Spettrometro ultrarapido su chip guidato dall'intelligenza artificiale: una rivoluzione nel rilevamento in tempo reale
L'innovazione riduce uno spettrometro da laboratorio alle dimensioni di un granello di sabbia
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Per decenni, la capacità di visualizzare la composizione chimica dei materiali, sia per diagnosticare una malattia, sia per valutare la qualità degli alimenti o analizzare l'inquinamento, è dipesa da grandi e costosi strumenti di laboratorio chiamati spettrometri. Questi dispositivi funzionano prendendo la luce, diffondendola in un arcobaleno con un prisma o una griglia e misurando l'intensità di ciascun colore. Il problema è che la diffusione della luce richiede un lungo percorso fisico, rendendo il dispositivo intrinsecamente ingombrante.
Appoggiato su un polpastrello, questo sensore miniaturizzato sostituisce le ingombranti apparecchiature di laboratorio utilizzando nanostrutture superficiali a cattura di fotoni e l'intelligenza artificiale (AI) per analizzare con precisione le malattie, controllare la qualità degli alimenti e rilevare l'inquinamento, utilizzando sia la luce visibile che quella del vicino infrarosso.
Image courtesy of the Integrated Nanodevices & Nanosystems Research Lab at UC Davis.
Un recente studio dell'Università della California Davis (UC Davis), riportato su Advanced Photonics, affronta la sfida della miniaturizzazione, con l'obiettivo di ridurre uno spettrometro da laboratorio alle dimensioni di un granello di sabbia, un minuscolo spettrometro su chip che può essere integrato in dispositivi portatili. L'approccio tradizionale di diffusione spaziale della luce viene abbandonato a favore di un metodo ricostruttivo. Invece di separare fisicamente ogni colore, il nuovo chip utilizza solo 16 distinti rivelatori di silicio, ognuno dei quali è progettato per rispondere in modo leggermente diverso alla luce in arrivo. Ciò equivale a dare a una manciata di sensori specializzati una bevanda mista, con ogni sensore che campiona un aspetto diverso della bevanda. La chiave per decifrare la ricetta originale è la seconda parte dell'invenzione: l'intelligenza artificiale (AI).
Il cuore di questa innovazione risiede in due scoperte tecnologiche. In primo luogo, il team ha ingegnerizzato le superfici dei fotodiodi standard di silicio con texture superficiali specializzate nell'intrappolamento dei fotoni (PTST). Il silicio è generalmente efficace nel rilevare la luce visibile, ma è notoriamente scarso nel rilevare la luce del vicino infrarosso (NIR) (lunghezza d'onda fino a 1100 nm), che è fondamentale per molte applicazioni, come l'imaging biomedico, perché penetra nei tessuti umani più profondamente della luce visibile. La superficie del PTST agisce come una texture sapientemente progettata che costringe i fotoni NIR a disperdersi all'interno del sottile strato di silicio invece di passare direttamente attraverso di esso. Ciò aumenta notevolmente la probabilità che il silicio assorba la luce, rendendo l'intero chip sensibile in un'ampia gamma spettrale.
Oltre al semplice rilevamento del colore, l'architettura impiega sensori ad alta velocità per fornire una capacità intrinseca e ultraveloce di misurare la durata dei fotoni. Questa precisione temporale consente al dispositivo di catturare le fugaci interazioni luce-materia che sono invisibili agli strumenti tradizionali.
In secondo luogo, il chip utilizza una potente rete neurale (AI) completamente connessa. Poiché i 16 rivelatori unici catturano solo segnali codificati e rumorosi, l'intelligenza artificiale viene addestrata su migliaia di esempi per imparare la complessa relazione nascosta tra le uscite grezze dei rivelatori e lo spettro di luce originale e puro. L'intelligenza artificiale affronta questo "problema inverso", ricostruendo lo spettro luminoso con un'elevata precisione (risoluzione di circa 8 nm). Questo metodo computazionale elimina completamente la necessità di ottiche ingombranti.
Il risultato finale è un sistema con un ingombro minimo (0,4 mm quadrati), un'elevata sensibilità e una forte resistenza al rumore. Il chip potenziato dall'intelligenza artificiale è in grado di mantenere la chiarezza del segnale anche in presenza di significative interferenze elettriche, una delle principali sfide dell'elettronica portatile a basso costo. Estendendo la gamma di rilevamento del silicio al cruciale spettro NIR e consentendo al contempo elevate prestazioni grazie all'apprendimento automatico, questa tecnologia stabilisce un percorso per un rilevamento iperspettrale realmente integrato e in tempo reale in applicazioni che vanno dalla diagnostica medica avanzata al telerilevamento ambientale.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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