طیف‌سنج ۱۰ دلاری کمبریج؛ گامی به سوی ساعت‌های هوشمندی که به آزمایشگاه شخصی سلامت تبدیل می‌شوند

به گزارش آذرنگارنده:

پژوهشگران دانشگاه کمبریج با همکاری استارتاپ GlitterinTech نوعی طیف‌سنج نوری فشرده و کم‌هزینه توسعه داده‌اند که می‌تواند دقتی در حد تجهیزات آزمایشگاهی را در قالب دستگاهی کوچک، ارزان و مناسب ابزارهای پوشیدنی ارائه کند. این فناوری جدید می‌تواند در آینده راه را برای ساخت ساعت‌ها و حسگرهایی باز کند که بدون نیاز به نمونه‌گیری تهاجمی، اطلاعاتی مانند قند خون، کم‌آبی بدن، لاکتات، الکل خون و حتی کیفیت غذا را بررسی کنند.

این دستاورد که در مجله Nature Photonics منتشر شده، یکی از چالش‌های قدیمی در حوزه طیف‌سنجی را هدف گرفته است: هرچه طیف‌سنج‌ها کوچک‌تر می‌شوند، معمولاً از نظر پهنای باند، تفکیک‌پذیری یا دقت ضعیف‌تر می‌شوند. اما فناوری تازه‌ای که پژوهشگران آن را «طیف‌سنج کانولوشنی» (convolutional spectrometer) نامیده‌اند، با تکیه بر یک رویکرد ریاضی متفاوت، این محدودیت را تا حد زیادی پشت سر گذاشته است.

طیف‌سنج چیست و چرا مهم است؟

طیف‌سنج ابزاری است که بررسی می‌کند نور چگونه با مواد مختلف برهم‌کنش می‌کند. از همین راه می‌توان مواد شیمیایی را شناسایی کرد، ویژگی‌های فیزیکی یک ماده را سنجید، یا تغییرات زیستی بدن را ردیابی کرد. چنین ابزارهایی در پزشکی، صنعت، کنترل کیفیت، پایش محیط‌زیست و پژوهش‌های علمی کاربرد گسترده دارند.

مشکل اینجاست که طیف‌سنج‌های دقیق، معمولاً بزرگ، گران و محدود به آزمایشگاه‌ها هستند. فناوری جدید کمبریج تلاش می‌کند این قابلیت را به دستگاهی در ابعاد چند سانتی‌متر و با هزینه‌ای حدود ۱۰ دلار منتقل کند.

ایده اصلی: اندازه‌گیری طیف با «کانولوشن»

طیف‌سنج‌های متداول معمولاً یا با پراکندن نور کار می‌کنند یا طیف را با روش‌های محاسباتی بازسازی می‌کنند. اما در این فناوری جدید، پژوهشگران به‌جای این رویکردهای رایج، از مفهوم ریاضی قضیه کانولوشن استفاده کرده‌اند.

به‌طور ساده، این دستگاه فرایند کانولوشن را مستقیماً روی نور ورودی انجام می‌دهد. برای این کار، از مجموعه‌ای از اجزای نوری با پاسخ‌های طیفی تناوبی استفاده شده است، از جمله:

• تداخل‌سنج‌های نامتعادل ماخ–زندر (unbalanced Mach–Zehnder interferometers)
• رزوناتورهای حلقه‌ای میکرو (microring resonators)

با تنظیم متناسب این اجزا، پاسخ طیفی سیستم به‌شکل کنترل‌شده جابه‌جا می‌شود و سپس با استفاده از تبدیل فوریه سریع (FFT)، طیف نور با دقت بالا بازسازی می‌شود.

به گفته دکتر چون‌هویی یائو (Chunhui Yao)، نویسنده اصلی پژوهش، ایده کلیدی این بود که به‌جای مقابله با محدودیت‌های معمول طیف‌سنج‌های کوچک، از ابتدا به ریاضیات مسئله بازگردند و ببینند آیا راهی بنیادی‌تر و تمیزتر برای استخراج طیف وجود دارد یا نه.

ویژگی‌های فنی برجسته

این طیف‌سنج بر بستر فوتونیک مجتمع سیلیکون نیترید ساخته شده و با الکترونیک داخلی ترکیب شده است. دستگاه در بازه فروسرخ نزدیک و در طول‌موج‌های ۱۲۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر کار می‌کند و می‌تواند داده‌ها را در کمتر از یک ثانیه ثبت و پردازش کند.

از مهم‌ترین مزایای این طراحی می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• ابعاد کوچک در حد چند سانتی‌متر
• هزینه تقریبی ۱۰ دلار
• دقت نزدیک به تجهیزات آزمایشگاهی
• تحمل‌پذیری خوب در برابر نویز
• نیاز بسیار کم به توان پردازشی
• امکان گسترش تقریبا نامحدود پهنای باند طیفی بدون تغییر در سخت‌افزار
• امکان افزایش شدید تفکیک‌پذیری با افزودن اجزای بیشتر به سیستم

پژوهشگران می‌گویند این طراحی از نظر عملکرد، از برخی طیف‌سنج‌های مرسوم مانند طیف‌سنج‌های پاشنده، فوریه‌تبدیلی و بازسازی‌محور نیز فراتر رفته است.

آزمایش در کاربردهای واقعی

تیم پژوهشی این دستگاه را در چند سناریوی کاربردی امتحان کرد. در بخش تحلیل مواد و مواد غذایی، طیف‌سنج توانست موادی مانند:

• پلاستیک‌ها
• داروها
• قهوه
• آرد
• چای

را با نرخ موفقیت ۱۰۰ درصدی شناسایی کند.

همچنین این سامانه توانست غلظت مواد را در محلول‌های آبی و آلی با دقتی در حدود ۰.۰۱ درصد اندازه‌گیری کند؛ دقتی که بنا بر گزارش پژوهشگران، حتی از برخی طیف‌سنج‌های رومیزی تجاری نیز بهتر بوده است.

کاربردهای سلامت: از آب پوست تا قند خون

یکی از جذاب‌ترین بخش‌های این پژوهش، نمایش توانایی دستگاه در پایش غیرتهاجمی نشانگرهای زیستی انسان در شرایط فیزیولوژیک واقعی بود. به گفته پژوهشگران، این طیف‌سنج توانست با دقت مناسب موارد زیر را اندازه‌گیری کند:

• رطوبت پوست
• الکل خون
• لاکتات خون
• قند خون

آن‌ها همچنین توانستند در یک شرکت‌کننده، تغییرات قند خون را در بازه‌ای طولانی‌تر دنبال کنند. اگر این فناوری در مطالعات بزرگ‌تر تأیید شود، می‌تواند به توسعه نسل جدیدی از ابزارهای پوشیدنی برای پایش مداوم سلامت کمک کند؛ از جمله برای افراد مبتلا به دیابت.

پایداری در شرایط سخت

از دیگر نکات مهم این فناوری، عملکرد پایدار در بازه دمایی بسیار گسترده است. دستگاه در دماهای بین منفی ۲۰ درجه سانتی‌گراد تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد باثباتی نشان داد. چنین پایداری‌ای در طیف‌سنج‌های کوچک چندان رایج نیست و برای کاربردهای پوشیدنی، صنعتی و فضای باز اهمیت زیادی دارد.

چرا این فناوری مهم‌تر از یک ابزار کوچک است؟

بسیاری از طیف‌سنج‌های کوچک و دقیق فعلی به کالیبراسیون‌های پیچیده و الگوریتم‌های محاسباتی سنگین نیاز دارند؛ الگوریتم‌هایی که اغلب نسبت به نویز حساس‌اند. اما در این طراحی جدید، به‌دلیل ماهیت خطی کانولوشن، بازیابی اطلاعات طیفی سریع‌تر، پایدارتر و با نیاز محاسباتی بسیار کمتر انجام می‌شود.

به گفته پروفسور ریچارد پنتی (Richard Penty)، یکی از اعضای تیم طراحی سامانه فوتونیکی، این معماری هم ساده و مقیاس‌پذیر است، هم قابلیت تولید انبوه دارد، و در عین حال دقتی ارائه می‌دهد که با ابزارهای بسیار بزرگ‌تر رقابت می‌کند.

چشم‌انداز آینده

پژوهشگران معتقدند این نسل جدید از طیف‌سنج‌ها می‌تواند طیف‌سنجی را به یک قابلیت همگانی و تعبیه‌شده در تجهیزات روزمره تبدیل کند؛ درست مانند حسگرهای دما یا حرکت که امروز در بسیاری از دستگاه‌ها دیده می‌شوند.

اگر این مسیر به‌خوبی پیش برود، کاربردهای آینده می‌تواند شامل این موارد باشد:

• کنترل کیفیت صنعتی
• پایش لحظه‌ای کیفیت غذا
• پایش گسترده محیط‌زیستی
• تشخیص کم‌آبی بدن
• تشخیص مستی یا مصرف الکل
• پایش آمادگی بدنی
• اندازه‌گیری مداوم قند خون

با این حال، باید توجه داشت که این فناوری هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و برای ورود گسترده به بازار مصرفی، به اعتبارسنجی بالینی، توسعه مهندسی و تأییدهای قانونی بیشتری نیاز خواهد داشت.

مشخصات مقاله:

“Optical convolutional spectrometer”

Nature Photonics, 2026

DOI: 10.1038/s41566-026-01891-6