三維X射線顯微鏡（顯微CT）與人工智能結合解讀歷史謎團
發(fā)布日期：2024-04-28 14:47:00

以下文章來源于布魯克X射線部門



據(jù)Nature的這篇報道，一個由三名學生組成的研究團隊利用人工智能技術成功解讀了2000年前維蘇威火山爆發(fā)時被掩埋的赫庫蘭尼姆卷軸上的內(nèi)容(見下圖)。這次研究首次揭露了一篇討論感官和愉悅的未知古希臘哲學作品，標志著運用AI技術解讀古代文獻新時代的開始，這可能對我們理解古代世界帶來重大影響。

點擊鏈接查看原文：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00346-8



▲2000年來首次讀出的赫庫蘭尼姆古卷中的文字[1]

這篇報道是近期關于AI技術眾多報道中并不顯眼的一篇，我們可能還在感慨ChatGPT4在自然語言處理方面的強大，在討論Sora生成的視頻如何逼真，而在科研領域AI已經(jīng)成為一種強大的工具，并且可以與其他先進的技術相結合，幫我們打開“死結”，將過去的不可能變成可能。


我第一次聽說碳化古卷，是2016年在布魯克舉辦的顯微CT全球用戶會上。來自美國的Seth Parker介紹了他們團隊新穎的工作，使用顯微CT和虛擬展開技術，將可追溯到公元600年的碳化古卷展開，并根據(jù)CT圖像的襯度信息提取卷軸中的文字。這也是三維X射線顯微鏡與虛擬展開技術的第一次聯(lián)手，成功識別了碳化卷軸上的文字，并經(jīng)研究人員解讀判斷為《摩西五經(jīng)》，希伯來圣經(jīng)的經(jīng)典之一。


▲左圖為研究人員將卷軸放入SkyScan1173中準備掃描。中圖為碳化卷軸，右圖為虛擬展開后的卷軸CT圖像[2]


在此之前，這項工作只能依靠精細的手工，利用特殊的機器，讓卷軸緩慢打開，而第一個卷軸的展開就花費了大約4年的時間。更為挑戰(zhàn)的是，這樣的展開無法重復，如果失敗，就會對樣品造成無法挽救的破壞。所以， 19世紀以來，考古研究者們停止了對碳化古卷的打開。直到大視野高分辨率的顯微CT出現(xiàn)在人們的視野，取代了人工和特制的機器，提供了無損揭開卷軸的技術。鑒此，Seales教授團隊與布魯克展開了深入的合作，利用布魯克的高分辨率三維X射線顯微鏡，重啟了古卷展開的研究工作，也就有了前文Parker介紹的創(chuàng)新性的成果，他們的研究成果也發(fā)表在了Science上。
布魯克SkyScan高分辨率CT和虛擬展開技術結合的成功，使得古卷研究者們野心勃勃。但是當他們將這種方法直接用于赫庫蘭尼姆古卷內(nèi)容的讀取時，卻遇到了新的困難。赫庫蘭尼姆古卷是使用碳制墨水在由埃及出產(chǎn)的紙莎草紙上的，碳墨水與紙張的成分接近，對X射線的吸收系數(shù)接近，無法根據(jù)CT圖像的稱度信息直接讀取紙卷上的內(nèi)容。

▲碳化的赫庫蘭尼姆卷軸，圖片來源：維蘇威火山挑戰(zhàn)賽

然而，此時正逢深度學習、人工智能的熱浪席卷全球，計算機算力的提高，高效的神經(jīng)網(wǎng)絡模型的提出，再一次讓Seales教授的團隊看到了解決問題的希望，他們可以利用前人留下的卷軸碎片，結合深度學習方法，從X射線CT圖像中讀取看不見的信息。 

▲圖片來源：維蘇威火山挑戰(zhàn)賽


方法有了，但是問題的解決并非一蹴而就。2023年3月，Seales 與硅谷投資者 Nat Friedman（發(fā)起人和贊助商）、Daniel Gross（贊助商）和 JP Posma（項目負責人）一起，在證明人工智能可以成功解析碳化卷軸信息后，發(fā)起了一場解讀碳化卷軸的全球競賽-維蘇威火山挑戰(zhàn)賽。

▲Seales和Friedman維蘇威火山挑戰(zhàn)賽的發(fā)起人，贊助人之一。[3]

維蘇威火山挑戰(zhàn)賽設有多個獎項，獎金總計100萬美元，其中大獎獎金70萬美元，要求在2023年12月31日前解讀出兩卷赫庫蘭尼姆卷軸中至少4個單獨的段落，并且每個段落至少包含140個連續(xù)字符，每段中缺失或無法辨認的字符不超過15%。來自柏林的Youssef Nader（一名埃及生物機器人研究生），他領導的團隊（包括SpaceX 實習生、內(nèi)布拉斯加州的大學生Luke Farritor和來自蘇黎世的機器方向大學生Julian Schilliger)在眾多競爭者中脫穎而出，獲得了大獎，團隊分享了70萬美元的獎金。
生活在人工智能快速發(fā)展的今天，我們何其有幸，善用這個強大的工具可以事半功倍。不過使用人工智能不能是“練仙丹”，原料喂進去，產(chǎn)出隨天意。要想得到可靠的結果，需要使用人員具備足夠的辨別能力，還需要強大的科學儀器提供可靠的數(shù)據(jù)，比如，Seales教授團隊選擇的布魯克公司的高分辨率三維X射線顯微鏡。

注：

[1]https://uknow.uky.edu/research/grand-prize-discovery-made-2000-year-old-herculaneum-scrolls

[2]https://www2.cs.uky.edu/dri/herculaneum-papyrus-scrolls/

[3]https://zh-cn.futuroprossimo.it/2024/02/vesuvius-challenge-abbiamo-dei-vincitori-e-i-primi-testi-decifrati-dai-papiri/