Door speciaal gebouwde materialen en neurale netwerken te combineren, onderzoekers van EPFL hebben aangetoond dat geluid kan worden gebruikt in afbeeldingen met een hoge resolutie.

Beeldvorming stelt ons in staat om een ​​object af te beelden door middel van verre-veldanalyse van de licht- en geluidsgolven die het uitzendt of uitstraalt. Hoe korter de golf, hoe hoger de resolutie van de afbeelding. Echter, het detailniveau wordt tot nu toe beperkt door de grootte van de golflengte in kwestie. Onderzoekers van EPFL's Laboratory of Wave Engineering hebben met succes bewezen dat een lange, en daarom onnauwkeurig, golf (in dit geval een geluidsgolf) kan details oproepen die 30 keer kleiner zijn dan de lengte. Om dit te behalen, het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van metamaterialen - specifiek ontworpen elementen - en kunstmatige intelligentie. Hun onderzoek, die zojuist is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , creëert spannende nieuwe mogelijkheden, met name op het gebied van medische beeldvorming en bio-engineering.

Het baanbrekende idee van het team was om twee afzonderlijke technologieën samen te brengen die eerder de grenzen van beeldvorming hebben verlegd. Een daarvan is metamaterialen:speciaal gebouwde elementen die, bijvoorbeeld, golflengten nauwkeurig scherpstellen. Dat gezegd hebbende, het is bekend dat ze hun effectiviteit verliezen door lukraak signalen te absorberen op een manier die ze moeilijk te ontcijferen maakt. De andere is kunstmatige intelligentie, of meer specifiek neurale netwerken die zelfs de meest complexe informatie snel en efficiënt kunnen verwerken, hoewel er een leercurve bij betrokken is.

Om wat in de natuurkunde bekend staat als de diffractielimiet te overschrijden, het onderzoeksteam - onder leiding van Romain Fleury - voerde het volgende experiment uit:ze creëerden eerst een rooster van 64 miniatuurluidsprekers, die elk kunnen worden geactiveerd volgens de pixels in een afbeelding. Vervolgens gebruikten ze het rooster om geluidsbeelden van cijfers van nul tot negen te reproduceren met uiterst nauwkeurige ruimtelijke details; de afbeeldingen van cijfers die in het rooster werden ingevoerd, werden getrokken uit een database van zo'n 70, 000 handgeschreven voorbeelden. Tegenover het traliewerk plaatsten de onderzoekers een zak met 39 Helmholtz-resonatoren (bollen van 10 cm met een gat aan het uiteinde) die een metamateriaal vormden. Het geluid dat door het rooster wordt geproduceerd, werd door het metamateriaal uitgezonden en opgevangen door vier microfoons die enkele meters verderop waren geplaatst. Algoritmen ontcijferden vervolgens het geluid dat door de microfoons werd opgenomen om te leren hoe de originele cijferafbeeldingen te herkennen en opnieuw te tekenen.

Een voordelig nadeel

Het team behaalde een slagingspercentage van bijna 90% met hun experiment. "Door afbeeldingen te genereren met een resolutie van slechts enkele centimeters - met behulp van een geluidsgolf met een lengte van ongeveer een meter - zijn we ver voorbij de diffractielimiet gegaan, ", zegt Romain Fleury. "Bovendien, de neiging van metamaterialen om signalen te absorberen, die als een groot nadeel werd beschouwd, blijkt een voordeel te zijn als er neurale netwerken bij betrokken zijn. We ontdekten dat ze beter werken als er veel absorptie is."

Op het gebied van medische beeldvorming, het gebruik van lange golven om zeer kleine objecten te zien zou een grote doorbraak kunnen zijn. "Door lange golven kunnen artsen veel lagere frequenties gebruiken, resulterend in akoestische beeldvormingsmethoden die zelfs door dicht botweefsel heen effectief zijn. Als het gaat om beeldvorming waarbij gebruik wordt gemaakt van elektromagnetische golven, lange golven zijn minder gevaarlijk voor de gezondheid van een patiënt. Voor dit soort toepassingen we zouden neurale netwerken niet trainen om cijfers te herkennen of te reproduceren, maar eerder organische structuren, ' zegt Fleury.