In de afgelopen eeuwen hebben microscopen onze wereld grondig veranderd.
Ze toonden ons een minuscule wereld van objecten, leven en structuren,
te klein om te zien met het blote oog.
Ze dragen enorm bij aan de wetenschap en technologie.
Vandaag wil ik jullie laten kennismaken met een nieuw type microscoop,
een microscoop voor veranderingen.
Hij gebruikt geen optiek als een gewone microscoop
om kleine objecten groter te maken,
maar in plaats daarvan maakt hij gebruik van een videocamera en beeldverwerking
om ons de kleinste bewegingen en kleurveranderingen
in objecten en personen te tonen,
veranderingen die onmogelijk met het blote oog te zien zijn.
Hij toont ons de wereld op een geheel nieuwe manier.
Wat versta ik onder kleurverandering?
Onze huid verandert bijvoorbeeld zeer licht van kleur
wanneer het bloed er door stroomt.
Die verandering is ongelooflijk subtiel.
Daarom zie je bij andere mensen,
bijvoorbeeld de persoon die naast je zit,
hun huid of gezicht niet van kleur veranderen.
Op deze video van Steve lijkt het beeld statisch,
maar met onze nieuwe, speciale microscoop
zien we ineens een heel ander beeld.
Je ziet hier kleine veranderingen in de kleur van Steve's huid,
100X vergroot zodat ze zichtbaar worden.
We zien eigenlijk zijn polsslag.
We kunnen zien hoe snel Steve's hart klopt,
maar we kunnen ook zien hoe het bloed in zijn gezicht stroomt.
Zo kunnen we niet alleen de polsslag visualiseren,
maar ook onze hartslag registreren
en meten.
Dat gaat met gewone camera's en zonder de patiënten aan te raken.
Hier maten we de pols en hartslag van een neonataal kindje
uit een video die we maakten met een gewone DSLR camera,
en de hartslagmeting is zo nauwkeurig
als die van een een standaard-monitor in een ziekenhuis.
Het is niet eens nodig dat we de video zelf opnemen.
Het kan in wezen ook met andere video's.
Hier een korte clip van "Batman Begins",
gewoon om Christian Bale's pols te laten zien.
(Gelach)
Vermoedelijk draagt hij ook nog make-up
en de verlichting hier is een probleem,
maar toch kunnen we zijn polsslag registreren.
en hem heel goed laten zien.
Hoe doen we dat nu?
We analyseren de tijdsveranderingen in het opgenomen licht
van elke pixel in de video,
en dan versterken we die veranderingen.
Wij maken ze groter, zodat we ze kunnen zien.
Het lastige is dat die signalen,
de wijzigingen uiterst subtiel zijn,
dus moeten we ze heel zorgvuldig onderscheiden
van de ruis in de video.
Daarvoor gebruiken we een aantal slimme beeldverwerkingstechnieken
om de kleur van elke pixel in de video zeer nauwkeurig te meten,
en hoe die kleur verandert in de tijd.
En dan versterken we die veranderingen.
Wij maken ze groter om geïntensiveerde of versterkte video's te maken,
die ons die wijzigingen tonen.
Maar we kunnen niet alleen kleine kleurveranderingen laten zien,
maar ook kleine bewegingen,
omdat het licht dat in onze camera's wordt opgenomen
niet alleen verandert als de kleur van het object verandert,
maar ook als het object beweegt.
Dit is mijn dochter toen ze ongeveer twee maanden oud was.
Het is een video die ik ongeveer drie jaar geleden heb opgenomen.
Als nieuwe ouders willen we allemaal ervoor zorgen dat onze baby's gezond zijn,
dat ze ademen, dat ze leven.
Met een babymonitor
kon ik mijn dochter bekijken terwijl ze sliep.
Dit zie je met een standaard babymonitor.
Je kunt een slapende baby bekijken,
maar dat is het dan zowat.
Veel is er niet te zien.
Zou het niet beter, informatiever of nuttiger zijn,
als we in plaats daarvan dit konden zien.
Ik vergrootte de bewegingen 30 keer,
en kon toen duidelijk zien
dat mijn dochter leefde en ademde.
(Gelach)
Hier zie je het naast elkaar.
Op de bronvideo, de originele video,
is inderdaad niet veel te zien,
maar na het vergroten wordt de ademhaling veel zichtbaarder.
Het blijkt dat we nog veel andere verschijnselen
kunnen onthullen en vergroten met onze nieuwe bewegingsmicroscoop.
We kunnen zien hoe onze aders en slagaders pulseren in ons lichaam.
We kunnen zien dat onze ogen
voortdurend aan het wiebelen zijn.
Dat is mijn oog.
De video werd genomen vlak na de geboorte van mijn dochter.
Je kunt zien dat ik niet aan veel slaap toekwam. (Gelach)
Zelfs als iemand stil zit,
kunnen we een hoop informatie registreren
over zijn ademhaling, kleine gezichtsuitdrukkingen.
Misschien kunnen we deze bewegingen gebruiken
om ons iets te vertellen over onze gedachten en emoties.
We kunnen ook kleine mechanische bewegingen overdrijven,
zoals trillingen bij motoren.
Die kunnen ingenieurs helpen bij het opsporen
en diagnosticeren van machineproblemen...
...of zien hoe gebouwen en structuren
zwaaien in de wind en reageren op krachten.
Dat zijn allemaal dingen waarvan we al weten
hoe we ze op verschillende manieren moeten meten.
Het meten van deze bewegingen is echter één ding,
het zien van die bewegingen terwijl ze gebeuren
is heel iets anders.
Na de ontdekking van deze nieuwe technologie,
maakten we onze code online beschikbaar
zodat anderen ze konden gebruiken en ermee experimenteren.
Ze is zeer eenvoudig te gebruiken.
Je kan werken aan je eigen video's.
Onze medewerkers aan Quantum Research creëerden zelfs deze mooie website
waar je je video's kunt uploaden en ze online verwerken.
Zelfs als je geen ervaring hebt in informatica of programmeren,
kun je nog steeds heel eenvoudig experimenteren
met deze nieuwe microscoop.
Ik wil graag nog een paar voorbeelden laten zien
van wat anderen ermee hebben gedaan.
Deze video werd gemaakt door YouTube-gebruiker Tamez85.
Ik weet niet wie hij is,
maar hij, of zij, gebruikt onze code
om kleine buikbewegingen uit te vergroten tijdens de zwangerschap.
Het is een beetje griezelig.
(Gelach)
Mensen gebruikten het om pulserende aders in hun handen te vergroten.
En zonder proefdieren geen echte wetenschap.
Deze cavia heet Tiffany,
en deze YouTube-gebruiker beweert dat het het eerste knaagdier op Aarde is
dat ‘bewegingsuitvergroot’ is.
Je kan er ook kunst mee maken.
Een designstudente aan Yale zond mij deze video door.
Ze wilde zien of er enig verschil was
in de manier waarop haar klasgenoten bewogen.
Ze liet ze allemaal stilstaan en vergrootte dan hun bewegingen.
Het is alsof je stilstaande foto's tot leven ziet komen.
Het mooie met al die voorbeelden is
dat wij er niets mee te maken hadden.
Wij zorgden voor dit nieuwe instrument,
een nieuwe manier om naar de wereld te kijken,
en mensen vonden andere interessante,
nieuwe en creatieve manieren om het te gebruiken.
Maar dat is nog niet alles.
Met deze tool kunnen we niet alleen
op een nieuwe manier naar de wereld kijken.
Hij herdefinieert ook wat we kunnen doen
en verlegt de grenzen van wat we kunnen doen met camera's.
Als wetenschappers vroegen we ons af
welke andere vormen van fysische verschijnselen
kleine bewegingen produceren
die we met onze camera's kunnen meten.
Een dergelijk fenomeen is geluid.
Geluid is in principe een reeks
bewegende luchtdrukveranderingen.
Die drukgolven raken objecten en veroorzaken er kleine trillingen in,
dat is hoe we horen en geluid opnemen.
Maar het blijkt dat geluid ook visuele bewegingen produceert.
Niet zichtbaar voor ons,
maar wel voor een camera met de juiste beeldverwerking.
Hier twee voorbeelden.
Hier demonstreer ik mijn grote zangkwaliteiten.
(Zang)
(Gelach)
Ik nam een high-speed video van mijn keel op terwijl ik neuriede.
Op die video
is niet te veel te zien,
maar zodra we de bewegingen 100X vergroten,
kunnen we alle bewegingen
en rimpelingen in de nek zien die betrokken zijn
bij het produceren van het geluid.
Dat signaal zit in die video.
We weten ook dat zangers een wijnglas kunnen breken
als ze de juiste noot zingen.
Hier laten we een noot klinken
met de resonantiefrequentie van dat glas
door middel van een luidspreker ernaast.
Zodra we deze noot spelen en de bewegingen 250X vergroten,
kunnen we heel duidelijk zien hoe het glas trilt
en resoneert.
Geen alledaags gezicht.
De demo staat buiten klaar,
ga er eens kijken,
en speel er zelf eens mee, dan zie je het live.
Dit zette ons aan het denken. Het gaf ons dit gekke idee.
Kunnen we dit proces omkeren
en het geluid uit de video reconstrueren
door het analyseren van de kleine trillingen
die geluidsgolven creëren in objecten,
en die terug omzetten naar de geluiden die ze zelf hebben geproduceerd.
Zo kunnen we van alledaagse voorwerpen microfoons maken.
Dat is precies wat we deden.
Hier een lege zak chips op een tafel.
Daar maken wij een microfoon van
door hem te filmen met een videocamera
en de kleine bewegingen die geluidsgolven erin creëren te analyseren.
Hier is het geluid dat we speelden in de kamer.
(Muziek: "Mary Had a Little Lamb")
Deze high-speedvideo namen we op van die zak chips.
De video speelt opnieuw,
maar je ziet helemaal niets gebeuren
door ernaar te kijken.
Maar hier is het geluid dat we konden reconstrueren
door de kleine bewegingen in die video te analyseren.
(Muziek: "Mary Had a Little Lamb")
Ik noem het -- dank je wel.
(Applaus)
Ik noem het de visuele microfoon.
We halen audiosignalen uit videosignalen.
Om jullie een idee van de omvang van de bewegingen hier te geven:
een vrij hard geluid zal die zak chips
minder dan één micrometer doen verplaatsen.
Dat is één duizendste van een millimeter.
Zo klein zijn de bewegingen die we nu kunnen registreren
door te observeren hoe het licht weerkaatst op voorwerpen
en wordt opgenomen door onze camera.
We kunnen geluiden van andere objecten zoals planten opnemen.
(Muziek: "Mary Had a Little Lamb")
En ook spraak.
Hier spreekt iemand in een kamer.
Stem: Mary had een lammetje met een vacht wit als sneeuw,
en overal waar Mary kwam was het lammetje erbij.
Michael Rubinstein: Hier wordt dat geluid gereconstrueerd
met die video van die zak chips.
Stem met ruis: Mary had een lammetje met een vacht wit als sneeuw,
en overal waar Mary kwam, ging het lammetje mee.
MR: We gebruikten "Mary Had a Little Lamb"
omdat het volgens de overlevering de eerste woorden waren
die Thomas Edison sprak in zijn fonograaf in 1877.
Het was een van de eerste apparaten voor geluidsopname in de geschiedenis.
Het richtte geluiden op een diafragma
dat een naald liet trillen die het geluid graveerde
op aluminiumfolie rond een cilinder.
Hier is een demonstratie
van het opnemen en afspelen van geluid met Edisons fonograaf.
(Video) Stem: Testen, testen, een twee drie.
Mary had een lammetje met een vacht wit als sneeuw,
en overal waar Mary kwam, ging het lammetje mee.
Testen, testen, een twee drie.
Mary had een lammetje met een vacht wit als sneeuw,
en overal waar Mary kwam, ging het lammetje mee.
MR: En nu, 137 jaar later,
kunnen we geluid krijgen van vrijwel dezelfde kwaliteit
door met camera's te kijken naar voorwerpen die trillen door geluid.
We kunnen dat zelfs doen wanneer de camera
op 15 meter afstand van het object achter geluiddicht glas staat.
Dit is het geluid dat we zo konden reconstrueren.
Mary had een lammetje met een vacht wit als sneeuw,
en overal waar Mary kwam, ging het lammetje mee.
MR: Bewaking is natuurlijk de eerste toepassing waaraan je denkt.
(Gelach)
Maar het zou ook voor andere dingen nuttig kunnen zijn.
Misschien zullen we in de toekomst in staat zijn
om het bijvoorbeeld te gebruiken
om geluiden in de ruimte op te nemen.
Geluid kan niet door luchtledige ruimte, maar licht wel.
We zijn nog maar net begonnen andere mogelijke toepassingen
voor deze nieuwe technologie te verkennen.
Het laat ons fysische processen zien waarvan we weten dat ze er zijn
maar die we tot nu toe nooit met onze eigen ogen konden zien.
Dit is ons team.
Alles wat jullie zojuist zagen, is het resultaat van een samenwerking
met die fijne groep mensen hier.
Ik nodig je uit op onze website,
probeer het zelf eens uit,
en verken samen met ons deze wereld van minuscule bewegingen.
Dankjewel.
(Applaus)