Att göra det osynliga synligt: ​​materia, metoder och sinnen

Tillhandahålls av Lemelson-MIT-programmet

Att uppfinna framtiden börjar med att föreställa sig det omöjliga. Möjligheten att köra genom dimma som om det vore en solig dag, eller att läsa en bok utan att öppna den, kan tyckas långsökt. Kan du föreställa dig teknik som upptäcker cirkulerande tumörceller med en enhet som liknar en blodtrycksmanschett? Sådana innovationer kan tyckas sträcka sig bortom vår nuvarande förmåga, men i min Kamerakulturgruppen på MIT Media Lab är dessa uppfinningar och andra på god väg.

Morgondagens omöjliga bilder kommer inte att spelas in; de kommer att beräknas.

Sådana framsteg representerar mer än bara fascinerande vetenskap; de kan få globala effekter och betydande praktiska tillämpningar i vardagen. Det är inte långsökt att tro att konsumentelektronik snart kommer att införliva teknik som gör det möjligt för användare att se genom dimma – och till och med väggar – såväl som runt hörn. Dessutom kommer dessa innovationer att avsevärt förbättra biomedicinsk teknik, sök- och räddningsoperationer och avbildning i farliga situationer.

Att göra det osynliga synligt

Uppfinningen av röntgenbilder gjorde det möjligt för oss att se inuti våra kroppar. Uppfinningen av termisk infraröd avbildning gjorde det möjligt för oss att avbilda värme. Så under de senaste århundradena var nyckelknepet för att göra det osynliga synligt genom att spela in med en ny del av elektromagnetiskt spektrum. Men morgondagens omöjliga bilder kommer inte att vara det spelade in; de kommer att vara beräknad. Följaktligen behöver vi nu en samdesign av ny bildbehandlingshårdvara och beräkningsalgoritmer.

Till exempel, i september 2015, på Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) Vänta, vad? Future Technology Forum, presenterade jag ett föredrag med titeln Extrem beräkningsfotografering, som visade upp vårt senaste arbete. Femto-fotografi, ett område som utvecklats av min forskargrupp, använder en höghastighetskamera som gör att vi kan visualisera världen med nästan en biljon bilder per sekund så att vi kan skapa långsamma filmer av ljus under flygning – och skapa omöjliga foton med spritt ljus.

Video: Making Invisible Visible- Matter, Methods, Minds: MIT Media Lab, Camera Culture Group

Normalt registrerar kameror vad som är i den direkta siktlinjen, med hjälp av direkt ljus. Emellertid skapar dimma eller vävnader eller rumshörn spritt ljus som skymmer föremålet av intresse. Det vetenskapliga samfundet har studerat spritt ljus i decennier, men min grupp bestämde sig för att ta saker ett steg längre. En komplikation i att forska om spritt ljus är att bruset dominerar signalen. Men en persons ljud är en annan persons signal . Så frågan blir: hur kan vi utnyttja spridd ljus i syfte att få mer information om scenerna vi utforskar?

Låt oss börja med att se vad som finns runt hörnet. En laserpuls av ljus, som varar mindre än en biljondels sekund, blinkar genom luften och exploderar mot en vägg och skickar fotoner som sprider sig runt i rummet. Ett litet antal av dessa fotoner kommer att återvända till startpunkten och samlas in av en femtokamera med en hastighet som motsvarar ungefär en halv biljon bilder per sekund.

Genom att fånga och analysera det spridda ljuset med hög upplösning kan vi skapa en 3D-bild av föremålet som är runt hörnet och utom synhåll. Denna idé med spridd ljusbild är också en del av det ambitiösa nya DARPA-programmet Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields ( AVSLÖJA ), ledd av Predrag Milojkovic , programledare för DARPAs försvarsvetenskapskontor. Spridd ljus kan hjälpa oss att måla en bild av det som ligger utanför vårt synfält. Använda fluorescerande livstidsavbildning ( FLIM ) tekniker, som demonstrerats av MIT-doktorand och Camera Culture Group-forskaren Guy Satat och andra, kan vi också upptäcka cancertumörer gömda i djup vävnad – vilket potentiellt eliminerar behovet av röntgenstrålar och biopsier. Ultrasnabb avbildning kan mäta intensitetsavfallet eller livslängden för fluoroforer som märker tumörceller. Ännu viktigare är att det kan skilja fluorescerande livslängdsförfall från spridningsinducerat förfall i vävnad.

Vårt team undersöker sätt att använda tidsupplösta mätningar för att avbilda genom tjocka och mycket spridande material, med ett öga mot viktiga tillämpningar inom biomedicinsk avbildning, subdermal diagnos och dental avbildning.

Vi förbättrar REDX, vår peer-to-peer-plattform för unga innovatörer. Vi hoppas att andra enheter också kommer att investera, vilket gör det möjligt för fler unga människor att börja på uppfinningsutbildningsvägar så att de kan börja tidigt – som jag gjorde vid 10 års ålder.

Om vi ​​lägger till terahertz-avbildning till blandningen kan vi börja se igenom andra material, till exempel papper. Vårt team har hittat ett sätt att använda terahertz-spektroskopi från flygtid för att läsa igenom sidorna på en oöppnad bok . Tidsdomän terahertz-spektroskopi använder pulser ungefär som radar och ultraljud, vilket ger oss information om sidornas djup och räckvidd genom att mäta ekot av terahertz-pulser. Dessutom gör variansen av reflektivitet mellan blankt papper och bläckpapper oss att återställa innehållet på varje sida genom att kartlägga fördelningen av pulser över den rekonstruerade ytan av sidan.

En annan prototyp innehåller radiofrekvensteknik (RF) för att avslöja former som finns på andra sidan av en vägg. Däremot studsar RF av föremål i människostorlek som om dessa föremål är gjorda av speglar. Så vi kan inte skapa fullständiga 3D-former från en enda sändare och mottagare. Men genom att kombinera flera RF-frekvenser och sändare lyser vi upp scenen bakom väggen. Vi tittar på den reflekterade RF-energin i tidsdomänen för att beräkna blobby 3D-former.

Att hjälpa unga människor att engagera sig i kreativ uppfinning

Vi gör det osynliga synligt på MIT. Men vi brinner också för att lyfta fram osynliga problem – och göra talanger synliga – över hela världen.

När vi begrundar framtiden bör vi fråga oss själva: hur långt kan vi gå? och vems fantasi tar oss dit? Den glädje och tillfredsställelse som jag och mina kollegor upplever av att utveckla uppfinningar och nya förmågor som de som beskrivits ovan – och de fördelar som blir resultatet som kan tillkomma miljarder människor i nöd – kan upplevas av unga människor som en del av deras dagliga liv när som helst, någon plats. Uppfinnare behöver inte vara i en viss ålder eller vara knuten till universitet för att skapa tekniska lösningar som gör skillnad. Nu är det dags att ge äkta peer-to-peer uppfinning.

För att bidra till denna föredragna framtid kommer jag under de kommande åren att investera en del av Lemelson-MIT-prispengarna för att stödja unga uppfinnares utveckling. Vi förbättrar REDX (Rethinking Engineering Design Execution), vår peer-to-peer-plattform för unga innovatörer. Vi hoppas att andra enheter också kommer att investera, vilket gör det möjligt för fler unga människor att börja på uppfinningsutbildningsvägar så att de kan börja tidigt – som jag gjorde vid 10 års ålder.

REDX filosofi är centrerad på en punkt/sond/grow/lanseringsmodell. Det första steget är spotting rätt problem att arbeta med tillsammans med experter och intressenter. Detta är en process i flera steg som analyserar tillgängliga resurser och akuta problem. Senare faser involverar sonderande lösningen, växande adoption och sjösättning Prototypen.

REDX-filosofin har påverkat sex saminnovationshubbar, inklusive: REDX Mumbai , LVP MITRA (Hyderabad, Indien), Medhacker (São Paulo, Brasilien), REDX Kumbathon och DISQ Center (båda i Nashik, Indien), och Emerging Worlds Special Interest Group på MIT Media Lab. Jag öppnar REDX playbook för alla så att alla kan ansöka om att starta REDX co-innovation lab eller en klubb. Jag anser att detta är a flipped riskkapitalmodell för att omsätta uppfinningar till lösningar med verklig effekt.

Spola framåt 10 år in i framtiden. (Om)föreställ dig en värld där unga meduppfinnare runt om i världen är aktivt engagerade i att använda online/offline-samarbete, forskningsdata, innovativa medborgarbaserade teknologier och sätt att tänka som uppfinnare för att ta itu med trängande utmaningar och hoppa över befintliga lösningar. Det här är en framtid där stora hjärnor är engagerade i att upptäcka behov, undersöka lösningar, utveckla prototyper och distribuera dem i stor skala – i slutändan för att förbättra liv.

Ramesh Raskar är 2016 års vinnare av $500 000 Lemelson-MIT-priset , som hedrar uppfinnare i mitten av karriären som är dedikerade till att förbättra världen genom enastående teknisk uppfinning. Han är chef för Kamerakultur forskargrupp vid MIT Media Lab och docent i media, konst och vetenskap vid MIT. TILL pionjär inom visionteknologi och social innovation, har han mer än 75 patent och har mottagit många utmärkelser för sitt arbete. Han planerar att använda en del av Lemelson-MIT-prispengarna för att förbättra REDX peer-to-peer-plattform för unga uppfinnare. Raskar tog en kandidatexamen i elektronik och telekommunikation från Government College of Engineering i Indien och en doktorsexamen i datavetenskap från University of North Carolina i Chapel Hill.

Dölj