Yapay Zekâ ile Nano-Akvaryum
Fotoğraf : ACS ve Qian Chen ekibinden bir tasarım: bir sinir ağının (ortada) sıvı fazlı elektron mikroskobu görüntülemesi ile (solda) geliştirilmiş veri çıktısı (sağda) arasında bir köprü olarak nasıl çalıştığını göstermektedir.
Illinois araştırmacıları, elektron mikroskobu ile yapay zekâ arasında bağlantı kurarak nano-partikülleri hareket esnasında daha kolay incelemeyi başarmışlardır.
Nano dünyada, proteinler gibi küçük parçacıklar sıvı içerisinde çeşitli görevleri yerine getirmek için birleşip dönüştürülür iken dans ediyor gibi görünmektedirler. Yeni geliştirilen yöntemler, gözlemlenmesi zor olan bu küçük hareketleri izlemeyi ve kaydetmeyi başarmışlardır. Şimdi ise süreci kolaylaştırmak adına bir yapay zekâ ürünü geliştirerek ileriye adım atmışlardır.
Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’de Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörü olan Qian Chen liderliğindeki yeni çalışma, sıvı fazlı elektron mikroskobu ile ilgili önceki çalışmalarına dayanmaktadır. Araştırma ACS Central Science dergisinde yayımlanmıştır.
Fotoğraf: Yüksek lisans öğrencisi Zihao Ou (solda) Profesör Qian Chen (ortada) ve yüksek lisans öğrencisi, baş yazar Lehan Yao (sağda).
Nano-partiküllerin hareketlerini gözlemleyebilmek ve kaydedebilmek, çeşitli mühendislik sorunlarını anlamak adına çok önemlidir. Araştırmacıların nano-partiküllerin küçük akvaryum benzeri numune kapları içerisinde etkileşimlerini gözlemlemelerine olanak sağlayan sıvı fazlı elektron mikroskobu, tıp, enerji ve çevresel sürdürülebilirlik araştırmaları ve meta-malzemelerin imalatı gibi birçok alanda fazlası ile kullanışlıdır. Ancak araştırmacılar, elde edilen verileri yorumlamanın gayret gerektiren bir süreç olduğunu belirtmişlerdir. Zamansal ve uzamsal bilgiler içeren ve büyük veri boyutlarında elde edilen video dosyaları, arka plan sinyalleri nedeni ile gürültülüdürler. Başka bir deyiş ile, çok zorlu bir görüntü analizi ve işlem gerektirmektedirler.
Chen “Bu parçacıkları görebilmek için bile yeni bir yöntem geliştirmek büyük çaba gerektirdi. Yararlı veri parçalarını aykırı değerler arasından ve gürültü denizinden nasıl verimli biçimde elde edileceğini bulmak yeni bir çaba hâline geldi,” demiştir
Bu problemle yüzleşmek için ekip, kısmen insan beyninin öğrenme gücünü taklit edebilen yapay bir sinir ağına dayanan yapay zekâ ürünü geliştirmiştir. Program, U-net olarak bilinen mevcut bir sinir ağından oluşturularak yeniden yapılandırma veya önceden belirlenmiş girdi gerektirmemiştir. Araştırma yazısına göre program, diğer mikroskop türlerini kullanarak düzensiz hücresel özelliklerin tanımlanmasında önemli gelişmeler sağlamıştır.
Fotoğraf : Araştırmacılar tarafından sıvı fazlı elektron mikroskobu ile yapay zekâyı birlikte kullanabilmek için atılan adımların basitleştirilmiş bir şeması.
Baş yazar ve yüksek lisans öğrencisi olan Lehan Yao “Yeni programımız, nano-partiküllerin hareketleri, kimyasal reaksiyonları ve kendiliğinden birleşmeleri dahil olmak üzere üç tür nano-ölçekli olay için veri üretmektedir. Bu olaylar, sıvı faz elektron mikroskobu videolarının analizinde karşılaştığımız senaryoları ve çabaları temsil etmektedir,” demiştir.
Araştırmaya göre ekip, yaklaşık 300.000 çift etkileşimli nano-partikül ile ölçümler gerçekleştirmiştir.
Sıvı faz elektron mikroskobunu ile birleştirilmiş yapay zekâya ait bir video görmek için buraya tıklayın.
Chen’in ekibi tarafından gerçekleştirilen geçmiş çalışmalarda olduğu gibi, belli başlı nano-parçacıkların görüntülenmesinde kontrast ayarı bir sorun olmaya devam etmektedir. Ekip yeni çalışmasında, elektron mikroskobu ile görüntülenmesi kolay olan altın parçacıklar kullanmıştır. Yine de Chen, proteinler, plastik polimerler ve diğer organik nano-partiküller gibi daha düşük elemental veya moleküler ağırlıklara sahip parçacıkların, bir elektron ışını altında çok düşük kontrast gösterdiğini belirtmiştir.
Chen “Aşı ve ilaç arayışı gibi biyolojik uygulamalar, tekniğimizin biyomoleküllerin görüntülenmesi için kullanılabilir olması yönündeki çabamızın aciliyetini ifade etmektedir. Virüs ile bağışıklık sistemi arasında, ilaçlar ile bağışıklık sistemi arasında ve ilaç ile virüs arasında anlaşılması gereken kritik nano-ölçekli etkileşimler mevcuttur. Yeni yöntemimizin burada gösterildiği gibi birçok örnekten bilgi almamıza izin vermesi, bizi bir sonraki uygulama ve model sistemleri adımına hazırlamaktadır,” demiştir.
Ekip, bu çalışmada kullanılan yapay zekâ programının kaynak kodunu, yeni makalenin ek bilgiler bölümünde kamuya açık hale getirmiştir. Chen, kodu diğer araştırmacıların kullanımına sunmanın tüm nano-malzeme araştırma topluluklarına fayda sağlayacağını düşünüyoruz, demiştir.
Fotoğraf: Yaklaşık 115 nanometre uzunluğunda kenarlara sahip, hassas bir şekilde birleştirilmiş üçgen altın nano-partiküller kullanılarak ekip tarafından hazırlanmış bir sıvı faz elektron mikroskobu görüntüsü.
Makaleyi görüntülemek için “Nano-partikül Hareketlerini Sıvı Fazlı TEM Videolarından Ortaya Çıkaracak Yapay Zekâ Programı” buraya tıklayın.
Kaynak: news.illinois.edu
