Un nouveau robot-microscope ultrarapide pour rechercher la matière noire

Un collectif russo-italien de chercheurs de l'Université nationale de science et de technologies MISiS (Moscou) et de l'Institut national de physique nucléaire INFN (Naples) a mis au point une technologie simple et économiquement avantageuse permettant de décupler la vitesse de travail des microscopes automatisés dans différents domaines — de la physique nucléaire à la thérapie du cancer en passant par l'archéologie et la vulcanologie. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la prestigieuse revue Scientific Reports du groupe Nature.

La science moderne nécessite l'utilisation de systèmes de scannage à haute vitesse capables d'effectuer une analyse de haute précision de la structure des échantillons, ainsi que d'obtenir et de traiter de grands volumes d'information. C'est ce que permettent les microscopes automatisés de nouvelle génération — des robots dotés d'une mécanique et d'une optique de haute précision avec une caméra à haute vitesse. Ces microscopes fonctionnent plusieurs millions de fois plus rapidement qu'un microscopiste humain.

Mais les scientifiques cherchent un moyen de décupler la vitesse de travail des robots existants. Des microscopes plus sophistiqués seront indispensables, par exemple, dans les expériences liées à la recherche de la matière noire (ou matière sombre) où, au sens premier du terme, ils auront affaires à des dizaines de tonnes de couches émulsives de détecteurs qui captent les traces de différentes particules. Ce qu'on appelle la matière noire est une substance mystérieuse qui, selon l'hypothèse actuelle, représente une grande partie de la masse de la matière dans l'Univers. Les scientifiques estiment qu'en règle générale, chaque galaxie contient environ 8 à 10 fois plus de matière noire que de sa «cousine» visible, et que c'est cette matière noire qui maintient les étoiles en place et les empêche de «s'éparpiller».

«Dans notre étude, nous avons testé la technologie d'un scan optique entièrement automatisé d'échantillons minces, qui constituera la base de la nouvelle génération de microscopes automatisés. Nous avons analysé sa productivité et avons évalué la vitesse maximale du scan par rapport aux méthodes traditionnelles», a déclaré l'un des auteurs de l'étude, Andreï Alexandrov, collaborateur de l'université MISiS et de l'INFN.

«La technologie de vision mécanique permet aux microscopes d'identifier des objets en temps réel et de déterminer de manière autonome, de traiter leur image ou de se déplacer dans un autre endroit. Actuellement, pour le traitement d'un grand flux d'images (approximativement 2 gigabits par seconde avec chaque caméra), et pour accélérer les calculs intensifs, on utilise activement la technologie de calculs parallèles CUDA et les cartes graphiques GPU. Nous avons choisi de mettre au point une technologie d'inclinaison du plan focal de l'objectif», a indiqué Andreï Alexandrov.

D'après ce dernier, «l'efficacité et la précision de cette approche se sont avérées comparables aux méthodes traditionnelles, tandis que la vitesse de scan est proportionnelle au nombre de caméras installées, ce qui permet de parler d'un progrès significatif».

Par la suite, les chercheurs ont l'intention de créer et de tester un prototype fonctionnel de nouvelle génération utilisant leur technologie d'inclinaison du plan focal. La vitesse de tels microscopes, multipliée de 10 à 100 fois, permet d'accroître significativement la quantité de données traitées tout en réduisant la durée de leur analyse sans importants frais financiers, ainsi que d'élargir les limites d'application de la méthode des détecteurs d'émulsion.

«Les futures expériences scientifiques utilisant de tels détecteurs seront consacrées à la recherche de particules de matière noire, à l'étude de la physique des neutrinos, à celle de la fragmentation d'ions pour l'hydrothérapie du cancer, et à la protection des équipages de missions interplanétaires contre les rayons cosmiques», conclut Andreï Alexandrov.