Система SmartTrap с ИИ научилась автономно управлять оптическими пинцетами для биофизических экспериментов
Исследователи из Университета Гётеборга и Технологического университета Чалмерса представили модель искусственного интеллекта, которая может полностью автономно управлять оптическими пинцетами. Этот инструмент используют для захвата и перемещения крошечных объектов, вплоть до отдельных молекул ДНК и клеток. Работа опубликована в журнале Nature Methods. Созданная ими платформа SmartTrap сочетает машинное зрение, глубокое обучение и методы наноманипуляции. Благодаря этому удалось автоматизировать работу с отдельными молекулами и клетками без участия оператора.
Оптические пинцеты удерживают и перемещают частицы при помощи сфокусированных лазерных лучей. За развитие этой технологии Артур Ашкин получил Нобелевскую премию по физике в 2018 году. Раньше такие установки требовали постоянного контроля со стороны специалиста. Оператор настраивал параметры, проводил измерения и вручную запускал последовательности экспериментов. Это замедляло работу и нередко приводило к тому, что результаты отличались у разных исследователей.
В SmartTrap анализ изображений, алгоритмы глубокого обучения, управляющая электроника и система микрофлюидики соединены в единый замкнутый контур. Платформа сама захватывает частицы, размещает их в пространстве с нанометровой точностью в трёх измерениях, проводит измерения и подаёт новые образцы. Во время тестов система сортировала и анализировала сотни частиц в час. Эксперименты по растяжению одиночных молекул ДНК выполнялись со скоростью около 10–15 в час. Кроме того, установка измеряла механическую жёсткость эритроцитов и строила карты сил электростатического взаимодействия между наночастицами при разных концентрациях соли.
Руководитель исследования Джованни Вольпе говорит, что по скорости и стабильности SmartTrap сопоставима с опытным оператором, а иногда и превосходит его. При этом система способна работать непрерывно без падения эффективности. Авторы подчёркивают, что платформа построена на открытом программном обеспечении и изначально задумывалась как масштабируемое решение для лабораторий. По их замыслу, такие системы могут помочь перейти к непрерывным автоматизированным экспериментам.
Ключевые факты
Исследователи из Университета Гётеборга и Технологического университета Чалмерса разработали систему SmartTrap, которая с помощью машинного зрения и глубокого обучения полностью автономно управляет оптическими пинцетами; работа опубликована в журнале Nature Methods.
SmartTrap объединяет анализ изображений, алгоритмы глубокого обучения, управляющую электронику и микрофлюидику в замкнутый контур, позволяя ИИ захватывать частицы и позиционировать их с нанометровой точностью в трёх измерениях без участия оператора.
В тестах система сортировала и анализировала сотни частиц в час и выполняла эксперименты по растяжению молекул ДНК со скоростью около 10–15 экспериментов в час.
Оптические пинцеты используют сфокусированные лазерные лучи для удержания и перемещения частиц; за развитие этой технологии Артур Ашкин получил Нобелевскую премию по физике в 2018 году.