Найдем темную материю. Быстро

Благодаря новой технологии скорость работы автоматизированных микроскопов увеличится в 10–100 раз, что, например, сделает ее незаменимой в экспериментах по поиску темной материи
Найдем темную материю. Быстро
АМ действует в миллионы раз быстрее микроскописта-человека, может работать круглосуточно
misis.ru

Современные научные исследования требуют применения высокоскоростных сканирующих систем, способных проводить высокоточный анализ внутренней структуры образцов, получать и анализировать большие объемы информации. Такими системами являются автоматизированные микроскопы (АМ) нового поколения — роботы, оснащенные высокоточной механикой, высококачественной оптикой и высокоскоростной видеокамерой. АМ действует в миллионы раз быстрее микроскописта-человека, может работать круглосуточно.

Технология машинного зрения позволяет ему в режиме реального времени распознавать объекты и решать, обработать их изображения или сдвинуться в другую точку. Сейчас для обработки большого потока изображений и ускорения вычислений применяется технология параллельных вычислений, которая позволяет существенно увеличить производительность благодаря использованию графических процессоров.

magnifier.png Технология машинного зрения позволяет АМ в режиме реального времени распознавать объекты и решать, обработать их изображения или сдвинуться в другую точку

Но ученые ищут способ в разы увеличить скорость работы уже имеющихся роботов. Более совершенные микроскопы будут незаменимы, например, в экспериментах по поиску темной материи, где в прямом смысле придется иметь дело с десятком тонн эмульсионных пленок из детекторов, с помощью которых фиксируются следы различных частиц. Так называемая темная материя — загадочная субстанция, на чью долю, как считается, приходится большая часть массы материи во Вселенной. По оценкам ученых, в каждой галактике, как правило, примерно в восемь-десять раз больше темной материи, чем ее видимого аналога, и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им «разбежаться».

В исследовании, которое провели сотрудники Национального исследовательского технологического университета МИСиС и итальянского Национального института ядерной физики протестирована технология полностью автоматизированного оптического сканирования тонких образцов, на которой будет основано новое поколение автоматизированных микроскопов. Ученые МИСиС и INFN предложили использовать для этого технологию поворота фокальной, то есть перпендикулярной оптической оси, плоскости объектива.

Эффективность и точность этого подхода оказались сопоставимы с традиционными, в то время как скорость сканирования пропорциональна количеству установленных камер, что позволяет говорить о значительном прогрессе.

magnifier.png Ученые протестировали технологию полностью автоматизированного оптического сканирования тонких образцов, на которой будет основано новое поколение автоматизированных микроскопов

«Объем образца, находящийся в непосредственной близости от фокальной плоскости объектива, можно представить как множество светящихся точек различной яркости, — пояснил “Стимулу” один из авторов исследования, сотрудник НИТУ МИСиС и INFN Андрей Александров. — Свет этих точек собирается объективом микроскопа и передается на выход оптической системы, где создается точная (с точностью до эффектов дифракции и дисторсии) увеличенная трехмерная копия этого множества точек, называемая виртуальным изображением».

Поскольку сенсор видеокамеры не умеет регистрировать трехмерные изображения, на экране мы всегда видим двухмерную картинку, которая является сечением трехмерного виртуального изображения плоскостью сенсора видеокамеры. Точки, изображения которых лежат на плоскости сенсора, видны наиболее четко. Изображения же остальных точек быстро становятся размытыми и исчезают по мере удаления от плоскости сенсора. Таким образом, плоским сенсором можно «сфотографировать» плоскость внутри образца. При наклоне видеокамеры плоскость сенсора «разрежет» трехмерное виртуальное изображение под углом к оптической оси, что и будет выглядеть как наклон плоскости фокуса.

МИКРСКП СХЕМА.png
nature.com

По словам ученого, задача автоматизированного микроскопа — сделать «компьютерную томографию» изучаемого образца. Традиционно это достигается за счет «фотографирования» через равные промежутки по всем трем осям всего объема образца. Наклон плоскости фокуса позволяет исключить движение по вертикальной оси (перпендикулярной плоскости образца) для тонких образцов (тоньше 100 микрон), так как плоскость фокуса после наклона пересекает всю толщину образца и становится возможным просканировать весь объем образца, двигаясь только по горизонтали.

Такая оптимизация движения позволила исключить вспомогательные перемещения образца (такие как перемещение на соседнее поле зрения), неизбежные в традиционных способах сканирования. При вспомогательных перемещениях захват изображений не производится и в каком-то смысле время на их исполнение тратится впустую. При традиционных способах сканирования на вспомогательные перемещения уходило от 70% (способ Stop & Go) до 30% (способ Continuous Motion) всего времени.

magnifier.png «Разработанная нами технология позволяет исключить вспомогательные перемещения и использовать возможности видеокамеры на сто процентов. Более того, подобная оптимизация делает скорость работы прямо пропорциональной количеству видеокамер, установленных в автоматизированном микроскопе, что недостижимо для традиционных способов сканирования»

«Разработанная нами технология позволяет исключить вспомогательные перемещения и использовать возможности видеокамеры на сто процентов, — говорит Андрей Александров. — Более того, подобная оптимизация делает скорость работы прямо пропорциональной количеству видеокамер, установленных в автоматизированном микроскопе, что недостижимо для традиционных способов сканирования, для которых увеличение количества видеокамер не дает ощутимого увеличения скорости работы микроскопа. Таким образом, основной вклад в увеличение скорости работы автоматизированных микроскопов нового поколения, использующих разработанную нами технологию поворота плоскости фокуса, будет давать возможность эффективного использования большого числа видеокамер».

По словам ученого, на данный момент существует прототип микроскопа с одной видеокамерой, предназначенный для демонстрации технологии. Для практического применения исследователи планируют создать микроскоп с шестью-восемью видеокамерами. Если не будет проблем с финансированием и человеческими ресурсами, он может быть создан уже к концу этого года.

Еще по теме