Aprendizado profundo e metamateriais ajudaram os cientistas a tornar o som visível

A visualização permite representar um objeto analisando o campo distante de ondas de luz e som,

que transmite ou emite.Quanto menor o comprimento de onda, maior será a resolução da imagem. No entanto, até agora o nível de detalhe é limitado pelo tamanho do comprimento de onda em questão. Pesquisadores do Laboratório de Engenharia de Ondas da EPFL provaram com sucesso que uma onda longa e, portanto, imprecisa (neste caso, uma onda sonora) pode revelar características 30 vezes menores que seu comprimento. Para fazer isso, a equipe de pesquisa usou uma combinação de metamateriais – elementos especialmente projetados – e inteligência artificial. A sua investigação abre novas e excitantes possibilidades, particularmente nas áreas da imagiologia médica e da bioengenharia.

A ideia pioneira da equipe eracombinar duas tecnologias distintas que anteriormente separavam os limites da renderização. Um deles é a tecnologia de metamateriais: elementos especialmente criados que podem enfocar comprimentos de onda com precisão, por exemplo. No entanto, eles perdem sua eficácia devido à absorção acidental de sinais, o que os torna difíceis de decifrar. Outra tecnologia é a inteligência artificial ou, mais especificamente, as redes neurais que podem processar até mesmo as informações mais complexas com rapidez e eficiência, embora isso requeira treinamento.

Para exceder o limite de difração (mínimoo valor do tamanho do ponto que pode ser obtido focalizando a radiação eletromagnética), a equipe de pesquisa conduziu o seguinte experimento. Eles primeiro criaram um conjunto de 64 alto-falantes em miniatura, cada um dos quais pode ser ativado de acordo com os pixels na imagem. Eles então usaram uma rede para reproduzir imagens sonoras de números de zero a nove com detalhes espaciais precisos. As fotos dos números inseridos na rede foram tiradas de um banco de dados de cerca de 70.000 exemplos escritos à mão. Em frente à rede, os pesquisadores colocaram uma bolsa com 39 ressonadores Helmholtz (esferas de 10 cm de diâmetro com um orifício em uma das extremidades), que formaram o metamaterial. O som produzido pela grade era transmitido por um metamaterial e captado por quatro microfones localizados a vários metros de distância. Algoritmos então decodificaram o som gravado pelos microfones para aprender como reconhecer e redesenhar as imagens digitais originais.

A equipe obteve quase 90% de sucesso em seu experimento.

Em imagens médicas, o uso de comprimentos de onda longos para observar objetos muito pequenos pode ser um grande avanço.

Ondas longas significam que os médicos podemusam frequências muito mais baixas, fazendo com que as técnicas de imagem acústica sejam eficazes mesmo em tecido ósseo denso. Quando se trata de imagens que usam ondas eletromagnéticas, as ondas longas são menos perigosas para a saúde do paciente. Em aplicações, não treinaremos redes neurais para reconhecer ou reproduzir números, mas sim estruturas orgânicas.

Romain Fleury, Chefe do Grupo de Pesquisa da EPFL

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