Il suffit de prendre une photo pour déterminer la composition chimique
Des chimistes utilisent l'apprentissage automatique et la robotique pour identifier des compositions chimiques à partir d'images
Des chimistes de l'université d'État de Floride ont créé un outil d'apprentissage automatique capable d'identifier la composition chimique de solutions salines séchées à partir d'une image avec une précision de 99 %.
En utilisant la robotique pour préparer des milliers d'échantillons et l'intelligence artificielle pour analyser leurs données, ils ont créé un outil simple et peu coûteux qui pourrait élargir les possibilités d'analyse chimique. Ces travaux ont été publiés dans la revue Digital Discovery.
"Nous vivons à l'ère de l'intelligence artificielle et du big data", a déclaré Oliver Steinbock, coauteur et professeur au département de chimie et de biochimie de la FSU. "Nous avons pensé que si nous utilisions des bases de données suffisamment importantes avec suffisamment d'images de différents composés et taches, nous pourrions peut-être utiliser l'IA pour déterminer la composition."
La recherche pourrait rendre possible une analyse chimique moins coûteuse et plus rapide, qui pourrait être utilisée dans l'exploration spatiale, l'application de la loi, les tests à domicile et bien plus encore.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Cet article s'appuie sur une étude précédente du laboratoire de M. Steinbock, dans laquelle les chercheurs ont utilisé l'apprentissage automatique pour identifier la composition chimique de taches de sel à partir de photos. Dans cette étude, les chercheurs ont analysé environ 7 500 échantillons, qu'ils ont préparés à la main.
Cet article amplifie ce travail en utilisant un robot pour traiter les échantillons qui ont ensuite été analysés par un programme d'apprentissage automatique amélioré. Au lieu de prélever des échantillons à la main, les chercheurs ont créé ce qu'ils ont appelé le Robotic Drop Imager (RODI), capable de préparer plus de 2 000 échantillons par jour. Cela leur a permis de constituer une bibliothèque de plus de 23 000 images, soit trois fois plus que leur étude initiale.
Après avoir préparé les échantillons et pris des photos, les chercheurs ont simplifié chaque image en la convertissant en niveaux de gris, puis ont extrait 47 caractéristiques, telles que la surface du motif, la luminosité et d'autres attributs, qu'ils ont utilisées dans leur analyse.
Avec des images supplémentaires, la précision de leur programme d'apprentissage automatique est passée d'environ 90 % à près de 99 %. Les chercheurs ont également analysé la concentration initiale de la solution saline à cinq niveaux différents et ont entraîné leur programme d'apprentissage automatique à les distinguer. Le programme a atteint une précision de 92 % dans l'identification de la concentration de la solution et de l'identité du sel.
"La précision exigée dans les différentes analyses varie en fonction de la situation", a déclaré Amrutha S.V., chercheur postdoctoral et coauteur de l'article. "D'après mon expérience, je sais que certains types de spectroscopie et d'autres méthodes d'analyse sont coûteux et que leur utilisation nécessite une expertise technique spécialisée. C'est pourquoi je suis enthousiaste à l'idée d'une méthode simple : il suffit de prendre une photo pour déterminer la composition chimique. Ce serait incroyablement utile.
Pourquoi c'est important
La plupart des méthodes d'analyse chimique se concentrent sur le niveau moléculaire, examinant les atomes, les molécules ou les structures cristallines.
"Cela fonctionne très bien si vous avez de bons échantillons, quelques centaines de milliers de dollars pour les instruments et aucune restriction de poids", a déclaré M. Steinbock. "Mais si vous voulez participer à une mission spatiale et envoyer des objets sur une lune de Saturne, par exemple, chaque gramme compte. Si vous pouvez effectuer une analyse chimique à l'aide d'une caméra, cela change la donne".
Le projet a été développé pour la NASA, qui cherchait des méthodes peu coûteuses et légères pour déterminer les concentrations chimiques. Au lieu de transporter des échantillons sur Terre, un rover extraterrestre équipé d'un simple laboratoire de chimie et d'une caméra pourrait analyser la composition chimique des matériaux sur place.
Outre l'exploration spatiale, la méthode mise au point dans le laboratoire de M. Steinbock pourrait être utilisée pour effectuer des analyses chimiques dans d'autres domaines. Les tests reposent sur des quantités infimes d'échantillons - quelques milligrammes seulement - ce qui les rend utiles dans les cas où il est difficile d'obtenir des échantillons de grande taille. Les forces de l'ordre pourraient effectuer des tests préliminaires sur des drogues suspectes, les laboratoires pourraient tester la sécurité de matériaux déversés, et les hôpitaux qui n'ont pas accès à un laboratoire d'analyse chimique complet pourraient l'utiliser pour faciliter le diagnostic des patients.
"C'est important parce que cela pourrait démocratiser l'analyse chimique", a déclaré M. Steinbock.
L'IA : un nouvel outil pour la recherche
L'intelligence artificielle promet de transformer les possibilités de la recherche. Les professeurs de l'université d'État de Floride s'engagent dans des projets novateurs qui repoussent les limites de cet outil en plein essor.
Les efforts de la FSU en matière d'intelligence artificielle fournissent des outils et des informations aux enseignants et aux chercheurs.
"Je pense qu'il est très utile d'être dans un endroit où l'on reçoit ce type de soutien, et il ne s'agit pas nécessairement d'argent, mais simplement d'une appréciation pour essayer de nouvelles choses", a déclaré M. Steinbock. "L'IA modifie notre approche de la découverte scientifique. Ce qui nécessitait autrefois un équipement coûteux et une expertise spécialisée peut désormais être réalisé à l'aide d'une simple caméra et d'un algorithme approprié. Cela ouvre de nouvelles possibilités, non seulement pour les missions spatiales, mais aussi pour la médecine, la médecine légale et bien d'autres domaines.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
