یک حسگر نوری جدید با هزینه تنها ۱۰ دلار می‌تواند دقت سطح آزمایشگاهی را به پایشگرهای سلامت پوشیدنی بیاورد و امکان ردیابی گلوکز خون بدون سوزن را برای افراد فراهم کند. این فناوری همچنین می‌تواند تست غذا، کنترل کیفیت صنعتی و پایش محیطی را متحول سازد.
پژوهشگران دانشگاه کمبریج و GlitterinTech (استارتاپی که توسط همان گروه تحقیقاتی تأسیس شده است) نوع جدیدی از طیف‌سنج نوری را توسعه داده‌اند که دقت فوق‌العاده را با اندازه بسیار کوچک و هزینه پایین ترکیب می‌کند. این دستگاه با ابعاد چند سانتی‌متری می‌تواند در الکترونیک همراه و فناوری سلامت پوشیدنی ادغام شود. کاربردهای بالقوه آن از پایش لحظه‌ای نشانگرهای مهم سلامت تا شناسایی مواد و تشخیص تغییرات در ترکیب شیمیایی را در بر می‌گیرد.
طیف‌سنج‌های نوری با تحلیل نور کار می‌کنند تا اطلاعاتی درباره موادی که نور با آن‌ها تعامل دارد آشکار کنند. این ابزارها در پزشکی، تولید، تست شیمیایی و تحقیقات محیطی ضروری هستند. با این حال، کوچک کردن این ابزارها به طور سنتی به معنای قربانی کردن عملکرد آن‌ها بوده است. طیف‌سنج‌های فشرده اغلب دارای محدوده اندازه‌گیری محدود، وضوح کاهش یافته یا دقت پایین‌تر هستند که آن‌ها را بیشتر برای شناسایی مواد مناسب می‌سازد تا انجام اندازه‌گیری‌های دقیق.
پژوهشگران معتقدند طراحی جدید آن‌ها می‌تواند این محدودیت‌ها را غلبه کند. این دستگاه که طیف‌سنج کانولوشنی نامیده می‌شود، از یک اصل ریاضی به نام قضیه کانولوشن برای تحلیل نور به شیوه‌ای بنیادین متفاوت استفاده می‌کند. به گفته تیم، این رویکرد عملکردی را ارائه می‌دهد که در چندین زمینه کلیدی از انواع موجود طیف‌سنج‌ها، از جمله طرح‌های مبتنی بر پراکندگی نور، تبدیل فوریه و بازسازی محاسباتی، فراتر می‌رود.
راه جدیدی برای تحلیل نور با دقت خارق‌العاده
طیف‌سنج‌های سنتی معمولاً نور ورودی را به طول موج‌های تشکیل‌دهنده آن جدا می‌کنند یا از محاسبات پیچیده برای بازسازی طیف آن استفاده می‌کنند. دستگاه جدید رویکرد دیگری را اتخاذ می‌کند و عملیات ریاضی به نام کانولوشن را مستقیماً روی نور ورودی انجام می‌دهد.
برای دستیابی به این هدف، پژوهشگران اجزای نوری با پاسخ‌های طیفی تکرارشونده را در یک توالی مرتب کردند. این اجزا می‌توانند شامل تداخل‌سنج‌های ماخ-زندِر نامتوازن یا تشدیدکننده‌های حلقه میکرو باشند. با تنظیم متناسب آن‌ها نسبت به یکدیگر، سیستم می‌تواند پاسخ خود را به طول موج‌های مختلف به شکلی کنترل‌شده و خطی جابه‌جا کند. سپس از تبدیل‌های سریع فوریه برای بازیابی دقیق طیف نور استفاده می‌شود.
«بینش کلیدی این بود که به ریاضیات بازگردیم و بپرسیم آیا راه تمیزتر و بنیادین‌تری برای بازیابی طیف‌ها وجود دارد»، گفت دکتر چون‌هوی یائو، نویسنده اصلی مطالعه. «با استفاده مستقیم از قضیه کانولوشن در حوزه نوری، ما از بسیاری از محدودیت‌هایی که طیف‌سنج‌های کوچک‌شده را عقب نگه داشته بودند اجتناب می‌کنیم. این امر دقت بالا، تحمل نویز قوی و سربار محاسباتی بسیار کم را در یک سیستم فشرده و کم‌هزینه به ما می‌دهد.»
پژوهشگران طیف‌سنج را با استفاده از یک پلتفرم فوتونیکی نیترید سیلیسیم ساخته و آن را با الکترونیک داخلی ادغام کردند. این دستگاه در محدوده وسیعی از طول موج‌های مادون قرمز نزدیک (۱۲۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر) کار می‌کند و می‌تواند اندازه‌گیری‌ها را در کمتر از یک ثانیه جمع‌آوری و پردازش کند.
یک مزیت مهم دیگر، توانایی آن در گسترش قابلیت‌های اندازه‌گیری بدون تغییرات عمده سخت‌افزاری است. زیرا سیستم از الگوهای نوری تکرارشونده استفاده می‌کند، پهنای باند طیفی آن به طور نظری تقریباً بدون محدودیت قابل افزایش است. افزودن اجزای نوری بیشتر به صورت متوالی نیز می‌تواند وضوح آن را به صورت نمایی افزایش دهد.
حسگر ۱۰ دلاری که می‌تواند تست غذا و مراقبت بهداشتی را متحول کند
برای ارزیابی دستگاه خارج از اندازه‌گیری‌های صرفاً نظری، پژوهشگران آن را روی طیف متنوعی از مواد و مواد آزمایش کردند. نتایج پتانسیل آن را برای کاربردهایی نشان داد که معمولاً به ابزارهای آزمایشگاهی بزرگ‌تر و گران‌تر وابسته هستند.
هنگامی که برای شناسایی پلاستیک‌ها، داروها، قهوه، آرد و چای استفاده شد، طیف‌سنج در آزمایش‌های گزارش شده نرخ موفقیت طبقه‌بندی ۱۰۰ درصدی را کسب کرد. همچنین غلظت‌ها را در محلول‌های پایه آب و آلی با دقت حدود ۰.۰۱ درصد اندازه گرفت که در آن آزمایش‌ها از عملکرد طیف‌سنج‌های تجاری رومیزی فراتر رفت.
نمایش‌های مراقبت بهداشتی به ویژه امیدوارکننده بودند. تحت شرایطی که برای بازتاب محیط‌های فیزیولوژیکی واقعی طراحی شده بود، دستگاه چندین زیست‌نشانگر انسانی از جمله رطوبت پوست، الکل خون، لاکتات خون و گلوکز خون را به دقت اندازه گرفت.
پژوهشگران همچنین ردیابی غیرتهاجمی گلوکز را در یک شرکت‌کننده در یک دوره طولانی نشان دادند. اگرچه قبل از اینکه این فناوری بتواند به یک محصول پزشکی عملی تبدیل شود، به آزمایش‌های بیشتری نیاز است، اما این یافته مسیر احتمالی به سمت پایش قند خون بدون بارها سوراخ کردن پوست را پیشنهاد می‌کند.
«این نمایش‌های زیست‌پزشکی به ویژه هیجان‌انگیز هستند»، گفت پروفسور چی‌شیانگ چنگ که پروژه را رهبری کرد. «آنچه این کار را برجسته می‌کند نه فقط عملکرد در آزمایشگاه، بلکه آمادگی فنی است. مشارکت دکتر چون‌هوی یائو در ترجمه یک مفهوم ریاضی به یک سیستم کاملاً بسته‌بندی شده و مقاوم که به طور قابل اعتماد در دماهای افراطی و شرایط دنیای واقعی کار می‌کند، حیاتی بود. این ترکیب است که دروازه استقرار عملی را باز می‌کند.»
حسگر همچنین مقاومت چشمگیری در برابر تغییرات دما نشان داد. این دستگاه به طور قابل اعتماد بین منفی ۲۰ درجه سانتی‌گراد و مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد به کار خود ادامه داد، که دامنه دمایی غیرعادی برای یک طیف‌سنج مینیاتوری است. این دوام می‌تواند به ویژه برای دستگاه‌های پوشیدنی، تجهیزات کارخانه و حسگرهای عمل‌کننده در فضای باز ارزشمند باشد.
چرا طراحی ساده‌تر می‌تواند یک پیشرفت بزرگ باشد
مزایای طیف‌سنج جدید فراتر از دقت، اندازه و قیمت آن است. طراحی داخلی آن همچنین مقدار قدرت محاسباتی مورد نیاز برای تحلیل نور ورودی را کاهش می‌دهد.
بسیاری از طیف‌سنج‌های مینیاتوری موجود به رویه‌های کالیبراسیون پیچیده و الگوریتم‌های سنگین برای بازسازی اطلاعات طیفی وابسته هستند. این روش‌ها می‌توانند هنگامی که اندازه‌گیری‌ها حاوی نویز هستند غیرقابل اعتماد شوند و اغلب به منابع پردازش قابل توجهی نیاز دارند.
رویکرد مبتنی بر کانولوشن تیم کمبریج بخش زیادی از این پیچیدگی را اجتناب می‌کند. زیرا اندازه‌گیری‌ها از یک رابطه ریاضی خطی پیروی می‌کنند، سیستم می‌تواند طیف‌ها را به سرعت و به طور ثابت با استفاده از قدرت محاسباتی نسبتاً کم بازیابی کند.
«این نمونه زیبایی از نحوه آزادسازی تأثیر واقعی توسط مهندسی ظریف است»، گفت پروفسور ریچارد پنتی که در طراحی و ادغام سیستم فوتونیکی مشارکت داشت. «معماری ساده، مقیاس‌پذیر و قابل تولید است، اما دقتی را ارائه می‌دهد که با ابزارهای بسیار بزرگ‌تر رقابت می‌کند یا از آن‌ها فراتر می‌رود. دکتر چون‌هوی یائو نقش مرکزی در گرد هم آوردن طراحی فوتونیکی، ادغام سیستم و اعتبارسنجی تجربی که این امر را ممکن ساخت ایفا کرد.»
ساختار نسبتاً ساده آن همچنین می‌تواند تولید انبوه فناوری را آسان‌تر کند و احتمالاً اندازه‌گیری‌های نوری پیشرفته را به دستگاه‌هایی بیاورد که طیف‌سنج‌های متعارف بیش از حد حجیم یا گران هستند.
آوردن اندازه‌گیری‌های با کیفیت آزمایشگاهی به دستگاه‌های روزمره
پژوهشگران آینده‌ای را تصور می‌کنند که در آن حسگری نوری دقیق به یک ویژگی عادی در فناوری روزمره تبدیل شود، نه چیزی که عمدتاً در آزمایشگاه‌های تخصصی محصور مانده است.
در محیط‌های صنعتی، طیف‌سنج‌های ارزان‌قیمت می‌توانند در سراسر تأسیسات تولید نصب شوند تا ترکیب مواد و کیفیت محصول را به طور مداوم بررسی کنند. حسگرهای مشابه می‌توانند تازگی غذا را پایش کنند، مواد را شناسایی کنند و شرایط محیطی را در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر از آنچه اکنون عملی است تحلیل کنند.
مراقبت بهداشتی می‌تواند تغییرات به همان اندازه قابل توجهی را ببیند. حسگرهای فشرده ممکن است سرانجام امکان‌پذیر کنند که دستگاه‌های پوشیدنی سطوح هیدراتاسیون را اندازه بگیرند، نشانه‌های مسمومیت الکلی را تشخیص دهند، زیست‌نشانگرهای مرتبط با آمادگی جسمانی را ردیابی کنند یا سطوح گلوکز را برای افراد دیابتی به طور مداوم پایش کنند.
«چشم‌انداز ما این است که طیف‌سنجی را مانند حسگرهای دما یا حرکت فراگیر کنیم»، اضافه کرد پروفسور چی‌شیانگ چنگ. «این کار نشان می‌دهد که اطلاعات طیفی با کیفیت بالا نباید در آزمایشگاه محصور بماند -- بلکه می‌تواند مستقیماً در فناوری‌هایی که مردم هر روز استفاده می‌کنند تعبیه شود.»
همانطور که فناوری فوتونیکی کوچک‌تر و پیشرفته‌تر می‌شود، طیف‌سنج کانولوشنی نمونه‌ای امیدوارکننده از نحوه ساده‌تر شدن، ارزان‌تر شدن و دسترسی‌پذیرتر شدن ابزارهای علمی پیچیده توسط بینش‌های ریاضی و مهندسی عملی ارائه می‌دهد. با ترکیب دقت بالا با دستگاهی که حدود ۱۰ دلار هزینه دارد، پژوهشگران مسیر احتمالی به سمت نسل جدیدی از حسگرهای هوشمند را باز کرده‌اند که قادر به اندازه‌گیری شیمی پنهان بدن و محیط اطراف ما هستند.