Hlboké vzdelávanie a metamateriály pomohli vedcom zviditeľniť zvuk

Vizualizácia vám umožňuje zobraziť objekt analýzou vzdialeného poľa svetla a zvukových vĺn,

ktoré vysiela alebo vysiela.Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým je rozlíšenie obrazu vyššie. Zatiaľ je však úroveň detailov obmedzená veľkosťou príslušnej vlnovej dĺžky. Výskumníci z laboratória Wave Engineering Laboratory EPFL úspešne dokázali, že dlhá a teda nepresná vlna (v tomto prípade zvuková vlna) môže odhaliť prvky, ktoré sú 30-krát menšie ako jej dĺžka. Výskumný tím na to použil kombináciu metamateriálov – špeciálne navrhnutých prvkov – a umelej inteligencie. Ich výskum otvára vzrušujúce nové možnosti, najmä v oblasti medicínskeho zobrazovania a bioinžinierstva.

Priekopníckym nápadom tímu boloskombinujte dve samostatné technológie, ktoré predtým oddeľovali hranice vykresľovania. Jednou z nich je technológia metamateriálov: špeciálne vytvorené prvky, ktoré môžu napríklad presne zamerať vlnové dĺžky. Stratia však svoju účinnosť v dôsledku náhodnej absorpcie signálov, čo sťažuje ich dešifrovanie. Ďalšou technológiou je umelá inteligencia alebo presnejšie neurónové siete, ktoré dokážu rýchlo a efektívne spracovať aj tie najzložitejšie informácie, hoci si to vyžaduje školenie.

Prekročenie difrakčného limitu (minimumhodnota veľkosti bodu, ktorú možno získať zameraním elektromagnetického žiarenia), vedecký tím vykonal nasledujúci experiment. Najprv vytvorili skupinu 64 miniatúrnych reproduktorov, z ktorých každý je možné aktivovať podľa pixelov v obraze. Potom použili mriežku na reprodukciu zvukových obrazov s číslami od nuly do deviatich s presnými priestorovými detailmi. Obrázky čísel zadaných do mriežky boli prevzaté z databázy asi 70 000 ručne napísaných príkladov. Oproti mreži vedci umiestnili vrece s 39 Helmholtzovými rezonátormi (guľôčky s priemerom 10 cm s otvorom na jednom konci), ktoré tvorili metamateriál. Zvuk produkovaný mriežkou bol prenášaný metamateriálom a zachytávaný štyrmi mikrofónmi vzdialenými niekoľko metrov. Algoritmy potom dekódovali zvuk zaznamenaný mikrofónmi, aby sa naučili rozpoznávať a prekresľovať pôvodné digitálne obrázky.

Tím dosiahol vo svojom experimente takmer 90% úspešnosť.

Pri lekárskom zobrazovaní môže byť veľkým prielomom použitie dlhých vlnových dĺžok na pozorovanie veľmi malých predmetov.

Dlhé vlny znamenajú lekárovpoužívajú oveľa nižšie frekvencie, čo vedie k tomu, že akustické zobrazovacie techniky sú účinné dokonca aj v hustých kostných tkanivách. Pokiaľ ide o zobrazovanie pomocou elektromagnetických vĺn, dlhé vlny sú pre zdravie pacienta menej nebezpečné. V aplikáciách nebudeme trénovať neurónové siete na rozpoznávanie alebo reprodukciu čísel, ale skôr organických štruktúr.

Romain Fleury, vedúci výskumnej skupiny v EPFL

Prečítajte si tiež

Lovec pokladov nájde v Škótsku 3 000 rokov starý poklad

Sprchový kút Perseids - 2020: Kde to vidieť, kde hľadať a ako odfotiť

Pozrite sa na 3D mapu vesmíru: bola zostavená už 20 rokov a už vedcov prekvapila