人工智能與超材料結(jié)合：突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)聲波高分辨率成像！

通過(guò)將特制材料和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家，現(xiàn)在已經(jīng)證明并實(shí)現(xiàn)聲波可以用于高分辨率成像。成像技術(shù)能讓我們通過(guò)對(duì)物體發(fā)射或輻射的光波和聲波進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析來(lái)描繪物體。波形越短，圖像的分辨率就越高。然而，到目前為止，細(xì)節(jié)水平受到所討論波長(zhǎng)大小的限制。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家已經(jīng)成功地證明，聲波可以得出比其波長(zhǎng)小30倍的細(xì)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員使用了超材料（特別是工程元素）和人工智能的結(jié)合，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論X》期刊上，正在創(chuàng)造令人興奮的新可能性，特別是在醫(yī)學(xué)成像和生物工程領(lǐng)域。該研究團(tuán)隊(duì)的突破性想法是將兩項(xiàng)獨(dú)立的技術(shù)結(jié)合在一起，這兩項(xiàng)技術(shù)之前已經(jīng)突破了成像的界限。其中之一是超材料：例如，可以精確聚焦波長(zhǎng)的特制元件。

這就是說(shuō)，眾所周知，它們會(huì)因?yàn)殡S意吸收信號(hào)而失去效力，而這種方式使得它們很難破譯。另一種是人工智能，更具體地說(shuō)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以快速有效地處理即使是最復(fù)雜的信息，盡管涉及到一個(gè)學(xué)習(xí)曲線。為了超過(guò)物理學(xué)中已知的衍射極限，由羅曼·弗勒里(Romain Fleury)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：首先創(chuàng)建了一個(gè)由64個(gè)微型揚(yáng)聲器組成的晶格，每個(gè)揚(yáng)聲器可以根據(jù)圖像中的像素激活。

然后使用晶格以極其精確的空間細(xì)節(jié)再現(xiàn)了從0到9的數(shù)字的聲音圖像；輸入到網(wǎng)格中的數(shù)字圖像是從大約7萬(wàn)個(gè)手寫(xiě)樣本的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取。在格子的對(duì)面放置了一個(gè)袋子，里面裝著39個(gè)亥姆霍茲諧振器(10厘米的球體，一端有一個(gè)洞)，形成了一種超材料。晶格產(chǎn)生的聲音由超材料傳輸，并被放置在幾米外的四個(gè)麥克風(fēng)捕獲。然后，算法對(duì)麥克風(fēng)錄制的聲音進(jìn)行解密，以學(xué)習(xí)如何識(shí)別和重新繪制原始數(shù)字圖像。

有利的缺點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)獲得了近90%的成功率，通過(guò)生成分辨率僅為幾厘米的圖像（-使用長(zhǎng)度約為一米的聲波）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了衍射極限。此外，超材料吸收信號(hào)的傾向一直被認(rèn)為是一大缺點(diǎn)，但當(dāng)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這被證明是一種優(yōu)勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有大量吸收時(shí)，它們的工作效果更好。在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，利用長(zhǎng)波觀察非常小的物體可能是一個(gè)重大突破。

長(zhǎng)波意味著醫(yī)生可以使用低得多的頻率，聲成像方法即使在致密骨組織中也是有效的。當(dāng)談到使用電磁波的成像時(shí)，長(zhǎng)波對(duì)患者健康的危害較小。對(duì)于這些類型的應(yīng)用，研究不會(huì)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別或復(fù)制數(shù)字，而是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別或復(fù)制有機(jī)結(jié)構(gòu)。

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博科園｜研究/來(lái)自：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031029

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