Dyp læring og metamaterialer hjalp forskere med å synliggjøre lyd

Visualisering lar deg avbilde et objekt ved å analysere det fjerne feltet av lys og lydbølger,

som den sender eller sender ut.Jo kortere bølgelengde, jo høyere bildeoppløsning. Så langt er imidlertid detaljnivået begrenset av størrelsen på den aktuelle bølgelengden. Forskere fra EPFLs Wave Engineering Laboratory har med suksess bevist at en lang og derfor upresis bølge (i dette tilfellet en lydbølge) kan avsløre egenskaper som er 30 ganger mindre enn lengden. For å gjøre dette brukte forskerteamet en kombinasjon av metamaterialer – spesialdesignede elementer – og kunstig intelligens. Forskningen deres åpner for spennende nye muligheter, spesielt innen medisinsk bildediagnostikk og bioteknologi.

Teamets banebrytende idé var åkombinere to separate teknologier som tidligere skilte grensene for gjengivelse. En av dem er teknologien til metamaterialer: spesiallagde elementer som for eksempel kan fokusere bølgelengder presist. Imidlertid mister de effektiviteten på grunn av utilsiktet absorpsjon av signaler, noe som gjør dem vanskelige å tyde. En annen teknologi er kunstig intelligens eller, mer spesifikt, nevrale nettverk, som kan behandle selv den mest komplekse informasjonen raskt og effektivt, selv om dette krever opplæring.

Å overskride diffraksjonsgrensen (minimumverdien av punktstørrelsen, som kan oppnås ved å fokusere elektromagnetisk stråling) forskerteamet gjennomførte følgende eksperiment. Først opprettet de en rekke 64 miniatyrhøyttalere, som hver kan aktiveres i henhold til pikslene i bildet. De brukte deretter et gitter for å reprodusere lydbilder av tall fra null til ni med presise romlige detaljer. Bildene av tallene som er angitt i gitteret er hentet fra en database med rundt 70 000 håndskrevne eksempler. Overfor gitteret plasserte forskerne en pose med 39 Helmholtz-resonatorer (kuler 10 cm i diameter med et hull i den ene enden), som dannet metamaterialet. Lyden produsert av gitteret ble overført av metamaterialet og plukket opp av fire mikrofoner som ligger flere meter unna. Algoritmer dekodet deretter lyden som var spilt inn av mikrofonene for å lære å gjenkjenne og tegne de originale digitale bildene.

Teamet oppnådde nesten 90 % suksess i eksperimentet.

I medisinsk bildebehandling kan bruk av lange bølgelengder for å observere svært små gjenstander være et stort gjennombrudd.

Lange bølger betyr at leger kanbruke mye lavere frekvenser, med det resultat at akustiske bildebehandlingsteknikker er effektive selv gjennom tett beinvev. Når det gjelder avbildning ved hjelp av elektromagnetiske bølger, er lange bølger mindre farlige for pasientens helse. I applikasjoner vil vi ikke trene nevrale nettverk til å gjenkjenne eller reprodusere tall, men heller organiske strukturer.

Romain Fleury, leder av forskningsgruppen ved EPFL

Les også

Skattejeger finner 3000 år gammel skatt i Skottland

Perseids Meteor Shower - 2020: Hvor du skal se det, hvor du skal se og hvordan du tar et bilde

Se på 3D-kartet over universet: det ble satt sammen i 20 år, og det har allerede overrasket forskere