Объединив специально созданные материалы и нейронные сети, исследователи из EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария) показали, что звук можно использовать в изображениях с высоким разрешением. О своем открытии исследовательская группа во главе с Роменом Флери сообщила в статье, опубликованной в журнале в Physical Review X.

Визуализация позволяет изобразить объект посредством анализа дальнего поля световых и звуковых волн, которые он передает или излучает. Чем короче волна, тем выше разрешение изображения. Однако до сих пор уровень детализации ограничен размером рассматриваемой длины волны.

Исследователи из Лаборатории волновой инженерии EPFL успешно доказали, что длинная и, следовательно, неточная волна (в данном случае звуковая волна) может выявить детали, которые в 30 раз меньше ее длины. Для этого исследовательская группа использовала комбинацию метаматериалов — специально разработанных элементов — и искусственного интеллекта. Их исследование открывает новые захватывающие возможности, особенно в областях медицинской визуализации и биоинженерии.

Новаторская идея команды заключалась в том, чтобы объединить две отдельные технологии, которые ранее разделили границы визуализации. Одной из них является технология метаматериалов: специально созданных элементов, которые могут, например, точно фокусировать длины волн. Тем не менее, они теряют свою эффективность из-за случайного поглощения сигналов, что затрудняет их расшифровку. Другая технология — это искусственный интеллект или, более конкретно, нейронные сети, которые могут быстро и эффективно обрабатывать даже самую сложную информацию, хотя это требует обучения.

Чтобы превысить дифракционный предел (минимальное значение размера пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение) исследовательская группа провела следующий эксперимент.

Сначала они создали решетку из 64 миниатюрных динамиков, каждый из которых можно активировать в соответствии с пикселями изображения. Затем они использовали решетку для воспроизведения звуковых образов цифр от нуля до девяти с точными пространственными деталями. Изображения цифр, введенные в решетку, были взяты из базы данных, содержащей около 70 000 рукописных примеров. Напротив решетки исследователи поместили мешок с 39 резонаторами Гельмгольца (сферы диаметром 10 см с отверстием на одном конце), которые и образовали метаматериал. Звук, производимый решеткой, передавался метаматериалом и улавливался четырьмя микрофонами, расположенными на расстоянии нескольких метров. Затем алгоритмы расшифровали звук, записанный микрофонами, чтобы научиться распознавать и перерисовывать исходные цифровые изображения.

Команда добилась почти 90% успеха в своем эксперименте.

В области медицинской визуализации использование длинных волн для наблюдения за очень маленькими объектами могло бы стать большим прорывом.

Длинные волны означают, что врачи могут использовать гораздо более низкие частоты, в результате чего методы акустической визуализации эффективны даже через плотную костную ткань. Когда дело доходит до визуализации с использованием электромагнитных волн, длинные волны менее опасны для здоровья пациента. В приложениях мы не будем обучать нейронные сети распознавать или воспроизводить числа, а скорее органические структуры, – Ромен Флери, руководитель исследовательской группы в EPFL.