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

通過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)邦理工學院科學家，現(xiàn)在已經(jīng)證明并實現(xiàn)聲波可以用于高分辨率成像。成像技術(shù)能讓我們通過對物體發(fā)射或輻射的光波和聲波進行遠場分析來描繪物體。波形越短，圖像的分辨率就越高。然而，到目前為止，細節(jié)水平受到所討論波長大小的限制。洛桑聯(lián)邦理工學院科學家已經(jīng)成功地證明，聲波可以得出比其波長小30倍的細節(jié)。

為了實現(xiàn)這一點，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)學成像和生物工程領(lǐng)域。該研究團隊的突破性想法是將兩項獨立的技術(shù)結(jié)合在一起，這兩項技術(shù)之前已經(jīng)突破了成像的界限。其中之一是超材料：例如，可以精確聚焦波長的特制元件。

這就是說，眾所周知，它們會因為隨意吸收信號而失去效力，而這種方式使得它們很難破譯。另一種是人工智能，更具體地說是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以快速有效地處理即使是最復雜的信息，盡管涉及到一個學習曲線。為了超過物理學中已知的衍射極限，由羅曼·弗勒里(Romain Fleury)領(lǐng)導的研究小組進行了以下實驗：首先創(chuàng)建了一個由64個微型揚聲器組成的晶格，每個揚聲器可以根據(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7萬個手寫樣本的數(shù)據(jù)庫中提取。在格子的對面放置了一個袋子，里面裝著39個亥姆霍茲諧振器(10厘米的球體，一端有一個洞)，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麥克風捕獲。然后，算法對麥克風錄制的聲音進行解密，以學習如何識別和重新繪制原始數(shù)字圖像。

有利的缺點

實驗獲得了近90%的成功率，通過生成分辨率僅為幾厘米的圖像（-使用長度約為一米的聲波）遠遠超過了衍射極限。此外，超材料吸收信號的傾向一直被認為是一大缺點，但當涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，這被證明是一種優(yōu)勢，研究發(fā)現(xiàn)，當有大量吸收時，它們的工作效果更好。在醫(yī)學成像領(lǐng)域，利用長波觀察非常小的物體可能是一個重大突破。

長波意味著醫(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。當談到使用電磁波的成像時，長波對患者健康的危害較小。對于這些類型的應(yīng)用，研究不會訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別或復制數(shù)字，而是訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別或復制有機結(jié)構(gòu)。

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博科園｜研究/來自：洛桑聯(lián)邦理工學院

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031029

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