Gør det usynlige synligt: ​​stof, metoder og sind

Leveret af Lemelson-MIT-programmet

At opfinde fremtiden begynder med at forestille sig det umulige. Evnen til at køre gennem tåge, som om det var en solskinsdag, eller at læse en bog uden at åbne den, kan virke langt ude. Kan du forestille dig teknologi, der registrerer cirkulerende tumorceller med en enhed, der ligner en blodtryksmanchet? Sådanne innovationer kan synes at strække sig ud over vores nuværende evner, men i min Kamerakulturgruppe på MIT Media Lab er disse opfindelser og andre godt i gang.

Morgendagens umulige billeder vil ikke blive optaget; de vil blive beregnet.

Sådanne fremskridt repræsenterer mere end blot fascinerende videnskab; de kan have globale virkninger og betydelige, praktiske anvendelser i hverdagen. Det er ikke langt ude at tro, at forbrugerelektronik snart vil inkorporere teknologier, der gør det muligt for brugere at se gennem tåge - og endda vægge - såvel som rundt om hjørner. Derudover vil disse innovationer markant forbedre biomedicinsk teknologi, eftersøgnings- og redningsoperationer og billeddannelse i farlige situationer.

Gør det usynlige synligt

Opfindelsen af ​​røntgenbilleder gjorde det muligt for os at se inde i vores kroppe. Opfindelsen af ​​termisk infrarød billeddannelse gjorde det muligt for os at afbilde varme. Så i løbet af de sidste par århundreder var nøgletricket til at gøre det usynlige synligt ved at optage med et nyt udsnit af elektromagnetisk spektrum. Men morgendagens umulige billeder bliver det ikke optaget; de bliver beregnet. Derfor har vi nu brug for et co-design af ny billeddannende hardware og beregningsalgoritmer.

For eksempel i september 2015 hos Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) Vent, hvad? Future Technology Forum, præsenterede jeg en tale med titlen Ekstrem beregningsfotografering, som viste vores seneste arbejde. Femto-fotografering, et felt udviklet af min forskergruppe, bruger et højhastighedskamera, der giver os mulighed for at visualisere verden med næsten en billion billeder i sekundet, så vi kan lave slowmotion-film af lys under flyvning – og skabe umulige fotos med spredt lys.

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

Normalt optager kameraer, hvad der er i den direkte synslinje, ved hjælp af direkte lys. Imidlertid skaber tåge eller vævs- eller rumhjørner spredt lys, der skjuler genstanden af ​​interesse. Det videnskabelige samfund har studeret spredt lys i årtier, men min gruppe besluttede at tage tingene et skridt videre. En komplikation ved at forske i spredt lys er, at støjen dominerer signalet. Men én persons støj er en anden persons signal . Så spørgsmålet bliver: hvordan kan vi udnytte spredt lys med det formål at få mere information om de scener, vi udforsker?

Lad os begynde med at se, hvad der er rundt om et hjørne. En laserpuls af lys, der varer mindre end en trilliontedel af et sekund, blinker gennem luften og eksploderer mod en væg og sender fotoner, der spredes rundt i rummet. Et lille antal af disse fotoner vil vende tilbage til udgangspunktet og blive opsamlet af et femto-kamera med en hastighed svarende til omkring en halv billion billeder i sekundet.

Ved at fange og analysere det spredte lys i høj opløsning kan vi skabe et 3D-billede af objektet, der er rundt om hjørnet og ude af syne. Denne idé om scattered-light imaging er også en del af det ambitiøse nye DARPA-program Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields ( LØFTE SLØRET ), ledet af Predrag Milojkovic , programleder for DARPA's Defense Sciences Office. Spredt lys kan hjælpe os med at tegne et billede af, hvad der ligger uden for vores synsvidde. Brug af fluorescerende livstidsbilleder ( FLIM ) teknikker, som demonstreret af MIT PhD-kandidat og Camera Culture Group-forsker Guy Satat og andre, kan vi også opdage kræfttumorer skjult i dybt væv – hvilket potentielt eliminerer behovet for røntgenstråler og biopsier. Ultrahurtig billeddannelse kan måle intensitetsfaldet eller levetiden af ​​fluoroforer, der mærker tumorceller. Endnu vigtigere, det kan skelne fluorescerende levetid henfald fra spredning induceret henfald i væv.

Vores team udforsker måder, hvorpå man kan bruge tidsopløste målinger til at afbilde gennem tykke og stærkt spredende materialer med et øje mod vigtige anvendelser inden for biomedicinsk billeddannelse, subdermal diagnose og dental billeddannelse.

Vi forbedrer REDX, vores peer-to-peer platform for unge innovatører. Vi håber, at andre enheder også vil investere, hvilket gør det muligt for flere unge mennesker at begynde på opfindelsesuddannelsesforløb, der giver dem mulighed for at starte tidligt – som jeg gjorde i en alder af 10.

Hvis vi tilføjer terahertz-billeddannelse til blandingen, kan vi begynde at se gennem andre materialer, såsom papir. Vores team har fundet en måde at bruge time-of-flight terahertz spektroskopi-billeddannelse til at læse gennem siderne af en uåbnet bog . Tidsdomæne terahertz spektroskopi bruger pulser meget ligesom radar og ultralyd, og giver os information om dybden og rækkevidden af ​​siderne ved at måle ekkoet af terahertz pulser. Derudover gør variansen af ​​reflektivitet mellem blankt papir og sværtet papir os i stand til at genskabe indholdet af hver side ved at kortlægge fordelingen af ​​pulser over den rekonstruerede overflade af siden.

Endnu en prototype inkorporerer radiofrekvensteknologi (RF) til at afsløre former, der findes på den anden side af en væg. Imidlertid afviser RF objekter i menneskestørrelse, som om disse genstande er lavet af spejle. Så vi kan ikke skabe fulde 3D-former fra en enkelt sender og modtager. Men ved at kombinere flere RF-frekvenser og emittere lyser vi scenen bag væggen op. Vi ser på den reflekterede RF-energi i tidsdomænet for at beregne blobby 3D-former.

Hjælp unge mennesker med at engagere sig i kreativ opfindelse

Vi gør det usynlige synligt på MIT. Men vi brænder også for at bringe usynlige problemer frem i lyset - og synliggøre talenter - på verdensplan.

Når vi overvejer fremtiden, bør vi spørge os selv: hvor langt kan vi gå? og hvis fantasi vil bringe os derhen? Den glæde og tilfredshed, som mine kolleger og jeg oplever ved at udvikle opfindelser og nye kapaciteter som dem, der er beskrevet ovenfor – og de deraf følgende fordele, der kan tilfalde milliarder af mennesker i nød – kan opleves af unge mennesker som en del af deres daglige liv når som helst, ethvert sted. Opfindere behøver ikke at være en bestemt alder eller være tilknyttet universiteter for at skabe teknologiske løsninger, der gør en forskel. Nu er tiden inde til at styrke ægte peer-to-peer opfindelse.

For at bidrage til denne foretrukne fremtid vil jeg i løbet af de næste mange år investere en del af Lemelson-MIT-prisen for at støtte unge opfinderes udvikling. Vi forbedrer REDX (Rethinking Engineering Design Execution), vores peer-to-peer platform for unge innovatører. Vi håber, at andre enheder også vil investere, hvilket gør det muligt for flere unge mennesker at begynde på opfindelsesuddannelsesforløb, der giver dem mulighed for at starte tidligt – som jeg gjorde i en alder af 10.

REDX filosofi er centreret om en spot/probe/grow/lanceringsmodel. Det første skridt er spotte det rigtige problem at arbejde med sammen med eksperter og interessenter. Dette er en flertrinsproces, der analyserer tilgængelige ressourcer og presserende problemer. Senere faser involverer sonderende løsningen, vokser adoption og lancering prototypen.

REDX filosofi har påvirket seks co-innovation hubs, herunder: REDX Mumbai , LVP MITRA (Hyderabad, Indien), Medhacker (São Paulo, Brasilien), REDX Kumbathon og DISQ Center (begge i Nashik, Indien), og Emerging Worlds Special Interest Group på MIT Media Lab. Jeg åbner REDX playbook for alle, så alle kan ansøge om at starte REDX co-innovation lab eller en klub. Jeg betragter dette som en flipped venture-kapital model til at omsætte opfindelser til løsninger med reel effekt.

Spol 10 år frem i fremtiden. (Gen)forestil dig en verden, hvor unge medopfindere over hele kloden er aktivt engageret i at bruge online/offline-samarbejde, forskningsdata, innovative borgerbaserede teknologier og måder at tænke på som opfindere for at løse presserende udfordringer og springe over eksisterende løsninger. Dette er en fremtid, hvor store hjerner er engageret i at spotte behov, undersøge løsninger, udvikle prototyper og implementere dem i skala – i sidste ende forbedre liv.

Ramesh Raskar er 2016-vinderen af $500.000 Lemelson-MIT-prisen , som hædrer opfindere i midten af ​​karrieren, dedikeret til at forbedre verden gennem enestående teknologisk opfindelse. Han er direktør for Kamera kultur forskningsgruppe ved MIT Media Lab og lektor i medier, kunst og videnskab ved MIT. TIL pioner inden for visionsteknologier og social innovation, han har mere end 75 patenter og har modtaget adskillige priser for sit arbejde. Han planlægger at bruge en del af Lemelson-MIT-prisen til at forbedre REDX peer-to-peer platform for unge opfindere. Raskar modtog en bachelorgrad i elektronik og telekommunikation fra Government College of Engineering i Indien og en ph.d. i datalogi fra University of North Carolina i Chapel Hill.

skjule