Fünf neue Fortschritte in der optischen und photonischen Technologie

Wie die meisten wissenschaftlichen Disziplinen haben sich Photonik und Optik mit fortschreitender Technologie rasant weiterentwickelt.

Da Geräte immer kleiner und präziser werden und kostengünstiger herzustellen sind, wird die Optik- und Photoniktechnologie sowohl in wissenschaftlichen als auch in Verbraucheranwendungen mit großem Erfolg eingesetzt. Hier sind 5 interessante Möglichkeiten, wie sich die Optik- und Photonik-Technologie in den letzten Jahren verändert hat:

KI in der Bildgebung

Kamerabasierte Fluoreszenzmikroskope und andere von Wissenschaftlern verwendete Bildgebungswerkzeuge haben häufig problematische Bilder erzeugt. Dies liegt daran, dass diese hochauflösenden Bilder sehr empfindlich auf Fokusverschiebungen reagieren, wodurch schnell unscharfe oder unscharfe Bilder entstehen können.

Diese verschwommenen Bilder müssen dann durch menschliches Eingreifen wieder aufgenommen oder auf andere Weise repariert werden, was viel Zeit und Arbeitskraft kostet.

Die Notwendigkeit der manuellen Fokussierung und erneuten Bildgebung verlangsamt die wissenschaftliche Forschung und behindert die Fähigkeit von Wissenschaftlern, große Forschungsmengen zu erstellen, die zu Fortschritten auf ihrem Gebiet beitragen könnten.

Durch die Kombination dieser Mikroskope mit künstlicher Intelligenz dank der Fortschritte in der Optiktechnologie verringert sich der Bedarf an menschlichen Eingriffen bei der Korrektur dieser unscharfen Bilder. Dies ermöglicht Wissenschaftlern einen unkomplizierteren Ansatz und kann zu schnelleren Fortschritten in der Forschung beitragen.

Das Koppeln dieser optischen Technologie mit AI hilft nicht nur beim Sammeln und Analysieren von Daten von einem einzelnen Mikroskop oder einem anderen Bildgebungsgerät, sondern das Verbinden dieser AI mit einer anderen AI, wobei dieselben Einstellungen auf anderen Geräten vorgenommen werden, kann die Reaktionsfähigkeit und die Ergebnisse für alle angeschlossenen Geräte verbessern.

Selbstfahrende Autos

Ein viel diskutierter Einsatz von Optik und Photonik sind die Sensoren, die für selbstfahrende Autos erforderlich sind. Diese Technologie steckt noch in den Anfängen, wie gut bekannt gewordene Unfälle von Prototypenautos belegen.

Dank der Fortschritte bei der Lichterkennung und dem Radar (LiDAR), einer lichtbasierten Version des Radars sowie der KI, werden selbstfahrende Autos zunehmend zu einer realen Möglichkeit.

Im Moment gibt es zwei sehr große Hürden, um selbstfahrende Autos auf den Massenmarkt zu bringen: Sicherheit und Kosten.

Obwohl LiDAR und AI Routinegefahren wie Stoppschilder und Autos, die vor dem selbstfahrenden Auto langsamer werden, sehr gut erkennen können, können sie nicht alle unerwarteten Gefahren erkennen, die auf der Straße auftreten können. Wie ein bekannter Vorfall aus dem Jahr 2018 zeigt, bei dem ein Fußgänger getroffen und getötet wurde, verfügen selbstfahrende Autos noch nicht über die Entscheidungskompetenzen, die in einer dynamischen Situation wie dem Fahren im Verkehr erforderlich sind.

LiDAR ist auch unglaublich teuer, so dass es für den Durchschnittsverbraucher derzeit unmöglich ist, es in großem Maßstab herzustellen. Mit dem Fortschritt der Branche und der Erschwinglichkeit der Technologie wird diese Barriere für selbstfahrende Autos wahrscheinlich abnehmen.

Präzisionslandwirtschaft

Landwirtschaft war schon immer eine Mischung aus Wissenschaft, Erfahrung und Vermutung.

Selbst die erfahrensten Landwirte können nicht in den Boden sehen, um zu wissen, wie gesund ihre Pflanzen unter der Oberfläche sind. Aus diesem Grund können ganze Ernten ruiniert werden, weil während der Vegetationsperiode etwas schief gelaufen ist, was den Landwirt viel Geld kostet.

Neue Sensoren, die ultraviolette und infrarote Strahlen verwenden, können auf ein Stück Ackerland fokussiert werden, sodass die Landwirte einen Blick unter die Erde werfen und entsprechende Anpassungen vornehmen können. Sobald der Sensor an einer Drohne befestigt ist, kann er die Felder aus der Vogelperspektive betrachten.

Dieser Sensor kann erkennen, ob eine Ernte richtig bewässert ist, mehr Dünger benötigt oder eine Krankheit lauert, die gerade nicht sichtbar ist. Wenn der Landwirt diese Informationen kennt, kann er eine zusätzliche Bewässerung planen, etwas mehr Dünger hinzufügen oder frühzeitig Maßnahmen zur Bekämpfung der Krankheit ergreifen, um den Pflanzen eine bessere Chance auf ein gesundes und störungsfreies Wachstum zu geben.

Dieselbe Technologie kann auf bereits geerntete Pflanzen angewendet werden, um festzustellen, ob Gemüse tief gequetscht ist, oder um den Zucker- und Wassergehalt in Früchten zu messen.

Schnelles Krankheitsscreening

Früherkennung und Intervention sind der Schlüssel zur Verringerung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten wie dem Ebola-Virus.

So wie derzeit viele Krankheitsuntersuchungen durchgeführt werden, insbesondere bei neu auftretenden Krankheiten wie COVID-19, werden Proben vor Ort gesammelt und dann zur Untersuchung unter dem Mikroskop oder zur Untersuchung in ein Labor gebracht, das Hunderte von Kilometern von der zu testenden Person entfernt sein kann eine andere Form der Erkennung von Krankheiten. In einigen Fällen kann es Tage dauern, bis die Ergebnisse zurückgegeben werden. Dies gefährdet jeden, mit dem das Subjekt in Kontakt kommt, und erhöht die Verbreitung.

Um den Krankheitserkennungsprozess zu beschleunigen, entwickelten Wissenschaftler am Rochester Institute of Technology ein tragbares fluoreszenzbasiertes Instrument, mit dem Ebola im Feld schnell erkannt werden kann.

Ein Blutstropfen wird von einem Patienten gesammelt und dieser Tropfen wird dann mit einem Laser und einem Fluorometer analysiert, die in einen Mikrofluidik-Chip integriert sind. Die Ergebnisse können innerhalb von 15 Minuten nach der Probenentnahme angegeben werden, und ein einzelnes Gerät kann innerhalb von 30 Minuten 24 Proben verarbeiten.

Wissenschaftler hoffen, dass die Technologie für den Nachweis anderer Virusstämme erweitert werden kann, um ihre Verwendung zu erweitern.

Laser-Einfang

Das Studium von Zellen, Molekülen und Atomen erfordert eine unglaublich hochtechnologische Ausrüstung. Je kleiner die Partikel sind, die Sie untersuchen möchten, desto präzisere Instrumente sind erforderlich.

Das Einfangen von Laserteilchen wurde verwendet, um größere Teilchen, einschließlich Zellen und ganze Atome, zu untersuchen, es wird jedoch auch in die Untersuchung von Atomkernen integriert.

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