Uczynienie niewidzialnego widzialnym: materia, metody i umysły

Dostarczone przez Program Lemelson-MIT

Wymyślanie przyszłości zaczyna się od wyobrażania sobie niemożliwego. Zdolność do jazdy przez mgłę, jak gdyby był słoneczny dzień, lub czytania książki bez jej otwierania, może wydawać się naciągana. Czy możesz sobie wyobrazić technologię, która wykrywa krążące komórki nowotworowe za pomocą urządzenia przypominającego mankiet do pomiaru ciśnienia krwi? Takie innowacje mogą wydawać się wykraczać poza naszą obecną sferę możliwości, ale w moim Grupa Kultury Kamera w MIT Media Lab te i inne wynalazki są w toku.

Niemożliwe zdjęcia jutra nie zostaną zarejestrowane; zostaną obliczone.

Takie postępy reprezentują coś więcej niż tylko fascynującą naukę; mogą mieć globalne skutki i znaczące, praktyczne zastosowania w życiu codziennym. Nie jest przesadą, że urządzenia elektroniki użytkowej wkrótce będą zawierać technologie, które umożliwią użytkownikom widzenie przez mgłę, a nawet ściany, a także za rogiem. Ponadto innowacje te znacznie usprawnią technologię biomedyczną, operacje poszukiwawczo-ratownicze oraz obrazowanie w niebezpiecznych sytuacjach.

Czynienie niewidzialnego widocznym

Wynalezienie obrazowania rentgenowskiego umożliwiło nam zajrzenie do wnętrza naszych ciał. Wynalezienie termowizyjnego obrazowania w podczerwieni umożliwiło nam zobrazowanie ciepła. Tak więc w ciągu ostatnich kilku stuleci kluczową sztuczką, dzięki której niewidzialne stało się widzialne, było nagranie za pomocą nowego wycinka widma elektromagnetycznego. Ale niemożliwe zdjęcia jutra nie będą nagrany; będą obliczone. W związku z tym potrzebujemy teraz wspólnego projektowania nowego sprzętu do obrazowania i algorytmów obliczeniowych.

Na przykład we wrześniu 2015 r. w Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) Czekaj, co? Forum Technologii Przyszłości, przedstawiłem prelekcję pt Ekstremalna fotografia obliczeniowa, który prezentował naszą najnowszą pracę. Femtofotografia, dziedzina rozwinięta przez moją grupę badawczą, wykorzystuje szybki aparat, który pozwala nam wizualizować świat z prędkością prawie bilionów klatek na sekundę, dzięki czemu możemy tworzyć filmy w zwolnionym tempie ze światła w locie — i tworzyć niemożliwe zdjęcia z rozproszonym światłem.

Film: Making Invisible Visible – materia, metody, umysły: MIT Media Lab, Camera Culture Group

Zwykle kamery rejestrują to, co znajduje się w bezpośredniej linii wzroku, przy użyciu bezpośredniego światła. Jednak mgła, chusteczka lub narożniki pomieszczenia tworzą rozproszone światło, które przesłania obiekt zainteresowania. Społeczność naukowa od dziesięcioleci bada światło rozproszone, ale moja grupa postanowiła pójść o krok dalej. Jedną z komplikacji w badaniu światła rozproszonego jest to, że szum dominuje nad sygnałem. Ale jednej osoby hałas należy do innej osoby sygnał . Powstaje więc pytanie: jak możemy wykorzystać rozproszone światło, aby uzyskać więcej informacji o scenach, które badamy?

Zacznijmy od zobaczenia, co jest za rogiem. Laserowy impuls światła, trwający mniej niż jedną bilionową sekundy, rozbłyskuje w powietrzu i eksploduje o ścianę, wysyłając fotony rozpraszające się po pomieszczeniu. Niewielka liczba tych fotonów powróci do punktu początkowego i zostanie zebrana przez femtokamerę z szybkością odpowiadającą około pół biliona klatek na sekundę.

Przechwytując i analizując rozproszone światło w wysokiej rozdzielczości czasowej, możemy: stworzyć obraz 3D obiektu, który jest za rogiem i poza zasięgiem wzroku. Ta idea obrazowania w świetle rozproszonym jest również częścią ambitnego nowego programu DARPA Rewolucyjne zwiększenie widoczności poprzez wykorzystanie pól aktywnego światła ( UJAWNIĆ ), prowadzone przez Predrag Milojković , kierownik programu w Biurze Nauk Obronnych DARPA. Rozproszone światło może nam pomóc nakreślić obraz tego, co leży poza naszym polem widzenia. Korzystanie z obrazowania żywotności fluorescencyjnego ( FLIM ), jak zademonstrował doktorant z MIT i badacz Camera Culture Group Guy Satat i inni, możemy również wykryć guzy nowotworowe ukryte w głębokiej tkance – potencjalnie eliminując potrzebę wykonywania zdjęć rentgenowskich i biopsji. Ultraszybkie obrazowanie może mierzyć zanik intensywności lub czas życia fluoroforów, które znakują komórki nowotworowe. Co ważniejsze, potrafi odróżnić zanik czasu życia fluorescencyjnego od zaniku wywołanego rozpraszaniem w tkance.

Nasz zespół bada sposoby wykorzystania pomiaru czasowo-rozdzielczego do obrazowania przez grube i silnie rozpraszające materiały, z myślą o głównych zastosowaniach w obrazowaniu biomedycznym, diagnostyce podskórnej i obrazowaniu stomatologicznym.

Udoskonalamy REDX, naszą platformę peer-to-peer dla młodych innowatorów. Mamy nadzieję, że inne podmioty również zainwestują, dzięki czemu więcej młodych ludzi będzie mogło rozpocząć edukację wynalazczą, umożliwiając im wczesny start – tak jak ja w wieku 10 lat.

Jeśli dodamy do tego obrazowanie terahercowe, możemy zacząć widzieć przez inne materiały, takie jak papier. Nasz zespół znalazł sposób na wykorzystanie spektroskopii terahercowej w czasie przelotu do czytania stron nieotwarta książka . Spektroskopia terahercowa w dziedzinie czasu wykorzystuje impulsy podobnie jak radar i ultradźwięki, dostarczając nam informacji o głębokości i zasięgu stron poprzez pomiar echa impulsów terahercowych. Ponadto wariancja współczynnika odbicia między czystym papierem a papierem z tuszem umożliwia nam odzyskanie zawartości każdej strony poprzez odwzorowanie rozkładu impulsów na zrekonstruowanej powierzchni strony.

Kolejny prototyp wykorzystuje technologię częstotliwości radiowych (RF), aby odsłonić kształty, które istnieją po drugiej stronie ściany. Jednak fale radiowe odbijają się od obiektów wielkości człowieka, tak jakby te obiekty były zrobione z luster. Nie możemy więc tworzyć pełnych kształtów 3D z jednego nadajnika i odbiornika. Ale łącząc wiele częstotliwości RF i emiterów, oświetlamy scenę za ścianą. Przyglądamy się odbitej energii RF w dziedzinie czasu, aby obliczyć blobby kształty 3D.

Pomaganie młodym ludziom w angażowaniu się w kreatywne wynalazki

Sprawiamy, że niewidzialne staje się widoczne w MIT. Ale z pasją staramy się wydobyć na światło dzienne niewidzialne problemy — i sprawić, by talenty stały się widoczne — na całym świecie.

Zastanawiając się nad przyszłością, powinniśmy zadać sobie pytanie: jak daleko możemy się posunąć? a czyja wyobraźnia nas tam zabierze? Radość i satysfakcja, których moi koledzy i ja doświadczamy z rozwijania wynalazków i nowych możliwości, takich jak te opisane powyżej – oraz wynikających z nich korzyści, które mogą przynieść miliardom potrzebujących ludzi – mogą być doświadczane przez młodych ludzi w dowolnym momencie w ich codziennym życiu, jakiekolwiek miejsce. Wynalazcy nie muszą być w określonym wieku ani być związani z uniwersytetami, aby tworzyć rozwiązania technologiczne, które mają znaczenie. Nadszedł czas, aby wzmocnić prawdziwą inwencję peer-to-peer.

Aby przyczynić się do tej preferowanej przyszłości, w ciągu najbliższych kilku lat zainwestuję część pieniędzy z nagrody Lemelson-MIT na wspieranie rozwoju młodych wynalazców. Wzmacniamy REDX (Rethinking Engineering Design Execution), nasza platforma peer-to-peer dla młodych innowatorów. Mamy nadzieję, że inne podmioty również zainwestują, dzięki czemu więcej młodych ludzi będzie mogło rozpocząć edukację wynalazczą, umożliwiając im wczesny start – tak jak ja w wieku 10 lat.

Filozofia REDX koncentruje się na modelu spot/sonda/wzrost/uruchomienie. Pierwszym krokiem jest plamienie właściwy problem do pracy z ekspertami i interesariuszami. Jest to wieloetapowy proces analizujący dostępne zasoby i palące problemy. Późniejsze fazy obejmują sondowanie rozwiązanie, rozwój adopcja i wodowanie prototyp.

Filozofia REDX wpłynęła na sześć centrów współinnowacji, w tym: REDX Bombaj , LVP MITRA (Hyderabad, Indie), Medhacker (Sao Paolo, Brazylia), REDX Kumbathon oraz DISQ Centrum (oba w Nashik w Indiach) oraz Grupa specjalnego zainteresowania Emerging Worlds w MIT Media Lab. Otwieram podręcznik REDX dla wszystkich, aby każdy mógł złożyć wniosek o założenie laboratorium lub klubu współinnowacji REDX. Uważam to za odwrócony model kapitału podwyższonego ryzyka za przekładanie wynalazków na rozwiązania o realnym wpływie.

Szybko do przodu o 10 lat w przyszłość. (Ponownie) wyobraź sobie świat, w którym młodzi współwynalazcy z całego świata aktywnie angażują się we współpracę online/offline, dane badawcze, innowacyjne technologie obywatelskie i sposoby myślenia, jak wynalazcy, aby stawić czoła palącym wyzwaniom i przeskoczyć istniejące rozwiązania. To przyszłość, w której wielkie umysły zajmują się dostrzeganiem potrzeb, badaniem rozwiązań, opracowywaniem prototypów i wdrażaniem ich na dużą skalę — ostatecznie poprawiając jakość życia.

Ramesh Raskar jest zwycięzcą konkursu Nagroda Lemelsona-MIT w wysokości 500 000 USD , który honoruje wynalazców w połowie kariery, którzy poświęcili się ulepszaniu świata poprzez wybitne wynalazki technologiczne. Jest dyrektorem Kultura aparatu grupa badawcza w MIT Media Lab i profesor nadzwyczajny mediów, sztuki i nauki na MIT. DO pionier technologii wizyjnych i innowacji społecznych, posiada ponad 75 patentów i otrzymał liczne nagrody za swoją pracę. Planuje wykorzystać część pieniędzy z nagrody Lemelson-MIT na poprawę REDX platforma peer-to-peer dla młodych wynalazców. Raskar uzyskał tytuł licencjata w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji na Government College of Engineering w Indiach oraz doktorat z informatyki na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Chapel Hill.

ukryć