Επιστήμονες από το ινστιτούτο Langevin στο Παρίσι και από το τεχνολογικό ινστιτούτο της Βιέννης (TU Wien), ανέπτυξαν μια νέα τεχνική για την εντοπισμό κρυμμένων αντικειμένων, όπως θαμμένους θησαυρούς ή υποβρύχια, χρησιμοποιώντας πολύπλοκη ακουστική φυσική για να τα διαχωρίσουν από το υλικό που τα καλύπτει.
Οι ερευνητές θεωρούν ότι, η τεχνική της ηχητικής ανίχνευσης, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για άλλες ιδιότητες κρυμμένων ή καλυμμένων αντικειμένων που ανιχνεύονται από απόσταση, όπως η θερμοκρασία και η πίεση, και θα μπορούσε να προσαρμοστεί σε αισθητήρες που ανιχνεύουν μήκη κύματος φωτός, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στη ιατρική απεικόνιση – αντί για ήχο.
Πώς οι ερευνητές “εξαφάνισαν” την πολλαπλή σκέδαση
Αν και ήδη υπάρχουν πολλές τεχνολογίες βασισμένες στον ήχο για την ανίχνευση κρυμμένων αντικειμένων, όπως το σόναρ και ο υπέρηχος, όλες αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της διάσπασης του ήχου καθώς ταξιδεύει μέσα σε ένα μέσο, όπως το νερό, η άμμος ή οι ανθρώπινοι ιστοί. Το φαινόμενο αυτό, που ονομάζεται πολλαπλή σκέδαση, περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο τα ηχητικά κύματα που ανακλώνται από το αντικείμενο-στόχο ανακλώνται επανειλημμένα από το υλικό μεταξύ του αισθητήρα και του αντικειμένου, μέχρι που τελικά, δεν μπορούν να ξεχωρίσουν από τον ακουστικό θόρυβο που δημιουργείται.
«Αντί για το αντικείμενο, δεν βλέπεις παρά μια διάχυτη ομίχλη – είναι ένα θεμελιακό πρόβλημα στις τεχνικές απεικόνισης, από τα σόναρ σε υποβρύχια μέχρι τις ιατρικές τεχνικές απεικόνισης», εξήγησε ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο Lukas Rachbauer, σε ανακοίνωση σχετικά με την έρευνα της ομάδας.
Η ομάδα υπό την ηγεσία του TU Wien, θέλοντας να διερευνήσει αν μπορούσαν να διαχωρίσουν τα κρυμμένα αντικείμενα από το περιβάλλον τους και να τα εντοπίσουν με υψηλό βαθμό ακρίβειας, εφόσον το ακουστικό τους σήμα ήταν γνωστό εκ των προτέρων, διεξήγαγε αρκετά πειράματα. Αρχικά, οι ερευνητές επέλεξαν διάφορες μεταλλικές σφαίρες περίπου στο μέγεθος μαρμάρων. Στη συνέχεια, οι σφαίρες βομβαρδίστηκαν με ηχητικά κύματα, και το ανακλώμενο σήμα μετρήθηκε για να δημιουργηθεί ένας «πίνακας αποτυπώματος» που καταγράφει τον μοναδικό τρόπο με τον οποίο το σήμα αυτό διασκορπίζεται πριν φτάσει στον ακουστικό αισθητήρα.
Αφού κατέγραψαν το ακουστικό αποτύπωμα των μεταλλικών σφαιρών, οι ερευνητές τις έθαψαν σε “άμμο” από μικροσκοπικές γυάλινες χάντρες. Για ακόμη μια φορά, η ομάδα κατέκλυσε το μίγμα της σφαιρικής άμμου με ηχητικά κύματα. Επειδή οι σφαίρες ήταν κρυμμένες από την άμμο, η οποία είναι γνωστή για τις ιδιότητες σκέδασης των ηχητικών σημάτων, η ερευνητική ομάδα συνέλεξε αυτό που κανονικά θα θεωρούνταν ένα ουσιαστικά άχρηστο ανακλώμενο σήμα.
«Όταν υπερηχητικά κύματα εκπέμπονται σε αυτήν την άμμο, διασκορπίζονται από την άμμο, αλλά ένα μέρος του ήχου διεισδύει τόσο βαθιά στην άμμο ώστε να διασκορπιστεί και από το θαμμένο αντικείμενο», εξήγησε ο καθηγητής Stefan Rotter από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του TU Wien. «Δεν μπορούμε να δούμε το αντικείμενο, αλλά το ανακλώμενο υπερηχητικό κύμα που φτάνει στα μικρόφωνα της συσκευής μέτρησης εξακολουθεί να φέρει πληροφορίες ότι ήρθε σε επαφή με το αντικείμενο που ψάχνουμε μέσα στην άμμο».
Αφού εξέτασαν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από την ακουστική «υπογραφή» με μια σειρά αλγορίθμων, η ομάδα σύγκρινε τα δεδομένα με τον καταγεγραμμένο πίνακα αποτυπώματος των μεταλλικών σφαιρών. Όπως αναμενόταν, η ομάδα κατάφερε να απομονώσει αποτελεσματικά το «αποτύπωμα» των μεταλλικών σφαιρών από τις γύρω χάντρες, επιβεβαιώνοντας ότι ήταν θαμμένες. Η ομάδα κατάφερε επίσης να προσεγγίσει με ακρίβεια τη θέση και των δύο κρυμμένων αντικειμένων, με υψηλή ακρίβεια – η οποία δεν υπήρχε στις προγενέστερες μεθόδους.
«Από τους συσχετισμούς ανάμεσα στο μετρούμενο ανακλώμενο κύμα και τον αμετάβλητο πίνακα αποτυπώματος, μπορούμε να συνάγουμε πού είναι περισσότερο πιθανό να εντοπιστεί το αντικείμενο, ακόμη και αν αυτό είναι θαμμένο”, εξήγησε ο καθηγητής Rotter.
Δυνατότητες για την ιατρική απεικόνιση
Συζητώντας τις πιθανές εφαρμογές, η ομάδα επεσήμανε ότι η πολλαπλή σκέδαση μπορεί να περιορίσει σημαντικά την ιατρική απεικόνιση, καθιστώντας ασυνήθιστα δύσκολο τον εντοπισμό και τη διάγνωση τραυματισμών ή παθολογιών σε μαλακούς ιστούς, όπως ο εγκέφαλος ή οι μυϊκές ίνες. Ωστόσο, οι ερευνητές σημειώνουν ότι, αν ένας ακτινολόγος ή άλλος ειδικός γνωρίζει εκ των προτέρων το ακουστικό «αποτύπωμα» του υγιούς ιστού και της παθολογίας, αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια της διάγνωσης, αποκαλύπτοντας κρυμμένα αντικείμενα ή βλάβες που σε διαφορετική περίπτωση θα κρύβονταν από τον υγιή περιβάλλοντα ιστό.
«Αυτό θα ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέρον, για παράδειγμα, στη μέτρηση του ανθρώπινου εγκεφάλου, όπου τα κύματα πρέπει να διεισδύσουν στο κρανίο που προκαλεί έντονη σκέδαση», εξήγησε η ομάδα. Οι ερευνητές σημείωσαν επίσης ότι η γνώση του ακουστικού σήματος ενός υποβρυχίου πριν επιχειρηθεί ο εντοπισμός του από μεγάλη απόσταση με κύματα σόναρ θα μπορούσε να βελτιώσει την ακρίβεια στην ταυτοποίηση και τον εντοπισμό του αντικειμένου. Η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να βοηθήσει και τους κυνηγούς θησαυρών να «συσχετίσουν» τον πίνακα αποτυπώματος των επιθυμητών αντικειμένων για να τα διαχωρίσουν από χώμα, βρωμιά ή άλλο άχρηστο υλικό.
“Μπορεί να εφαρμοστεί σε όλους τους τομείς της επιστήμης”
Στο συμπέρασμα της μελέτης, η ομάδα τόνισε ότι η τεχνική αποτύπωσης σήματος θα μπορούσε να προσαρμοστεί για χρήση σε πλατφόρμες που ανιχνεύουν φως, καθώς και σε συστήματα ανίχνευσης βασισμένα στον ήχο. Για παράδειγμα, τα σήματα RADAR που δυσκολεύονται να εντοπίσουν κρυμμένα αντικείμενα μέσα σε σύννεφα θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το αποτύπωμα ενός στοχευμένου αντικειμένου για να το αναγνωρίσουν και να το εντοπίσουν με υψηλή ακρίβεια. Πρότειναν επίσης να προσαρμοστεί η τεχνική σε άλλα απομακρυσμένα ανιχνεύσιμα σήματα που επηρεάζονται από σκέδαση, όπως η πίεση και η θερμοκρασία.
«Η έννοια του μητρώου αποτυπώματος είναι πολύ γενικά εφαρμόσιμη – όχι μόνο για υπερήχους, αλλά και για ανίχνευση με φως», δήλωσε ο καθηγητής. «Ανοίγει σημαντικές νέες δυνατότητες σε όλους τους τομείς της επιστήμης όπου μπορεί να μετρηθεί ένας πίνακας ανακλάσεων.»
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature Physics.