Учени направиха звука видим

Комбинирайки  специално създадени метаматериали и невронни мрежи, изследователи от EPFL (Федерално политехническо училище в Лозана, Швейцария) показват, че звукът може да се използва в изображения с висока резолюция. За откритието си изследователският екип, ръководен от Ромен Флери, съобщи в статия, публикувана в списание Physical Review X.

Образната диагностика позволява да бъде изобразен даден обект посредством анализ на полето на светлинните и звуковите вълни, които той предава или излъчва. Колкото по-къса е вълната, толкова по-висока е резолюцията на изображението. Досега обаче нивото на детайлност е било ограничено до размера на разглежданата дължина на вълната.

Изследователи от лабораторията за вълново инженерство на EPFL успешно доказаха, че дългата и следователно неточна вълна (в дадения случай звукова вълна) може да разкрие подробности, които са 30 пъти по-малки от дължината й. За целта изследователският екип използва комбинация от метаматериали и изкуствен интелект. Научната им разработка открива нови забележителни възможности, особено в областта на образната диагностика и биоинженерството.

Новаторската идея на екипа се състои в това да обедини две отделни технологии, които преди това са разделили границите на визуализацията. Едната от тях е технологията на метаматериалите - специално създадени елементи, които например могат точно да фокусират дължините на вълните. Въпреки това те губят своята ефективност поради случайно поглъщане на сигнали, което ги прави трудни за дешифриране. Другата технология е изкуственият интелект или по-конкретно невронните мрежи, които могат бързо и ефективно да обработват дори най-сложната информация.

За да се надвиши дифракционната граница (минималната стойност на размера на петното, която може да се получи чрез фокусиране на електромагнитното излъчване), изследователският екип проведе следния експеримент. Отначало създават решетка от 64 миниатюрни високоговорители, всеки от които може да бъде активиран в съответствие с пикселите на изображението. След това използват решетката, за да възпроизведат звуковите изображения на цифрите от нула до девет с точни пространствени детайли. Изображенията на цифрите, въведени в решетката, са взети от база данни, съдържаща около 70 000 ръкописни примера. Срещу решетката изследователите поставят чувал с 39 резонатора на Хелмхолц  (сфери с диаметър 10 см с отвор в единия край), които и образуват метаматериала. Звукът, произведен от решетката, се предава от метаматериала и се улавя от четири микрофона, разположени на разстояние няколко метра. След това алгоритмите дешифрират звука, записан от микрофоните, за да се научат да разпознават и преначертават оригиналните цифрови изображения.

Екипът постига почти 90% успех в своя експеримент.

В областта на образната диагностика използването на дълги вълни за наблюдение на много малки обекти може да направи голям пробив в медицината.

„Дългите вълни означават, че лекарите могат да използват много по-ниски честоти, в резултат на което методите на акустичното визуализиране ще са ефективни дори през плътна костна тъкан. Когато става въпрос за изображения, използващи електромагнитни вълни, дългите вълни са по-безопасни за здравето на пациента. В практическото приложение на откритието ни няма да обучаваме изкуствения интелект да разпознава или да  възпроизвежда числа, а по-скоро органични структури", каза Ромен Флери, ръководител на изследователския екип в EPFL.