Глибоке навчання і метаматеріали допомогли вченим зробити звук видимим

Візуалізація дозволяє зобразити об'єкт за допомогою аналізу далекого поля світлових та звукових хвиль,

які він передає чи випромінює.Чим коротша хвиля, тим вища роздільна здатність зображення. Однак досі рівень деталізації обмежений розміром довжини хвилі, що розглядається. Дослідники з Лабораторії хвильової інженерії EPFL успішно довели, що довга і, отже, неточна хвиля (у разі звукова хвиля) може виявити деталі, які у 30 разів менше її довжини. Для цього дослідницька група використовувала комбінацію метаматеріалів – спеціально розроблених елементів – та штучного інтелекту. Їх дослідження відкриває нові захоплюючі можливості, особливо в галузях медичної візуалізації та біоінженерії.

Новаторська ідея команди полягала в тому, щобоб'єднати дві окремі технології, які раніше розділили кордони візуалізації. Однією з них є технологія метаматеріалів: спеціально створених елементів, які можуть, наприклад, точно фокусувати довжини хвиль. Тим не менш, вони, втрачають свою ефективність через випадкове поглинання сигналів, що ускладнює їх розшифровку. Інша технологія це штучний інтелект або, більш конкретно, нейронні мережі, які можуть швидко і ефективно обробляти навіть найскладнішу інформацію, хоча це вимагає навчання.

Щоб перевищити дифракційну межу (мінімальнезначення розміру плями, яке можна отримати, фокусуючи електромагнітне випромінювання) дослідницька група провела наступний експеримент. Спочатку вони створили грати з 64 мініатюрних динаміків, кожен з яких можна активувати відповідно до пікселями зображення. Потім вони використовували грати для відтворення звукових образів цифр від нуля до дев'яти з точними просторовими деталями. Зображення цифр, введені в решітку, були взяті з бази даних, що містить близько 70 000 рукописних прикладів. Навпаки решітки дослідники помістили мішок з 39 резонаторами Гельмгольца (сфери діаметром 10 см з отвором на одному кінці), які і утворили метаматериал. Звук, вироблений гратами, передавався метаматеріалом і вчувався чотирма мікрофонами, розташованими на відстані кількох метрів. Потім алгоритми розшифрували звук, записаний мікрофонами, щоб навчитися розпізнавати і перемальовувати вихідні цифрові зображення.

Команда досягла майже 90% успіху у своєму експерименті.

В області медичної візуалізації використання довгих хвиль для спостереження за дуже маленькими об'єктами могло б стати великим проривом.

Довгі хвилі означають, що лікарі можутьвикористовувати набагато більш низькі частоти, в результаті чого методи акустичної візуалізації ефективні навіть через щільну кісткову тканину. Коли справа доходить до візуалізації з використанням електромагнітних хвиль, довгі хвилі менш небезпечні для здоров'я пацієнта. У додатках ми не будемо навчати нейронні мережі розпізнавати або відтворювати числа, а скоріше органічні структури.

Ромен Флері, керівник дослідницької групи в EPFL

Читати також

Шукач скарбів знайшов скарб в Шотландії, якому 3000 років

Метеорний потік Персеїди - 2020: де його побачити, куди дивитися і як зробити фото

Подивіться на 3D-карту Всесвіту: її складали 20 років і вона вже здивувала вчених