三维X射线显微镜（显微CT）与人工智能结合解读历史谜团
发布日期：2024-04-28 14:47:00

以下文章来源于布鲁克X射线部门



据Nature的这篇报道，一个由三名学生组成的研究团队利用人工智能技术成功解读了2000年前维苏威火山爆发时被掩埋的赫库兰尼姆卷轴上的内容(见下图)。这次研究首次揭露了一篇讨论感官和愉悦的未知古希腊哲学作品，标志着运用AI技术解读古代文献新时代的开始，这可能对我们理解古代世界带来重大影响。

点击链接查看原文：http://www.nature.com/articles/d41586-024-00346-8



▲2000年来首次读出的赫库兰尼姆古卷中的文字[1]

这篇报道是近期关于AI技术众多报道中并不显眼的一篇，我们可能还在感慨ChatGPT4在自然语言处理方面的强大，在讨论Sora生成的视频如何逼真，而在科研领域AI已经成为一种强大的工具，并且可以与其他先进的技术相结合，帮我们打开“死结”，将过去的不可能变成可能。


我第一次听说碳化古卷，是2016年在布鲁克举办的显微CT全球用户会上。来自美国的Seth Parker介绍了他们团队新颖的工作，使用显微CT和虚拟展开技术，将可追溯到公元600年的碳化古卷展开，并根据CT图像的衬度信息提取卷轴中的文字。这也是三维X射线显微镜与虚拟展开技术的第一次联手，成功识别了碳化卷轴上的文字，并经研究人员解读判断为《摩西五经》，希伯来圣经的经典之一。


▲左图为研究人员将卷轴放入SkyScan1173中准备扫描。中图为碳化卷轴，右图为虚拟展开后的卷轴CT图像[2]


在此之前，这项工作只能依靠精细的手工，利用特殊的机器，让卷轴缓慢打开，而第一个卷轴的展开就花费了大约4年的时间。更为挑战的是，这样的展开无法重复，如果失败，就会对样品造成无法挽救的破坏。所以， 19世纪以来，考古研究者们停止了对碳化古卷的打开。直到大视野高分辨率的显微CT出现在人们的视野，取代了人工和特制的机器，提供了无损揭开卷轴的技术。鉴此，Seales教授团队与布鲁克展开了深入的合作，利用布鲁克的高分辨率三维X射线显微镜，重启了古卷展开的研究工作，也就有了前文Parker介绍的创新性的成果，他们的研究成果也发表在了Science上。
布鲁克SkyScan高分辨率CT和虚拟展开技术结合的成功，使得古卷研究者们野心勃勃。但是当他们将这种方法直接用于赫库兰尼姆古卷内容的读取时，却遇到了新的困难。赫库兰尼姆古卷是使用碳制墨水在由埃及出产的纸莎草纸上的，碳墨水与纸张的成分接近，对X射线的吸收系数接近，无法根据CT图像的称度信息直接读取纸卷上的内容。

▲碳化的赫库兰尼姆卷轴，图片来源：维苏威火山挑战赛

然而，此时正逢深度学习、人工智能的热浪席卷全球，计算机算力的提高，高效的神经网络模型的提出，再一次让Seales教授的团队看到了解决问题的希望，他们可以利用前人留下的卷轴碎片，结合深度学习方法，从X射线CT图像中读取看不见的信息。 

▲图片来源：维苏威火山挑战赛


方法有了，但是问题的解决并非一蹴而就。2023年3月，Seales 与硅谷投资者 Nat Friedman（发起人和赞助商）、Daniel Gross（赞助商）和 JP Posma（项目负责人）一起，在证明人工智能可以成功解析碳化卷轴信息后，发起了一场解读碳化卷轴的全球竞赛-维苏威火山挑战赛。

▲Seales和Friedman维苏威火山挑战赛的发起人，赞助人之一。[3]

维苏威火山挑战赛设有多个奖项，奖金总计100万美元，其中大奖奖金70万美元，要求在2023年12月31日前解读出两卷赫库兰尼姆卷轴中至少4个单独的段落，并且每个段落至少包含140个连续字符，每段中缺失或无法辨认的字符不超过15%。来自柏林的Youssef Nader（一名埃及生物机器人研究生），他领导的团队（包括SpaceX 实习生、内布拉斯加州的大学生Luke Farritor和来自苏黎世的机器方向大学生Julian Schilliger)在众多竞争者中脱颖而出，获得了大奖，团队分享了70万美元的奖金。
生活在人工智能快速发展的今天，我们何其有幸，善用这个强大的工具可以事半功倍。不过使用人工智能不能是“练仙丹”，原料喂进去，产出随天意。要想得到可靠的结果，需要使用人员具备足够的辨别能力，还需要强大的科学仪器提供可靠的数据，比如，Seales教授团队选择的布鲁克公司的高分辨率三维X射线显微镜。

注：

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

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

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