ENG: Scientists and engineers are constantly developing new materials with unique properties that can be used for 3D printing, but figuring out how to print with these materials can be a complex, costly conundrum. Often, an expert operator must use manual trial-and-error — possibly making thousands of prints — to determine ideal parameters that consistently print a new material effectively. These parameters include printing speed and how much material the printer deposits.

MIT researchers have now used artificial intelligence to streamline this procedure. They developed a machine-learning system that uses computer vision to watch the manufacturing process and then correct errors in how it handles the material in real-time. They used simulations to teach a neural network how to adjust printing parameters to minimize error, and then applied that controller to a real 3D printer. Their system printed objects more accurately than all the other 3D printing controllers they compared it to.

The work avoids the prohibitively expensive process of printing thousands or millions of real objects to train the neural network. And it could enable engineers to more easily incorporate novel materials into their prints, which could help them develop objects with special electrical or chemical properties. It could also help technicians make adjustments to the printing process on-the-fly if material or environmental conditions change unexpectedly.

RO: Oamenii de știință și inginerii dezvoltă în mod constant noi materiale cu proprietăți unice care pot fi utilizate pentru imprimarea 3D, dar descoperirea modului de imprimare cu acestea poate fi o enigmă complexă și costisitoare. Adesea, un operator expert trebuie să folosească metoda manuală de încercare și eroare – eventual făcând mii de imprimări – pentru a determina parametrii ideali care imprimă în mod constant și eficient un nou material. Acești parametri includ viteza de imprimare și cantitatea de material pe care imprimanta o depune.

Cercetătorii MIT au folosit inteligența artificială pentru a simplifica această procedură. Aceștia au dezvoltat un sistem de învățare automată care utilizează viziunea computerizată pentru a urmări procesul de producție și apoi pentru a corecta erorile în modul în care manipulează materialul în timp real. Aceștia au folosit simulări pentru a învăța o rețea neuronală cum să ajusteze parametrii de imprimare pentru a minimiza erorile, iar apoi au aplicat acest controler la o imprimantă 3D reală. Sistemul lor a imprimat obiecte mai precis decât toate celelalte controlere de imprimare 3D cu care l-au comparat.

Lucrarea evită procesul prohibitiv de costisitor de imprimare a mii sau milioane de obiecte reale pentru a antrena rețeaua neuronală. De asemenea, ar putea permite inginerilor să încorporeze mai ușor materiale noi în tipăriturile lor, ceea ce i-ar putea ajuta să dezvolte obiecte cu proprietăți electrice sau chimice speciale. De asemenea, ar putea ajuta tehnicienii să facă ajustări ale procesului de tipărire din mers, în cazul în care materialul sau condițiile de mediu se schimbă în mod neașteptat.

Source (MIT News, Adama Zewe, “Using artificial intelligence to control digital manufacturing”, 02.08.2022)

Paper: Piovarci, M., Foshey, M., Xu, J., Erps, T., Babaei, V., Didyk, P., … & Bickel, B. (2022). Closed-Loop Control of Direct Ink Writing via Reinforcement Learning. arXiv preprint arXiv:2201.11819.

ENG: Researchers have created a mathematical model to predict genetic resistance to antimalarial drugs in Africa to manage one of the biggest threats to global malarial control. Malaria is a life-threatening disease caused by parasites and spread to humans through infected mosquitos. It is preventable and curable, yet resistance to current antimalarial drugs is causing avoidable loss of life. The World Health Organisation estimated there were 241 million cases of malaria worldwide in 2020, with more than 600,000 deaths.

In research published in PLOS Computational Biology, an international research team used data from the WorldWide Antimalarial Resistance Network (WWARN), a global, scientifically independent collaboration, to map the prevalence of genetic markers that indicate resistance to Plasmodium falciparum – the parasite that causes malaria. Lead author Associate Professor Jennifer Flegg from the University of Melbourne said malaria has devastating impacts on lower-income countries and effective treatment is key to elimination.

“The antimalarial drug sulfadoxine-pyrimethamine (SP) is commonly used in various preventative malaria treatment programs in Africa, particularly for infants, young children and during pregnancy. But we know its efficacy as a treatment is threatened in areas where resistance to SP is high,” Associate Professor Flegg said. “The statistical mapping tool we have developed is critical for health organisations to understand the spread of antimalarial resistance. The model takes in the data that is available and fills in the gaps by making continuous predictions in space and time. Health agencies can use this tool to understand when and where SP is appropriate to use as part preventive malaria treatments and where other antimalarial methods may need to be explored.”

Professor Karen Barnes, Head of WWARN Pharmacology and Elimination, said there is a rapidly increasing need for malaria chemoprevention (drugs that prevent malaria infections), but there are limited treatment options available. Professor Feiko ter Kuile, Head of WWARN’s Malaria in Pregnancy Scientific Group, said the updated model of SP resistance in Africa was long overdue.

RO: Cercetătorii au creat un model matematic pentru a prezice rezistența genetică la medicamentele antimalarice (antipaludice) în Africa, pentru a gestiona una dintre cele mai mari amenințări la adresa controlului global al malariei. Malaria este o boală care pune în pericol viața, este cauzată de paraziți și transmisă la oameni prin intermediul țânțarilor infectați. Ea poate fi prevenită și vindecată, însă rezistența la medicamentele antimalarie actuale provoacă pierderi de vieți care pot fi evitate. Organizația Mondială a Sănătății a estimat că în 2020 au existat 241 de milioane de cazuri de malarie la nivel mondial, cu peste 600.000 de decese.

În cercetarea publicată în PLOS Computational Biology, o echipă internațională de cercetători a utilizat date de la WorldWide Antimalarial Resistance Network (WWARN), o colaborare globală, independentă din punct de vedere științific, pentru a cartografia prevalența markerilor genetici care indică rezistența la Plasmodium falciparum – parazitul care provoacă malaria. Autorul principal, profesorul asociat Jennifer Flegg de la Universitatea din Melbourne, a declarat că malaria are un impact devastator asupra țărilor cu venituri mici, iar un tratament eficient este esențial pentru eliminare.

“Medicamentul antimalarie sulfadoxină-pirimetamină (SP) este utilizat în mod obișnuit în diverse programe de tratament preventiv al malariei în Africa, în special pentru sugari, copii mici și în timpul sarcinii. Dar știm că eficacitatea sa ca tratament este amenințată în zonele în care rezistența la SP este ridicată”, a declarat profesorul asociat Flegg. “Instrumentul de cartografiere statistică pe care l-am dezvoltat este esențial pentru ca organizațiile de sănătate să înțeleagă răspândirea rezistenței la medicamente antimalarie. Modelul preia datele disponibile și completează lacunele făcând predicții continue în spațiu și timp. Agențiile de sănătate pot utiliza acest instrument pentru a înțelege când și unde este oportună utilizarea SP ca parte a tratamentelor preventive împotriva malariei și unde ar putea fi necesară explorarea altor metode antimalarice.”

Profesorul Karen Barnes, șeful WWARN Farmacologie și Eliminare, a declarat că există o creștere rapidă a nevoii de chimioprevenție a malariei (medicamente care previn infecțiile cu malarie), dar există opțiuni limitate de tratament disponibile. Profesorul Feiko ter Kuile, șeful Grupului Științific pentru Malaria în Timpul Sarcinii din cadrul WWARN, a declarat că modelul actualizat al rezistenței la SP în Africa era așteptat de mult timp.

Source (The University of Melbourne News, “Using mathematical modelling to fight malaria”, 12.08.2022)

Paper: Flegg, J.A., Humphreys, G.S., Montanez, B., Strickland, T., Jacome-Meza, Z.J., Barnes, K.I., Raman, J., Guerin, P.J., Hopkins Sibley, C. and Dahlström Otienoburu, S., 2022. Spatiotemporal spread of Plasmodium falciparum mutations for resistance to sulfadoxine-pyrimethamine across Africa, 1990–2020. PLOS Computational Biology, 18(8), p.e1010317.

ENG: As satellites crawl across the sky, they reflect light from the sun back down to Earth, especially during the first few hours after sunset and the first few hours before sunrise. As more companies launch networks of satellites into low-Earth orbit, a clear view of the night sky is becoming rarer. Astronomers, in particular, are trying to find ways to adapt. With that in mind, a team of University of Arizona students and faculty completed a comprehensive study to track and characterize the brightness of satellites, using a ground-based sensor they developed to measure satellites’ brightness, speed and paths through the sky. Their work could be helpful for astronomers, who, if notified of incoming bright satellites, could close the shutters of their telescope-mounted cameras to prevent light trails from tainting their long-exposure astronomical images. The research team was led by professor of planetary sciences Vishnu Reddy, who also co-leads – with study co-author and professor of systems and industrial engineering Roberto Furfaro – the university’s Space Domain Awareness lab, which tracks and characterizes all kinds of objects orbiting Earth and the moon.

Grace Halferty, a senior graduating this summer with a bachelor’s degree in aerospace and mechanical engineering, is the lead author of the study, which is published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. The study details how the team created a satellite tracking device to measure the brightness and position of SpaceX Starlink satellites and compared those observations to government satellite tracking data from the Space Track Catalog database. The team made 353 measurements of 61 satellites over two years and found that the position of Starlink satellites as recorded in the government’s Space Track Catalog only differed by an average of 0.3 arc seconds from the UArizona calculations. An arc second on the sky is about the size of a dime held 2.5 miles away. The tiny difference is probably due to natural lag times in the government data, Reddy said. Because that data is based on estimated orbits calculated hours earlier, rather than on real-time observations, positioning errors can build up.

SpaceX has deployed a few different methods to darken its Starlink satellites. For example, VisorSat satellites rely on a shade to block additional sunlight, making them 1.6 times fainter. DarkSat satellites, on the other hand, rely on an anti-reflective coating that makes them 4.8 times fainter. However, DarkSats got too hot, so SpaceX moved away from that specific method. Since August 2021, all Starlink satellites are VisorSats. In July, SpaceX announced new strategies. One involves mirrors that reflect sunlight away from Earth and another involves using darker building materials. Reddy’s team plans to study how effective these methods are at reducing sunlight reflection back to Earth.

RO: Pe măsură ce sateliții navighează pe cer, ei reflectă lumina soarelui înapoi pe Pământ, în special în primele ore după apusul soarelui și în primele ore înainte de răsărit. Pe măsură ce tot mai multe companii lansează rețele de sateliți pe orbita joasă a Pământului, o vedere clară a cerului pe timp de noapte devine din ce în ce mai rară. Astronomii încearcă să găsească modalități de adaptare. Având în vedere acest lucru, o echipă de studenți și profesori de la Universitatea din Arizona a finalizat un studiu cuprinzător pentru a urmări și caracteriza luminozitatea sateliților, folosind un senzor la sol pe care l-au dezvoltat pentru a măsura luminozitatea, viteza și traiectoria sateliților pe cer. Munca lor ar putea fi utilă pentru astronomi, care, dacă sunt anunțați de sosirea unor sateliți luminoși, ar putea închide obturatorul camerelor montate pe telescoape pentru a preveni ca dârele de lumină să le afecteze imaginile astronomice cu expunere lungă. Echipa de cercetare a fost condusă de profesorul de științe planetare Vishnu Reddy, care, de asemenea, conduce – împreună cu coautorul studiului și profesorul de sisteme și inginerie industrială Roberto Furfaro – laboratorul Space Domain Awareness al universității, care urmărește și caracterizează toate tipurile de obiecte care orbitează în jurul Pământului și al Lunii.

Grace Halferty, absolventă în această vară cu o diplomă de licență în inginerie aerospațială și mecanică, este autorul principal al studiului, care este publicat în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Studiul detaliază modul în care echipa a creat un dispozitiv de urmărire a sateliților pentru a măsura luminozitatea și poziția sateliților SpaceX Starlink și a comparat aceste observații cu datele guvernamentale de urmărire a sateliților din baza de date Space Track Catalog. Echipa a efectuat 353 de măsurători a 61 de sateliți pe parcursul a doi ani și a constatat că poziția sateliților Starlink, așa cum este înregistrată în Catalogul de urmărire spațială al guvernului, diferă în medie doar cu 0,3 secunde de arc față de calculele Universității din Arizona. O secundă de arc pe cer este aproximativ de mărimea unei monede de 10 cenți ținută la 3,5 km distanță. Diferența minusculă se datorează probabil decalajelor naturale din datele guvernamentale, a declarat Reddy. Deoarece aceste date se bazează pe orbite estimate calculate cu câteva ore înainte, mai degrabă decât pe observații în timp real, se pot acumula erori de poziționare.

SpaceX a implementat câteva metode diferite pentru a-și întuneca sateliții Starlink. De exemplu, sateliții VisorSat se bazează pe un strat special întunecat pentru a bloca lumina solară suplimentară, ceea ce îi reduce luminozitatea de 1,6 ori. Sateliții DarkSat se bazează pe un strat anti-reflexie care îi face de 4,8 ori mai slab luminoși. Cu toate acestea, aceștia s-au încălzit prea tare, așa că SpaceX a renunțat la această metodă. Din august 2021, toți sateliții Starlink sunt VisorSat. În iulie, SpaceX a anunțat noi strategii. Una dintre ele implică oglinzi care reflectă lumina solară departe de Pământ, iar alta presupune utilizarea unor materiale de construcție mai întunecate. Echipa lui Reddy plănuiește să studieze cât de eficiente sunt aceste metode pentru a reduce reflectarea luminii solare înapoi pe Pământ.

Source (The University of Arizona News, “As reflective satellites fill the skies, UArizona students are making sure astronomers can adapt”, 02.08.2022)

Paper: Halferty, G., Reddy, V., Campbell, T., Battle, A. and Furfaro, R., 2022. Photometric characterization and trajectory accuracy of Starlink satellites: implications for ground-based astronomical surveys. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

ENG: During the COVID-19 pandemic, online video conferencing has been a useful tool for industry, education, and social interactions. However, it has also been associated with poor mental well-being, poor communication, and fatigue. To help overcome the challenges of online video meetings, Hills developed VMS (Video Meeting Signals), a set of simple physical gestures that can be used alongside verbal communication during a video meeting. The gestures, including two thumbs up to signal agreement or a hand over the heart to show sympathy, are meant to improve experiences by serving a similar function as subtle face-to-face signals, such as raised eyebrows, while being more visible in a small video setting.

To investigate the potential of VMS, Hills and colleagues first tested it among more than 100 undergraduate students. After half were trained on the technique, the students participated in two video-based seminars in groups of about 10 students each, before answering a survey about their experience. Analysis of the survey results showed that, compared to students without VMS training, those with VMS training reported a better personal experience, better feelings about their seminar group, and better learning outcomes. Analysis of seminar transcripts also suggested that students with VMS training were more likely to use positive language. Similar results were seen in a follow-up experiment with participants who were not students. This experiment also suggested that participants trained to use emojis instead of VMS gestures did not experience the same improved experience as participants with VMS training.

RO: În timpul pandemiei COVID-19, videoconferințele online au fost un instrument util pentru industrie, educație și interacțiuni sociale. Cu toate acestea, au fost asociate și cu o bunăstare mentală precară, comunicare deficitară și oboseală. Pentru a ajuta la depășirea provocărilor întâlnirilor video online, Hills a dezvoltat VMS (Video Meeting Signals, semnale de întâlnire video), un set de gesturi fizice simple care pot fi folosite alături de comunicarea verbală în timpul unei întâlniri video. Gesturile, care includ două degete mari pentru a semnala acordul sau o mână peste inimă pentru a arăta simpatia, sunt menite să îmbunătățească experiențele prin faptul că îndeplinesc o funcție similară cu semnalele subtile față în față, cum ar fi sprâncenele ridicate, fiind în același timp mai vizibile într-un cadru video de dimensiuni reduse.

Pentru a investiga potențialul VMS, Hills și colegii săi l-au testat mai întâi în rândul a peste 100 de studenți. După ce jumătate dintre ei au fost instruiți cu privire la această tehnică, aceștia au participat la două seminarii online în grupuri de aproximativ 10 persoane, înainte de a răspunde la un sondaj despre experiența lor. Analiza rezultatelor a arătat că studenții care au fost instruiți cu VMS au raportat o experiență personală mai bună, sentimente mai bune față de grupul lor de studiu și rezultate mai bune la învățare. Analiza transcrierilor din seminar a sugerat că studenții cu formare VMS au fost mai predispuși să folosească un limbaj pozitiv. Rezultate similare au fost observate într-un experiment cu participanți care nu erau studenți. Acesta a sugerat că participanții instruiți să folosească emoji în locul gesturilor VMS nu au experimentat aceeași experiență îmbunătățită ca și participanții cu instruire VMS.

Source (PLOS. “Gesture-based communication techniques may ease video meeting challenges: Simple set of gestures may beat emojis to communicate in video meetings.” ScienceDaily. ScienceDaily, 3 August 2022.)

Paper: Paul D. Hills, Mackenzie V. Q. Clavin, Miles R. A. Tufft, Matthias S. Gobel, Daniel C. Richardson. Video meeting signals: Experimental evidence for a technique to improve the experience of video conferencing. PLOS ONE, 2022; 17 (8): e0270399 DOI: 10.1371/journal.pone.0270399

ENG: Image sensors measure light intensity, but angle, spectrum, and other aspects of light must also be extracted to significantly advance machine vision. In Applied Physics Letters, published by AIP Publishing, researchers at the University of Wisconsin-Madison, Washington University in St. Louis, and OmniVision Technologies highlight the latest nanostructured components integrated on image sensor chips that are most likely to make the biggest impact in multimodal imaging. The developments could enable autonomous vehicles to see around corners instead of just a straight line, biomedical imaging to detect abnormalities at different tissue depths, and telescopes to see through interstellar dust.

Image sensors, which converts light into electrical signals, are composed of millions of pixels on a single chip. The challenge is how to combine and miniaturize multifunctional components as part of the sensor. In their own work, the researchers detailed a promising approach to detect multiple-band spectra by fabricating an on-chip spectrometer. They deposited photonic crystal filters made up of silicon directly on top of the pixels to create complex interactions between incident light and the sensor. The pixels beneath the films record the distribution of light energy, from which light spectral information can be inferred. The device – less than a hundredth of a square inch in size – is programmable to meet various dynamic ranges, resolution levels, and almost any spectral regime from visible to infrared.

The researchers built a component that detects angular information to measure depth and construct 3D shapes at subcellular scales. Their work was inspired by directional hearing sensors found in animals, like geckos, whose heads are too small to determine where sound is coming from in the same way humans and other animals can. Instead, they use coupled eardrums to measure the direction of sound within a size that is orders of magnitude smaller than the corresponding acoustic wavelength. Similarly, pairs of silicon nanowires were constructed as resonators to support optical resonance. The optical energy stored in two resonators is sensitive to the incident angle. The wire closest to the light sends the strongest current. By comparing the strongest and weakest currents from both wires, the angle of the incoming light waves can be determined. Millions of these nanowires can be placed on a 1-square-millimeter chip. The research could support advances in lensless cameras, augmented reality, and robotic vision.

RO: Senzorii de imagine măsoară intensitatea luminii, dar unghiul, spectrul și alte aspecte ale luminii trebuie, de asemenea, să fie extrase pentru a avansa semnificativ în domeniul vederii artificiale. În Applied Physics Letters, publicat de AIP Publishing, cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison, Universitatea Washington din St. Louis și OmniVision Technologies evidențiază cele mai recente componente nanostructurate integrate pe cipuri de senzori de imagine care pot să aibă cel mai mare impact în domeniul imagisticii multimodale. Aceste evoluții ar putea permite vehiculelor autonome să vadă pe după colțuri în loc să vadă doar în linie dreaptă, imagisticii biomedicale să detecteze anomalii la diferite adâncimi ale țesuturilor și telescoapelor să vadă prin praful interstelar.

Senzorii de imagine, care transformă lumina în semnale electrice, sunt compuși din milioane de pixeli pe un singur cip. Provocarea constă în modul de combinare și miniaturizare a componentelor multifuncționale ca parte a senzorului. În lucrarea lor, cercetătorii au detaliat o abordare promițătoare pentru detectarea spectrelor cu benzi multiple prin fabricarea unui spectrometru pe cip. Aceștia au depus filtre de cristale fotonice alcătuite din siliciu direct deasupra pixelilor pentru a crea interacțiuni complexe între lumina incidentă și senzor. Pixelii de sub filme înregistrează distribuția energiei luminoase, din care pot fi deduse informațiile spectrale ale luminii. Dispozitivul – cu o dimensiune de mai puțin de o sutime de centimetru pătrat – este programabil pentru a satisface diverse intervale dinamice, niveluri de rezoluție și aproape orice regim spectral de la vizibil la infraroșu.

Cercetătorii au construit o componentă care detectează informațiile unghiulare pentru a măsura adâncimea și a construi forme 3D la scări subcelulare. Munca lor a fost inspirată de senzorii auditivi direcționali găsiți la animale, cum ar fi șopârla Gecko, ale căror capete sunt prea mici pentru a determina de unde vine sunetul în același mod în care o pot face oamenii și alte animale. În schimb, ei folosesc timpanii cuplați pentru a măsura direcția sunetului într-o dimensiune care este cu câteva ordine de mărime mai mică decât lungimea de undă acustică corespunzătoare. În mod similar, perechi de nanofire de siliciu au fost construite ca rezonatoare pentru a susține rezonanța optică. Energia optică stocată în două rezonatoare este sensibilă la unghiul de incidență. Firul cel mai apropiat de lumină trimite cel mai puternic curent. Prin compararea celui mai puternic și a celui mai slab curent de la ambele fire, se poate determina unghiul undelor de lumină primite. Milioane de astfel de nanofire pot fi plasate pe un cip de 1 milimetru pătrat. Cercetarea ar putea sprijini progresele în domeniul camerelor fără lentile, al realității augmentate și al viziunii robotice.

Source (AIP Publishing, “Improving Image Sensors for Machine Vision”, 26.07.2022)

Paper: Qu, Y., Yi, S., Yang, L. and Yu, Z., 2022. Multimodal light-sensing pixel arrays. Applied Physics Letters, 121(4), p.040501.