东方时讯网研究人员使用人工智能(AI)取代光学和机械组件，设计出一种微型光谱仪，打破了当前所有分辨率记录。
我们每天都能看到周围的光和颜色。然而，要分析它携带的信息，我们必须在实验室中使用光谱仪分析光。这些设备检测到我们的眼睛不会注意到的火花和物质。
现在，包括剑桥大学在内的一个国际研究团队设计了一种微型光谱仪，它打破了目前所有的分辨率记录，而且得益于计算程序和人工智能，它的体积要小得多。
新的微型设备可用于许多领域，从检查食品质量到分析星光或探测外太空微弱的生命线索。结果发表在《科学》杂志上。
传统上，光谱仪依靠笨重的组件来过滤和散射光。现代方法简化了这些组件以缩小占地面积，但分辨率和带宽仍然有限。此外，传统的光谱仪很重并且占用大量空间，这限制了它们在便携式和移动设备中的应用。
为了解决这些问题并缩小系统的尺寸，研究人员将分层材料与人工智能算法相结合。结果是一个比当前商业系统小数千倍的一体式光谱仪。同时，它提供可与台式系统相媲美的性能。换句话说，这些新的光谱仪将提供便携式替代方案来发现原本不可见的信息，甚至无需进入实验室。
“我们不再需要检测器阵列、色散元件和过滤器。这是一种一体化的微型设备，可以彻底改变这一领域，”该论文的第一作者、芬兰阿尔托大学的HoonHahnYoon博士说。这种片上光谱仪技术有望在科学和工业领域提供高性能和新的可用性。
该探测器使用范德瓦尔斯异质结构——一种不同成分的“三明治”，包括石墨烯、二硫化钼和二硒化钨。材料成分的不同组合使光检测超出可见光谱，远至近红外区域。这意味着光谱仪检测的不仅仅是颜色，还可以用于化学分析和夜视等应用。
Yoon说：“我们检测到连续光谱，为无数市场打开了一个充满可能性的世界。”“探索其他材料组合可以发现更多功能，包括更广泛的高光谱检测和更高的分辨率。”
人工智能是这些设备的一个关键方面，通常称为“计算”光谱仪。该技术补偿了在完全移除光学组件时不可避免地出现的固有噪声增加。
“我们能够使用数学算法成功地重建信号和光谱，这是一次意义深远的变革性技术飞跃，”主要作者、同样来自阿尔托大学、剑桥大学工程系前成员的孙志培教授说。“目前的设计只是一个概念验证。更先进的算法和不同的材料组合很快就会提供更好的微型光谱仪。”
光谱仪用于食品和化妆品、癌症成像和航天器(包括詹姆斯·韦伯太空望远镜)中的毒素检测。随着物联网和工业4.0等技术的发展和进步，它们将很快变得更加普遍。
光的检测——以及光谱信息的全面分析——在传感、监控、智能农业等领域都有应用。微型光谱仪最有前途的应用是化学和生化分析，这要归功于该设备能够检测红外波长范围内的光。
新设备可以集成到无人机、手机和芯片实验室平台等仪器中，这些仪器可以在单个集成电路中进行多项实验。后者也为医疗保健开辟了机会。在这个领域，光谱仪和光探测器已经成为成像和诊断系统的关键部件——新的小型化设备可以实现“化学指纹”的同时可视化和检测，从而为生物医学领域带来可能性。
“我们的微型光谱仪在微米和纳米尺度上提供高空间和光谱分辨率，这对于响应式生物植入物和创新成像技术来说尤其令人兴奋，”来自剑桥石墨烯中心的共同作者TawfiqueHasan教授说。
由于与成熟的工业流程兼容，该技术具有巨大的可扩展性和集成潜力。它可以为下一代智能手机相机开辟未来，这些智能手机相机可以演变成传统彩色相机无法做到的高光谱相机。研究人员希望他们的贡献是开发更先进的计算光谱仪的垫脚石，具有破纪录的准确性和分辨率。他们说，这个例子只是众多例子中的第一个。