تراشه ۱۰ دلاری کمبریج؛ آزمایشگاه طیف‌سنجی نوری در ابعاد یک ساعت هوشمند

ساعت‌های هوشمند کنونی با استفاده از حسگرهای ساده ال‌ای‌دی می‌توانند ضربان قلب یا سطح اکسیژن خون را تخمین بزنند، اما تشخیص دقیق مواد شیمیایی درون خون همیشه به یک طیف‌سنج رومیزی چند هزار دلاری نیاز داشته است. یک تراشه سیلیکونی جدید از دانشگاه کمبریج این شکاف را پر می‌کند و قدرت تحلیلی یک ابزار آزمایشگاهی را در یک قطعه ۱۰ دلاری خلاصه کرده است.

این حسگر نوری که توسط پژوهشگران کمبریج و استارتاپ «گلیترین‌تک» توسعه یافته، به اندازه‌ای کوچک است که به راحتی درون گجت‌های پوشیدنی جای می‌گیرد. بر اساس گزارش‌های منتشر شده در اواخر اکتبر ۲۰۲۶، این دستگاه توانسته است در آزمایش‌های کنترل‌شده، مواد آلی و معدنی را با دقت ۱۰۰ درصد شناسایی کند.[3]

با این حال، پیش از آنکه منتظر حضور این حسگر در نسل بعدی ساعت‌های هوشمند باشیم، باید بین یک نمونه اولیه موفق و یک محصول تجاری تاییدشده تفاوت قائل شد. این تراشه در حال حاضر یک پلتفرم فوتونیک نیترید سیلیکون است که در شرایط آزمایشگاهی توانسته نشانگرهای زیستی را با موفقیت ردیابی کند.[2][3]

شرکت‌های فناوری سال‌هاست که وعده پایش غیرتهاجمی قند خون را می‌دهند، اما معمولا در مرحله کوچک‌سازی تجهیزات با افت شدید کیفیت سیگنال مواجه می‌شوند. وقتی مسیرهای نوری به مقیاس میلی‌متری کاهش می‌یابند، نویزهای حرارتی و تداخلات نوری معمولا سیگنال‌های ضعیف گلوکز را در میان آب و بافت‌های پوست از بین می‌برند.[3]

تیم کمبریج برای عبور از این محدودیت فیزیکی، به جای تکیه بر قطعات نوری سنتی، از یک اصل ریاضی به نام قضیه پیچش استفاده کرده است. این طیف‌سنج کانولوشنال، نور را از طریق یک سری قطعات نوری با ویژگی‌های طیفی تکرارشونده عبور می‌دهد.[2][4]

سپس داده‌های به دست آمده با استفاده از تبدیل فوریه سریع پردازش می‌شوند تا طیف نوری با دقت بالا بازسازی شود. این روش هوشمندانه نیاز به محاسبات سنگین را کاهش می‌دهد و مقاومت دستگاه در برابر نویزهای محیطی را به شکل چشمگیری بالا می‌برد.[2][4]

عبور از محدودیت‌های سخت‌افزاری

ساخت این دستگاه بر روی یک پلتفرم استاندارد نیمه‌رسانا انجام شده است که امکان تولید انبوه آن را با هزینه‌ای بسیار پایین فراهم می‌کند. از آنجا که این روش به خطوط تولید استاندارد تراشه متکی است، هزینه نهایی هر واحد در مقیاس صنعتی تنها حدود ۱۰ دلار برآورد می‌شود.[3]

این رقم در مقایسه با طیف‌سنج‌های رومیزی که قیمت آن‌ها گاهی از ۱۰ هزار دلار فراتر می‌رود، یک تغییر پارادایم در اقتصاد تجهیزات پزشکی محسوب می‌شود. دستگاه‌های رومیزی به دلیل نیاز به منشورهای دقیق، توری‌های پراش مکانیکی و واحدهای خنک‌کننده، همواره گران و حجیم بوده‌اند.[3]

تراشه جدید کمبریج در محدوده طول موج‌های فروسرخ نزدیک، یعنی ۱۲۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر، کار می‌کند و می‌تواند اندازه‌گیری‌ها را در کمتر از یک ثانیه جمع‌آوری و پردازش کند. این سرعت پردازش برای کاربردهای بلادرنگ مانند پایش مداوم علائم حیاتی در ساعت‌های هوشمند کاملا ایده‌آل است.[1][2]

در آزمایش‌های انجام شده برای طبقه‌بندی پلاستیک‌ها، محصولات دارویی، قهوه، آرد و چای، این دستگاه موفقیت کامل و بدون خطایی را ثبت کرد. همچنین توانست غلظت محلول‌های آبی و آلی را با دقتی در حدود ۰٫۰۱ درصد اندازه‌گیری کند که از عملکرد برخی طیف‌سنج‌های تجاری رومیزی نیز بهتر است.[2][4]

مهم‌ترین دستاورد این تراشه برای کاربران عادی، توانایی آن در اندازه‌گیری نشانگرهای فیزیولوژیک در شرایط شبیه‌سازی‌شده بدن انسان است. این حسگر توانست رطوبت پوست، الکل خون، لاکتات و سطح گلوکز را بدون نیاز به سوراخ کردن پوست با موفقیت ثبت کند.[2][4]

فاصله تا تجاری‌سازی واقعی

پژوهشگران حتی توانستند پایش غیرتهاجمی قند خون را در طول یک دوره زمانی مشخص روی یک داوطلب به صورت پیوسته نشان دهند. با این وجود، توسعه‌دهندگان تاکید می‌کنند که برای تبدیل این فناوری به یک محصول پزشکی تاییدشده، به آزمایش‌های بالینی گسترده‌تری نیاز است.[2]

باید توجه داشت که شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی تفاوت زیادی با استفاده روزمره روی مچ دست یک کاربر در حال حرکت دارد. تغییرات دمای بدن، تعریق، حرکت دست و تفاوت‌های رنگ پوست، همگی متغیرهایی هستند که می‌توانند بر دقت خوانش نوری در دنیای واقعی تاثیر بگذارند.[1][3]

با این حال، پایداری این طیف‌سنج در آزمایش‌های حرارتی امیدوارکننده بوده است. گزارش‌ها نشان می‌دهد که این تراشه در بازه دمایی منفی ۲۰ تا مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد پایداری از خود نشان داده است که برای کاربردهای صنعتی و محیطی نیز یک مزیت بزرگ به شمار می‌رود.[2]

علاوه بر پایش سلامت، این فناوری می‌تواند تحولی در کنترل کیفیت صنعتی و ایمنی مواد غذایی ایجاد کند. یک حسگر ارزان‌قیمت که قادر است ترکیب شیمیایی مواد را در لحظه تشخیص دهد، می‌تواند در خطوط تولید مواد غذایی برای بررسی تازگی محصولات به کار گرفته شود.

برای بیماران دیابتی، این فناوری می‌تواند به معنای پایان یافتن درد و هزینه نوارهای تست قند خون باشد. پایش پیوسته و غیرتهاجمی گلوکز نه تنها کیفیت زندگی این افراد را بهبود می‌بخشد، بلکه با ارائه داده‌های لحظه‌ای، از افت یا افزایش ناگهانی و خطرناک قند خون جلوگیری می‌کند.

تاثیر بر بازار گجت‌های پوشیدنی

شرکت‌های بزرگ فناوری مانند اپل و سامسونگ سال‌هاست که در حال سرمایه‌گذاری روی فناوری‌های غیرتهاجمی برای پایش قند خون هستند. معرفی یک قطعه ۱۰ دلاری با دقت آزمایشگاهی می‌تواند مسیر رقابت در بازار ساعت‌های هوشمند را به کلی تغییر دهد.[3]

اگر استارتاپ گلیترین‌تک بتواند این تراشه را در مقیاس تجاری به تولیدکنندگان سخت‌افزار عرضه کند، شاهد ظهور نسل جدیدی از حسگرهای هوشمند خواهیم بود. این حسگرها می‌توانند شیمی پنهان بدن ما و محیط اطرافمان را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کنند.[4]

با این حال، چالش اصلی اکنون انتقال این فناوری از فاز اثبات مفهوم به ادغام در سیستم‌عامل‌های پوشیدنی است. الگوریتم‌های نرم‌افزاری باید بتوانند داده‌های خام نوری را با دقت بالا تفسیر کرده و هشدارهای پزشکی قابل اعتمادی را به کاربر ارائه دهند.[1][3]

تا زمانی که تاییدیه‌های سازمان‌های نظارتی مانند اف‌دی‌ای صادر نشود، این قابلیت‌ها بیشتر جنبه پایش عمومی سلامت خواهند داشت تا یک ابزار تشخیصی قطعی. اما نفس کوچک‌سازی یک طیف‌سنج به ابعاد یک تراشه سیلیکونی، یک پیروزی بزرگ برای مهندسی فوتونیک محسوب می‌شود.[2]

در نهایت، این پیشرفت نشان می‌دهد که آینده تجهیزات پزشکی به سمت نامرئی شدن حرکت می‌کند. آزمایشگاهی که روزگاری نیازمند فضای بزرگ و تجهیزات گران‌قیمت بود، به زودی می‌تواند به عنوان یک قطعه ارزان‌قیمت در پس‌زمینه زندگی روزمره ما فعالیت کند.[3]

چالش‌های بیولوژیکی در دنیای واقعی

با وجود تمام این چشم‌اندازهای مثبت، رویکرد محتاطانه ایجاب می‌کند که به محدودیت‌های فعلی نیز توجه کنیم. مطالعات مرتبط در حوزه حسگرهای زیستی پوشیدنی نشان می‌دهند که اگرچه پیشرفت‌های سخت‌افزاری چشمگیر بوده‌اند، اما اعتبارسنجی بالینی در مقیاس بزرگ همچنان یک گلوگاه اساسی است.[1]

بسیاری از دستگاه‌های پیشین که در آزمایشگاه عملکرد بی‌نظیری داشتند، در مواجهه با تنوع بیولوژیکی انسان‌ها در دنیای واقعی با شکست مواجه شدند. ضخامت پوست، میزان چربی زیرپوستی و حتی رنگدانه‌های پوستی می‌توانند نحوه عبور نور را تغییر دهند و نیازمند کالیبراسیون‌های پیچیده نرم‌افزاری هستند.[1][3]

تیم کمبریج و گلیترین‌تک اکنون باید نشان دهند که الگوریتم‌های تبدیل فوریه آن‌ها می‌تواند این متغیرهای انسانی را به همان خوبی که پلاستیک‌ها و داروها را در محیط کنترل‌شده شناسایی کرد، مدیریت کند. موفقیت در این مرحله، مرز بین یک اختراع دانشگاهی درخشان و یک محصول انقلابی در بازار را تعیین خواهد کرد.[1]