La inteligencia artificial impulsa espectrómetros en miniatura todo en uno que baten récords

Vemos luz y colores a nuestro alrededor todos los días. Sin embargo, para analizar la información que lleva, debemos analizar la luz usando espectrómetros, en el laboratorio. Estos dispositivos detectan destellos y sustancias que de otro modo nuestros ojos no notarían.

Ahora, un equipo internacional de investigadores, incluida la Universidad de Cambridge, ha diseñado un espectrómetro miniaturizado que rompe todos los récords de resolución actuales y lo hace en un paquete mucho más pequeño, gracias a los programas computacionales y la inteligencia artificial.

Los nuevos dispositivos miniaturizados podrían usarse en una amplia gama de sectores, desde verificar la calidad de los alimentos hasta analizar la luz de las estrellas o detectar débiles pistas de vida en el espacio exterior. Los resultados se publican en la revista Ciencias.

Tradicionalmente, los espectrómetros se basan en componentes voluminosos para filtrar y dispersar la luz. Los enfoques modernos simplifican estos componentes para reducir las huellas, pero aún sufren de resolución y ancho de banda limitados. Además, los espectrómetros tradicionales son pesados ​​y ocupan una cantidad extraordinaria de espacio, lo que limita sus aplicaciones en dispositivos portátiles y móviles.

Para abordar estos problemas y reducir el tamaño del sistema, los investigadores han combinado materiales en capas con algoritmos de inteligencia artificial. El resultado es un espectrómetro todo en uno miles de veces más pequeño que los sistemas comerciales actuales. Al mismo tiempo, ofrece un rendimiento comparable al de los sistemas de sobremesa. En otras palabras, estos nuevos espectrómetros brindarán alternativas portátiles para descubrir información que de otro modo sería invisible, sin siquiera ingresar al laboratorio.

“Eliminamos la necesidad de conjuntos de detectores, componentes dispersivos y filtros. Es un dispositivo miniaturizado todo en uno que podría revolucionar este campo”, dijo el Dr. Hoon Hahn Yoon, de la Universidad Aalto en Finlandia, primer autor del artículo. Se espera que esta tecnología de espectrómetro en chip ofrezca un alto rendimiento y una nueva usabilidad en la ciencia y la industria.

El detector utiliza heteroestructuras de van der Waals, un «sándwich» de diferentes ingredientes, que incluyen grafeno, disulfuro de molibdeno y diseleniuro de tungsteno. Diferentes combinaciones de componentes materiales permiten la detección de luz más allá del espectro visible, hasta la región del infrarrojo cercano. Esto significa que el espectrómetro detecta algo más que el color, lo que permite aplicaciones como el análisis químico y la visión nocturna.

“Detectamos un espectro continuo de luz, abriendo un mundo de posibilidades en una miríada de mercados”, dijo Yoon. «Explorar otras combinaciones de materiales podría descubrir más funcionalidades, incluida una detección hiperespectral aún más amplia y una resolución mejorada».

La inteligencia artificial es un aspecto clave de estos dispositivos, comúnmente llamados espectrómetros ‘computacionales’. Esta tecnología compensa el aumento de ruido inherente que inevitablemente se produce cuando se elimina por completo el componente óptico.

«Pudimos usar algoritmos matemáticos para reconstruir con éxito las señales y los espectros, es un salto tecnológico profundo y transformador», dijo el autor principal, el profesor Zhipei Sun, también de la Universidad Aalto y ex miembro del Departamento de Ingeniería de Cambridge. “El diseño actual es solo una prueba de concepto. Algoritmos más avanzados, así como diferentes combinaciones de materiales, pronto podrían proporcionar espectrómetros miniaturizados aún mejores”.

Los espectrómetros se utilizan para la detección de toxinas en alimentos y cosméticos, imágenes de cáncer y en naves espaciales, incluido el telescopio espacial James Webb. Y pronto serán más comunes gracias al desarrollo y avance de tecnologías como el Internet de las Cosas y la Industria 4.0.

La detección de luz, y el análisis completo de la información espectroscópica, tiene aplicaciones en detección, vigilancia, agricultura inteligente y más. Entre las aplicaciones más prometedoras para los espectrómetros miniaturizados se encuentran el análisis químico y bioquímico, gracias a las capacidades de los dispositivos para detectar luz en el rango de longitud de onda infrarroja.

Los nuevos dispositivos podrían incorporarse a instrumentos como drones, teléfonos móviles y plataformas lab-on-a-chip, que pueden realizar varios experimentos en un solo circuito integrado. Este último también abre oportunidades en la atención de la salud. En este campo, los espectrómetros y los detectores de luz ya son componentes clave de los sistemas de imagen y diagnóstico: los nuevos dispositivos miniaturizados podrían permitir la visualización y detección simultáneas de «huellas dactilares químicas», lo que abre posibilidades en el área biomédica.

“Nuestros espectrómetros miniaturizados ofrecen una alta resolución espacial y espectral a escalas micrométricas y nanométricas, lo que es particularmente emocionante para los bioimplantes receptivos y las técnicas de imagen innovadoras”, dijo el coautor, el profesor Tawfique Hasan, del Cambridge Graphene Centre.

Esta tecnología tiene un enorme potencial de escalabilidad e integración, gracias a su compatibilidad con procesos industriales bien establecidos. Podría abrir el futuro para la próxima generación de cámaras de teléfonos inteligentes que se conviertan en cámaras hiperespectrales que las cámaras a color convencionales no pueden hacer. Los investigadores esperan que su contribución sea un trampolín hacia el desarrollo de espectrómetros computacionales más avanzados, con una precisión y resolución sin precedentes. Este ejemplo, dicen, es solo el primero de muchos.

Referencia:
Hoon Hahn Yoon et al. ‘Espectrómetros miniaturizados con una unión Tunable van der Waals’. Ciencia (2022). DOI: 10.1126/ciencia.add8544.