Древние окаменелости вдохновили разработчиков роботов-сортировщиков
Исследователи продемонстрировали метод геометрического моделирования органических объектов и создания их фотореалистичных трехмерных (3D) изображений. Эти математически точные изображения могут быть использованы для разработки роботизированных систем, способных автономно распознавать и сортировать объекты сложной формы.
Эта технология изначально предназначалась для усовершенствования роботизированных систем, сортирующих и идентифицирующих микроскопические морские окаменелости, используемые в исследованиях палеоклимата. Ученые полагают, что она пригодится в ряде других областей. Статья под заголовком «Foram3D: Конвейер для создания и визуализации 3D-синтетических данных по фораминиферам для анализа и реконструкции изображений» опубликована в журнале Marine Micropaleontology .
Эдгар Лобатон, соавтор статьи, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете штата Северная Каролина, отметил, что идентификация окаменелостей вручную — очень сложная и кропотливая задача, что и привело ученых к поиску роботизированной системы трехмерной визуализации и сравнения древних микроскопических останков.
Речь идет об одноклеточных протистах фораминиферах (лат. Foraminifera, устаревшее название «дырочники») которые широко распространены в океанах Земли уже более 100 миллионов лет. Фораминиферы — это простейшие, не растения и не животные, и после смерти они оставляют после себя крошечные раковины. Эти раковины дают ученым представление о характеристиках океанов, существовавших за весь период существования фораминифер.
Так, например, разные виды фораминифер процветают в разных типах океанических сред, а химические анализы раковин могут рассказать ученым обо всем: от состава воды океана до его температуры в момент формирования раковины.
Однако оценка раковин и окаменелостей фораминифер — утомительный и трудоемкий процесс. Ученому под микроскопом приходится перебирать сотни объектов схожей формы и размером менее миллиметра. Палеонтологи давно хотели автоматизировать этот процесс, и их чаяния не остались без внимания Эдгара Лобатона. Его команде удалось разработать полнофункциональную роботизированную систему для идентификации и сортировки микрораковин под названием Forabot. Создание Forabot показало, что самый трудоемкий аспект процесса — это тонкая настройка оборудования и его компоновка.
Создав высокоточные виртуальные 3D-копии окаменелостей, исследователи смогут использовать их при моделировании роботизированной системы. Вносить изменения в симуляцию гораздо проще, чем работать с реальным оборудованием.
Для этой работы исследователи модифицировали математическую модель таким образом, чтобы она могла создавать подробные трехмерные копии окаменелостей. Затем команда Лобатона досконально проконсультировалась с палеонтологом, чтобы убедиться, что копии соответствуют характеристикам семи репрезентативных видов фораминифер.
Следующим шагом стала настройка непосредственно программы Forabot. Используя полученные 3D-факсимиле для синхронизации в системе Forabot, разработчики смогли повысить ее точность с 82% до 89%, избежав при этом необходимости в трудоемком процессе многократной перенастройки оборудования.
Используя синтетический набор данных, мы смогли проверить, как самые современные модели искусственного интеллекта могут реконструировать трехмерные фигуры из ограниченного набора двухмерных изображений. Моделирование помогло нам определить наилучшие условия получения изображений и легло в основу новой роботизированной системы, ориентированной на 3D-реконструкцию — важный шаг на пути к дальнейшей автоматизации идентификации этих микроископаемых.
Санджана Банерджиавтор статьи, аспирант Университета штата Северная Каролина.
Работа создает прочную основу для изучения роста и морфологии широкого спектра видов фораминифер. Она также успешно решает такие жизненно важные проблемы микропалеонтологии, как естественная ограниченность данных и точность восстановления формы.
В более широком смысле использованный подход может найти применение в разработке или оптимизации любой роботизированной системы, которая идентифицирует или сортирует объекты сложной формы независимо от их размера. Возможные варианты включают изоляцию микроорганизмов определенной формы (бациллы, кокки, спириллы) в микроскопическом масштабе и сортировку сельскохозяйственной продукции в более крупном масштабе. Авторы сделали исходный код программы Forabot открытым, чтобы другие исследователи могли им воспользоваться.
Древние окаменелости интересуют не только палеонтологов и конструкторов роботов. В Древнем Риме богатые люди носили украшения из окаменелостей трилобитов возрастом в сотни миллионов лет.
