محققان با استفاده از هوش مصنوعی (AI) برای جایگزینی اجزای نوری و مکانیکی، یک طیف‌سنج کوچک طراحی کرده‌اند که تمام رکوردهای وضوح فعلی را می‌شکند.
ما هر روز نور و رنگ ها را در اطراف خود می بینیم. با این حال، برای تجزیه و تحلیل اطلاعاتی که حمل می کند، باید نور را با استفاده از طیف سنج ها در آزمایشگاه تجزیه و تحلیل کنیم. این دستگاه ها جرقه ها و موادی را تشخیص می دهند که در غیر این صورت چشم ما متوجه آنها نمی شد.
اکنون، یک تیم بین المللی از محققان، از جمله دانشگاه کمبریج، یک طیف سنج کوچک طراحی کرده اند که تمام رکوردهای وضوح فعلی را می شکند و این کار را در بسته ای بسیار کوچکتر به لطف برنامه های محاسباتی و هوش مصنوعی انجام می دهد.
دستگاه‌های کوچک‌سازی شده جدید می‌توانند در طیف وسیعی از بخش‌ها، از بررسی کیفیت غذا گرفته تا تجزیه و تحلیل نور ستاره‌ها یا تشخیص سرنخ‌های ضعیف از حیات در فضای بیرونی مورد استفاده قرار گیرند.
به طور سنتی، طیف سنج ها برای فیلتر کردن و پراکنده کردن نور به اجزای حجیم متکی هستند. رویکردهای مدرن این مؤلفه ها را برای کاهش ردپاها ساده می کنند، اما همچنان از وضوح و پهنای باند محدود رنج می برند. علاوه بر این، طیف‌سنج‌های سنتی سنگین هستند و فضای فوق‌العاده‌ای را اشغال می‌کنند، که کاربرد آنها را در دستگاه‌های قابل حمل و موبایل محدود می‌کند.
برای مقابله با این مشکلات و کوچک کردن اندازه سیستم، محققان مواد لایه‌ای را با الگوریتم‌های هوش مصنوعی جفت کرده‌اند. نتیجه یک طیف سنج همه در یک هزاران بار کوچکتر از سیستم های تجاری فعلی است. در عین حال، عملکردی قابل مقایسه با سیستم های رومیزی ارائه می دهد. به عبارت دیگر، این طیف‌سنج‌های جدید جایگزین‌های قابل حملی را برای کشف اطلاعات نامرئی، حتی بدون رفتن به آزمایشگاه، فراهم می‌کنند.
دکتر هون هان یون گفت: “ما نیاز به آرایه های آشکارساز، اجزای پراکنده و فیلترها را حذف می کنیم. این یک دستگاه کوچک و همه کاره است که می تواند این حوزه را متحول کند. انتظار می رود این فناوری طیف سنج روی تراشه عملکرد بالا و قابلیت استفاده جدیدی را در سراسر علم و صنعت ارائه دهد.”
این آشکارساز از ساختار‌های ناهمسان واندروالس استفاده می‌کند، یک ساندویچ از مواد مختلف از جمله گرافن، دی سولفید مولیبدن و دیزلنید تنگستن است. ترکیبات مختلف اجزای مواد، تشخیص نور را فراتر از طیف مرئی، تا ناحیه نزدیک به فروسرخ امکان پذیر می‌کند. این بدان معناست که این طیف‌سنج فراتر از رنگ را تشخیص می‌دهد و کاربرد‌هایی مانند آنالیز شیمیایی و دید در شب را ممکن می‌سازد.
یون گفت: “ما طیف پیوسته‌ای از نور را شناسایی می‌کنیم و دنیایی از امکانات را در بازارهای بی‌شماری باز می‌کنیم. کاوش در سایر ترکیبات مواد می تواند عملکردهای بیشتری از جمله تشخیص فراطیفی گسترده تر و وضوح بهبود یافته را آشکار کند.”
هوش مصنوعی یکی از جنبه‌های کلیدی این دستگاه‌ها است که معمولاً طیف‌سنج‌های محاسباتی نامیده می‌شوند. این فناوری افزایش نویز ذاتی را جبران می کند که به طور اجتناب ناپذیر زمانی رخ می دهد که جزء نوری به طور کامل حذف شود.
پروفسور ژیپی سان گفت: «ما توانستیم از الگوریتم‌های ریاضی برای بازسازی موفقیت‌آمیز سیگنال‌ها و طیف‌ها استفاده کنیم، این یک جهش تکنولوژیکی عمیق و دگرگون‌کننده است.طراحی فعلی فقط یک اثبات مفهوم است. الگوریتم‌های پیشرفته‌تر و همچنین ترکیب‌های مختلف مواد، به زودی می‌توانند طیف‌سنج‌های کوچکتر بهتری را ارائه دهند.»
طیف سنج ها برای تشخیص سم در مواد غذایی و لوازم آرایشی، تصویربرداری سرطان، و در فضاپیماها – از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب استفاده می شود. و به لطف توسعه و پیشرفت فناوری هایی مانند اینترنت اشیا و صنعت ۴.۰ به زودی رایج تر خواهند شد.
یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای طیف‌سنج‌های کوچک، آنالیز شیمیایی و بیوشیمیایی است که به لطف قابلیت‌های دستگاه‌ها برای تشخیص نور در محدوده طول موج مادون قرمز است.
این فناوری به دلیل سازگاری با فرآیندهای صنعتی به خوبی تثبیت شده، دارای پتانسیل عظیمی برای مقیاس پذیری و یکپارچگی است. این می تواند آینده ای را برای نسل بعدی دوربین های گوشی های هوشمند بگشاید که به دوربین های فراطیفی تبدیل می شوند که دوربین های رنگی معمولی نمی توانند انجام دهند.
ما هر روز نور و رنگ ها را در اطراف خود می بینیم. با این حال، برای تجزیه و تحلیل اطلاعاتی که حمل می کند، باید نور را با استفاده از طیف سنج ها در آزمایشگاه تجزیه و تحلیل کنیم. این دستگاه ها جرقه ها و موادی را تشخیص می دهند که در غیر این صورت چشم ما متوجه آنها نمی شد.
اکنون، یک تیم بین المللی از محققان، از جمله دانشگاه کمبریج، یک طیف سنج کوچک طراحی کرده اند که تمام رکوردهای وضوح فعلی را می شکند و این کار را در بسته ای بسیار کوچکتر به لطف برنامه های محاسباتی و هوش مصنوعی انجام می دهد.
دستگاه‌های کوچک‌سازی شده جدید می‌توانند در طیف وسیعی از بخش‌ها، از بررسی کیفیت غذا گرفته تا تجزیه و تحلیل نور ستاره‌ها یا تشخیص سرنخ‌های ضعیف از حیات در فضای بیرونی مورد استفاده قرار گیرند.
به طور سنتی، طیف سنج ها برای فیلتر کردن و پراکنده کردن نور به اجزای حجیم متکی هستند. رویکردهای مدرن این مؤلفه ها را برای کاهش ردپاها ساده می کنند، اما همچنان از وضوح و پهنای باند محدود رنج می برند. علاوه بر این، طیف‌سنج‌های سنتی سنگین هستند و فضای فوق‌العاده‌ای را اشغال می‌کنند، که کاربرد آنها را در دستگاه‌های قابل حمل و موبایل محدود می‌کند.
برای مقابله با این مشکلات و کوچک کردن اندازه سیستم، محققان مواد لایه‌ای را با الگوریتم‌های هوش مصنوعی جفت کرده‌اند. نتیجه یک طیف سنج همه در یک هزاران بار کوچکتر از سیستم های تجاری فعلی است. در عین حال، عملکردی قابل مقایسه با سیستم های رومیزی ارائه می دهد. به عبارت دیگر، این طیف‌سنج‌های جدید جایگزین‌های قابل حملی را برای کشف اطلاعات نامرئی، حتی بدون رفتن به آزمایشگاه، فراهم می‌کنند.
دکتر هون هان یون گفت: “ما نیاز به آرایه های آشکارساز، اجزای پراکنده و فیلترها را حذف می کنیم. این یک دستگاه کوچک و همه کاره است که می تواند این حوزه را متحول کند. انتظار می رود این فناوری طیف سنج روی تراشه عملکرد بالا و قابلیت استفاده جدیدی را در سراسر علم و صنعت ارائه دهد.”
این آشکارساز از ساختار‌های ناهمسان واندروالس استفاده می‌کند، یک ساندویچ از مواد مختلف از جمله گرافن، دی سولفید مولیبدن و دیزلنید تنگستن است. ترکیبات مختلف اجزای مواد، تشخیص نور را فراتر از طیف مرئی، تا ناحیه نزدیک به فروسرخ امکان پذیر می‌کند. این بدان معناست که این طیف‌سنج فراتر از رنگ را تشخیص می‌دهد و کاربرد‌هایی مانند آنالیز شیمیایی و دید در شب را ممکن می‌سازد.
یون گفت: “ما طیف پیوسته‌ای از نور را شناسایی می‌کنیم و دنیایی از امکانات را در بازارهای بی‌شماری باز می‌کنیم. کاوش در سایر ترکیبات مواد می تواند عملکردهای بیشتری از جمله تشخیص فراطیفی گسترده تر و وضوح بهبود یافته را آشکار کند.”
هوش مصنوعی یکی از جنبه‌های کلیدی این دستگاه‌ها است که معمولاً طیف‌سنج‌های محاسباتی نامیده می‌شوند. این فناوری افزایش نویز ذاتی را جبران می کند که به طور اجتناب ناپذیر زمانی رخ می دهد که جزء نوری به طور کامل حذف شود.
پروفسور ژیپی سان گفت: «ما توانستیم از الگوریتم‌های ریاضی برای بازسازی موفقیت‌آمیز سیگنال‌ها و طیف‌ها استفاده کنیم، این یک جهش تکنولوژیکی عمیق و دگرگون‌کننده است.طراحی فعلی فقط یک اثبات مفهوم است. الگوریتم‌های پیشرفته‌تر و همچنین ترکیب‌های مختلف مواد، به زودی می‌توانند طیف‌سنج‌های کوچکتر بهتری را ارائه دهند.»
طیف سنج ها برای تشخیص سم در مواد غذایی و لوازم آرایشی، تصویربرداری سرطان، و در فضاپیماها – از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب استفاده می شود. و به لطف توسعه و پیشرفت فناوری هایی مانند اینترنت اشیا و صنعت ۴.۰ به زودی رایج تر خواهند شد.
یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای طیف‌سنج‌های کوچک، آنالیز شیمیایی و بیوشیمیایی است که به لطف قابلیت‌های دستگاه‌ها برای تشخیص نور در محدوده طول موج مادون قرمز است.
این فناوری به دلیل سازگاری با فرآیندهای صنعتی به خوبی تثبیت شده، دارای پتانسیل عظیمی برای مقیاس پذیری و یکپارچگی است. این می تواند آینده ای را برای نسل بعدی دوربین های گوشی های هوشمند بگشاید که به دوربین های فراطیفی تبدیل می شوند که دوربین های رنگی معمولی نمی توانند انجام دهند.
کد خبر ۲۰۴۰۱۰۸۰۴.۵۶۱
