L'apprendimento profondo e i metamateriali hanno aiutato gli scienziati a rendere visibile il suono

La visualizzazione consente di rappresentare un oggetto analizzando il campo lontano delle onde luminose e sonore,

che trasmette o emette.Più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è la risoluzione dell'immagine. Tuttavia, finora il livello di dettaglio è limitato dalla dimensione della lunghezza d’onda in questione. I ricercatori del Wave Engineering Laboratory dell'EPFL hanno dimostrato con successo che un'onda lunga e quindi imprecisa (in questo caso un'onda sonora) può rivelare caratteristiche 30 volte più piccole della sua lunghezza. Per fare ciò, il gruppo di ricerca ha utilizzato una combinazione di metamateriali – elementi appositamente progettati – e intelligenza artificiale. La loro ricerca apre nuove entusiasmanti possibilità, in particolare nei campi dell’imaging medico e della bioingegneria.

L'idea pionieristica del team era quella dicombina due tecnologie separate che in precedenza separavano i confini del rendering. Uno di questi è la tecnologia dei metamateriali: elementi creati appositamente che possono focalizzare con precisione le lunghezze d'onda, per esempio. Tuttavia, perdono la loro efficacia a causa dell'assorbimento accidentale dei segnali, che li rende difficili da decifrare. Un'altra tecnologia è l'intelligenza artificiale o, più specificamente, le reti neurali in grado di elaborare anche le informazioni più complesse in modo rapido ed efficiente, sebbene ciò richieda addestramento.

Per superare il limite di diffrazione (minimoil valore della dimensione dello spot, che può essere ottenuto focalizzando la radiazione elettromagnetica) il gruppo di ricerca ha condotto il seguente esperimento. Per prima cosa, hanno creato una serie di 64 altoparlanti in miniatura, ognuno dei quali può essere attivato in base ai pixel nell'immagine. Hanno quindi utilizzato un reticolo per riprodurre immagini sonore di numeri da zero a nove con dettagli spaziali precisi. Le immagini dei numeri inseriti nel reticolo sono state prese da un database di circa 70.000 esempi manoscritti. Di fronte al reticolo, i ricercatori hanno posizionato una borsa con 39 risonatori di Helmholtz (sfere di 10 cm di diametro con un foro a un'estremità), che formavano il metamateriale. Il suono prodotto dal reticolo è stato trasmesso da un metamateriale e captato da quattro microfoni posti a diversi metri di distanza. Gli algoritmi hanno quindi decodificato il suono registrato dai microfoni per imparare a riconoscere e ridisegnare le immagini digitali originali.

Il team ha ottenuto quasi il 90% di successo nel proprio esperimento.

Nell'imaging medico, l'utilizzo di lunghezze d'onda lunghe per osservare oggetti molto piccoli potrebbe essere un grande passo avanti.

Le onde lunghe significano che i medici possonoutilizzare frequenze molto più basse, con il risultato che le tecniche di imaging acustico sono efficaci anche attraverso il tessuto osseo denso. Quando si tratta di imaging utilizzando onde elettromagnetiche, le onde lunghe sono meno pericolose per la salute del paziente. Nelle applicazioni, non addestreremo le reti neurali a riconoscere o riprodurre numeri, ma piuttosto strutture organiche.

Romain Fleury, capo del gruppo di ricerca dell'EPFL

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