Cambridge araştırmacıları, giyilebilir teknolojiye uygun kadar küçük bir cihazda laboratuvar ekipmanı hassasiyetini sunan çığır açan 10 dolarlık optik sensör geliştirdi. Cihaz testlerde gıda, plastik ve ilaçları yüzde 100 doğrulukla tanımladı ve invaziv işlem olmadan kan şekeri, alkol ve diğer sağlık belirteçlerini izleme yeteneği gösterdi.
Sadece 10 dolara mal olan yeni bir optik sensör, laboratuvar düzeyinde hassasiyeti giyilebilir sağlık monitörlerine taşıyabilir ve insanların iğne kullanmadan kan şekerini takip etmesine olanak tanıyabilir. Teknoloji aynı zamanda gıda testlerini, endüstriyel kalite kontrolünü ve çevresel izlemeyi de dönüştürebilir.
University of Cambridge ve aynı araştırma grubunun kurduğu girişim GlitterinTech'teki araştırmacılar, olağanüstü doğrulukla son derece küçük boyut ve düşük maliyet birleştiren yeni bir optik spektrometre türü geliştirdi. Sadece birkaç santimetre boyutundaki cihaz taşınabilir elektroniklere ve giyilebilir sağlık teknolojisine entegre edilebilir. Potansiyel uygulamaları gerçek zamanlı önemli sağlık belirteçlerini izlemekten malzemeleri tanımlamaya ve kimyasal bileşimdeki değişiklikleri tespit etmeye kadar uzanıyor.
Optik spektrometreler, etkileşime girdikleri maddeler hakkında bilgi ortaya çıkarmak için ışığı analiz eder. Tıpta, imalatta, kimyasal testte ve çevresel araştırmada temel araçlardır. Ancak bu aletleri küçültmek geleneksel olarak performanslarından ödün vermek anlamına gelmiştir. Kompakt spektrometreler genellikle sınırlı ölçüm aralıkları, düşük çözünürlük veya daha düşük doğrulukla sınırlı kalır ve bu da onları maddeleri tanımlamaya daha uygun hale getirir, hassas ölçümler yapmaya değil.
Araştırmacılar yeni tasarımın bu sınırlamaları aşabileceğine inanıyor. Evrişimli spektrometre olarak bilinen cihaz, ışığı temelden farklı bir şekilde analiz etmek için evrişim teoremi adı verilen matematiksel bir ilke kullanıyor. Ekibe göre bu yaklaşım, ışık dağılımı, Fourier dönüşümleri ve hesaplamalı yeniden yapılandırma temelli tasarımlar da dahil olmak üzere mevcut spektrometre türlerinin birkaç kilit alanda performansını aşıyor.
Olağanüstü hassasiyetle ışığı analiz etmenin yeni bir yolu
Geleneksel spektrometreler gelen ışığı bileşen dalga boylarına ayırır ya da spektrumunu yeniden yapılandırmak için karmaşık hesaplamalar kullanır. Yeni cihaz ışığa doğrudan evrişim adı verilen matematiksel işlemi uygulayarak farklı bir yol izliyor.
Bunu gerçekleştirmek için araştırmacılar tekrarlayan spektral yanıtlara sahip optik bileşenleri bir dizi halinde düzenledi. Bu bileşenler dengesiz Mach-Zehnder interferometreleri veya mikro-halka rezonatörleri içerebilir. Bileşenler birbirine orantılı olarak ayarlandığında sistem yanıtını kontrollü ve doğrusal bir şekilde farklı dalga boylarına kaydırabilir. Hızlı Fourier dönüşümleri daha sonra ışık spektrumunu doğru şekilde geri kazanmak için kullanılır.
Çalışmanın baş yazarlarından Dr. Chunhui Yao, "Ana fikir matematiğe geri dönüp spektrumları elde etmenin temelden daha temiz bir yolu olup olmadığını sormaktı" dedi. "Evrişim teoremini doğrudan optik alanda kullanarak, minyatürleştirilmiş spektrometreleri geride tutan sınırlamaların çoğundan kaçınıyoruz. Bu bize yüksek hassasiyet, güçlü gürültü toleransı ve çok düşük hesaplama yükü sağlıyor, hepsi kompakt ve düşük maliyetli bir sistemde."
Araştırmacılar spektrometreyi silisyum nitrür fotonik platformu kullanarak inşa etti ve gömülü elektroniklerle entegre etti. Cihaz geniş bir yakın kızılötesi dalga boyu aralığında, 1200-1700 nm arasında çalışıyor ve ölçümleri bir saniyeden kısa sürede toplayıp işleyebiliyor.
Önemli bir başka avantajı da büyük donanım değişiklikleri olmadan ölçüm yeteneklerini genişletebilmesi. Sistem tekrarlayan optik desenler kullandığı için spektral bant genişliği teorik olarak neredeyse sınırsız şekilde genişletilebilir. Daha fazla optik bileşenin sırayla eklenmesi çözünürlüğü üstel olarak artırabilir.
10 dolarlık sensör gıda testi ve sağlık hizmetini dönüştürebilir
Araştırmacılar cihazı salt teorik ölçümlerin ötesinde çeşitli malzemeler ve maddeler üzerinde test etti. Sonuçlar normalde daha büyük ve daha pahalı laboratuvar aletlerine bağlı uygulamalardaki potansiyelini gösterdi.
Plastik, ilaç, kahve, un ve çay tanımlamada kullanıldığında spektrometre bildirilen testlerde yüzde 100 sınıflandırma başarı oranı elde etti. Ayrıca su bazlı ve organik çözeltilerdeki konsantrasyonları yaklaşık yüzde 0,01 doğrulukla ölçtü ve bu deneylerde ticari masaüstü spektrometrelerin performansını aştı.
Sağlık gösterimleri özellikle umut vericiydi. Gerçek fizyolojik ortamları yansıtacak şekilde tasarlanan koşullarda cihaz cilt nemi, kan alkolü, kan laktatı ve kan şekeri dahil olmak üzere çeşitli insan biyobelirteçlerini doğru şekilde ölçtü.
Araştırmacılar ayrıca tek bir katılımcıda uzun süre boyunca invaziv olmayan glikoz takibi de gösterdi. Daha fazla test, teknolojinin pratik bir tıbbi ürün haline gelmesi için gerekli olsa da bulgu, kan şekerini tekrar tekrar cilt delmeden izlemeye yönelik olası bir yolu işaret ediyor.
Projeyi yöneten Prof. Qixiang Cheng, "Bu biyomedikal gösterimler özellikle heyecan verici" dedi. "Bu çalışmayı öne çıkaran sadece laboratuvar performansı değil, teknik hazır bulunuşluk. Dr. Chunhui Yao'nun matematiksel bir kavramı tamamen paketlenmiş, sağlam bir sisteme dönüştürmedeki katkısı çok kritikti. Sistem sıcaklık uçları ve gerçek dünya koşullarında güvenilir şekilde çalışıyor. Bu kombinasyon pratik kullanıma kapıyı açıyor."
Sensör ayrıca sıcaklık değişimlerine karşı etkileyici direnç gösterdi. -20°C ile 80°C arasında güvenilir şekilde çalışmaya devam etti; bu, minyatür bir spektrometre için alışılmadık derecede geniş bir sıcaklık aralığı. Bu dayanıklılık giyilebilir cihazlar, fabrika ekipmanları ve açık havada çalışan sensörler için özellikle değerli olabilir.
Daha basit bir tasarım neden büyük bir atılım olabilir
Yeni spektrometre avantajları doğruluk, boyut ve fiyatın ötesine uzanıyor. İç tasarımı gelen ışığı analiz etmek için gereken hesaplama gücünü de azaltıyor.
Mevcut birçok minyatür spektrometre spektral bilgiyi yeniden yapılandırmak için karmaşık kalibrasyon prosedürlerine ve zorlu algoritmalara bağlıdır. Bu yöntemler ölçümler gürültü içerdiğinde güvenilmez hale gelebilir ve genellikle önemli işlem kaynakları gerektirir.
Cambridge ekibinin evrişim temelli yaklaşımı bu karmaşıklığın çoğundan kaçınıyor. Ölçümler doğrusal bir matematiksel ilişkiyi takip ettiği için sistem spektrumları hızlı ve tutarlı şekilde geri kazanabiliyor ve nispeten az hesaplama gücü kullanıyor.
Fotonik sistem tasarımı ve entegrasyonuna katkıda bulunan Prof. Richard Penty, "Bu, zarif mühendisliğin gerçek etkiyi nasıl açığa çıkarabileceğinin güzel bir örneği" dedi. "Mimari basit, ölçeklenebilir ve üretilebilir, ancak çok daha büyük aletlerle yarışan ya da onları aşan hassasiyet sunuyor. Dr. Chunhui Yao, bu başarıyı mümkün kılan fotonik tasarım, sistem entegrasyonu ve deneysel doğrulamayı bir araya getirmede merkezi bir rol oynadı."
Nispeten basit yapısı teknolojinin büyük ölçekte üretilmesini de kolaylaştırabilir ve geleneksel spektrometrelerin çok hacimli ya da pahalı olacağı cihazlara sofistike optik ölçümleri taşıyabilir.
Laboratuvar kalitesinde ölçümleri günlük cihazlara taşımak
Araştırmacılar doğru optik algılamanın uzman laboratuvarlarla sınırlı kalmak yerine günlük teknolojinin rutin bir özelliği haline geldiği bir gelecek öngörüyor.
Endüstriyel ortamlarda ucuz spektrometreler malzeme bileşimi ve ürün kalitesini sürekli kontrol etmek için üretim tesislerine yerleştirilebilir. Benzer sensörler gıda tazeliğini izleyebilir, maddeleri tanımlayabilir ve çevresel koşulları şu anda pratik olandan çok daha geniş ölçekte analiz edebilir.
Sağlık hizmetinde de eşit derecede önemli değişiklikler görülebilir. Kompakt sensörler sonunda giyilebilir cihazların hidrasyon seviyelerini ölçmesini, alkol zehirlenmesi belirtilerini tespit etmesini, fiziksel formla ilgili biyobelirteçleri takip etmesini veya diyabeti yöneten kişiler için kan şekeri seviyelerini sürekli izlemesini sağlayabilir.
Prof. Qixiang Cheng ekledi: "Vizyonumuz spektrometriyi sıcaklık veya hareket algılama kadar yaygın hale getirmek. Bu çalışma yüksek kaliteli spektral bilginin laboratuvarda kalmak zorunda olmadığını, insanların her gün kullandığı teknolojilere doğrudan gömülebileceğini gösteriyor."
Fotonik teknoloji küçüldükçe ve geliştiğinde, evrişimli spektrometre matematiksel içgörülerin ve pratik mühendisliğin sofistike bilimsel aletleri nasıl daha basit, daha ucuz ve daha erişilebilir hale getirebileceğinin umut verici bir örneğini sunuyor. Yüksek hassasiyeti yaklaşık 10 dolara mal olan bir cihazla birleştirerek araştırmacılar, bedenlerimizin ve çevremizin gizli kimyasını ölçebilecek yeni nesil akıllı sensörlere yönelik potansiyel bir yol açtı.
