چارچوب هوش مصنوعی طراحی‌های میکروسکوپی را ۱۰,۰۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های سنتی می‌یابد
محققان یک چارچوب هوش مصنوعی طراحی کرده‌اند که انقلاب فناوری در میکروسکوپی را با طراحی خودکار آزمایش‌ها ایجاد می‌کند.
این پلتفرم که XLuminA نام‌گذاری شده است، فرآیندها را تا ۱۰,۰۰۰ برابر سریع‌تر از روش‌های سنتی بهینه‌سازی می‌کند و کارایی و نوآوری در تحقیقات علمی را افزایش می‌دهد.
بر اساس بیانیه تیم ماکس پلانک (MPI) در آلمان، XLuminA یک ابزار رایگان و باز است که با JAX، یک کتابخانه محاسبات سریع در پایتون، ساخته شده است. طراحی ماژولار این چارچوب همچنین امکان سازگاری آسان با تکنیک‌های مختلف میکروسکوپی و تصویربرداری را فراهم می‌کند.
“آزمایش‌ها پنجره‌های ما به جهان، در مقیاس‌های بزرگ و کوچک هستند. با توجه به تعداد بسیار زیاد تنظیمات آزمایشی ممکن، سوال این است که آیا محققان انسانی تاکنون تمامی چیدمان‌های فوق‌العاده را کشف کرده‌اند. درست در جایی که هوش مصنوعی می‌تواند کمک کند”، ماریو کرین، سرپرست “آزمایشگاه دانشمند مصنوعی” در MPI، در بیانیه‌ای گفت.
هوش مصنوعی در حال تحول میکروسکوپی است
جستجوی روش‌های جدید برای میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده برای محققان انسانی سال‌ها زمان می‌برد. یک میکروسکوپ می‌تواند دارای تنظیمات اپتیکی متعددی باشد، مانند مکانی که آینه‌ها یا لنزها قرار بگیرند.
علوم زیستی در حال حاضر بیشتر از میکروسکوپی نوری استفاده می‌کنند. تکنیک‌های با وضوح فوق‌العاده، مرزهای پراکنش سنتی نور را در حدود ۲۵۰ نانومتر می‌شکنند و اجازه می‌دهند تا ساختار واحدهای کاری کوچکترین واحدهای سلولی شناخته شود.
بر اساس گفته تیم، به دلیل تنوع زیاد تنظیمات اپتیکی آزمایشی، توسعه تکنیک‌های جدید میکروسکوپی به صورت تاریخی وابسته به تجربه، تخیل و عقل انسان بوده است. برای مثال، امروزه بیش از ۱۰۰ میلیون ترکیب ممکن برای یک چیدمان اپتیکی با تنها ۱۰ قطعه انتخاب شده از ۵ مولفه مختلف مثل آینه‌ها، لنزها یا جداسازهای پرتو وجود دارد.
محققان تأکید می‌کنند که چگونه هوش مصنوعی می‌تواند تعداد بی‌شماری از تنظیمات را کشف کند و چیدمان‌های استثنایی فراتر از کشف انسانی را بیابد.
برای تکمیل این مأموریت، دانشمندان از آزمایشگاه MPI به همراه یک کارشناس در زمینه میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده برای ایجاد XLuminA همکاری کردند، یک چارچوب هوش مصنوعی با منبع باز.
طراحی شده برای کشف اصول جدید طراحی اپتیکی، XLuminA به پیشرفت میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده تمرکز می‌کند. به عنوان یک شبیه‌ساز اپتیکی مجهز به هوش مصنوعی، به صورت خودکار تمامی تنظیمات اپتیکی ممکن را کشف می‌کند.
“XLuminA اولین گام به سمتآوردن اکتشافات همراه با هوش مصنوعی و میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده است. میکروسکوپی با وضوح فوق‌العاده توانسته است طی دهه گذشته به دیدگاه‌های انقلابی در فرآیندهای بنیادی در زیست‌شناسی سلولی منجر شود”، لئونارد مک‌مل، سرپرست گروه فیزیک گلیکو‌ساینس در MPI، در بیانیه‌ای گفت.
پیشرفت در کشف
محققان توانایی‌های XLuminA را با نشان دادن توانایی آن در بازکشف سه تکنیک بنیادی میکروسکوپی به طور مستقل معتبر کرده‌اند.
با شروع از تنظیمات اپتیکی ساده، چارچوب به طور موفقیت‌آمیز سیستمی را که برای بزرگنمایی تصویر استفاده می‌شود شبیه‌سازی کرد. سپس به چالش‌های پیشرفته‌تر پرداخته و میکروسکوپی STED (تخلیه تحریک‌شده) برنده جایزه نوبل و روشی که از ورتیکس‌های اپتیکی برای وضوح فوق‌العاده (SR) استفاده می‌کند را بازکشف کرد.
فراتر از بازکشف، XLuminA توانایی خود را برای کشفی واقعی نشان داد. هنگامی که به طراحی بهترین سیستم SR با استفاده از عناصر اپتیکی موجود پرداخت، چارچوب یک طرح آزمایشی نوآورانه تولید کرد. طراحی، اصول زیربنای میکروسکوپی STED و روش ورتیکس اپتیکی را در یک چیدمان واحد ادغام کرد. به طور شگفت‌آوری، عملکرد این طرح جدید از قابلیت‌های فردی تکنیک‌های اصلی فراتر رفت.
به گفته محققان، یافته‌ها پتانسیل تحول‌آفرین XLuminA را در پیشرفت میکروسکوپی نوری، امکان کشف چیدمان‌های نوآورانه که مرزهای دانش علمی و فناوری کنونی را جابه‌جا می‌کند، برجسته می‌کنند.
به علاوه، طراحی ماژولار XLuminA اجازه می‌دهد که به راحتی با تکنیک‌های مختلف میکروسکوپی و تصویربرداری سازگار شود.
برنامه‌های آینده شامل ترکیب تعاملات غیرخطی، پراکندگی نور و اطلاعات زمانی برای شبیه‌سازی سیستم‌هایی مانند iSCAT، نورپردازی ساختاریافته و میکروسکوپی ناحیه‌ای است.
تیم تاکید می‌کند که طبیعت باز و سفارشی‌شده چارچوب، از نیازهای تحقیقاتی گوناگون حمایت می‌کند، همکاری میان‌رشته‌ای را تقویت می‌کند و فناوری‌های نوری و تصویربرداری پیشرفته را پیش می‌برد.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Nature Communications منتشر شد.
