Μια μαθητική ιδέα από καθηγητές και μαθητές από τη Δράμα έφτασε μέχρι το Πανεπιστήμιο του Τέξας και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος με όχημα την αυτοματοποιημένη καταμέτρηση και αναγνώριση βακτηρίων με τη χρήση λέιζερ και Τεχνητής Νοημοσύνης (AI). Πρόκειται για μια μεγάλη διεθνή διάκριση με αφετηρία τη μαθητική κοινότητα και προορισμό την πρωτοπόρο έρευνα και τα μεγαλύτερα ερευνητικά ιδρύματα του κόσμου.
Η «ακτινογραφία» της ιδέας
Στα παραδοσιακά εργαστήρια, η αναγνώριση και η καταμέτρηση βακτηρίων απαιτεί συχνά από 24 έως και 72 ώρες. Οι επιστήμονες πρέπει να καλλιεργήσουν τα μικρόβια σε ειδικά πιάτα (τρυβλία Petri) ή να χρησιμοποιήσουν ακριβές χημικές αναλύσεις. Τι θα συνέβαινε όμως αν μπορούσαμε να «δούμε» και να μετρήσουμε τα βακτήρια μέσα σε λίγα μόλις δευτερόλεπτα, χρησιμοποιώντας απλά μια ακτίνα λέιζερ και την έξυπνη τεχνολογία των υπολογιστών;
Αυτό ακριβώς το επίτευγμα πέτυχε μια ξεχωριστή ερευνητική ομάδα από τη Δράμα. Ξεκινώντας ως μια εκπαιδευτική πρωτοβουλία STEM στο 1ο ΕΠΑΛ Δράμας, η ιδέα εξελίχθηκε σε ένα σύστημα υψηλής τεχνολογίας. Με τη συνεργασία του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Άρλινγκτον (UTA), η ομάδα δημιούργησε μια συσκευή χαμηλού κόστους που συνδυάζει τη Φυσική με την Τεχνητή Νοημοσύνη (AI).
Οι πρωταγωνιστές της έρευνας
Ερευνητική και εκπαιδευτική ομάδα:
- Σαχινίδης Συμεών (κεντρική φωτογραφία): Πυρηνικός Φυσικός, Καθηγητής 1ου ΕΠΑΛ Δράμας
- Βασίλης Αθήτσος: Τακτικός Καθηγητής Επιστήμης Υπολογιστών, UTA
- Σαλής Αναστάσιος: Μηχανολόγος, 1ο ΕΠΑΛ Δράμας
- Παναγιώτης Κοτζαμπάσης: Μηχανικός Η/Υ, 2ο ΕΠΑΛ Δράμας
Η μαθητική ομάδα (6 Μαθητές):
- Κιουρτίδου Άννα
- Λαπούσι Λάουρα
- Αραβίδου Γεωργία
- Κοσκερίδης Ραφαήλ
- Αβραμίδης Χρήστος
- Γκρέζια Μάριος
Διεθνής αναγνώριση
Η επιστημονική αυτή εργασία εγκρίθηκε και θα παρουσιαστεί επίσημα στο 8ο Διεθνές Επιστημονικό Συνέδριο στη Δράμα (9-12 Δεκεμβρίου). Παράλληλα, σχεδιάστηκε μια ειδική, φορητή εκδοχή της συσκευής για να προταθεί στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA).
Πώς λειτουργεί το σύστημα: Από το φως στην εικόνα
Το σύστημα χωρίζεται σε δύο βασικά στάδια: Το οπτικό σκέλος (που δημιουργεί την εικόνα) και το υπολογιστικό σκέλος (που αναλύει τα δεδομένα).
Στάδιο Α: Το οπτικό σκέλος (Λέιζερ και σκέδαση φωτός)
- Η ακτίνα λέιζερ: Χρησιμοποιείται ένα ασφαλές πράσινο λέιζερ. Το πράσινο φως αλληλεπιδρά πολύ πιο έντονα με τα μικροσκοπικά σωματίδια και τα βακτήρια σε σχέση με το κόκκινο φως, προσφέροντας καθαρότερη εικόνα
- Το πέρασμα του δείγματος: Το υγρό δείγμα (π.χ. νερό) περνά μέσα από έναν πολύ λεπτό σωλήνα. Όταν η ακτίνα λέιζερ συναντήσει ένα βακτήριο, το φως «σκενδάζεται» (σπάει και αλλάζει κατεύθυνση)
- Ομόκεντροι δακτύλιοι (Ολογράμματα): Επειδή το βακτήριο εκτρέπει το φως, πάνω στον ψηφιακό αισθητήρα της κάμερας σχηματίζονται χαρακτηριστικοί φωτεινοί και σκοτεινοί κύκλοι (δακτύλιοι). Αυτοί οι κύκλοι αποτελούν το μοναδικό «οπτικό αποτύπωμα» του κάθε μικροβίου
Η «γεωμετρία» των βακτηρίων
Κάθε είδος βακτηρίου αφήνει το δικό του αποτύπωμα ανάλογα με το σχήμα του:
- Ραβδόμορφα βακτήρια (όπως το γνωστό E. coli) δημιουργούν πιο επιμήκη και γραμμικά μοτίβα
- Σφαιρικά βακτήρια (όπως ο Σταφυλόκοκκος) δημιουργούν καθαρούς κυκλικούς δακτύλιους
Η Τεχνητή Νοημοσύνη αναλαμβάνει δράση
Μόλις η κάμερα καταγράψει τις εικόνες των δακτυλίων, το λογισμικό Τεχνητής Νοημοσύνης (AI) πιάνει δουλειά για να μετατρέψει το φως σε ακριβείς αριθμούς και ονόματα.
Στάδιο Β: Το υπολογιστικό σκέλος (AI και μηχανική μάθηση)
- Αυτόματη καταμέτρηση: Το σύστημα μετρά πόσα βακτήρια υπάρχουν στο υγρό μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα
- Αναγνώριση είδους: Αναλύοντας τη φωτεινότητα, τις άκρες και τη γεωμετρία των δακτυλίων, το μοντέλο AI αναγνωρίζει το είδος του βακτηρίου με πολύ υψηλή ακρίβεια (π.χ. αναγνώριση E. coli με βεβαιότητα 98.4%)
Η συμβολή του Πανεπιστημίου του Τέξας (UTA)
Με την καθοδήγηση του Καθηγητή Βασίλη Αθήτσου, χρησιμοποιήθηκαν προηγμένες τεχνικές υπολογιστικής όρασης:
- Καθαρισμός εικόνας: Απομόνωση του πράσινου καναλιού φωτός και αφαίρεση του «θορύβου» της εικόνας
- Έξυπνη κατάτμηση: Χρήση εξειδικευμένων μοντέλων (Cellpose) για τον ακριβή εντοπισμό των κυττάρων
- Υπολογισμός διαστάσεων: Ακριβής μέτρηση των δακτυλίων απευθείας από το κέντρο του κυττάρου για τον προσδιορισμό του μεγέθους του
Από τη Δράμα στο διάστημα και στο μέλλον της τεχνολογίας
Ταξίδι στο διάστημα με την ESA
Η πρόταση για τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) αφορά μια αυτόνομη, φορητή συσκευή που μπορεί να λειτουργεί σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας.
- Καθαρό νερό για τους αστροναύτες: Στους διαστημικούς σταθμούς, το νερό ανακυκλώνεται συνεχώς. Η συσκευή επιτρέπει τον άμεσο έλεγχο του νερού για βακτήρια χωρίς τη χρήση χημικών αντιδραστηρίων
- Ο ρόλος των μαθητών: Οι έξι μαθητές ανέλαβαν τη συναρμολόγηση της φορητής διάταξης STEM, την επίδειξη λήψης των αποτυπωμάτων σε πραγματικό χρόνο και την παρουσίαση της λειτουργίας του αλγορίθμου
Πού αλλού μπορεί να χρησιμοποιηθεί
- Ιατρική διαγνωστική: Ταχεία ανίχνευση μικροβίων σε βιολογικά υγρά απευθείας στο ιατρείο ή στο νοσοκομείο.
- Ασφάλεια τροφίμων και νερού: Επιτόπιος έλεγχος στις βιομηχανίες τροφίμων και στα δίκτυα ύδρευσης για την πρόληψη μολύνσεων.
Συμπέρασμα
Η συνεργασία των σχολείων της Δράμας με διεθνή ακαδημαϊκά ιδρύματα απέδειξε ότι η εκπαιδευτική ρομποτική STEM, όταν συνδυάζεται με το μεράκι και την επιστημονική καθοδήγηση, μπορεί να παράγει καινοτομία παγκοσμίου επιπέδου.