С первого взгляда: ИИ расскажет историю каждой увиденной песчинки

Исследователи из Стэнфорда разработали инструмент на основе искусственного интеллекта, которому дали название SandAI («Песочный ИИ»). Новинка способна раскрыть историю кварцевых песчинок, которой уже сотни миллионов лет. С помощью SandAI исследователи могут с высокой точностью определить, какие воздействия сформировали песчинки: ветер, речной поток, морские волны или движения ледников.


Инструмент на базе ИИ уникальным образом открывает окно в прошлое для геологических и археологических исследований об эпохах и геологических средах, от которых осталось не так уж много свидетельств, включая окаменелости. Используемый в SandAI метод называется микротекстурным анализом, то есть анализом поверхности, масштабы которой измеряются в микрометрах.

Майкл Хэссон из Стэнфорда сказал, что ещё не тронутые человеком осадочные отложения фактически представляют собой «машину времени». Если знать, как их исследовать, можно понять, что было на поверхности Земли в том или ином месте даже сотни миллионов лет назад. SandAI добавляет ещё больше подробностей к такой информации.

Ранее микротекстурный анализ проводили вручную и на глаз, вооружившись увеличительными стёклами и микроскопами в попытках сделать выводы об истории песчинок. Современная наука подтвердила важность этого подхода. Произошедшее с песком оставляет характерные признаки. Например, песчинки, которые «путешествовали» дальше, часто становятся более округлыми, потому что их острые углы притупились; волны и ветер также оставляют характерные следы истирания.

Однако традиционный микротекстурный анализ весьма субъективен и отнимает много времени. А данные о нём рассредоточены по различным исследованиям. Новый инструмент с ИИ использует возможности машинного обучения для глубокого анализа изображений песчинок. С SandAI микротекстурный анализ становится быстрее и объективнее. Важно, что при этом рассматриваются отдельные песчинки вместо того, чтобы объединять сразу несколько в одну категорию.

Кстати, SandAI также может помочь экологам и полицейским экспертизой в расследованиях о незаконной добыче песка, то есть повысить прослеживаемость этого природного сырья. Следует добавить, что во всём мире песок является наиболее используемым ресурсом после воды и имеет решающее значение в строительной отрасли. Для таких материалов, как бетон, строительный раствор и некоторые штукатурки, для наилучшего сцепления адгезии и стабильности подходит наиболее шершавый и угловатый песок. Так что определять свойства и происхождение песка — дело важное и в практическом смысле тоже.

При создании SandAI использовали нейронную сеть, которая обучается аналогично человеческому мозгу, где правильные ответы укрепляют связи между искусственными нейронами, или узлами, в программе, позволяя компьютеру учиться на своих ошибках.
На основе данных со всего мира разработчики системы собрали сотни фотографий песчинок, сделанных под сканирующим электронным микроскопом. Так ИИ смог тренироваться на образцах песка из наиболее распространённых наземных сред: пески из рек и ручьёв; эоловые, то есть сформированные ветром из барханов и дюн; ледниковые и пляжные пески.

Инструмент SandAI проанализировал массив изображений, чтобы научиться предсказывать историю песчинок на основе особенностей, которые исследователи-люди, возможно, никогда не заметили бы. Как только SandAI достигла точности идентификации в 90%, исследователи представили модели новые образцы, которые ИИ ранее не видел.

С изображениями образцов, в том числе из юрского периода возрастом примерно 200 млн лет, SandAI показал хорошие результаты, правильно объяснив историю формирования песчинок. Затем исследователи предложили инструменту изображения из Норвегии, которые датируются более чем 600 млн лет. В то время ледяные щиты покрывали всю планету ещё до появления растений и животных.

SandAI выдал предположение, что древние песчинки сформировались и отложились как часть песчаной дюны, которую сдувало ветром, — и это соответствовало анализу, проведённому вручную. ИИ также не упустил вторичные признаки, которые указывали на ледниковый песок.

Для дальнейшей оценки исследователи прогнали через ИИ песчинки, принесённые ветром из Антарктиды, и подтвердили результативность системы, которая многое способна рассказать о песке — не хуже, чем человек, но гораздо быстрее.

Исследователи сделали SandAI доступным онлайн для любого пользователя. Они планируют продолжить его разработку на основе отзывов.