Με τα χρόνια, η ανάλυση της χημικής σύνθεσης των ουσιών απαιτούσε μεγάλα και ακριβά εργαστηριακά όργανα γνωστά ως φασματόμετρα. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από τη διάγνωση ασθενειών και την επιθεώρηση τροφίμων έως την παρακολούθηση της μόλυνσης. Τα παραδοσιακά φασματόμετρα λειτουργούν διασπώντας το φως στα συστατικά του χρώματα χρησιμοποιώντας πρίσματα ή σχάρες και στη συνέχεια μετρώντας την ένταση κάθε μήκους κύματος. Επειδή αυτή η διαδικασία απαιτεί φως για να διανύσει σχετικά μεγάλες αποστάσεις, οι συσκευές είναι συχνά ογκώδεις και δύσκολο να μικροποιηθούν.
Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Davis (UC Davis) έχουν αναπτύξει μια δραματικά μικρότερη εναλλακτική λύση. γραμμένο σε Προηγμένη φωτονικήΗ ομάδα περιγράφει ένα φασματόμετρο σε ένα τσιπ που πλησιάζει το μέγεθος ενός κόκκου άμμου. Αντί να βασίζεται σε μεγάλα οπτικά στοιχεία για τον φυσικό διαχωρισμό του φωτός, το νέο σύστημα χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη (AI) και μια μικρή σειρά από ειδικά σχεδιασμένους αισθητήρες για την υπολογιστική ανακατασκευή του φάσματος.
Αντικατάσταση ογκωδών οπτικών με AI
Το τσιπ αποφεύγει την τυπική μέθοδο εκπομπής φωτός σε ένα ουράνιο τόξο. Αντίθετα, βασίζεται σε 16 μοναδικούς ανιχνευτές πυριτίου, ο καθένας που έχει σχεδιαστεί για να αντιδρά ελαφρώς διαφορετικά στο εισερχόμενο φως. Αντί να διακρίνουν απευθείας μεμονωμένα χρώματα, οι ανιχνευτές συλλέγουν κωδικοποιημένα σήματα που περιέχουν κρυφές φασματικές πληροφορίες.
Ένας τρόπος για να σκεφτείτε το σύστημα είναι μια ομάδα εξειδικευμένων γευσιγνωστών να δειγματίζουν διαφορετικές πτυχές του ίδιου πολύπλοκου μείγματος. Μεμονωμένα, κάθε ανιχνευτής καταγράφει μόνο μέρος της εικόνας. Μαζί, ωστόσο, δημιουργούν αρκετές πληροφορίες για την τεχνητή νοημοσύνη για να ανακατασκευάσει το αρχικό φάσμα φωτός.
Το δεύτερο βασικό στοιχείο είναι ένα πλήρως συνδεδεμένο νευρωνικό δίκτυο εκπαιδευμένο σε χιλιάδες περιπτώσεις. Επειδή τα σήματα του ανιχνευτή είναι θορυβώδη και πολύ κωδικοποιημένα, το AI μαθαίνει περίπλοκες σχέσεις μεταξύ αυτών των σημάτων και του πραγματικού φάσματος φωτός. Αυτή η μέθοδος λύνει αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν «αντίστροφο πρόβλημα», επιτρέποντας στο σύστημα να αναπαράγει φασματικά δεδομένα με ακρίβεια ανάλυσης περίπου 8 nm χωρίς τη χρήση ογκώδους οπτικού υλικού.
Το πυρίτιο επεκτείνεται στο φάσμα των υπερύθρων
Μια σημαντική ανακάλυψη προήλθε από την τροποποίηση της επιφάνειας των τυπικών φωτοδιόδων πυριτίου με εξειδικευμένες υφές επιφάνειας παγίδευσης φωτονίων (PTST). Το πυρίτιο γενικά λειτουργεί καλά για την ανίχνευση ορατού φωτός, αλλά δυσκολεύεται να συλλάβει φως κοντά στο υπέρυθρο (NIR) (μήκη κύματος έως 1100 nm). Το φως NIR είναι ιδιαίτερα σημαντικό για εφαρμογές όπως η βιοϊατρική απεικόνιση, επειδή μπορεί να ταξιδέψει βαθύτερα στον ανθρώπινο ιστό από το ορατό φως.
Οι κατασκευασμένες επιφάνειες PTST αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται το φως μέσα στο τσιπ. Αντί να επιτρέπει στα φωτόνια NIR να περνούν απευθείας μέσα από το λεπτό στρώμα πυριτίου, η υφή επιφάνεια διασκορπίζει το φως εμπρός και πίσω, καθιστώντας το πυρίτιο πιο πιθανό να το απορροφήσει. Ως αποτέλεσμα, το τσιπ γίνεται ευαίσθητο σε ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος φάσματος από τους τυπικούς αισθητήρες πυριτίου.
Λήψη αλληλεπιδράσεων υπερταχείας φωτός
Η νέα αρχιτεκτονική προσφέρει κάτι περισσότερο από απλή ανίχνευση χρωμάτων. Το τσιπ ενσωματώνει αισθητήρες υψηλής ταχύτητας ικανούς να μετρούν τη διάρκεια ζωής των φωτονίων με εξαιρετικά υψηλή χρονική ακρίβεια. Αυτό επιτρέπει στη συσκευή να ανιχνεύει πολύ γρήγορες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης που τα παραδοσιακά φασματόμετρα μπορεί να χάνουν εντελώς.
Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η ικανότητα θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε προηγμένες μορφές ανίχνευσης και απεικόνισης που προηγουμένως απαιτούσαν πολύ μεγαλύτερα και ακριβότερα συστήματα.
Μικρό αποτύπωμα με μεγάλες δυνατότητες
Το ολοκληρωμένο σύστημα καταλαμβάνει μόνο 0,4 τετραγωνικά χιλιοστά διατηρώντας παράλληλα υψηλή ευαισθησία και ισχυρή αντίσταση στον ηλεκτρικό θόρυβο, μια μεγάλη πρόκληση για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές χαμηλού κόστους. Ακόμη και σε θορυβώδη περιβάλλοντα, η σχεδίαση με τη βοήθεια AI μπορεί να διατηρήσει καθαρή ποιότητα σήματος.
Συνδυάζοντας τη μηχανική μάθηση με την προηγμένη ανίχνευση φωτός πυριτίου, η τεχνολογία θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για συμπαγείς συσκευές υπερφασματικής ανίχνευσης σε πραγματικό χρόνο. Οι πιθανές εφαρμογές κυμαίνονται από φορητές ιατρικές διαγνωστικές και φορητές οθόνες υγείας έως περιβαλλοντική τηλεπισκόπηση και ανάλυση ποιότητας τροφίμων.
