Η βαθιά μάθηση και τα μετα-υλικά βοήθησαν τους επιστήμονες να κάνουν τον ήχο ορατό

Η οπτικοποίηση σάς επιτρέπει να απεικονίσετε ένα αντικείμενο αναλύοντας το μακρινό πεδίο φωτός και ηχητικών κυμάτων,

που εκπέμπει ή εκπέμπει.Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση της εικόνας. Ωστόσο, μέχρι στιγμής το επίπεδο λεπτομέρειας περιορίζεται από το μέγεθος του εν λόγω μήκους κύματος. Ερευνητές από το Εργαστήριο Μηχανικής Κυμάτων της EPFL απέδειξαν επιτυχώς ότι ένα μακρύ και επομένως ανακριβές κύμα (στην περίπτωση αυτή ένα ηχητικό κύμα) μπορεί να αποκαλύψει χαρακτηριστικά που είναι 30 φορές μικρότερα από το μήκος του. Για να γίνει αυτό, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό μεταϋλικών -ειδικά σχεδιασμένα στοιχεία- και τεχνητής νοημοσύνης. Η έρευνά τους ανοίγει νέες συναρπαστικές δυνατότητες, ιδιαίτερα στους τομείς της ιατρικής απεικόνισης και της βιομηχανικής.

Η πρωτοποριακή ιδέα της ομάδας ήτανΣυνδυάστε δύο ξεχωριστές τεχνολογίες που προηγουμένως χώριζαν τα όρια της απόδοσης. Ένα από αυτά είναι η τεχνολογία των μετα-υλικών: ειδικά σχεδιασμένα στοιχεία που μπορούν, για παράδειγμα, να εστιάζουν με ακρίβεια τα μήκη κύματος. Ωστόσο, χάνουν την αποτελεσματικότητά τους λόγω της ακούσιας απορρόφησης σημάτων, γεγονός που τους καθιστά δύσκολο να αποκρυπτογραφήσουν. Μια άλλη τεχνολογία είναι η τεχνητή νοημοσύνη ή, πιο συγκεκριμένα, τα νευρωνικά δίκτυα που μπορούν να επεξεργαστούν ακόμη και τις πιο περίπλοκες πληροφορίες γρήγορα και αποτελεσματικά, αν και αυτό απαιτεί εκπαίδευση.

Για υπέρβαση του ορίου περίθλασης (ελάχιστοη τιμή του μεγέθους κηλίδας που μπορεί να ληφθεί εστιάζοντας στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε το ακόλουθο πείραμα. Πρώτον, δημιούργησαν μια σειρά από 64 μικροσκοπικά ηχεία, καθένα από τα οποία μπορεί να ενεργοποιηθεί σύμφωνα με τα pixel της εικόνας. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν ένα πλέγμα για να αναπαραγάγουν ηχητικές εικόνες αριθμών από μηδέν έως εννέα με ακριβή χωρική λεπτομέρεια. Οι φωτογραφίες των αριθμών που εισήχθησαν στο πλέγμα ελήφθησαν από μια βάση δεδομένων με περίπου 70.000 χειρόγραφα παραδείγματα. Απέναντι από το πλέγμα, οι ερευνητές τοποθέτησαν μια τσάντα με 39 αντηχεία Helmholtz (σφαίρες διαμέτρου 10 cm με μια οπή στο ένα άκρο), η οποία σχημάτισε το μετα-υλικό. Ο ήχος που παράγεται από τη σχάρα μεταδόθηκε από ένα μετα-υλικό και παραλήφθηκε από τέσσερα μικρόφωνα που βρίσκονται αρκετά μέτρα μακριά. Στη συνέχεια, οι αλγόριθμοι αποκωδικοποίησαν τον ήχο που καταγράφηκε από τα μικρόφωνα για να μάθουν πώς να αναγνωρίζουν και να επανασχεδιάζουν τις αρχικές ψηφιακές εικόνες.

Η ομάδα πέτυχε σχεδόν 90% επιτυχία στο πείραμά της.

Στην ιατρική απεικόνιση, η χρήση μεγάλων μηκών κύματος για την παρατήρηση πολύ μικρών αντικειμένων θα μπορούσε να είναι μια μεγάλη ανακάλυψη.

Τα μεγάλα κύματα σημαίνουν ότι οι γιατροί μπορούνΧρησιμοποιήστε πολύ χαμηλότερες συχνότητες, με αποτέλεσμα οι τεχνικές ακουστικής απεικόνισης να είναι αποτελεσματικές ακόμη και μέσω πυκνού οστικού ιστού. Όσον αφορά την απεικόνιση χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα μακρά κύματα είναι λιγότερο επικίνδυνα για την υγεία του ασθενούς. Στις εφαρμογές, δεν θα εκπαιδεύσουμε τα νευρικά δίκτυα να αναγνωρίζουν ή να αναπαράγουν αριθμούς, αλλά μάλλον οργανικές δομές.

Romain Fleury, Επικεφαλής της Ομάδας Ερευνών στο EPFL

Διαβάστε επίσης

Ο κυνηγός θησαυρού βρίσκει θησαυρό 3000 ετών στη Σκωτία

Perseids Meteor Shower - 2020: Πού να το δείτε, πού να κοιτάξετε και πώς να τραβήξετε μια φωτογραφία

Κοιτάξτε τον τρισδιάστατο χάρτη του Σύμπαντος: καταρτίστηκε για 20 χρόνια και έχει ήδη εκπλήξει τους επιστήμονες