Цифровой журнал «Компьютерра» № 185 - Коллектив Авторов

Объединив два хорошо известных метода (ИК-Фурье-микроспектроскопию с компьютерной томографией), им удалось создать новую технологию 3D-визуализации. В отличие от многих подобных, она не требует специальной подготовки образцов и не оказывает на них разрушающего воздействия. Вдобавок метод обеспечивает беспрецедентную детальность в представлении строения исследуемых образцов, включая биологические ткани.

Полноцветная объёмная ИК-микротомография (художественное представление) Изображение: Cait Youngquist / Berkeley Lab.

Для большинства других методов визуализации выбор цвета происходит условно. Например, при цветовом допплеровском картировании направление кровотока по отношению к датчику представлено на мониторе синим или красным цветом. Здесь же осуществляется спектральная привязка по цвету к определённым химическим соединениям, что позволяет сразу увидеть особенности состава образца.

Условное обозначение цветом направления кровотока при цветовом допплеровском картировании (изображение: ultrasound-images.com)

ИК-Фурье микротомография использует низкоэнергетические фотоны, поэтому практически не влияет на структуру образца и живые ткани. Метод может использоваться без значимых ограничений в медицинских исследованиях, археологии и дефектоскопии.

Каждый элемент объёмного изображения (воксел) формируется сочетанием множества спектров одного образца. Последний медленно вращают на подставке, удерживая в фокусе ИК-микроскопа и облучая разными длинами волн в инфракрасном спектре. Основным лимитирующим фактором является скорость переключения режимов источника и параллельно выполняемого сканирования. Источником ИК-света является установка IRENI, созданная в центре синхротронного излучения (SRC) при Университете Висконсина в Милуоки.

На снимке представлена часть установки IRENI, в которой 24 зеркала формируют 12 коллимированных лучей (фото: SRC, UW-Madison).

«С IRENI можно быстро получить сотни спектральных изображений вращающегося образца, — пишет один из авторов исследования Майкл Мартин. — Затем для каждой длины волны мы реконструируем полную 3D-модель при помощи алгоритмов компьютерной томографии».

Каждое вещество поглощает инфракрасный свет с определённой длиной волны, формируя уникальную картину — спектр поглощения. По этим спектрам можно определить наличие и характер распределения различных молекул в образце.

В классической ИК-спектроскопии определяются преимущественно низкомолекулярные соединения. Новый метод расширяет границы, позволяя обнаруживать и крупные молекулы, включая белки, жиры, нуклеиновые кислоты, полимеры и комплексные соединения.

Одновременно выполняется качественный анализ (факт обнаружения искомого вещества) и количественный (его масса). Дополнительно появляется возможность отслеживать перемещение различных веществ и наблюдать за динамикой биологических процессов.

Помимо наглядной визуализации, общая трёхмерная картина несёт в себе большой объём информации для углубленных исследований с использованием методов кластеризации и нейронных сетей.

Отслеживание изменения химического состава тканей и клеток позволит выяснить механизмы развития заболеваний и защитных реакций организма в ответ на различные внешние воздействия. Инфракрасная микротомография по множеству параллельных каналов способна помочь в исследовании клеточных процессов.

В опубликованной работе уже отмечались такие направления исследовательских проектов, как изучение кинетики живых клеток (фитопланктон), грибков и бактерий-минеральных взаимодействий. По мнению авторов, методика также найдёт применение в других научных дисциплинах, включая нанотехнологии, генетику, биохимию и физику конденсированных сред.

Майкл Мартин в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (фото: lbl.gov).

«С ИК-Фурье-спектроскопией в науке связано много интересных открытий, — отмечает Майкл Мартин. — Благодаря ИК-лазерам разрешающая способность достигла дифракционного предела. Казалось, метод уже нельзя усовершенствовать. Тем сильнее впечатляет тот факт, что сейчас мы впервые смогли перейти к объёмной полноцветной визуализации».

Метод уже опробован на разных биологических объектах. Среди них клеточная стенка цинии (травы семейства астровые), клетки тополя, человеческий волос и плюрипотентные стволовые клетки мыши. Растения были выбраны в качестве демонстрации возможностей метода при выборе сырья для биотоплива. Волосы являются ценным материалом в криминалистике, а со стволовыми клетками связаны сотни научных проектов.

ИК-микротомография человеческого волоса. Красным отмечены белковые включения в синем фосфолипидном слое (изображение: Michael Martin / Berkeley Lab.).

Авторы исследования считают, что новый метод в первую очередь найдёт применение в биомедицинских разработках. Однако лежащая в его основе идея довольно универсальна, а технология может быть адаптирована для самых разных целей — вплоть до проверки подлинности материалов и реставрации картин.

К оглавлению

Гиперпетля Элона Маска становится общественным проектом

Андрей Васильков

Опубликовано 09 августа 2013

За несколько дней до официального представления проекта Hyperloop Элон Маск сделал ряд заявлений, всколыхнувших общественность. Самым неожиданным стало известие о том, что ни он сам, ни его компания SpaceX не станут патентовать революционный вид общественного транспорта. Гиперпетля предлагается как открытая идея, к реализации которой, по словам изобретателя, приглашаются все, кому хватит способностей и средств.

По-прежнему не говоря ни слова о технической составляющей проекта до намеченной презентации, Элон Маск опроверг ряд появившихся предположений о функционировании гиперпетли. Исходя из истории проекта, заявленной высокой скорости и низких затрат энергии, многие попытались представить гиперпетлю и даже начертить её.

Предполагаемая схема гиперпетли (изображение: John Gardi / GoCompare).

Схема Джона Гарди была оценена самим Маском как наиболее точное предположение среди всех увиденных. Позже её прокомментировал один из изобретателей скоростного поезда bullet train и директор проекта Maglev 2000 Джим Пауэлл. Он полагал магнитную левитацию в вакууме как самое логичное решение для Hyperloop, но всё-таки ошибся.

«Гиперпетля – это не вакуумный тоннель. В нём будет слабое трение, но оно всё же будет», – пишет Элон Маск в «Твиттере». Он отмечает, что взялся за проект в поисках альтернативы для строящейся скоростной железнодорожной ветки между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом. «За 60 миллиардов долларов это будет самый медленный и самый дорогой скорый поезд в мире», — говорит он в интервью изданию Business Insider.

«Что вы действительно хотите [вместо него], так это нечто, что не подвержено авариям, вдвое быстрее самолёта, работает от солнечной энергии и не привязывает вас к точному времени отправки, — заявил он на собрании в Tesla Motors, анонсируя проект Hyperloop. — Соединить Сан-Франциско и Лос-Анджелес гиперпетлёй можно в десять раз дешевле».

Преимущества гиперпетли (изображение отделения инфографики gocompare.com).

Преимущества проекта обсуждались много раз, но сегодня известный изобретатель называет гиперпетлю спекулятивной идеей и отказывается от её непосредственной реализации. «Я создал себе массу проблем, преждевременно упомянув о ней», — говорит Маск в интервью изданию Wired. «Сейчас я разрываюсь между SpaceX и Tesla Motors, — сетует он. — У меня просто нет возможности заниматься ещё и гиперпетлей, выделяя на неё миллионы».

«После официального объявления 12 августа это будет открытый проект, и любой сможет построить её, — цитирует Маска портал Extreme Tech. — Ни лично я, ни SpaceX не станут патентовать Hyperloop. Все спецификации будут доступны свободно. Если спустя несколько лет никто не преуспеет в создании гиперпетли, возможно, я вернусь к проекту».

Мы вряд ли узнаем, что именно вынудило Маска отказаться от непосредственного участия в реализации гиперпетли. Недостаток средств выглядит слабой причиной, особенно с учётом его феноменальной способности привлекать средства для столь грандиозных проектов. Однако о трудностях можно получить довольно хорошее представление, исходя из уже известных параметров и неудачного опыта создания подобной транспортной сети в XX веке.