Dirbtinis intelektas suteikia galią rekordiškai geriems miniatiūriniams spektrometrams "viskas viename"
Pasitelkę dirbtinį intelektą (AI) optiniams ir mechaniniams komponentams pakeisti, mokslininkai sukūrė mažytį spektrometrą, sumušantį visus dabartinius skiriamosios gebos rekordus.
Kasdien matome mus supančią šviesą ir spalvas. Tačiau, norėdami išanalizuoti joje esančią informaciją, turime analizuoti šviesą naudodami spektrometrus, laboratorijoje. Šie prietaisai aptinka kibirkštis ir medžiagas, kurių kitaip mūsų akys nepastebėtų.
Dabar tarptautinė tyrėjų komanda, įskaitant Kembridžo universiteto mokslininkus, sukūrė miniatiūrinį spektrometrą, kuris sumuša visus dabartinius skiriamosios gebos rekordus, ir tai atlieka daug mažesnėje pakuotėje, dėka skaičiavimo programų ir dirbtinio intelekto.
Naujieji miniatiūriniai prietaisai galėtų būti naudojami daugelyje sričių - nuo maisto kokybės tikrinimo iki žvaigždžių šviesos analizės ar silpnų gyvybės užuominų kosmose aptikimo. Apie rezultatus rašoma žurnale "Science".
Tradiciškai spektrometruose naudojami didelių gabaritų komponentai, kurie filtruoja ir išsklaido šviesą. Šiuolaikiniai metodai supaprastina šiuos komponentus, kad sumažėtų jų užimamas plotas, tačiau vis dar trūksta skiriamosios gebos ir dažnių juostos pločio. Be to, tradiciniai spektrometrai yra sunkūs ir užima labai daug vietos, todėl jų pritaikymas nešiojamuosiuose ir mobiliuosiuose prietaisuose yra ribotas.
Siekdami išspręsti šias problemas ir sumažinti sistemos dydį, mokslininkai sujungė sluoksniuotas medžiagas su dirbtinio intelekto algoritmais. Rezultatas - universalus spektrometras, tūkstančius kartų mažesnis už dabartines komercines sistemas. Kartu jis pasižymi našumu, prilygstančiu stalinėms sistemoms. Kitaip tariant, šie naujieji spektrometrai taps nešiojamomis alternatyvomis, leidžiančiomis atskleisti kitaip nematomą informaciją net neinant į laboratoriją.
"Mums nebereikia detektorių masyvų, dispersinių komponentų ir filtrų. Tai yra "viskas viename", miniatiūrinis prietaisas, kuris gali sukelti revoliuciją šioje srityje", - sakė pirmasis straipsnio autorius daktaras Hoon Hahn Yoon iš Aalto universiteto Suomijoje. Tikimasi, kad ši spektrometro ant lusto technologija užtikrins didelį našumą ir naujas panaudojimo galimybes moksle ir pramonėje.
Detektoriuje naudojamos van der Valso heterostruktūros - skirtingų sudedamųjų dalių, įskaitant grafeną, molibdeno disulfidą ir volframo diselenidą, "sumuštinis". Skirtingi medžiagų komponentų deriniai leidžia aptikti šviesą už regimojo spektro ribų, net iki artimosios infraraudonosios srities. Tai reiškia, kad spektrometras aptinka ne tik spalvą, todėl jį galima naudoti cheminei analizei ir naktiniam matymui.
"Mes aptinkame ištisinį šviesos spektrą, todėl atsiveria daugybė galimybių daugybėje rinkų", - sakė Yoon. "Ištyrus kitų medžiagų derinius, būtų galima atrasti daugiau funkcijų, įskaitant dar platesnį hiperspektrinį aptikimą ir geresnę skiriamąją gebą."
Dirbtinis intelektas yra svarbiausias šių prietaisų, paprastai vadinamų skaičiavimo spektrometrais, aspektas. Ši technologija kompensuoja neišvengiamai padidėjusį triukšmą, kuris neišvengiamai atsiranda visiškai pašalinus optinį komponentą.
"Mums pavyko sėkmingai panaudoti matematinius algoritmus signalams ir spektrams atkurti, tai gilus ir transformuojantis technologinis šuolis", - sakė pagrindinis autorius profesorius Zhipei Sunas, taip pat iš Aalto universiteto ir buvęs Kembridžo inžinerijos departamento narys. "Dabartinis projektas yra tik koncepcijos įrodymas. Tobulesni algoritmai ir įvairūs medžiagų deriniai netrukus gali padėti sukurti dar geresnius miniatiūrinius spektrometrus."
Spektrometrai naudojami toksinams aptikti maisto produktuose ir kosmetikoje, vėžio vaizdavimui ir kosminiuose aparatuose, įskaitant Jameso Webbo kosminį teleskopą. Netrukus jie taps dar labiau paplitę dėl tokių technologijų, kaip daiktų internetas ir "Pramonė 4.0", kūrimo ir pažangos.
Šviesos aptikimas - ir visapusiška spektroskopinės informacijos analizė - gali būti pritaikomas jutimo, stebėjimo, išmaniojo žemės ūkio ir kitose srityse. Tarp perspektyviausių miniatiūrinių spektrometrų taikymo sričių yra cheminė ir biocheminė analizė dėl prietaisų galimybių aptikti šviesą infraraudonųjų bangų diapazone.
Naujieji prietaisai galėtų būti įmontuoti į tokias priemones kaip dronai, mobilieji telefonai ir "laboratorija ant lusto" platformos, kurios gali atlikti kelis eksperimentus vienoje integrinėje schemoje. Pastarieji taip pat atveria galimybes sveikatos priežiūros srityje. Šioje srityje spektrometrai ir šviesos detektoriai jau yra pagrindiniai vaizdavimo ir diagnostikos sistemų komponentai, o naujieji miniatiūriniai prietaisai galėtų leisti vienu metu vizualizuoti ir aptikti "cheminius pirštų atspaudus", todėl atsirastų galimybių biomedicinos srityje.
"Mūsų miniatiūriniai spektrometrai pasižymi didele erdvine ir spektrine skiriamąja geba mikrometrų ir nanometrų masteliu, o tai ypač įdomu reaguojantiems bioimplantams ir naujoviškiems vaizdavimo metodams", - sakė Kembridžo grafeno centro bendraautorius profesorius Tawfique Hasanas.
Dėl suderinamumo su nusistovėjusiais pramoniniais procesais ši technologija turi didžiulį mastelio keitimo ir integravimo potencialą. Ji gali atverti ateitį naujos kartos išmaniųjų telefonų fotoaparatams, kurie evoliucionuoja į hiperspektrines kameras, kurių įprastos spalvotos kameros negali atlikti. Tyrėjai tikisi, kad jų indėlis bus žingsnis kuriant pažangesnius kompiuterinius spektrometrus, pasižyminčius rekordiniu tikslumu ir skiriamąja geba. Jie teigia, kad šis pavyzdys yra tik pirmasis iš daugelio.
