Ένας νέος οπτικός αισθητήρας, κόστους μόλις 10 δολαρίων, θα μπορούσε να προσφέρει ακρίβεια εργαστηριακού επιπέδου σε φορητές συσκευές υγείας και, ενδεχομένως, να επιτρέψει την παρακολούθηση της γλυκόζης χωρίς βελόνες. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να αλλάξει τον έλεγχο τροφίμων, τον ποιοτικό έλεγχο στη βιομηχανία και την περιβαλλοντική παρακολούθηση.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και την GlitterinTech, νεοφυή επιχείρηση που ίδρυσε η ίδια ερευνητική ομάδα, ανέπτυξαν έναν νέο τύπο οπτικού φασματομέτρου, συνδυάζοντας υψηλή ακρίβεια με πολύ μικρό μέγεθος και χαμηλό κόστος. Η συσκευή έχει διαστάσεις λίγων εκατοστών και θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε φορητά ηλεκτρονικά και συσκευές υγείας που φοριούνται στο σώμα. Οι πιθανές εφαρμογές της περιλαμβάνουν την παρακολούθηση σημαντικών δεικτών υγείας σε πραγματικό χρόνο, την αναγνώριση υλικών και τον εντοπισμό αλλαγών στη χημική σύσταση.
Τα οπτικά φασματόμετρα αναλύουν το φως για να αποκαλύψουν πληροφορίες σχετικά με τις ουσίες με τις οποίες αλληλεπιδρά. Αποτελούν σημαντικά εργαλεία στην ιατρική, τη βιομηχανία, τις χημικές αναλύσεις και την περιβαλλοντική έρευνα. Ωστόσο, η σμίκρυνση αυτών των οργάνων συνεπαγόταν παραδοσιακά συμβιβασμούς στις επιδόσεις τους. Τα μικρά φασματόμετρα έχουν συχνά περιορισμένο εύρος μετρήσεων, χαμηλότερη ανάλυση ή μικρότερη ακρίβεια, με αποτέλεσμα να είναι καταλληλότερα για την αναγνώριση ουσιών παρά για ακριβείς μετρήσεις.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ο νέος σχεδιασμός μπορεί να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς. Η συσκευή, που ονομάζεται φασματόμετρο συνέλιξης, αξιοποιεί ένα μαθηματικό εργαλείο, το θεώρημα της συνέλιξης, για να αναλύει το φως με διαφορετικό τρόπο. Σύμφωνα με την ομάδα, η προσέγγιση αυτή υπερτερεί σε αρκετούς βασικούς τομείς έναντι υφιστάμενων τύπων φασματομέτρων, μεταξύ άλλων όσων βασίζονται στη διασπορά του φωτός, στους μετασχηματισμούς Fourier και στην υπολογιστική ανακατασκευή.
Νέος τρόπος ανάλυσης του φωτός με υψηλή ακρίβεια
Τα συμβατικά φασματόμετρα συνήθως διαχωρίζουν το εισερχόμενο φως στα επιμέρους μήκη κύματός του ή χρησιμοποιούν σύνθετους υπολογισμούς για να ανασυνθέσουν το φάσμα του. Η νέα συσκευή ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση, εκτελώντας απευθείας στο εισερχόμενο φως μια μαθηματική πράξη που ονομάζεται συνέλιξη.
Για να το πετύχουν, οι ερευνητές τοποθέτησαν διαδοχικά οπτικά εξαρτήματα με επαναλαμβανόμενες φασματικές αποκρίσεις. Σε αυτά μπορούν να περιλαμβάνονται ασύμμετρα συμβολόμετρα Mach-Zehnder ή μικροδακτυλιοειδείς συντονιστές. Με τη ρύθμιση των εξαρτημάτων σε αναλογική σχέση μεταξύ τους, το σύστημα μπορεί να μεταβάλλει ελεγχόμενα και γραμμικά την απόκρισή του σε διαφορετικά μήκη κύματος. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται ταχείς μετασχηματισμοί Fourier για την ακριβή ανάκτηση του φάσματος του φωτός.
«Η βασική ιδέα ήταν να επιστρέψουμε στα μαθηματικά και να αναρωτηθούμε αν υπάρχει ένας θεμελιωδώς απλούστερος τρόπος ανάκτησης των φασμάτων», δήλωσε ο δρ Chunhui Yao, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Χρησιμοποιώντας απευθείας το θεώρημα της συνέλιξης στον οπτικό τομέα, αποφεύγουμε πολλούς από τους περιορισμούς που εμπόδιζαν την εξέλιξη των μικροσκοπικών φασματομέτρων. Έτσι πετυχαίνουμε υψηλή ακρίβεια, μεγάλη αντοχή στον θόρυβο και πολύ μικρές υπολογιστικές απαιτήσεις, σε ένα συμπαγές σύστημα χαμηλού κόστους».
Οι ερευνητές κατασκεύασαν το φασματόμετρο σε φωτονική πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου και το συνέδεσαν με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά. Λειτουργεί σε ευρύ φάσμα μηκών κύματος εγγύς υπερύθρου, από 1.200 έως 1.700 nm, και μπορεί να συλλέγει και να επεξεργάζεται μετρήσεις σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι οι δυνατότητες μέτρησης μπορούν να διευρυνθούν χωρίς σημαντικές αλλαγές στο υλικό. Καθώς το σύστημα χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενα οπτικά μοτίβα, το φασματικό εύρος του θα μπορούσε θεωρητικά να επεκταθεί σχεδόν χωρίς όριο. Η προσθήκη περισσότερων οπτικών εξαρτημάτων στη σειρά μπορεί επίσης να αυξήσει εκθετικά την ανάλυση.
Αισθητήρας 10 δολαρίων για τον έλεγχο τροφίμων και την υγεία
Για να αξιολογήσουν τη συσκευή πέρα από τις καθαρά θεωρητικές μετρήσεις, οι ερευνητές τη δοκίμασαν σε διάφορα υλικά και ουσίες. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τις δυνατότητές της σε εφαρμογές που συνήθως απαιτούν μεγαλύτερα και ακριβότερα εργαστηριακά όργανα.
Στις δοκιμές αναγνώρισης πλαστικών, φαρμάκων, καφέ, αλευριού και τσαγιού, το φασματόμετρο πέτυχε ποσοστό επιτυχούς ταξινόμησης 100%. Μέτρησε επίσης συγκεντρώσεις σε υδατικά και οργανικά διαλύματα με ακρίβεια περίπου 0,01%, ξεπερνώντας στις συγκεκριμένες δοκιμές τις επιδόσεις εμπορικών επιτραπέζιων φασματομέτρων.
Ιδιαίτερα ενθαρρυντικές ήταν οι δοκιμές στον τομέα της υγείας. Σε συνθήκες σχεδιασμένες ώστε να προσομοιώνουν πραγματικές φυσιολογικές συνθήκες, η συσκευή μέτρησε με ακρίβεια αρκετούς ανθρώπινους βιοδείκτες, όπως την υγρασία του δέρματος, το αλκοόλ στο αίμα, το γαλακτικό οξύ στο αίμα και τη γλυκόζη στο αίμα.
Οι ερευνητές παρουσίασαν επίσης μη επεμβατική παρακολούθηση της γλυκόζης για παρατεταμένο διάστημα σε ένα άτομο. Θα χρειαστούν περαιτέρω δοκιμές προτού η τεχνολογία μπορέσει να εξελιχθεί σε πρακτικό ιατρικό προϊόν. Το εύρημα, ωστόσο, υποδεικνύει μια πιθανή οδό για την παρακολούθηση του σακχάρου χωρίς επανειλημμένα τρυπήματα του δέρματος.
«Οι βιοϊατρικές αυτές εφαρμογές είναι ιδιαίτερα συναρπαστικές», δήλωσε ο καθηγητής Qixiang Cheng, επικεφαλής του έργου. «Αυτό που ξεχωρίζει στη δουλειά αυτή δεν είναι μόνο οι επιδόσεις στο εργαστήριο, αλλά και η τεχνική ετοιμότητα. Η συμβολή του δρος Chunhui Yao ήταν καθοριστική για τη μετατροπή μιας μαθηματικής ιδέας σε ένα πλήρως συναρμολογημένο, ανθεκτικό σύστημα, που λειτουργεί αξιόπιστα σε ακραίες θερμοκρασίες και σε πραγματικές συνθήκες. Αυτός ο συνδυασμός ανοίγει τον δρόμο για πρακτική αξιοποίηση».
Ο αισθητήρας παρουσίασε επίσης μεγάλη αντοχή στις αλλαγές θερμοκρασίας. Συνέχισε να λειτουργεί αξιόπιστα από τους -20°C έως τους 80°C, ένα ασυνήθιστα ευρύ θερμοκρασιακό εύρος για μικροσκοπικό φασματόμετρο. Η ανθεκτικότητα αυτή θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε φορετές συσκευές, εξοπλισμό εργοστασίων και αισθητήρες εξωτερικών χώρων.
Γιατί ο απλούστερος σχεδιασμός μπορεί να αποτελέσει σημαντική εξέλιξη
Τα πλεονεκτήματα του νέου φασματομέτρου δεν περιορίζονται στην ακρίβεια, το μέγεθος και την τιμή του. Ο εσωτερικός σχεδιασμός του μειώνει επίσης την υπολογιστική ισχύ που απαιτείται για την ανάλυση του εισερχόμενου φωτός.
Πολλά υφιστάμενα μικροσκοπικά φασματόμετρα βασίζονται σε περίπλοκες διαδικασίες βαθμονόμησης και απαιτητικούς αλγορίθμους για την ανασύνθεση των φασματικών πληροφοριών. Οι μέθοδοι αυτές μπορεί να γίνουν αναξιόπιστες όταν οι μετρήσεις περιέχουν θόρυβο και συχνά χρειάζονται σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους.
Η προσέγγιση της ομάδας του Κέιμπριτζ, που βασίζεται στη συνέλιξη, παρακάμπτει μεγάλο μέρος αυτής της πολυπλοκότητας. Επειδή οι μετρήσεις ακολουθούν μια γραμμική μαθηματική σχέση, το σύστημα μπορεί να ανακτά τα φάσματα γρήγορα και με συνέπεια, χρησιμοποιώντας σχετικά μικρή υπολογιστική ισχύ.
«Αυτό είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς η κομψή μηχανική μπορεί να οδηγήσει σε πραγματικό αντίκτυπο», δήλωσε ο καθηγητής Richard Penty, ο οποίος συνέβαλε στον σχεδιασμό και την ενσωμάτωση του φωτονικού συστήματος. «Η αρχιτεκτονική είναι απλή, επεκτάσιμη και μπορεί να κατασκευαστεί, αλλά προσφέρει ακρίβεια που ανταγωνίζεται ή ξεπερνά εκείνη πολύ μεγαλύτερων οργάνων. Ο δρ Chunhui Yao είχε κεντρικό ρόλο στον συνδυασμό του φωτονικού σχεδιασμού, της ενσωμάτωσης του συστήματος και της πειραματικής επικύρωσης που κατέστησαν εφικτό αυτό το αποτέλεσμα».
Η σχετικά απλή κατασκευή θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τη μαζική παραγωγή της τεχνολογίας, φέρνοντας προηγμένες οπτικές μετρήσεις σε συσκευές στις οποίες τα συμβατικά φασματόμετρα θα ήταν υπερβολικά ογκώδη ή ακριβά.
Εργαστηριακές μετρήσεις σε καθημερινές συσκευές
Οι ερευνητές οραματίζονται ένα μέλλον στο οποίο η ακριβής οπτική ανίχνευση θα αποτελεί συνηθισμένο χαρακτηριστικό της καθημερινής τεχνολογίας και όχι εργαλείο που χρησιμοποιείται κυρίως σε εξειδικευμένα εργαστήρια.
Σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, οικονομικά φασματόμετρα θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε πολλά σημεία των μονάδων παραγωγής, ελέγχοντας συνεχώς τη σύσταση των υλικών και την ποιότητα των προϊόντων. Παρόμοιοι αισθητήρες θα μπορούσαν να παρακολουθούν τη φρεσκάδα των τροφίμων, να αναγνωρίζουν ουσίες και να αναλύουν περιβαλλοντικές συνθήκες σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα από ό,τι είναι σήμερα πρακτικό.
Σημαντικές αλλαγές θα μπορούσαν να υπάρξουν και στην υγειονομική περίθαλψη. Συμπαγείς αισθητήρες ίσως επιτρέψουν στο μέλλον σε φορετές συσκευές να μετρούν τα επίπεδα ενυδάτωσης, να ανιχνεύουν ενδείξεις μέθης, να παρακολουθούν βιοδείκτες που σχετίζονται με τη φυσική κατάσταση ή να μετρούν συνεχώς τη γλυκόζη σε άτομα που διαχειρίζονται τον διαβήτη.
«Το όραμά μας είναι η φασματομετρία να γίνει τόσο διαδεδομένη όσο η μέτρηση της θερμοκρασίας ή της κίνησης», πρόσθεσε ο καθηγητής Qixiang Cheng. «Η εργασία αυτή δείχνει ότι οι ποιοτικές φασματικές πληροφορίες δεν χρειάζεται να περιορίζονται στο εργαστήριο: μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας στις τεχνολογίες που χρησιμοποιούν καθημερινά οι άνθρωποι».
Καθώς η φωτονική τεχνολογία μικραίνει και εξελίσσεται, το φασματόμετρο συνέλιξης αποτελεί ένα παράδειγμα του πώς οι μαθηματικές ιδέες και η εφαρμοσμένη μηχανική μπορούν να κάνουν τα προηγμένα επιστημονικά όργανα απλούστερα, φθηνότερα και πιο προσιτά. Συνδυάζοντας υψηλή ακρίβεια με μια συσκευή κόστους περίπου 10 δολαρίων, οι ερευνητές ανοίγουν έναν πιθανό δρόμο για μια νέα γενιά έξυπνων αισθητήρων, ικανών να μετρούν τη χημεία που δεν είναι ορατή στο σώμα και στο περιβάλλον μας.
Η χρήση μιας τέτοιας τεχνολογίας για την παρακολούθηση της γλυκόζης ή άλλων δεικτών υγείας και οι σχετικές αποφάσεις πρέπει να συζητούνται με τον γιατρό.
Το άρθρο στο ygeiax.gr: https://www.ygeiax.gr/news/aisthitiras-10-dolarion-apo-to-keimpritz-tha-mporoyse-na-ferei-to-ergastirio-ston-karpo/25215
