Το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ αποτελεί ένα από τα κορυφαία ερευνητικά ιδρύματα παγκοσμίως στον τομέα της τεχνολογίας και της μηχανικής. Ομάδα επιστημόνων υπό την καθηγήτρια Laura Waller πέτυχε ένα σημαντικό τεχνολογικό επίτευγμα στον χώρο της οπτικής, αναπτύσσοντας ένα υπολογιστικό μικροσκόπιο που ξεπερνά τους παραδοσιακούς περιορισμούς της οπτικής απεικόνισης. Η νέα συσκευή, η οποία παρουσιάστηκε στο περιοδικό Nature Photonics, μπορεί να καταγράφει βίντεο με ρυθμό 25,2 δισεκατομμυρίων πίξελ ανά δευτερόλεπτο, συνδυάζοντας ανάλυση επιπέδου μικρομέτρου, ευρύ οπτικό πεδίο και ταχύτητα πολύ μεγαλύτερη από τη συμβατική εγγραφή βίντεο.
- Η συσκευή αξιοποιεί 48 αισθητήρες σε μια πλακέτα μεγέθους πιστωτικής κάρτας.
- Επιτυγχάνει ανάλυση 3 μικρών σε έκταση 5 τετραγωνικών εκατοστών με ταχύτητα 120 καρέ ανά δευτερόλεπτο.
- Χρησιμοποιεί ειδική γυάλινη μάσκα φάσης και αλγόριθμο βελτιστοποίησης για τη συμπλήρωση των δεδομένων.
Ξεπερνώντας τα παραδοσιακά όρια της οπτικής τεχνολογίας
Στην οπτική μηχανική, η σχεδίαση μικροσκοπίων συνοδεύεται παραδοσιακά από έναν θεμελιώδη συμβιβασμό: η βελτίωση της ανάλυσης ή η διεύρυνση του οπτικού πεδίου οδηγεί συχνά σε μείωση της ταχύτητας καταγραφής. Αυτός ο χωροχρονικός περιορισμός δυσκολεύει τη μελέτη ζωντανών οργανισμών που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα.
Το νέο υπολογιστικό σύστημα επιτυγχάνει το μεγαλύτερο γινόμενο χώρου, εύρους ζώνης και χρόνου που έχει καταγραφεί σε πρακτικό μικροσκόπιο, επιτρέποντας την ταυτόχρονη παρακολούθηση πολλών ζωντανών οργανισμών.
Ένα πλέγμα αισθητήρων και έξυπνοι αλγόριθμοι
Για να ξεπεράσουν τα φυσικά εμπόδια, οι ερευνητές τοποθέτησαν 48 ανεξάρτητους αισθητήρες κάμερας σε μια ενιαία πλακέτα, η οποία έχει μέγεθος παρόμοιο με αυτό μιας πιστωτικής κάρτας. Το πλέγμα αυτό λειτουργεί ως ένας ενιαίος αισθητήρας μεγάλων διαστάσεων, αυξάνοντας δραστικά τον αριθμό των πίξελ.
Ωστόσο, ανάμεσα στους αισθητήρες δημιουργούνται κενά όπου το φως δεν καταγράφεται. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, η ομάδα σχεδίασε μια ειδική γυάλινη πλάκα (μάσκα φάσης) που εκτρέπει το φως προς τους αισθητήρες, ενώ ένας αλγόριθμος συμπιεσμένης αίσθησης ανασυνθέτει τα δεδομένα που λείπουν, συμπληρώνοντας την τελική εικόνα.
Παρακολούθηση ζωντανών οργανισμών σε πραγματικό χρόνο
Η αποτελεσματικότητα της τεχνολογίας δοκιμάστηκε στην παρακολούθηση νηματωδών σκωλήκων C. elegans. Η συσκευή κατέγραψε δεκάδες ελεύθερα κινούμενους οργανισμούς με ταχύτητα 120 καρέ ανά δευτερόλεπτο για διάρκεια 15 δευτερολέπτων.
Η υψηλή ανάλυση επέτρεψε στους επιστήμονες να αναλύσουν ακόμη και τη λειτουργία της φαρυγγικής αντλίας των μικροσκοπικών οργανισμών κατά τη διάρκεια της διατροφής τους.
Παράλληλα, σύμφωνα με τους ερευνητές, η υπολογιστική αυτή προσέγγιση εξαλείφει την ανάγκη για επίπονη χειροκίνητη βαθμονόμηση του εξοπλισμού, διευκολύνοντας σημαντικά τη μελλοντική ανάπτυξη και κλιμάκωση ανάλογων απεικονιστικών συστημάτων.
Πώς πιστεύετε ότι η εξέλιξη της υπολογιστικής μικροσκοπίας θα επηρεάσει το μέλλον της βιοϊατρικής έρευνας; Μοιραστείτε τις σκέψεις σας στα σχόλια.
