10.000x Lebih Cepat: AI Menemukan Teknik Mikroskopi Baru dalam Waktu Tersingkat
XLuminA, sebuah kerangka kerja AI, meningkatkan mikroskop resolusi super dengan mengeksplorasi konfigurasi optik yang luas, menemukan kembali teknik yang sudah ada, dan menciptakan desain eksperimental yang unggul.
Menemukan teknik mikroskop resolusi super baru seringkali membutuhkan kerja keras bertahun-tahun dari para peneliti manusia. Tantangannya terletak pada banyaknya kemungkinan konfigurasi optik dalam mikroskop, seperti menentukan penempatan cermin, lensa, dan komponen lainnya yang optimal.
Untuk mengatasi hal ini, para ilmuwan di Institut Max Planck untuk Ilmu Cahaya (MPL) telah mengembangkan kecerdasan buatan Kerangka kerja (AI) yang disebut XluminA. Sistem ini secara mandiri mengeksplorasi dan mengoptimalkan desain eksperimental dalam mikroskop, melakukan penghitungan 10.000 kali lebih cepat dibandingkan metode tradisional. Karya inovatif tim ini baru-baru ini diterbitkan di Komunikasi Alam.
Revolusi Mikroskopi: Kebangkitan Teknik Resolusi Super
Mikroskop optik adalah landasan ilmu biologi, memungkinkan para peneliti mempelajari struktur terkecil kehidupan seluler. Kemajuan dalam metode resolusi super (SR) telah melampaui batas difraksi cahaya klasik, sekitar 250 nm, sehingga memungkinkan para ilmuwan untuk melihat detail seluler yang sebelumnya tidak dapat dipecahkan. Secara tradisional, pengembangan teknik mikroskop baru mengandalkan keahlian, intuisi, dan kreativitas manusia—sebuah tantangan yang berat mengingat banyaknya kemungkinan konfigurasi optik.
Misalnya, pengaturan optik dengan hanya 10 elemen yang dipilih dari 5 komponen berbeda, seperti cermin, lensa, atau pemecah sinar, dapat menghasilkan lebih dari 100 juta konfigurasi unik. Kompleksitas desain ruang angkasa ini menunjukkan bahwa banyak teknik menjanjikan yang mungkin masih belum ditemukan, sehingga membuat eksplorasi yang dilakukan oleh manusia semakin sulit. Di sinilah metode berbasis AI menawarkan keuntungan yang kuat, memungkinkan eksplorasi kemungkinan-kemungkinan ini secara cepat dan tidak memihak.
“Eksperimen adalah jendela kita menuju alam semesta, baik skala besar maupun kecil. Mengingat banyaknya kemungkinan konfigurasi eksperimental, patut dipertanyakan apakah peneliti manusia telah menemukan semua pengaturan yang luar biasa. Di sinilah kecerdasan buatan dapat membantu,” jelas Mario Krenn, kepala Lab Ilmuwan Buatan di MPL.
Peran AI dalam Menemukan Konfigurasi Optik Baru
Untuk mengatasi tantangan ini, para ilmuwan dari Lab Ilmuwan Buatan bekerja sama dengan Leonhard Möckl, pakar domain dalam mikroskop resolusi super dan kepala kelompok penelitian Glikosains Fisik di MPL. Bersama-sama, mereka mengembangkan XluminA, kerangka kerja sumber terbuka efisien yang dirancang dengan tujuan akhir menemukan prinsip desain optik baru.
Para peneliti memanfaatkan kemampuannya dengan fokus khusus pada mikroskop SR. XluminA beroperasi sebagai simulator optik berbasis AI yang dapat menjelajahi seluruh ruang konfigurasi optik secara otomatis. Yang membedakan XluminA adalah efisiensinya: ia memanfaatkan teknik komputasi canggih untuk mengevaluasi potensi desain 10.000 kali lebih cepat dibandingkan metode komputasi tradisional.
“XLuminA adalah langkah pertama untuk menyatukan penemuan yang dibantu AI dan mikroskop resolusi super. Mikroskop resolusi super telah memberikan wawasan revolusioner terhadap proses fundamental dalam biologi sel selama beberapa dekade terakhir – dan dengan XluminA, saya yakin bahwa kisah kesuksesan ini akan dipercepat, menghadirkan desain baru dengan kemampuan yang belum pernah terjadi sebelumnya,” tambah Leonhard Möckl, kepala dari kelompok Glikosains Fisik di MPL.
XluminA: Terobosan dalam Simulasi Optik
Penulis pertama karya tersebut, Carla Rodríguez, bersama dengan anggota tim lainnya, memvalidasi pendekatan mereka dengan menunjukkan bahwa XLuminA dapat secara mandiri menemukan kembali tiga teknik mikroskop dasar. Dimulai dengan konfigurasi optik sederhana, kerangka tersebut berhasil menemukan kembali sistem yang digunakan untuk pembesaran gambar.
Para peneliti kemudian mengatasi tantangan yang lebih kompleks, berhasil menemukan kembali mikroskop STED (stimulated Emission Depletion) pemenang Hadiah Nobel dan metode untuk mencapai SR menggunakan pusaran optik.
Terakhir, para peneliti mendemonstrasikan kemampuan XluminA untuk penemuan sejati. Para peneliti meminta kerangka kerja untuk menemukan desain SR terbaik mengingat elemen optik yang tersedia. Kerangka kerja ini secara independen menemukan cara untuk mengintegrasikan prinsip-prinsip fisik yang mendasari teknik SR yang disebutkan di atas (mikroskop STED dan metode pusaran optik) ke dalam satu cetak biru eksperimental yang belum pernah dilaporkan sebelumnya. Performa desain ini melebihi kemampuan masing-masing teknik SR.
“Saat saya melihat desain optik pertama yang ditemukan XluminA, saya tahu kami telah berhasil mengubah ide menarik menjadi kenyataan. XluminA membuka jalan untuk menjelajahi wilayah baru dalam mikroskop, mencapai kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam desain optik otomatis. Saya sangat bangga dengan pekerjaan kami, terutama ketika memikirkan bagaimana XluminA dapat membantu meningkatkan pemahaman kita tentang dunia. Masa depan penemuan ilmiah otomatis di bidang optik sungguh menarik!” kata Carla Rodríguez, penulis utama studi dan pengembang utama XluminA.
Memperluas Kemampuan Mikroskopi Melalui AI
Sifat modular dari kerangka ini memungkinkannya untuk dengan mudah diadaptasi untuk berbagai jenis teknik mikroskop dan pencitraan. Ke depan, tim ini bertujuan untuk memasukkan interaksi nonlinier, hamburan cahaya, dan informasi waktu yang memungkinkan simulasi sistem seperti iSCAT (mikroskop hamburan interferometri), iluminasi terstruktur, dan mikroskop lokalisasi, dan banyak lainnya. Kerangka kerja ini dapat digunakan oleh kelompok penelitian lain dan disesuaikan dengan kebutuhan mereka, yang akan memberikan keuntungan besar bagi kolaborasi penelitian interdisipliner.
Referensi: “Penemuan otomatis desain eksperimental dalam mikroskop resolusi super dengan XLuminA” oleh Carla Rodríguez, Sören Arlt, Leonhard Möckl dan Mario Krenn, 10 Desember 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-54696-y
