come i nostri occhi, i microscopi sono limitati in ciò che possono vedere a causa della loro risoluzione, o la loro capacità di vedere i dettagli. Il dettaglio, o informazioni, dall'oggetto è lì, ma parte di esso si perde quando la luce riflessa dall'oggetto si muove nell'aria.

Ulugbek Kamilov, un ingegnere presso la School of Engineering &Applied Science della Washington University di St. Louis, prevede di utilizzare un triennio, $ 265, 293 sovvenzione della National Science Foundation per acquisire le informazioni che normalmente si perdono e aggiungerle alle informazioni che i ricercatori ricevono in genere dai microscopi. In definitiva, questo lavoro, insieme a quello del suo collaboratore, Lei Tian dell'Università di Boston, può portare a un microscopio più preciso in grado di vedere oggetti minuscoli come 100 nanometri, come i virus. Attualmente, i microscopi hanno un limite di risoluzione di circa 500 nanometri, che permette loro di vedere i batteri. Un capello umano, ad esempio, è 100, 000 nanometri di larghezza.

"L'intera premessa di questo è costruita su un singolo fatto:il modo in cui la luce interagisce con qualsiasi materia è lineare, " disse Kamilov, assistente professore di ingegneria elettrica e dei sistemi e informatica e ingegneria. "Ma la realtà è che l'interazione in realtà non è lineare".

Per esempio, se fai brillare una torcia attraverso la tua mano, non puoi vedere la fonte della luce perché si piega, e questa è non linearità. Con una singola cella, la piegatura è così leggera che è quasi trasparente, che è lineare.

Quando la luce interagisce con una cellula o un oggetto, la luce che esce dalla cellula perde le informazioni che raccoglie da quell'interazione. Ma a causa di questa interazione, ci sono fluttuazioni nelle vicinanze di quella cellula che lavorano con tale materia e vengono ritrasformate e rimesse. Queste fluttuazioni sono codificate nella non linearità dell'interazione, ma i microscopi di oggi non sono in grado di vederlo, disse Camilov.

"Vogliamo prendere in considerazione questa interazione non lineare della luce, oggetti e locali, e se lo facciamo correttamente, possiamo estrarre queste informazioni, che normalmente scompare in un microscopio corrente e viene trattato come "rumore, '", ha detto Kamilov. "Vogliamo decodificare le informazioni dal rumore e aggiungerle di nuovo nella risoluzione, e questo dovrebbe darci funzionalità inferiori al limite di risoluzione."

Kamilov ha detto che ci sono due tipi di rumore:imperfezioni e rumore matematico che è il risultato delle attuali limitazioni della scienza. È il rumore matematico che vuole catturare.

"In realtà, quel rumore è informazione, e vogliamo usare queste informazioni per rompere la barriera e vedere oltre il limite di risoluzione, " Egli ha detto.

collaboratore di Kamilov, Tian, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, ricevuto un $ 250, 707 sovvenzione della NSF per costruire un nuovo microscopio che utilizzerà i risultati computazionali di Kamilov, algoritmi e software e potrebbe essere utilizzato nell'imaging medico, imaging biologico e materiale, mappatura del cervello e scoperta di farmaci. Insieme, la serie di studi ammonta a $ 516, 000.

Kamilov prevede anche di utilizzare l'apprendimento automatico per apprendere le caratteristiche degli oggetti che stanno guardando con il microscopio.

"Vogliamo esaminare le caratteristiche distintive delle cellule in modo che quando le combiniamo con le misurazioni non lineari e fondiamo tali informazioni, saremo in grado di ottenere immagini ad alta risoluzione, " ha detto. "Speriamo di ottenere fino a cinque volte il miglioramento".

Kamilov utilizza unità di elaborazione grafica (GPU) ad alta potenza nel suo laboratorio, che velocizzano notevolmente i tempi di lavorazione. Ciò che ha richiesto due giorni di elaborazione su un normale computer richiede solo millisecondi su una GPU, Egli ha detto.

"Questo progetto è molto attuale, perché abbiamo la sofisticatezza matematica dell'elaborazione del segnale, gli strumenti di calcolo e l'apprendimento automatico, " ha detto. "Tutte queste cose sono migliorate insieme. Sarebbe stato molto difficile realizzare questo progetto 10 anni fa".