степень доктора философии в области химии в Университете Штутгарта и Институте исследований металлов имени Макса Планка после получения степени магистра в области инженерной механики в Мичиганском технологическом университете, а также закончил бакалавриат по химической и технологической инженерии в Университете Штутгарта.

Исследования

Бюлер имеет опыт в материаловедении, инженерной науке и прикладной механике. Его исследования сосредоточены на моделировании структурных и механических свойств биологических, биоинспирированных и синтетических материалов в различных масштабах, с особым акцентом на разрушение материалов с нано- и молекулярной точек зрения, а также на разработке фундаментального понимания того, как создаются функциональные свойства материалов в природных, биологических и синтетических системах. Он наиболее известен использованием простых вычислительных моделей для объяснения сложных явлений в биологии и инженерии, исходя из подхода «снизу вверх». Его работа в области 3D-печати исследует интегрированное вычислительно-экспериментальное проектирование новых материалов, включая использование искусственного интеллекта (ИИ) и дополненной/виртуальной реальности (AR/VR), а также иммерсивное моделирование. Недавние исследования посвящены применению подхода вычислительной материаловедения для изучения разрушения материалов в биологических системах, включая исследование деградации материалов при различных заболеваниях и в экстремальных условиях в разных временных и пространственных масштабах. Ключевой вклад Бюлера заключается в области деформации и разрушения структурных белковых материалов, таких как коллаген и шелк, где его работы выявили универсальные парадигмы материаловедческого проектирования, позволяющие белковым материалам обеспечивать повышенную и разнообразную функциональность, несмотря на ограниченные ресурсы (энергия, объем материала, слабые строительные блоки, такие как водородные связи и т.д.). Также было продемонстрировано, как эти механизмы разрушаются в экстремальных условиях и при заболеваниях (воздействие, травмы, мутации, дефекты и т.д.). Результатом его работы стало создание парадигмы «универсальности и разнообразия», объясняющей, как многофункциональность (разнообразие) свойств материалов в биологии достигается за счет изменения структурной организации небольшого числа (универсальных) компонентов, а не изобретения новых строительных блоков или зависимости от качества этих блоков. Некоторые текущие работы Бюлера включают использование ологов – категорно-теоретической структуры для представления знаний – для кодирования взаимосвязей между структурой и функцией, присущих иерархическим материалам. Бюлер опубликовал более 450 статей, на которые ссылаются более 30 000 раз, посвященных теоретическому и вычислительному моделированию материалов с использованием различных методов моделирования, монографию по атомистическому моделированию, книгу по биоматериомике, несколько глав в книгах, а также выступил с сотнями приглашенных лекций, ключевых докладов и пленарных выступлений по всему миру. Его работы публикуются в рецензируемых научных журналах, таких как Nature, Nature Materials, PNAS, Science Advances, Advanced Materials, Royal Society Interface и многих других. Он активно сотрудничает с экспериментальными исследователями в США, Европе и Азии. Он является ведущим исследователем и со-ведущим многочисленных исследовательских грантов, включая несколько междисциплинарных проектов, финансируемых Национальным научным фондом, Министерством обороны, Национальными институтами здоровья (NIH) и многими другими организациями, а также промышленными партнерами.

Преподавание

Его преподавание в MIT сосредоточено на инженерной механике, моделировании и симуляции, а также на ознакомлении студентов бакалавриата и магистратуры с вычислительными исследованиями. Он преподает профессиональные курсы в области проектирования материалов, машинного обучения и аддитивного производства. Он участвовал в преподавании курсов MIT 3.021J «Введение в моделирование и симуляцию», 1.978 «От нано к макро: Введение в методы атомистического моделирования», 1.545 «Атомистическое моделирование материалов и структур» и 1.050 «Инженерная механика I». Он сотрудничает с отделом IS&T МТИ в рамках инициативы «Внедрение исследовательских инструментов в учебный процесс», где разрабатывает инструменты для упрощения использования многомасштабных инструментов моделирования в обучении студентов бакалавриата и магистратуры. Он также активно участвует в Программе исследовательских возможностей для студентов бакалавриата (UROP) МТИ, где выступает в качестве научного руководителя. Он является научным руководителем в Летней исследовательской программе МТИ и был научным руководителем Мемориального фонда Эверетта Мура Бейкера. Он является автором учебников «Атомистическое моделирование разрушения материалов» и «Биоматериаломика». Первый учебник посвящен механическим свойствам материалов и связи между атомистическими и континуальными теориями, а второй – обсуждению иерархических и мотивных структур в биологических материалах.

Служба

Бюлер является редактором или членом редакционной коллегии ряда международных журналов, включая PLoS ONE, International Journal of Applied Mechanics, Biophysical Journal, Acta Mechanica Sinica, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Journal of Engineering Mechanics, Journal of Nanomechanics and Micromechanics, и Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. С 2011 года он является соредактором BioNanoScience, журнал, который он основал. В 2012 году он был избран в редакционный совет журнала Journal of the Royal Society Interface. Он был председателем Комитета по биомеханике Института инженерной механики ASCE, сопредседателем Руководящего комитета по наноинженерии в медицине и биологии ASME, членом Национального комитета по биомеханике США и участвует в работе нескольких других комитетов ASME, в том числе Комитета по механике в биологии и медицине. Он также активно сотрудничает с Обществом материаловедческих исследований, выступая в качестве внештатного автора для MRS Bulletin, организатора симпозиумов MRS и участвуя в программе награждения студентов-выпускников MRS. С 2010 года он является директором программы MIT Germany (MISTI Germany). Он является главным редактором журнала Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials.

Награды и признания

Бюлер получил награду CAREER Национального научного фонда, награду молодых исследователей ВВС США, награду молодых исследователей ВМС и награду молодых преподавателей DARPA. Бюлер был приглашен на симпозиум «Горизонты инженерии» Национальной инженерной академии. В 2023 году он был избран членом Национальной инженерной академии. В 2009 году его работа была отмечена Президентской премией для ученых и инженеров на ранних этапах карьеры (PECASE). Он получил награду за достижения профессорско-преподавательского состава имени Гарольда Э. Эджертона в 2010 году, награду ASME имени Sia Nemat Nasser в 2010 году, награду Томаса Дж. Р. Хьюза для молодых исследователей в 2011 году и Мемориальную премию Росситера У. Раймонда в 2011 году. В 2011 году он получил первую премию Леонардо да Винчи от EMI. Его работа была отмечена рядом других наград, включая премию имени Альфреда Нобеля. В 2021 году он получил медаль ASME Drucker.