长期以来，模拟物理现实一直是一件支离破碎的事情。模拟海浪的科学家需要一个求解器；观察蛋白质折叠的计算生物学家需要另一个；研究沙丘的工程师需要第三个。每个工具都是围绕控制一种狭隘现象的特定方程精心手工编码的。

麻省理工学院、不列颠哥伦比亚大学和一系列合作机构的研究人员现已推出了一种系统，旨在用单一架构取代拼凑而成的系统。据麻省理工学院新闻报道，该系统称为 WorldParticle，使用一种统一的深度学习模型来模拟广泛不同的物理过程 - 从滑动沙子到折叠蛋白质。 更多相关背景，请参阅我们的AI最新动态。

这项工作是一篇题为“WorldParticle：通过 Transformer 对拉格朗日粒子动力学进行统一世界模拟”的开放获取论文，将在亚洲计算机图形学和交互技术 ACM SIGGRAPH 会议和展览上发表。此次合作涉及麻省理工学院、不列颠哥伦比亚大学、佐治亚理工学院、Inria、Meta、宾夕法尼亚大学、犹他大学、加州大学洛杉矶分校和香港大学。

模拟的“GPT 时刻”

“我们希望模拟有一个 GPT 时刻，”前麻省理工学院博士后、现任 UBC 助理教授、该论文的共同通讯作者 Peter Yichen Chen 在《麻省理工学院新闻》的报道中说道。 “每次人们想要为特定的物理现象构建模拟器时，他们都需要从头开始编码。我们的愿景是拥有一个开箱即用的基础模型，适用于您想要模拟的任何场景。这是朝这个方向迈出的第一步。”

提及 GPT 并非偶然。 WorldParticle 的架构借鉴了支持大型语言模型的相同顺序预测思想。 “它的架构与 ChatGPT 类似。但我们不是一次预测一个单词来写一段文本，而是一次一步地预测这些粒子将如何移动，”Chen 说。

与陈一起的还有共同通讯作者、共同主要作者、麻省理工学院博士后郭明浩，以及共同主要作者、英属哥伦比亚大学研究生曹丽文王和陈思源。该团队还包括麻省理工学院电气工程和计算机科学教授 Wojciech Matusik，他领导计算机科学和人工智能实验室 (CSAIL) 的计算设计和制造小组。

世界粒子的工作原理

该系统基于计算物理学中一个长期存在的想法：拉格朗日表示，其中材料被描述为离散粒子的集合，其位置和速度随着时间的推移而变化。 WorldParticle 将其模拟的每个对象分解为数千或数百万个微小的三维点，然后跟踪这些粒子如何在空间和时间中移动。

学习方程，而不是手动编码

与传统的背离在于规则的制定。在经典流程中，科学家从定义材料行为的控制方程开始，然后将复杂的数学转换为数值求解器可以处理的公式 - 对每种新材料或新工艺重复整个练习。

相反，WorldParticle 使用神经网络来学习求解一般控制方程。该网络将粒子的 3D 位置和物理属性作为输入，并输出模拟下一帧的位置和属性，以一秒的增量预测材料随时间和空间的运动。

处理外力

现实世界的材料不断受到模型无法完全预测的力量的推动——海浪撞击海堤，或者脚踩进沙子。在每个模拟步骤之前，WorldParticle 都会分离出作用在系统上的外力。在预测粒子的初始状态后，系统将这些力重新整合到模拟中，并根据力如何影响物体的行为来纠正其预测。

研究人员报告说，这种校正循环使模型能够推广到训练期间从未遇到过的材料、环境条件和力量。

压缩数百万个粒子

规模带来了主要的工程挑战。一个复杂的物体可能会破碎成数百万个粒子，很快就会超出模型的计算预算。为了保持处理的易处理性，该团队采用了一种合并技术，可以组合和压缩粒子，同时保留其行为的细粒度细节。

郭告诉麻省理工学院新闻：“我们需要进行大量详细的工程设计，并对架构进行许多调整，才能使其真正具有通用性和可扩展性。”

针对六种物理现象进行测试

研究人员在六种不同的物理现象上演示了 WorldParticle，包括可变形物体、颗粒材料和蛋白质，报告的精度比现有的数值模拟方法更高。

这些例子很具体。在一项颗粒测试中，WorldParticle 捕获了一堆材料如何在重力作用下塌陷，而一些基线方法则使沙粒难以置信地漂浮在空气中。郭表示，在分子动力学方面，该系统模拟蛋白质结构随时间变化的速度比数值模拟器快大约 100 倍。

实际回报是双向的：为科学家已经研究的问题提供更快的结果，以及将以前需要单独模拟器的现象结合起来的能力。该团队重点介绍了流体与可变形固体晃动等场景——例如，晃动的油如何对储罐内的弹性阀门施加压力——其中流体及其所推动的结构必须一起建模。

从软机器人到合并星系

该框架的通用性指向的应用远远超出了计算机图形学的范畴。研究人员表示，同样的方法可以为软机器人操纵任务提供信息，在这些任务中，柔顺的机器必须预测沙子或土壤在其接触下将如何移动。他们还列出了 RNA 进化，甚至天体物理现象（例如星系合并）作为候选域。

从长远来看，该团队希望这项工作能够帮助科学家发现新材料并探索现有模拟方法无法有效研究的物理过程。

“我们看到计算和科学的统一为我们提供了新的见解和工具来发现物理现象或解释一些无法解释的物理现象，”郭说。 “通过统一的模型，我们可以解锁许多我们无法想象的发现。”

第一步，而非完成的基础

研究人员小心翼翼地将世界粒子构建为一个开放的举措，而不是一个完整的基础模型。展望未来，他们计划使该系统适应更多的物理系统，并为科学发现建立一个完整的通用模拟管道。

如果这条弧线听起来很熟悉，那是设计使然。在扩展为通用工具之前，语言模型花费了数年时间作为狭窄的、按任务的系统，而 WorldParticle 团队明确押注物理模拟可以遵循类似的路径，一次一个粒子步骤。

本文基于 Adam Zewe 的报道，麻省理工学院新闻于 2026 年 11 月 9 日发表。

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