Deep learning en metamaterialen hielpen wetenschappers om geluid zichtbaar te maken

Met visualisatie kunt u een object weergeven door het verre veld van licht- en geluidsgolven te analyseren,

die het uitzendt of uitzendt.Hoe korter de golflengte, hoe hoger de beeldresolutie. Tot nu toe wordt het detailniveau echter beperkt door de grootte van de golflengte in kwestie. Onderzoekers van het Wave Engineering Laboratory van EPFL hebben met succes bewezen dat een lange en daarom onnauwkeurige golf (in dit geval een geluidsgolf) kenmerken kan onthullen die 30 keer kleiner zijn dan de lengte ervan. Om dit te doen gebruikte het onderzoeksteam een ​​combinatie van metamaterialen – speciaal ontworpen elementen – en kunstmatige intelligentie. Hun onderzoek opent opwindende nieuwe mogelijkheden, vooral op het gebied van medische beeldvorming en bio-engineering.

Het baanbrekende idee van het team was omcombineer twee afzonderlijke technologieën die voorheen de grenzen van weergave hebben gescheiden. Een daarvan is de technologie van metamaterialen: speciaal gemaakte elementen die bijvoorbeeld golflengten nauwkeurig kunnen focussen. Ze verliezen echter hun effectiviteit doordat ze per ongeluk signalen absorberen, waardoor ze moeilijk te ontcijferen zijn. Een andere technologie is kunstmatige intelligentie of, meer specifiek, neurale netwerken, die zelfs de meest complexe informatie snel en efficiënt kunnen verwerken, hoewel dit training vereist.

Om de diffractielimiet (minimumde waarde van de vlekgrootte die kan worden verkregen door elektromagnetische straling te focussen) voerde het onderzoeksteam het volgende experiment uit. Ze creëerden eerst een reeks van 64 miniatuurluidsprekers, die elk kunnen worden geactiveerd op basis van de pixels in de afbeelding. Vervolgens gebruikten ze een rooster om geluidsbeelden van getallen van nul tot negen te reproduceren met precieze ruimtelijke details. De afbeeldingen van de nummers die in het rooster zijn ingevoerd, zijn afkomstig uit een database van ongeveer 70.000 handgeschreven voorbeelden. Tegenover het rooster plaatsten de onderzoekers een zak met 39 Helmholtz-resonatoren (bollen met een diameter van 10 cm met aan één uiteinde een gat), die het metamateriaal vormden. Het geluid dat door het traliewerk werd geproduceerd, werd overgebracht door een metamateriaal en opgevangen door vier microfoons op enkele meters afstand. Algoritmen decodeerden vervolgens het geluid dat door de microfoons werd opgenomen om te leren hoe de originele digitale afbeeldingen te herkennen en opnieuw te tekenen.

Het team behaalde bijna 90% succes in hun experiment.

Bij medische beeldvorming zou het gebruik van lange golflengten om zeer kleine objecten te observeren een grote doorbraak kunnen zijn.

Lange golven betekenen dat artsen dat kunnengebruik veel lagere frequenties, met als resultaat dat akoestische beeldvormingstechnieken zelfs door dicht botweefsel effectief zijn. Als het gaat om beeldvorming met behulp van elektromagnetische golven, zijn lange golven minder gevaarlijk voor de gezondheid van de patiënt. In toepassingen zullen we geen neurale netwerken trainen om getallen te herkennen of te reproduceren, maar eerder organische structuren.

Romain Fleury, hoofd van de onderzoeksgroep bij EPFL

Lees ook

Schatzoeker vindt 3000 jaar oude schat in Schotland

Perseids Meteor Shower - 2020: waar te zien, waar te kijken en hoe een foto te maken

Kijk naar de 3D-kaart van het heelal: het is al 20 jaar samengesteld en het heeft wetenschappers al verrast