Come un fumetto che prende vita, i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una sorta di visione a raggi X, solo senza i raggi X. Lavorare con hardware simile a quello che consente alle auto autonome di "vedere" il mondo che le circonda, i ricercatori hanno potenziato il loro sistema con un algoritmo altamente efficiente in grado di ricostruire scene nascoste tridimensionali basate sul movimento delle singole particelle di luce, o fotoni. Nei test, dettagliato in un articolo pubblicato il 9 settembre in Comunicazioni sulla natura , il loro sistema ha ricostruito con successo le forme oscurate da una schiuma spessa 1 pollice. All'occhio umano, è come vedere attraverso i muri.

"Molte tecniche di imaging migliorano leggermente l'aspetto delle immagini, un po' meno rumoroso, ma questo è davvero qualcosa in cui rendiamo visibile l'invisibile, " disse Gordon Wetzstein, assistente professore di ingegneria elettrica a Stanford e autore senior dell'articolo. "Questo sta davvero spingendo la frontiera di ciò che potrebbe essere possibile con qualsiasi tipo di sistema di rilevamento. È come una visione sovrumana".

Questa tecnica integra altri sistemi di visione in grado di vedere attraverso barriere su scala microscopica, per applicazioni in medicina, perché è più focalizzata su situazioni su larga scala, come la navigazione di auto a guida autonoma in caso di nebbia o pioggia battente e l'imaging satellitare della superficie della Terra e di altri pianeti attraverso l'atmosfera nebbiosa.

Supervisione da luce diffusa

Per vedere attraverso ambienti che diffondono la luce in ogni direzione, il sistema accoppia un laser con un rilevatore di fotoni supersensibile che registra ogni bit di luce laser che lo colpisce. Mentre il laser scansiona un ostacolo come un muro di schiuma, un fotone occasionale riuscirà a passare attraverso la schiuma, colpisci gli oggetti nascosti dietro di esso e ripassa attraverso la schiuma per raggiungere il rilevatore. Il software supportato da algoritmi utilizza quindi quei pochi fotoni e le informazioni su dove e quando colpiscono il rilevatore per ricostruire gli oggetti nascosti in 3D.

Questo non è il primo sistema con la capacità di rivelare oggetti nascosti attraverso ambienti di dispersione, ma elude le limitazioni associate ad altre tecniche. Per esempio, alcuni richiedono la conoscenza della distanza dell'oggetto di interesse. È anche comune che questi sistemi utilizzino solo informazioni provenienti da fotoni balistici, che sono fotoni che viaggiano da e verso l'oggetto nascosto attraverso il campo di diffusione ma senza effettivamente diffondersi lungo il percorso.

"Eravamo interessati a poter visualizzare attraverso mezzi di diffusione senza questi presupposti e raccogliere tutti i fotoni che sono stati dispersi per ricostruire l'immagine, "ha detto David Lindell, uno studente laureato in ingegneria elettrica e autore principale dell'articolo. "Questo rende il nostro sistema particolarmente utile per applicazioni su larga scala, dove ci sarebbero pochissimi fotoni balistici."

Al fine di rendere il loro algoritmo suscettibile alle complessità dello scattering, i ricercatori hanno dovuto co-progettare strettamente il loro hardware e software, sebbene i componenti hardware utilizzati siano solo leggermente più avanzati di quelli che si trovano attualmente nelle auto a guida autonoma. A seconda della luminosità degli oggetti nascosti, la scansione nei loro test richiedeva da un minuto a un'ora, ma l'algoritmo ha ricostruito la scena oscurata in tempo reale e potrebbe essere eseguito su un laptop.

"Non potevi vedere attraverso la schiuma con i tuoi occhi, e anche solo guardando le misurazioni dei fotoni dal rivelatore, non vedi proprio niente, " disse Lindell. "Ma, con solo una manciata di fotoni, l'algoritmo di ricostruzione può esporre questi oggetti e puoi vedere non solo come sono, ma dove sono nello spazio 3-D."

Spazio e nebbia

un giorno, un discendente di questo sistema potrebbe essere inviato attraverso lo spazio su altri pianeti e lune per aiutare a vedere attraverso le nuvole ghiacciate fino a strati e superfici più profondi. A breve termine, i ricercatori vorrebbero sperimentare diversi ambienti di dispersione per simulare altre circostanze in cui questa tecnologia potrebbe essere utile.

"Siamo entusiasti di spingerci oltre con altri tipi di geometrie di dispersione, " disse Lindell. "Allora, non solo oggetti nascosti dietro una spessa lastra di materiale, ma oggetti che sono incorporati in materiale densamente disperso, sarebbe come vedere un oggetto circondato dalla nebbia."

Lindell e Wetzstein sono anche entusiasti di come questo lavoro rappresenti un'intersezione profondamente interdisciplinare tra scienza e ingegneria.

"Questi sistemi di rilevamento sono dispositivi con laser, rilevatori e algoritmi avanzati, che li colloca in un'area di ricerca interdisciplinare tra hardware e fisica e matematica applicata, " ha detto Wetzstein. "Tutti questi sono critici, campi fondamentali in questo lavoro e questo è ciò che è più eccitante per me".