用人工智能驾驭扫描显微镜的巨大数据海洋

微观领域是一个肉眼看不见的宇宙，一直是科学家着迷和不断进行研究的主题。为了更深入地探索这个细微的世界，扫描显微镜（scanning microscopy）已成为一个关键工具，使研究人员有能力以最精确的原子尺度探索样本。然而，巨大的力量带来了巨大的责任，在扫描显微镜领域，这种责任的形式是处理大量生成的数据。

扫描显微镜：探索微观世界的窗口

扫描显微镜，包括扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscopes, SEM）、扫描隧道显微镜（ Scanning Tunneling Microscopes，STM）等，开创了一个对材料、生物实体等进行前所未有的探索的时代。通过聚焦粒子束或光素对样品进行扫描，这些仪器精心构建图像并逐点收集数据，为被采样属性的空间变化提供无与伦比的洞察力。这种以纳米或原子分辨率感知材料和生物的能力是许多科学领域进步的基础，包括材料科学、生物学和物理学。

淹没在巨量数据中

尽管扫描显微镜在科学探索中发挥了重要作用，但它提出了一个艰巨的挑战：管理庞大的数据集。每项纳米级扫描都会提供有关样品结构和属性的大量信息，从而生成丰富而大量的数据。当显微镜探测样品的深度，捕获3D图像，或通过同时注册各种属性来获取多方面数据时，生成的数据集会急剧增长。在大规模研究中，这些多维探究变得更加重要，其中多个样本、时间变化和不同的数据维度交织在一起，形成了一个数据密集型场景。

挑战不仅在于存储这个庞大的数据海洋，还在于分析它以提取有意义的见解，这传统上需要广泛的计算资源和专业分析。

人工智能加持：自主显微镜的黎明

在此背景下，一项突破性研究出现了，将人工智能应用于扫描显微镜，以更熟练地在广阔的数据海洋中导航。美国能源部阿贡国家实验室开发了一种支持人工智能（AI）的自主显微镜技术，可增强显微镜中的“快速读数”。该研究引入了快速自主扫描工具包（FAST），该工具包融合了神经网络、路由优化和高效的硬件控制，旨在克服大量数据带来的挑战。FAST产生了一个“自动驾驶（self-driving）”的实验环境，自主识别和专注于稀疏但具有代表性的数据子集，在不影响分析质量的情况下减轻处理综合数据集的负担。

重要的是，FAST无需事先提供样品信息即可运行，并保持计算效率，确保不会对可用的计算资源造成压力。通过模拟和利用科学界特别感兴趣的WSe2薄膜的实验进行验证，FAST表明，扫描不到25%的样本就足以进行准确的成像和分析。

人工智能驱动显微镜的影响

这种人工智能和显微镜的创新结合不仅为数据管理困境提供了解决方案。它还为未来的研究方法播下了种子，人工智能和科学研究之间的协同作用将推动人类对材料和生物实体的理解进入未知领域。

像FAST这样的人工智能驱动显微镜不仅体现了显著减轻数据处理负担的潜力，还体现了增强科学探索过程的潜力。凭借自主识别和关注感兴趣的区域的能力，人工智能优化了扫描过程，节省了时间和资源，这是至关重要的，特别是在光束时间等资源非常宝贵的高级实验设施中。

此外，人工智能的自主性有助于减少人类干预，遏制潜在的偏见和人为错误，从而简化并可能加速实验过程。凭借其预测分析和模式识别能力，人工智能可以挖掘可能仍然隐藏的模式和异常，是的研究中的探索和发现更加丰富。

写在最后

扫描显微镜生成的巨大数据集，在提供信息宝库的同时，促使研究人员寻求创新的数据管理和分析解决方案。以FAST工具包为代表的人工智能与扫描显微镜的结合，不仅照亮了通往高效数据管理的途径，也照亮和增强了自主科学探索的途径。随着人工智能在科学研究中变得更加自主，我们可以探索和理解微观世界的界限将扩大，揭示新的视野和潜在的革命性发现。