Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 185

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

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.