Шифры и головоломки давно вышли за пределы дипломатической и военной сферы, став объектом популярной культуры и научных исследований. Специалисты биомедицинской инженерии из Дьюкского университета разработали необычную схему кодирования Emorfi, которая основывается на паттернах роста бактериальных колоний.

В зависимости от условий роста – характеристик питательной среды, пространственных ограничений и т. п. – бактерии могут расти по-разному. Учёные из Дьюкского университета разработали виртуальную колонию бактерий, в которой возможно задавать параметры роста, числа и размеров организмов для получения разных паттернов конечного вида колоний в виртуальной чаше Петри. Таким образом исследователи сгенерировали целый «алфавит» Emorfi, в который вошли латинские буквы, цифры, знаки препинания, типографские и управляющие символы. В будущем они также планируют расширить перечень доступных знаков, интегрировав разные языки, математические символы и отдельные слова. При вводе сообщений искусственный интеллект конвертирует текст в серию паттернов, соответствующих установленным знакам.

Невооружённым глазом человек не сможет разгадать Emorfi, поскольку даже в симуляции паттерны роста бактериальных колоний в идентичных условиях могут отличаться. Однако учёные научили нейросеть узнавать в виртуальных чашах Петри узоры, даже если они не полностью повторяют заданные в алфавите символы. По словам профессора биомедицинской инженерии Личонга Ю, в данном случае искусственный интеллект – это «друг», изучивший много ваших фотографий, на которых вы каждый раз выглядели по-разному. Если во всех этих фотографиях угадываются ваши индивидуальные черты, «друг» сможет узнать вас и на новом снимке, которого он прежде не видел. Впрочем, в случае с Emorfi эти черты настолько сильно теряются на фоне хаотического роста виртуальной колонии, что распознать их сможет только искусственный интеллект. Более того, расшифровку визуального кода может выполнить только авторская свёрточная нейронная сеть, обученная по модели многоклассовой классификации.

Создатели Emorfi считают свою систему достаточно безопасной, поскольку для взлома кода стороннему пользователю будет недостаточно просто перехватить сообщение. Для его расшифровки потенциальный злоумышленник должен не только иметь возможность построить собственную нейросеть, но также располагать точными данными об условиях обучения оригинальной системы. Кроме того, разработчики шифровального метода считают, что систему можно защитить периодическими обновлениями базы тренировочных данных и архитектуры нейросети. К тому же достоинством шифров на базе динамических самоорганизующихся систем вроде бактериальных колоний является возможность создать дополнительные уровни защиты, например, ключи с закодированной в них информацией о факторах формирования паттернов.

Учёные предлагают попробовать зашифровать и разгадать короткие сообщения на английском языке на сайте Emorfi, а для более объёмных и сложных шифров они предоставили пользователям оригинальный код, доступный на платформе Github.

Источник фото: “New encryption method uses simulated bacterial growth based on specific initial conditions to form patterns corresponding to letters.” / Jia Lu, Ryan Tsoi, Nan Luo, Yuanchi Ha, Shangying Wang, Minjun Kwak, Yasa Baig, Nicole Moiseyev, Shari Tian, Alison Zhang, Neil Zhenqiang Gong, Lingchong You