新型偏振光增強(qiáng)人工智能視覺能力

人工智能視覺系統(tǒng)“看得越清楚”，其觀察監(jiān)測、自主導(dǎo)航及機(jī)器學(xué)習(xí)等活動(dòng)取得的效果就越好。一種新型偏振光的問世使仿生學(xué)在人工智能視覺方面的應(yīng)用得到拓展，基于人工智能技術(shù)的自動(dòng)駕駛、醫(yī)學(xué)診療和食品檢測等系統(tǒng)的能力都將得到增強(qiáng)。

讓人工智能視覺系統(tǒng)“看得更清”

美國密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型白熾燈泡，它能發(fā)出新型橢圓偏振光，也稱“扭曲光”。其光波在傳播過程中會(huì)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相互映射，從而令光線接收者獲得特殊的視覺效果。

據(jù)美國《連線》雜志報(bào)道，這種新型燈泡之所以能夠發(fā)出橢圓偏振光，是燈絲的復(fù)雜結(jié)構(gòu)決定的。研究人員在鎢絲中加入微米級(jí)和納米級(jí)扭曲結(jié)構(gòu)，使光波呈現(xiàn)出螺旋狀，從而有效實(shí)現(xiàn)了橢圓偏振。

天然偏振光其實(shí)并不“友好”。例如，當(dāng)陽光照射到水面上時(shí)，光線會(huì)發(fā)生偏振反射，使人感到過于明亮甚至刺眼。水面的反射率越高，越多的偏振光就會(huì)射入人眼，令人感到不適。這也是為什么人們在海灘或湖邊會(huì)佩戴偏光太陽鏡。

與造成視覺干擾的天然偏振光不同，人造偏振光的應(yīng)用十分廣泛。密歇根大學(xué)研究人員開發(fā)的新型橢圓偏振光，一個(gè)極具前景的用途就是人工智能視覺系統(tǒng)，它能使人工智能“看清”范圍更大的光譜，從而擁有更強(qiáng)的視覺能力。

橢圓偏振光能提供更多層次的信息，從而提高人工智能解讀環(huán)境的能力。例如，橢圓偏振光可以通過實(shí)現(xiàn)更高的對(duì)比度，提高人工智能對(duì)物體外形和表面紋理的識(shí)別能力。當(dāng)前一些機(jī)器人配備的自動(dòng)對(duì)焦傳感器，往往難以對(duì)某些物體仔細(xì)進(jìn)行觀察，因?yàn)檫@些物體呈現(xiàn)出的對(duì)比度不夠，使傳感器難以明確物體與自身的距離及物體的形狀和顏色。如果機(jī)器人利用自身攜帶的發(fā)光裝置發(fā)射橢圓偏振光，其經(jīng)物體反射后就可以大幅提升物體呈現(xiàn)出的對(duì)比度，從而幫助機(jī)器人“看清”物體。

人工智能視覺系統(tǒng)“看得越清楚”，其觀察監(jiān)測、自主導(dǎo)航及機(jī)器學(xué)習(xí)等活動(dòng)取得的效果就越好。參與該研究項(xiàng)目的美國科學(xué)基金會(huì)復(fù)雜粒子系統(tǒng)研究中心主任尼古拉斯·科托夫表示：“發(fā)射橢圓偏振光就如同向一個(gè)物體投射三維網(wǎng)格，能幫助人工智能視覺系統(tǒng)更精確地‘繪制’出這個(gè)物體。例如，它能幫助自動(dòng)駕駛汽車分辨鹿與人。鹿的皮毛卷曲度與衣物面料的卷曲度不同，即使兩者反射出的光的波長相近，橢圓偏振光的螺旋度也有所不同。由此，自動(dòng)駕駛汽車的人工智能視覺系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確分辨出面前的是鹿還是人?！?/p>

仿生學(xué)在人工智能領(lǐng)域的新應(yīng)用

據(jù)科托夫介紹，利用橢圓偏振光增強(qiáng)人工智能的視覺能力，是仿生學(xué)在人工智能領(lǐng)域的新應(yīng)用，其模仿的對(duì)象是螳螂蝦。這種生物擁有令人難以置信的“復(fù)雜而專業(yè)”的視覺系統(tǒng)。它有12種感光器（人類的視覺系統(tǒng)只有3種感光器），可以分辨出部分紫外線和紅外線，大大超出人類的視覺范圍。螳螂蝦能精準(zhǔn)感知橢圓偏振光，從而分辨并鎖定各種水下生物。出色的視覺系統(tǒng)使它成為致命的水下獵手。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)引入橢圓偏振光，使仿生學(xué)在人工智能視覺方面的應(yīng)用得到極大拓展。還有不少生物對(duì)偏振光很敏感，例如蜜蜂、螞蟻和鳥類都會(huì)利用偏振光導(dǎo)航。未來將有更多的人造偏振光被開發(fā)出來，用于增強(qiáng)人工智能的視覺能力。

助力醫(yī)學(xué)診療和食品檢測

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，除了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，基于仿生學(xué)開發(fā)的新型偏振光還能改善其他人工智能系統(tǒng)的成像能力，其中兩個(gè)重要領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)診療和食品檢測。

倫敦大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的人工智能診療系統(tǒng)，能夠?qū)μ囟úㄩL的光波進(jìn)行處理，形成偏振光并作用于人體組織。偏振光能穿透人體的皮膚，被細(xì)胞內(nèi)的光敏物質(zhì)吸收，從而引發(fā)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，包括促進(jìn)細(xì)胞代謝、增強(qiáng)血液循環(huán)、調(diào)節(jié)免疫功能、抑制炎癥反應(yīng)等，從而達(dá)到治療的目的。

具體來說，人工智能診療系統(tǒng)可以利用偏振光實(shí)現(xiàn)疼痛管理、炎癥緩解、傷口愈合和組織修復(fù)。

劍橋大學(xué)人工智能中心開發(fā)的食品檢測系統(tǒng)采用了新型偏振光技術(shù)，通過偏振光的散射快速測定食品質(zhì)量和新鮮度。例如，通過觀察水果表面的偏振光散射圖像，可以判斷其是否成熟、內(nèi)部是否腐爛以及腐爛程度。食品檢測系統(tǒng)還能利用偏振光檢測食品中是否存在異物，是否遭受污染，從而有效保障食品安全。

光學(xué)和仿生學(xué)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)

《新科學(xué)家》雜志指出，偏振光技術(shù)是光學(xué)和仿生學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)，其應(yīng)用日益廣泛，正在改變科學(xué)研究和生產(chǎn)生活的多個(gè)方面。

一是通信系統(tǒng)。偏振光可以用于光纖數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)在一條線路上傳輸更多的數(shù)據(jù)。精確控制偏振光，可以基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施形成更多的傳輸通道，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

二是偏振顯微鏡。它已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。偏振器將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化為特定的偏振光。分析儀則負(fù)責(zé)分析偏振光與樣品相互作用后出現(xiàn)的變化，進(jìn)而推斷樣品的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)。

三是偏振濾鏡。它是攝影師的新寵，能過濾水面的反光，還能調(diào)整天空的顏色。通過選擇不同種類的偏振濾鏡，可以達(dá)到不同的視覺效果，為攝影創(chuàng)作增添更多的可能性。

編輯：姚志剛" " winter-yao@163.com