AI poháněný spektrometrický čip zmenšuje laboratorní technologii na velikost zrnka písku

Foto: Integrated Nanodevices & Nanosystems Research Lab at UC Davis

Miniaturní čip s velkým potenciálem

Vědci z University of California Davis (UC Davis) vyvinuli nový AI poháněný čip, který dokáže analyzovat světlo a chemikálie pomocí zařízení tak malého, že se vejde téměř kamkoli. Tato technologie má potenciál proměnit budoucí zařízení v mocné chemické a lékařské skenery.

Autor původního článku: redakce

Tradiční spektrometry, které se používají pro diagnostiku nemocí, kontrolu kvality potravin a monitorování znečištění, jsou obvykle velké a nákladné. Tyto systémy pracují na principu rozdělení světla na jeho složky pomocí hranolů nebo mřížek, což vyžaduje, aby světlo cestovalo na relativně dlouhou vzdálenost. Tento proces činí zařízení objemnými a obtížně miniaturizovatelnými.

Revoluce v analýze světla

Nový spektrometr na čipu, který vyvinuli vědci z UC Davis, je tak malý, že se blíží velikosti zrnka písku. Místo spoléhání se na velké optické komponenty k fyzickému oddělení světla, nový systém využívá umělou inteligenci (AI) a malou sadu speciálně navržených senzorů k rekonstrukci spektra výpočetně.

Čip opouští standardní metodu rozprostření světla do duhy. Místo toho se spoléhá na 16 unikátních křemíkových detektorů, z nichž každý je navržen tak, aby reagoval mírně odlišně na přicházející světlo. Detektory sbírají zakódované signály obsahující skryté spektrální informace. Plně propojená neuronová síť, vytrénovaná na tisících příkladů, pomáhá AI naučit se složitý vztah mezi těmito signály a skutečným spektrem světla.

Rozšíření křemíku do infračerveného spektra

Významný průlom nastal díky úpravě povrchu standardních křemíkových fotodiod pomocí specializovaných povrchových textur zachycujících fotony (PTST). Křemík obvykle dobře funguje pro detekci viditelného světla, ale má problémy s zachycením blízkého infračerveného (NIR) světla (vlnové délky až 1100 nm). NIR světlo je obzvláště důležité pro aplikace, jako je biomedicínské zobrazování, protože může proniknout hlouběji do lidské tkáně než viditelné světlo.

Inženýrované PTST povrchy mění chování světla uvnitř čipu. Místo toho, aby NIR fotony prošly přímo tenkou vrstvou křemíku, texturovaný povrch světlo opakovaně rozptyluje, čímž zvyšuje pravděpodobnost, že je křemík absorbuje. Výsledkem je, že čip se stává citlivým na mnohem širší spektrální rozsah než standardní křemíkové senzory.

Rychlé zachycení světelných interakcí

Nová architektura nabízí více než jen jednoduchou detekci barev. Čip také obsahuje vysokorychlostní senzory schopné měřit životnost fotonů s extrémně vysokou časovou přesností. To umožňuje zařízení detekovat ultrarychlé interakce mezi světlem a hmotou, které tradiční spektrometry mohou zcela přehlédnout. Výzkumníci tvrdí, že tato schopnost by mohla otevřít dveře pokročilým formám snímání a zobrazování, které dříve vyžadovaly mnohem větší a dražší systémy.

Potenciální využití a aplikace

Dokončený systém zabírá pouze 0,4 čtverečního milimetru a přitom si zachovává vysokou citlivost a silnou odolnost vůči elektrickému šumu, což je hlavní výzva pro přenosnou, nízkonákladovou elektroniku. I v hlučném prostředí může design s asistencí AI zachovat jasnou kvalitu signálu. Kombinací strojového učení s vylepšenou detekcí světla křemíkem by technologie mohla otevřít cestu pro kompaktní zařízení pro hyperspektrální snímání v reálném čase. Potenciální aplikace zahrnují přenosnou lékařskou diagnostiku, nositelné zdravotní monitory, dálkový průzkum životního prostředí a analýzu kvality potravin.