Від Ньютона до нейромережі
Двісті кілограмів оптики. Столи, заставлені складними призмами та дзеркалами. Спеціально ізольовані кімнати, де навіть подих здатен зрушити промінь світла і зіпсувати результат. Понад три століття поспіль саме так виглядала спектроскопія наука про те, як речовини розкладають і поглинають світло. Кожен хімічний елемент, від кисню до заліза, має свій унікальний візерунок, свій відбиток пальця у спектрі. Щоб його розгледіти, потрібен був прилад розміром із шафу.
Сьогодні все це вміщуєтся на кінчику пальця.
Дослідники з Університету Каліфорнії в Девісі створили спектрометр на чипі розміром 0,4 квадратних міліметра. Це менше за зернятко рису. Пристрій, який ще вчора займав цілу кімнату, тепер можна вбудувати у смартфон чи розмістити на зап’ясті. Результати своєї роботи команда опублікувала у престижному журналі Advanced Photonics.
Штучний інтелект замість призм
Історія спектроскопії почалася ще у XVII столітті, коли Ісаак Ньютон пропустив промінь сонячного світла крізь призму і розклав його на кольори веселки. З того часу наука зробила гігантський крок: учені навчилися читати ці кольори, як книгу, дізнаючись про хімічний склад зірок, атмосфер інших планет та молекул ДНК. Проте фізика залишалася незмінною світлу потрібен був простір, щоб розкритися. Сучасні спектрометри в лабораторіях мають довжину від кількох десятків сантиметрів до метрів. Зменшити їх далі просто не дозволяли закони оптики.
Команда під керівництвом професора М. Саїфа Іслама пішла радикально іншим шляхом. Вони відмовилися від фізичного розкладання світла взагалі.
На їхньому чипі розмістилися 16 кремнієвих детекторів. Кожен із них спроектований так, щоб реагувати на світло трохи інакше, ніж сусідній. Уявіть собі 16 дегустаторів, які куштують один складний коктейль. Хтось фіксує солодкість, хтось гірчинку, хтось кислоту. Жоден із них не знає точного рецепту окремо. Але коли їхні відгуки об’єднує штучний інтелект, точний склад напою відновлюється з точністю до краплі.
Нейронна мережа навчалася на тисячах прикладів, вирішуючи те, що математики називають «зворотною задачею». Вона перетворює зашумлені сири сигнали детекторів на чіткий спектр з роздільною здатністю 8 нанометрів. Жодних рухомих частин. Жодних призм. Жодних дзеркал.
Як змусити кремній бачити тепло
Але залишалася одна серйозна перешкода. Кремній матеріал, з якого роблять мікрочипи, чудово бачить видиме світло. Проте він сліпне в ближньому інфрачервоному діапазоні. А саме це випромінювання найцінніше для медицини, бо воно проникає глибоко в людські тканини, дозволяючи бачити те, що приховано під шкірою.
Інфрачервоні фотони просто пролітали крізь тонкий шар кремнію, не залишаючи сліду.
Дослідники знайшли елегантне рішення. Вони модифікували поверхню сенсорів, додавши спеціальні нанотекстури, які затримують фотони. Замість того, щоб проскочити крізь матеріал, частинки світла розсіювалися, стикаючись із нерівностями, і знову поглиналися кремнієм. Чип почав «бачити» те, що раніше було для нього невидимим.
Ми поєднали машинне навчання з покращеним виявленням світла, і це дозволило створити компактні пристрої для гіперспектрального зондування в реальному часі.
Лабораторія у вашій кишені
Мікроскопічний розмір і низьке енергоспоживання відкривають двері для застосувань, які раніше існували лише у науковій фантастиці. Замість того, щоб нести зразок до лабораторії, ви носите лабораторію з собою.
- Медицина носимі пристрої зможуть аналізувати склад крові та тканин крізь шкіру, виявляючи хвороби на найраніших стадіях без проколів. Для людей із цукровим діабетом це означає кінець болючих щоденних уколів.
- Якість продуктів смартфон із вбудованим чипом миттєво визначить свіжість м’яса чи наявність шкідливих домішок у овочах прямо в супермаркеті.
- Екологія портативні датчики зможуть виявляти токсичні речовини у повітрі чи воді в реальному часі, а не через тиждень після лабораторного аналізу.
- Виробництво контроль якості на заводах стане миттєвим і безконтактним, зменшуючи кількість браку.
Але це ще не все. Новий чип вміє фіксувати надшвидкі взаємодії між світлом і матерією. Завдяки високошвидкісним сенсорам він вимірює час життя фотона з неймовірною точністю. Раніше для таких експериментів потрібні були установки розміром із кімнату та вартістю у мільйони доларів. Тепер це вміщуєтся на нігті.
Мільйони копій за копійки
Розробка має ще одну важливу перевагу стійкість до електричних перешкод. Портативна електроніка часто страждає від шумів, які спотворюють дані. Штучний інтелект навчили відокремлювати корисний сигнал від шуму, зберігаючи чісткість результату навіть у неідеальних умовах.
Ахсан Ахамед, Хтет М’ят, Аміта Рават та Ліза МакФілліпс працювали над тим, щоб зробити технологію не просто лабораторним дивом, а масовим продуктом. Кремній найдешевший і найпоширеніший матеріал у мікроелектроніці. Це означає, що нові спектрометри можна буде виробляти мільйонами за копійки, інтегруючи їх у будь-які гаджети.
Тисячі років піщинка була символом чогось мікроскопічного і незначного. Сьогодні одна з них здатна вмістити цілу лабораторію. І це лише початок мінітюризації технологій, які змінять наше повсякдення.
Про автора
