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光学およびフォトニクス技術の5つの新しい進歩

ほとんどの科学分野と同様に、フォトニクスと光学はテクノロジーの進歩とともに急速に進化しています。

デバイスがより小さく、より正確になり、より手頃な価格で製造できるようになると、光学およびフォトニクス技術は科学および消費者向けアプリケーションの両方で使用され、大きな成功を収めています。以下は、光学およびフォトニクス技術における5つの新しい進歩です。

イメージングにおけるAI

科学者が使用するカメラベースの蛍光顕微鏡やその他のイメージングツールは、問題のある画像を生成することがよくあります。これは、これらの高解像度画像は、焦点のずれに非常に敏感であるため、ぼやけた画像や焦点が合っていない画像がすぐに生成される可能性があるためです。

これらのぼやけた画像は、人の介入を利用して再取得または修正する必要があり、多大な時間と労力を消費します。

手動で焦点を合わせて再イメージングする必要があるため、科学的研究の速度が低下し、科学者がその分野の進歩に貢献する可能性のある大量の研究を生み出す能力が妨げられます。

光学技術の進歩により、これらの顕微鏡と人工知能を組み合わせることで、これらの焦点の合っていない画像を補正するための人間の介入の必要性が減少しています。これにより、科学者によるより実践的なアプローチが可能になり、研究のより迅速な進展に貢献する可能性があります。

個々の顕微鏡や他のイメージングデバイスからデータを収集して分析するときに、この光学テクノロジーとAIをペアリングするだけでなく、そのAIを他のAIに接続して他のデバイスで同じ調整を行うと、接続されているすべてのデバイスの応答性と結果を改善できます。

自動運転車

自動運転車に必要なセンサーには、光学系とフォトニクスの使用が議論されています。プロトタイプ車のよく知られているクラッシュによって証明されるように、この技術はまだ初期の段階にあります。

しかし、光検出とレーダー（LiDAR）の進歩により、AIと同様にレーダーの光ベースのバージョンが自動運転車の現実世界での可能性になりつつあります。

現在、自動運転車を大衆市場に投入するには、安全性とコストという2つの大きなハードルがあります。

LiDARとAIは、一時停止の標識や自動運転車の前で減速する車などの日常的な危険の検出には非常に優れていますが、道路で発生する可能性のあるすべての予期しない危険の検出には適していません。歩行者が衝突して死亡した有名な事故で2018年に示されているように、自動運転車は、交通渋滞などの動的な状況で必要な意思決定機能をまだ備えていません。

LiDARも信じられないほど高価であり、現在、平均的な消費者向けに大規模に製造することは不可能です。業界が進歩し、テクノロジーがより手頃な価格になると、自動運転車に対するこの障壁はおそらく減少します。

精密農業

農業は常に科学、経験、推測の混合でした。

最も熟練した農家でさえ、彼らの作物が水面下でどれほど健康であるかを知るために土壌を見ることができません。このため、栽培シーズン中に何か問題が発生し、農家に多額の費用がかかるため、作物全体が台無しになる可能性があります。

紫外線と赤外線を使用する新しいセンサーは、農地の区画に焦点を当てることができ、農家が土壌の下をのぞいて、それに応じて調整できるようにします。ドローンに取り付けられると、センサーは野原の鳥瞰図を提供できます。

このセンサーは、作物が適切に水をやられているか、より多くの肥料が必要であるか、または目に見えないほどに病気が潜んでいるかを検出できます。この情報を知ることで、農家は追加の灌漑を計画したり、肥料を追加したり、病気に早い段階で対処したりすることができ、作物が健康で問題のない成長を遂げる可能性が高まります。

同じ技術をすでに収穫した作物に適用して、野菜に深いあざがあるかどうかを判断したり、果物内部の糖分や水分を測定したりできます。

迅速な疾患スクリーニング

エボラウイルスなどの感染症の蔓延を減らすためには、早期発見と介入が鍵となります。

特にCOVID-19などの新たに出現した疾患の多くの疾患スクリーニングの現状は、サンプルがフィールドで収集され、その後、顕微鏡または他の何らかの形の疾患検出のための検査のために研究室に運ばれます。この実験室は、テスト対象の人物から数百マイル離れている場合があり、場合によっては結果が返されるまでに数日かかる可能性があり、被験者が接触して広がりを拡大する人をさらに危険にさらします。

病気の検出プロセスをスピードアップするために、ロチェスター工科大学の科学者は、野外でエボラ出血熱を迅速に検出できる携帯用蛍光ベースの機器を開発しました。

患者から血液の小滴を採取し、その小滴をレーザーとマイクロ流体チップと統合された蛍光光度計で分析します。結果はサンプル収集から15分で得られ、1つのデバイスで30分以内に24個のサンプルを処理できます。

科学者たちは、このテクノロジーが他のウイルス株を検出してその使用を拡大するために拡張できることを望んでいます。

レーザー粒子トラッピング

細胞、分子、および原子の研究には、信じられないほどのハイテク機器が必要です。研究する粒子が小さいほど、より正確な機器が必要になります。

レーザー粒子トラッピングは、細胞や原子全体を含むより大きな粒子の研究に使用されてきましたが、原子核の研究にも組み込まれています。

レーザーベースの光トラップを使用して、放射性核粒子を空中浮遊させ、粒子が崩壊するまで保持します。次に、粒子の反動の大きさと周波数がリアルタイムで測定されます。反跳変位は、原子粒子の運動エネルギーを計算するために使用され、特定の種類の原子核の全体的な構成をさらによく把握できます。

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