فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه کمبریج حسگر نوری جدیدی با قیمت تنها ۱۰ دلار ساخته‌اند که می‌تواند قند خون را بدون نیاز به سوزن اندازه‌گیری کند و دقت تجهیزات آزمایشگاهی را به دستگاه‌های پوشیدنی بیاورد.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این فناوری که با همکاری دانشگاه کمبریج و شرکت نوپای GlitterinTech توسعه یافته است، می‌تواند تحول مهمی در پایش سلامت، آزمایش مواد غذایی، کنترل کیفیت صنعتی و نظارت بر محیط زیست ایجاد کند. شرکت GlitterinTech را اعضای همان گروه تحقیقاتی دانشگاه کمبریج تأسیس کرده‌اند و هدف آنها توسعه فناوری‌های پیشرفته اندازه‌گیری نوری است.
دستگاه جدید نوعی طیف‌سنج نوری محسوب می‌شود که دقت بسیار بالا را با ابعاد کوچک و هزینه تولید پایین ترکیب می‌کند. این حسگر تنها چند سانتی‌متر اندازه دارد و می‌توان آن را در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل و دستگاه‌های پوشیدنی سلامت به کار گرفت. چنین ویژگی‌هایی امکان اندازه‌گیری لحظه‌ای شاخص‌های مهم بدن، شناسایی مواد مختلف و بررسی تغییرات ترکیبات شیمیایی را فراهم می‌کند.
طیف‌سنج‌های نوری با تجزیه‌وتحلیل نور، اطلاعاتی درباره مواد و ترکیباتی که نور با آنها برهم‌کنش دارد، آشکار می‌کنند. این تجهیزات کاربرد گسترده‌ای در پزشکی، صنایع تولیدی، آزمایش‌های شیمیایی و تحقیقات محیط زیستی دارند. با وجود این، کوچک‌سازی آنها همواره یکی از چالش‌های مهم مهندسی بوده است.
مدل‌های کوچک معمولا محدوده اندازه‌گیری محدودتر، قدرت تفکیک پایین‌تر و دقت کمتری دارند. به همین دلیل، بسیاری از طیف‌سنج‌های قابل حمل بیشتر برای شناسایی مواد مناسب هستند و نمی‌توانند اندازه‌گیری‌های کمی بسیار دقیق انجام دهند. پژوهشگران کمبریج معتقد هستند طراحی جدید آنها می‌تواند این محدودیت‌ها را برطرف کند.
فناوری جدید با نام «طیف‌سنج کانولوشنی» شناخته می‌شود و از یک اصل ریاضی موسوم به «قضیه کانولوشن» برای تحلیل نور استفاده می‌کند. گروه تحقیقاتی اعلام کرده است که این روش در چندین شاخص مهم عملکردی از طیف‌سنج‌های متداول مبتنی بر پراکندگی نور، تبدیل فوریه و بازسازی محاسباتی پیشی می‌گیرد.
چگونه دقت تجهیزات آزمایشگاهی را فراهم می‌کند؟
طیف‌سنج‌های سنتی معمولا نور ورودی را به طول‌موج‌های تشکیل‌دهنده آن تفکیک می‌کنند یا با انجام محاسبات پیچیده، اطلاعات طیفی را بازسازی می‌کنند. در مقابل، حسگر جدید عملیات ریاضی کانولوشن را مستقیما روی نور ورودی انجام می‌دهد. این تفاوت بنیادی، ساختار دستگاه و شیوه پردازش اطلاعات را ساده‌تر می‌کند.
پژوهشگران برای اجرای این روش، مجموعه‌ای از اجزای نوری با پاسخ‌های طیفی تکرارشونده را به صورت متوالی کنار یکدیگر قرار داده‌اند. این مجموعه می‌تواند شامل تداخل‌سنج‌های نامتعادل ماخ-زندر یا تشدیدگرهای حلقوی میکروسکوپی باشد. این قطعات امکان کنترل دقیق رفتار نور را در طول‌موج‌های مختلف فراهم می‌کنند.
با تنظیم متناسب اجزای نوری، پاسخ سیستم به طول‌موج‌های مختلف به‌شکلی کنترل‌شده و خطی تغییر می‌کند. سپس الگوریتم تبدیل فوریه سریع، اطلاعات جمع‌آوری‌شده را پردازش می‌کند و طیف نور را با دقت بالا بازیابی می‌نماید. این فرایند در مقایسه با روش‌های پیچیده متداول، به توان محاسباتی کمتری نیاز دارد.
دکتر چون‌هویی یائو، یکی از نویسندگان اصلی پژوهش توضیح داد که گروه تحقیقاتی برای دستیابی به راهکاری بهتر، دوباره به مبانی ریاضی بازگشته است. پژوهشگران بررسی کردند که آیا می‌توان طیف نور را با روشی ساده‌تر و دقیق‌تر بازیابی کرد.
او گفت: «با استفاده مستقیم از قضیه کانولوشن در حوزه نوری، بسیاری از محدودیت‌هایی را برطرف می‌کنیم که تاکنون مانع پیشرفت طیف‌سنج‌های کوچک شده‌اند. این روش دقت بالا، مقاومت مناسب در برابر نویز و نیاز بسیار کم به پردازش محاسباتی را در سیستمی کوچک و ارزان فراهم می‌کند.»
پژوهشگران نمونه عملی دستگاه را با استفاده از یک بستر فوتونیکی مبتنی بر نیترید سیلیکون ساخته‌اند. آنها مدارهای الکترونیکی مورد نیاز را نیز در سیستم ادغام کرده‌اند تا دستگاه بتواند بدون وابستگی به تجهیزات آزمایشگاهی بزرگ فعالیت کند.
این طیف‌سنج در محدوده طول‌موج‌های فروسرخ نزدیک، بین ۱۲۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر کار می‌کند و قادر است اندازه‌گیری‌ها را در کمتر از یک ثانیه انجام دهد و پردازش کند. چنین سرعتی برای کاربردهایی مانند پایش لحظه‌ای سلامت و کنترل مداوم کیفیت محصولات اهمیت دارد.
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم دستگاه، امکان گسترش قابلیت‌های آن بدون تغییرات اساسی سخت‌افزاری است. استفاده از الگوهای نوری تکرارشونده باعث می‌شود پهنای باند طیفی سیستم از نظر نظری تقریبا بدون محدودیت افزایش یابد. همچنین افزودن اجزای نوری بیشتر می‌تواند قدرت تفکیک طیفی را به صورت نمایی بهبود دهد.
بیشتر بخوانید: ایمپلنت جدید MIT جان مبتلایان به دیابت نوع ۱ را در زمان افت قند خون نجات می دهد
دقت بالای حسگر نوری برای اندازه‌گیری قند خون
پژوهشگران برای بررسی قابلیت‌های عملی حسگر، آزمایش‌های متعددی را روی مواد مختلف انجام داده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که این دستگاه کوچک می‌تواند وظایفی را انجام دهد که معمولا به طیف‌سنج‌های آزمایشگاهی بزرگ و گران‌قیمت نیاز دارند.
در آزمایش‌های شناسایی مواد، دستگاه توانست پلاستیک‌ها، داروها، قهوه، آرد و چای را با نرخ موفقیت ۱۰۰ درصد طبقه‌بندی کند. این نتیجه نشان‌دهنده ظرفیت فناوری برای تشخیص ترکیبات مختلف در صنایع غذایی، دارویی و تولیدی است.
همچنین حسگر، غلظت مواد موجود در محلول‌های آبی و آلی را با دقتی در حدود ۰٫۰۱ درصد اندازه‌گیری کرد. عملکرد دستگاه در این آزمایش‌ها حتی از طیف‌سنج‌های رومیزی تجاری بهتر بود. البته این نتایج به شرایط آزمایش‌های انجام‌شده مربوط هستند و لزوما به معنای برتری دستگاه در تمام کاربردها نیستند.
مهم‌ترین بخش آزمایش‌ها به قابلیت‌های پزشکی فناوری جدید اختصاص داشت. پژوهشگران شرایطی مشابه محیط‌های واقعی فیزیولوژیکی ایجاد کردند و توانستند چندین نشانگر زیستی انسان را با دقت اندازه‌گیری کنند.
این شاخص‌ها شامل میزان رطوبت پوست، الکل خون، لاکتات خون و گلوکز خون بودند. اندازه‌گیری این نشانگرها می‌تواند اطلاعات مهمی درباره وضعیت سلامت، فعالیت جسمانی و تغییرات شیمیایی بدن ارائه دهد.
همچنین گروه تحقیقاتی موفق شد قابلیت پایش غیرتهاجمی قند خون را طی دوره‌ای طولانی در یک شرکت‌کننده نشان دهد. در این روش، اندازه‌گیری بدون سوراخ کردن پوست انجام می‌شود و نیازی به نمونه‌گیری مکرر خون وجود ندارد.
این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه نسل جدیدی از دستگاه‌های پایش قند خون را هموار کند. با وجود این، پژوهشگران تأکید دارند که پیش از عرضه فناوری به عنوان یک محصول پزشکی، آزمایش‌های بیشتر ضروری است. بنابراین، نتایج کنونی هنوز به معنای آماده بودن حسگر برای استفاده عمومی بیماران دیابتی نیست.
پروفسور چی‌شیانگ چنگ، سرپرست پروژه، آزمایش‌های زیست‌پزشکی را یکی از هیجان‌انگیزترین بخش‌های پژوهش توصیف کرد. او معتقد است اهمیت این دستاورد تنها به عملکرد آزمایشگاهی محدود نمی‌شود و میزان آمادگی فنی دستگاه نیز قابل توجه است.
چنگ گفت: «آنچه این پژوهش را متمایز می‌کند، تنها عملکرد آزمایشگاهی نیست، بلکه آمادگی فنی آن است. دکتر چون‌هویی یائو نقش مهمی در تبدیل یک مفهوم ریاضی به سیستمی کامل، مقاوم و قابل‌اعتماد داشت که در دماهای بسیار بالا و پایین و شرایط واقعی به‌درستی کار می‌کند.»
مقاومت حرارتی دستگاه نیز در آزمایش‌ها بررسی شد. این حسگر نوری برای اندازه‌گیری قند خون توانست در محدوده دمایی منفی ۲۰ تا مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد پایدار خود را حفظ کند. چنین محدوده گسترده‌ای برای یک طیف‌سنج کوچک غیرمعمول است و می‌تواند کاربردهای عملی آن را افزایش دهد.
این ویژگی برای دستگاه‌های پوشیدنی، تجهیزات کارخانه‌ای و حسگرهای نصب‌شده در محیط‌های باز اهمیت ویژه‌ای دارد. دستگاه‌هایی که در شرایط متغیر محیطی فعالیت می‌کنند، باید بتوانند بدون کاهش محسوس قابلیت اطمینان، اندازه‌گیری‌های خود را ادامه دهند.
بیشتر بخوانید: این دستگاه دائما قند خون شما را زیرنظر دارد
تولید انبوه و کاربرد آن در دستگاه‌های روزمره
مزایای طیف‌سنج جدید به دقت بالا، ابعاد کوچک و مقاومت حرارتی محدود نمی‌شود. ساختار داخلی ساده‌تر دستگاه، میزان پردازش محاسباتی مورد نیاز را نیز کاهش می‌دهد و می‌تواند تولید صنعتی آن را آسان‌تر کند.
بسیاری از طیف‌سنج‌های کوچک موجود برای بازسازی اطلاعات طیفی به فرایندهای کالیبراسیون پیچیده و الگوریتم‌های سنگین وابسته هستند. این روش‌ها هنگام وجود نویز در داده‌های اندازه‌گیری ممکن است دقت خود را از دست بدهند و به منابع پردازشی قابل توجهی نیاز داشته باشند.
روش مبتنی بر کانولوشن، بخش زیادی از این پیچیدگی را حذف می‌کند. از آنجا که اندازه‌گیری‌ها از یک رابطه ریاضی خطی پیروی می‌کنند، سیستم می‌تواند اطلاعات طیفی را با سرعت بالا و به صورت پایدار بازیابی کند. در نتیجه، دستگاه برای انجام محاسبات به سخت‌افزار پردازشی قدرتمند نیاز کمتری دارد.
پروفسور ریچارد پنتی، از پژوهشگران مشارکت‌کننده در طراحی و یکپارچه‌سازی سیستم فوتونیکی، این دستاورد را نمونه‌ای از تأثیر مهندسی ساده و هوشمندانه دانست.
او گفت: «معماری دستگاه ساده، توسعه‌پذیر و مناسب تولید صنعتی است، اما دقتی ارائه می‌دهد که با تجهیزات بسیار بزرگ‌تر رقابت می‌کند یا حتی از آنها فراتر می‌رود.»
همچنین پنتی نقش دکتر چون‌هویی یائو را در هماهنگ‌سازی طراحی فوتونیکی، یکپارچه‌سازی اجزای سیستم و اعتبارسنجی آزمایشگاهی برجسته دانست. به گفته او، ترکیب این فعالیت‌ها امکان تبدیل ایده ریاضی اولیه به دستگاهی عملی را فراهم کرده است.
ساختار نسبتا ساده حسگر می‌تواند تولید انبوه آن را اقتصادی‌تر کند. هزینه حدود ۱۰ دلاری دستگاه نیز نشان می‌دهد که اندازه‌گیری‌های نوری پیشرفته ممکن است در آینده از انحصار تجهیزات تخصصی و گران‌قیمت خارج شوند.
در صنایع تولیدی، حسگرهای ارزان‌قیمت می‌توانند در بخش‌های مختلف کارخانه‌ها نصب شوند و ترکیب شیمیایی مواد اولیه و کیفیت محصولات را به‌طور مداوم بررسی کنند. چنین کاربردی، امکان کنترل گسترده‌تر فرایندهای تولید را فراهم می‌کند.
در صنایع غذایی نیز این فناوری می‌تواند برای بررسی تازگی محصولات، شناسایی مواد و ارزیابی ترکیبات مختلف استفاده شود. همچنین حسگرهای مشابه ممکن است شرایط محیطی را در مقیاسی گسترده‌تر از امکانات کنونی پایش کنند.
کاربردهای احتمالی این فناوری در حوزه سلامت نیز قابل توجه است. دستگاه‌های پوشیدنی آینده ممکن است بتوانند میزان آب بدن را اندازه‌گیری کنند، نشانه‌های مسمومیت ناشی از الکل را تشخیص دهند و نشانگرهای زیستی مرتبط با آمادگی جسمانی را زیر نظر بگیرند.
پایش مداوم قند خون نیز یکی از مهم‌ترین اهداف احتمالی توسعه این حسگر محسوب می‌شود. دستیابی به چنین قابلیتی می‌تواند نیاز به روش‌های تهاجمی اندازه‌گیری را کاهش دهد، هرچند تحقق کاربرد پزشکی آن همچنان به پژوهش‌ها و آزمایش‌های تکمیلی وابسته است.
پروفسور چی‌شیانگ چنگ درباره آینده این فناوری گفت: «چشم‌انداز ما این است که طیف‌سنجی به‌اندازه حسگرهای دما یا حرکت فراگیر شود. این پژوهش نشان می‌دهد اطلاعات طیفی باکیفیت نباید لزوما به محیط آزمایشگاه محدود باشند و می‌توان آنها را مستقیما در فناوری‌هایی قرار داد که مردم هر روز استفاده می‌کنند.»
پژوهشگران معتقد هستند پیشرفت فناوری فوتونیک و کوچک‌تر شدن اجزای نوری می‌تواند مسیر ساخت نسل جدیدی از حسگرهای هوشمند را هموار کند. این تجهیزات با ترکیب دقت آزمایشگاهی، ابعاد کوچک و هزینه پایین، امکان بررسی ترکیبات شیمیایی بدن انسان و محیط اطراف را در دستگاه‌های روزمره فراهم خواهند کرد.
بیشتر بخوانید: تشخیص دیابت و پیش دیابت با یک حسگر تنفسی جدید
