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拯救头秃的本科生助理：只需5.4秒，AI检测帮助快速识别材料中的单分子层

2022-06-21 14:55

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创未来光锥加速器我是科学家iScientist

在大学实验室中，最无聊、最令本科生助理们头疼的工作之一就是通过显微镜连续数小时地观察样本，并试图找到材料中的单分子层。这些二维材料的直径不及人类头发的十万分之一，它们性质独特，在电子学、光子学和光电子器件中应用广泛。

过渡金属硫化物单分子层｜维基百科

罗彻斯特大学的光学助理教授Jaime Cardenas说：“通常，实验室招聘大量本科生，他们除了寻找单分子膜外什么也不做。这项工作非常无聊，并且当你感觉疲乏时，很有可能会错过或者错认一些单分子层。”即使本科生们顺利完成了工作，实验室还得用昂贵的拉曼光谱仪或原子力显微镜再检查一遍。

最近，Cardenas光学实验室的博士生Jesús Sánchez Juárez研发出一项技术，解救了这些为单分子层头疼的本科生、大学实验室以及相关公司。

这项突破性的研究发表于《光学材料快报》（Optical Materials Express）上，该研究描述了这种自动扫描装置，它可以扫描并识别单分子层，准确率达到99.9% ，超过了迄今为止的任何其他方法。

网页截图

快捷、便宜的检测系统

该论文的第一作者Sánchez Juárez表示: “我们的主要目标是开发一个能节约预算的系统，让学生和实验室能够使用并复刻它，并且不需要耗费数千美元去购买必要的设备。”

举个例子，只需要一个配备5x物镜的显微镜和一个便宜的OEM（original equipment manufacturer原始设备制造商）相机，就能够复刻出他所开发的系统。

AI神经网络的创新改造

“这是一项令人振奋的研究。”Cardenas补充道，“Jesús 使用了与众不同的方法来应用AI，解决了使用2D材料时的关键问题。”

许多实验室都曾尝试训练AI神经网络来识别单分子层，从而避免使用昂贵的仪器进行重复检测。Cardenas说：“大多数实验室都试图从零开始构建神经网络，这会耗费大量的时间。”相反，Sánchez Juárez使用了一个名为 AlexNet 的公开神经网络，该网络不需要从头构建，因为它受过的训练就是用于识别物体。

紧接着，他设计了一种新的方法，将材料的图像反转，使原始图像上的亮点变为黑点，反之亦然，然后通过附加的步骤运行这种反转的图像。“图像反转后，虽然肉眼很难分辨，但是对于计算机而言，它可以更容易地将单分子膜从它们沉积的基底上分辨出来。” Cardenas解释说。

一句话总结：Sánchez Juárez的系统可以在9分钟内处理100张1厘米 x 1厘米大小的样本图像，且准确率接近100% ，大大简化了实验室中寻找单分子层的繁琐工作。