Микроскопи за трудно достъпни места
Няма да се намери област от научни изследвания, в които да не се налага използването на съоръжения за наблюдение на труднодостъпни места. Подобни технологии могат да локализират ракови заболявания, да разкрият сложни протеинови структури или да намерят екзопланети в предварително анализирани данни.
Микроскопията е една от областите, в които технологията може да изиграе решаваща роля. Въпреки новите открития, основният работен процес на техники като сканираща сондова микроскопия (SPM) и сканираща трансмисионна електронна микроскопия (STEM) остават до голяма степен непроменени от десетилетия.
Квалифицираните човешки оператори трябва старателно да настройват, наблюдават и анализират пробите. Сега ново обучение има потенциала не само да автоматизира много от досадните задачи, но и драстично да ускори времето за анализ, като директно се насочва към характеристиките, които представляват интерес.
Ефективно извличане на информация
На път сме да направим възможно извличането на информация за позицията и типа на атомните структури за секунди. Това отваря перспектива от възможности. Вместо да използва хардуер за подобряване разделителната способност на микроскопите, софтуерът може да разшири ролята им, като ги направи автономни. Такава машина ще разбира какво гледа и автоматично ще документира нужните данни.
Микроскопските техники като SPM и STEM се занимават с обекти в наномащаб, включително отделни атоми. При SPM наномащабният връх надвисва над повърхността на пробата и подобно на плейър, проследява нейните канали. Резултатът е визуално изображение вместо аудио сигнал. От друга страна, STEM генерира образ, като обсипва проба с електрони и събира тези, които преминават, като по същество създава негатив.
И двете техники позволяват на изследователите да наблюдават широките структурни характеристики на пробата. Учените обикновено се интересуват от функционалните свойства на определени характеристики като дефекти. Те прилагат стимул като електрическо поле към проба и могат да измерят как реагира. Също така използват реакциите й към приложените стимули, за да изградят функционална карта.
Нови възможности
С автоматизацията изследователите могат да правят измервания, които никога не са били достъпни. Вземането на функционални данни отнема време. Увеличаването на структурно изображение е непосилно за човешките оператори. Те трябва да правят предположения за това, кои характеристики се надяват да анализират. Няма строг начин да се предвиди функционалността от структурата, така че операторите просто трябва да придобият умение да избират нужните функции. Оказва се, че микроскопията е точно толкова изкуство, колкото и наука.
Ако този набор от функции бъде възложен на невронна мрежа, която предсказва интересното и навигира до него, това драстично би ускорило процеса. Автоматизираната микроскопия все още е на етап доказване на концепцията, като няколко групи изследователи от цял свят изработват принципите и правят предварителни тестове.
Методът не се ограничава само до наблюдение. Чрез взривяване на проби с високоенергиен електронен лъч, учените могат да изместят позицията на атомите, създавайки ефективно атомна ковачница. Както при конвенционалната ковачница за желязо, автоматизацията може да направи нещата много по-лесни. Една атомна ковачница ръководена от подобно обучение, може да открие дефекти и да ги поправи или да измести атомите така, че да образуват сложни структури.
Други мащаби
Конфокалната микроскопия работи в мащаб хиляди пъти по-голям от SPM и STEM. Това е основна техника, която дава на биолозите прозорец към клетките. Чрез интегриране на нов хардуер със софтуер за дълбоко обучение, екип от Морската биологична лаборатория в Масачузетс, драстично подобри разделителната способност на изображения взети от различни проби, като сърдечна тъкан при мишки и клетки от крилца на плодови мухи.
Новото обучение позволи на изследователите да използват много по-малко светлина, намалявайки щетите върху пробите. Перспективата за автономна микроскопия е, че тя ще даде възможност за фундаментално нови възможности и парадигми в научното откритие.
