المقال الغلاف لمجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم! فريق صيني يصدر مطيافًا دقيقًا متكيفًا مع الذكاء الاصطناعي يمكن إنتاجه على مستوى الرقاقة
يلعب اكتشاف الطول الموجي للضوء دورًا مهمًا في البحث العلمي والتطبيقات الصناعية، وتعد أجهزة قياس الطيف الضوئي أدوات تحليلية لا غنى عنها. في الوقت الحاضر، لم تعد أجهزة قياس الطيف التقليدية الضخمة قادرة على تلبية الطلب المتزايد على تقنية الكشف الطيفي.لقد أصبح التصغير هو السبيل الوحيد لتطوير أجهزة قياس الطيف.إنها تتمتع بإمكانات تطبيقية كبيرة في مجالات مختلفة مثل الرؤية الآلية، ومراقبة البيئة، والتشخيص الطبي.
هناك العديد من الطرق التقنية المختلفة لتصغير حجم أجهزة قياس الطيف. لقد جذبت أجهزة قياس الطيف لإعادة البناء الحسابي التي تعتمد على خوارزميات الذكاء الاصطناعي الكثير من الاهتمام في الصناعة في السنوات الأخيرة. يستخدم هذا المطياف الحوسبة عالية السرعة لاستبدال عبء العمل لمكونات المطياف الفيزيائية جزئيًا، مما قد يقلل من حجم ووزن الجهاز بشكل أكبر.
ومع ذلك، بسبب تنوع أشكال الطيف وافتراض ندرة الإشارة، فإن أجهزة قياس الطيف الدقيقة لإعادة البناء التي تم الإبلاغ عنها سابقًا تتطلب عادةً معايرة يدوية لمعلمات الخوارزمية، وإلا فقد تكون نتائج استعادة الطيف المقاس مشوهة. وفي الوقت نفسه، لم يتم التحقق بعد من قدرة هذا النوع من أجهزة قياس الطيف على الإنتاج الضخم المباشر من خلال معالجة الدوائر المتكاملة.
وفي هذا السياق، نشرت مجموعة البحث التابعة للأستاذة مي يونغفينج من قسم علوم المواد والمعهد الدولي للروبوتات النانوية الذكية والأنظمة النانوية في جامعة فودان نتيجة بحث بعنوان "أجهزة قياس الطيف البناء المتوافقة مع CMOS مع مرنانات فابري بيرو المتكاملة ذاتية المرجعية" في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية.وقد تم اختيار هذا الإنجاز أيضًا ليكون المقال الغلافي لهذا العدد.
اقترح الفريق تصميم مطياف إعادة بناء مصغر جديد يجمع بين مزايا أجهزة قياس الطيف التقليدية وأجهزة قياس الطيف لإعادة البناء الحاسوبية من خلال قناة مرشح ضيقة النطاق ذاتية المرجع متكاملة.يتيح هذا لخوارزميات الذكاء الاصطناعي البحث عن المعلمات الطيفية والخوارزمية في وقت واحد في مساحة معلمات ذات أبعاد أعلى.علاوة على ذلك، يمكن تصنيع جهاز قياس الطيف على مستوى الرقاقة من خلال عمليات الدائرة المتكاملة الناضجة، وله حجم على مستوى المليمتر، وهو ما يكفي لتلبية معظم احتياجات الاختبار الطيفي المصغرة.
أبرز الأبحاث:
* تقترح هذه الدراسة تصميمًا جديدًا لمطياف إعادة البناء المصغر، والذي يُظهر قدرة دقيقة على إعادة بناء الطيف في نطاق الضوء المرئي بأكمله (400-800 نانومتر)، بدقة تبلغ حوالي 2.5 نانومتر، ومتوسط انحراف الطول الموجي حوالي 0.27 نانومتر، ودقة تصل إلى 5806. * تقدم هذه الدراسة فكرة جديدة لتحقيق مطياف إعادة بناء مصغر عالمي وقوي للغاية، ومن المتوقع أن تعزز دمج أنظمة الكشف الطيفي المصغرة في وحدات صور CIS بمساعدة تقنية الدوائر المتكاملة CMOS الناضجة.
* أداء هذا المطياف قريب من أداء مطياف الألياف البصرية التجاري، ولكن التكلفة والحجم أقل بكثير
عنوان الورقة:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403950121
يجمع المشروع المفتوح المصدر "awesome-ai4s" أكثر من مائة تفسير ورقي لـ AI4S ويوفر مجموعات وأدوات ضخمة من البيانات:
https://github.com/hyperai/awesome-ai4s
مجموعات البيانات: تطبيق طرق اشتقاق طيفي مختلفة على مجموعات بيانات مختلفة
قام الباحثون بتقسيم البيانات الحالية التي تم الحصول عليها من جهاز قياس الطيف الدقيق إلى مجموعتين من البيانات: تيارات القناة الضيقة النطاق وتيارات القناة الكلية، ثم طبقوا طرق اشتقاق طيفي مختلفة على كل مجموعة بيانات.
* مجموعة بيانات النطاق الضيق
يتضمن ذلك التيار المقاس في قناة الترشيح ذات النطاق الضيق داخل تجويف فابري بيرو (FP) المصمم. بالنسبة لهذه المجموعة من البيانات، استنتج الباحثون منحنى طيفيًا نقطة بنقطة مباشرة عن طريق تقسيم تيار الاستجابة لكل قناة على استجابتها - ما يسمونه الطيف المرجعي الذاتي.
* جميع مجموعات بيانات القناة
يحتوي على التيار من جميع القنوات، بما في ذلك القنوات ذات النطاق الضيق. بالنسبة لهذه المجموعة من البيانات، قام الباحثون بتحسين معلمات الخوارزمية بشكل متكرر من خلال مقارنة نتائج الطيف المعاد بناؤها بواسطة الخوارزمية مع الطيف المرجعي الذاتي (المستمد من القناة الضيقة النطاق) لتحقيق إعادة البناء والاستعادة المثلى لمنحنى الطيف.
مبدأ العمل: إعادة بناء طيف دقيق ومستقر من خلال إدخال طيف مرجعي ذاتي
يوضح الشكل (أ) أدناه مبدأ عمل مطياف تقليدي.ويستخدم مرشحات النطاق الضيق للتمييز بين الأطوال الموجية المختلفة، ويتم قياس شدة كل طول موجي بشكل مباشر بناءً على كمية الضوء التي تمر عبر المرشح المقابل. يمكن وصف هذه العملية بأنها عملية تعيين "من نقطة إلى نقطة". وعلى الرغم من أن الطيف الناتج خشن، فإن موضع الطول الموجي المقابل لكل مرشح دقيق نسبيًا.
يوضح الشكل ب أعلاه مبدأ عمل مطياف إعادة البناء النموذجي.يقوم جهاز قياس الطيف بترميز الطيف غير المعروف (المشفر) في البيانات المجمعة، ثم يقوم بإعادة بناء هذه البيانات في طيف من خلال خوارزمية خاضعة للإشراف باستخدام المعلمة Φ. تسعى الخوارزمية إلى الحصول على دالة التكلفة الدنيا في مساحة المعلمة الطيفية S، عادةً من خلال طرق التنظيم مثل تيخونوف أو التباين الكلي. على الرغم من أن عملية إعادة البناء هذه يمكن أن تنتج أطيافًا عالية الدقة، إلا أن النتائج قد تكون غير مستقرة لأن الاختيارات المختلفة لمعامل Φ قد تؤدي إلى وظائف خسارة دنيا مختلفة.
يوضح الشكل (ج) أدناه مبدأ عمل مطياف التكيف الذاتي المقترح في هذه الدراسة.بالإضافة إلى ترميز الطيف كبيانات للخوارزمية، يوفر المطياف أيضًا طيفًا مرجعيًا ذاتيًا تقريبيًا بالطريقة التقليدية. ومن خلال هذا المرجع الذاتي، يمكن تنفيذ تحسين ثنائي المستوى في مساحة المعلمة الطيفية S ومساحة معلمة الخوارزمية Φ، بحيث يغطي البحث عن دالة الخسارة الدنيا أبعادًا أعلى. يتيح هذا التعرف على دالة التكلفة الدنيا العالمية من خلال تحديد المعلمات المثلى تلقائيًا، مما يؤدي إلى إعادة بناء الأطياف الدقيقة والمستقرة.
ويوضح الشكل أدناه بشكل أكبر عملية إعادة بناء الطيف التكيفي، أي الخوارزمية التكيفية.
على وجه التحديد، يحتوي جهاز قياس الطيف المصغر على مجموعة من القنوات ذات النطاق الضيق للقياسات الطيفية التقليدية، وبالتالي فهو يوفر مجموعتين من البيانات الحالية لاستشعار الطيف.المجموعة الأولى هي تيار قناة الاستجابة الطيفية الضيقة.يمكن اعتباره حاصل ضرب قياسي لشدة الطيف لنطاق معين واستجابة القناة المسؤولة عن هذا النطاق، والذي يمكن من خلاله الحصول بسهولة على طيف واضح ولكن تقريبي.المجموعة الثانية هي التيار من جميع القنوات (بما في ذلك قنوات النطاق الضيق)،إنها النتيجة المتكاملة لضرب طيف كل طول موجي في استجابة القناة (استجابة حاصل الضرب القياسي).
وقد قدم الباحثون النتائج الطيفية التي تم الحصول عليها من المجموعة الأولى من البيانات كمرجع ذاتي للحل المحسوب من المجموعة الثانية من التيارات.يمكن للخوارزمية ضبط معلمات مختلفة بنفسها والحصول على نتائج مستقرة قريبة من الطيف الحقيقي من خلال التكرار المتأصل.
نتائج البحث: قدرة دقيقة على إعادة بناء الطيف عبر نطاق الضوء المرئي بأكمله
تُعد دقة الطول الموجي معلمة مهمة لأجهزة قياس الطيف، وخاصة في التطبيقات مثل أجهزة قياس الطول الموجي أو تحديد المواد عالية الدقة. وفي الاختبارات التي أجريت لاختبار الأداء، أظهر جهاز قياس الطيف قدرات دقيقة لإعادة بناء الطيف عبر نطاق الضوء المرئي بأكمله (400-800 نانومتر). يوضح الشكل التالي المقارنة بين طول موجة الذروة المدخلة وطول موجة الذروة المعاد بناؤها عند المخرج.يظهر اتساقًا جيدًا.
قام الباحثون بتحليل انحرافات مطياف المصغر بشكل أكبر، كما هو موضح أدناه، وقاموا بحساب الدقة عند طول موجة ذروة الإدخال المحددة: Rλ = λ/Δλ،تم التوصل إلى انحراف متوسط في الطول الموجي يبلغ حوالي 0.27 نانومتر ودقة تصل إلى 5806.
كما طبق الباحثون اختبار الدقة لأجهزة قياس الطيف التقليدية على جهاز قياس الطيف المصغر الخاص بهم: حيث تم تسليط قمتين ضوئيتين أحاديتي اللون على جهاز قياس الطيف في نفس الوقت وتم تقليص المسافة بينهما تدريجيًا لدراسة الحد الأدنى من المسافة التي يمكن لجهاز قياس الطيف المصغر عندها حل الخطوط الطيفية. كما هو موضح في الشكل أدناه،من الممكن حل القمتين المفصولتين بمسافة 2.5 نانومتر وتقعان حول 518 نانومتر.
وتشير هذه النتائج إلى أنإن أداء جهاز التحليل الطيفي المصغر المصمم في الدراسة مماثل لأداء أجهزة التحليل الطيفي التجارية التي تعمل بالألياف البصرية وأجهزة التحليل الطيفي الصغيرة الأخرى، ولكن بتكلفة وحجم أقل بشكل كبير.
وعلى هذا الأساس، أظهر فريق البحث أداء جهاز قياس الطيف الدقيق التكيفي في التطبيقات المعملية الشائعة مثل قياسات طيف النقل والامتصاص والتألق الضوئي بعد الجمع بين أنظمة الموائع الدقيقة وأنظمة المسح الميكانيكي. وكانت النتائج متوافقة بشكل أساسي مع نتائج أجهزة قياس الطيف بالألياف البصرية التجارية، كما هو موضح في الشكل AF أدناه.
(أ) الرسم التخطيطي لاختبار مطيافية النقل والامتصاص الدقيق؛
(BC) نتائج إعادة بناء طيف النقل (B) وطيف الامتصاص (C) لفيتامين B؛
(د) الرسم التخطيطي لاختبار طيف التألق الضوئي الدقيق؛
(هـ) نتائج إعادة بناء طيف التألق الضوئي لرودامين ب؛
(و) نتائج إعادة بناء طيف التلألؤ الضوئي لنقاط الكم الجرافينية
بالإضافة إلى الأداء الممتاز، والأهم من ذلك،يمكن تصنيع جهاز قياس الطيف على مستوى الرقاقة باستخدام عمليات الدائرة المتكاملة الناضجة وله حجم بمقياس المليمتر.إنه كافٍ لتلبية معظم احتياجات الاختبار الطيفي المصغرة.
باختصار، يقدم هذا البحث فكرة جديدة لتحقيق مطياف إعادة بناء مصغر يتمتع بالشمولية والمتانة العالية. ومن المتوقع أن يتم تعزيز دمج أنظمة الكشف الطيفي المصغرة في وحدات صور CIS بمساعدة تكنولوجيا الدوائر المتكاملة CMOS الناضجة، وذلك لإعطاء الأولوية للتطبيقات في القياس المحمول، ورؤية الآلة المثبتة على المركبات وأنظمة المراقبة الموزعة.
مواصلة تعميق مجالات العلوم الأساسية مثل المواد
تم تمويل ودعم البحث المذكور أعلاه من قبل برنامج البحث والتطوير الوطني الرئيسي، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية، ولجنة العلوم والتكنولوجيا في شنغهاي ومشاريع أخرى. تم إجراء بعض التجارب في مختبر الأجهزة والمعالجات الدقيقة النانوية العام بجامعة فودان. البروفيسور مي يونغفينج هو المؤلف المراسل للورقة البحثية.
باعتبارها أستاذة لعلم المواد في جامعة فودان، كانت مي يونغفينج دائمًا ممارسًا ومؤيدًا للبحوث الأساسية. قال ذات مرة: "يهدف البحث الأساسي إلى فهم الظواهر واكتشاف وفتح مجالات جديدة للمعرفة. يبدو أنه بعيد كل البعد عن الحياة ويبدو أنه بلا فائدة عملية، ولكن في الواقع،يعد البحث الأساسي القوة الدافعة الأكثر أهمية للتنمية الاجتماعية.تمامًا مثل الطوب اللازم لبناء منزل، على الرغم من أنك لا تعرف ما هو استخدام الطوبة المحددة، إذا قمت بإزالة هذا الطوب، فإن المنزل سوف ينهار. "
بفضل هذا المفهوم، قدم فريق البحث بقيادة البروفيسور مي يونغفينج العديد من المساهمات البارزة في مجال البحث الأساسي وعلوم المواد، ونشر أكثر من 300 ورقة أكاديمية في مجلات Science Robotics وScience Advances وNature Communications وAdvanced Materials وغيرها، وتم الاستشهاد بها أكثر من 10000 مرة، ورخص لأكثر من 20 براءة اختراع.
كأحد الإنجازات النموذجية، نشرت مجموعة البحث التابعة لمي يونغفينج في يناير 2023 مقالاً بعنوان "تدحرج ذاتي لأغشية نانوية من ثاني أكسيد الفاناديوم لتعزيز التعديل الشمسي متعدد المستويات" في مجلة "Nature Communications".
استلهم فريق البحث فكرته من الستائر الفينيسية.يتم امتصاص فيلم ثاني أكسيد الفاناديوم المجهد الموجود على الزجاج ولفه في نافذة ذكية على شكل "أوراق" باستخدام تقنية اللف الذاتي.يمكن تعديل النافذة الذكية إلى حالات ملتفة بالكامل (مفتوحة) ونصف ملتفة (نصف مفتوحة) ومسطحة (مغلقة) عن طريق التغييرات في درجة الحرارة المحيطة، ويمكن تحقيق التبديل الذكي المستجيب ذاتيًا، وبالتالي تحسين النفاذية بشكل كبير في الحالة المفتوحة بالكامل مع تحقيق تعديل نفاذية الضوء متعدد المستويات بدرجات فتح مختلفة.
يجمع هذا العمل بشكل إبداعي بين قدرة التشوه المستحث بالحرارة والقدرة الحرارية اللونية لمواد الأغشية الرقيقة من ثاني أكسيد الفاناديوم الذكي.إنها تتغلب على صعوبة الأفلام المسطحة التقليدية من حيث مراعاة نفاذية الضوء وكفاءة توفير الطاقة والقدرة على التكيف مع البيئات المتعددة.وهو يوفر فكرة جديدة قابلة للتطبيق للجيل الجديد من النوافذ الذكية الفعالة.
"يعتبر التجميع الذاتي للأغشية النانوية ثنائية الأبعاد في هياكل دقيقة ثلاثية الأبعاد" طريقة مهمة لتصنيع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة من الجيل التالي، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الإلكترونية والبصرية المتقدمة القادمة. ومع ذلك، فإن تشكيل الشكل الهندسي النهائي للنانوفيلم ثنائي الأبعاد يتأثر بمسار الحفر والتفاعل الكيميائي ونسبة العرض إلى الارتفاع وعوامل معقدة أخرى، مما يجعل من الصعب تحسين إنتاج المنتج ومعدل المنتج النهائي للأجهزة المجمعة ذاتيًا أثناء عملية التصنيع، مما يعوق بشكل خطير انتقاله الحقيقي من المختبر إلى التطبيق الصناعي.
ردًا على ذلك، في يونيو/حزيران من هذا العام، نشرت مجموعة البحث التابعة للبروفيسور مي يونغفينج نتيجة بحث بعنوان "التصميم والبناء متعدد المستويات في لف الغشاء النانوي للكشف الضوئي الحساس للزاوية ثلاثية الأبعاد" في مجلة "Nature Communications".
اقترحت هذه الدراسة طريقة تحليل العناصر المحدودة شبه الثابتة متعددة المستويات، وبناءً على هذا التصميم، تم بناء ستة أنواع من البنى الدقيقة ثلاثية الأبعاد المجمعة من نانوفيلم السيليكون (Si) / الكروم (Cr) وكاشفات بصرية ثلاثية الأبعاد المقابلة، مما يؤكد تمامًا التنوع الجيد والعملية الصناعية لهذه التكنولوجيا.
وفي المستقبل، سوف تتعمق مجموعة الأبحاث التابعة للبروفيسور مي يونغفينغ أيضًا في ميكانيكا النانو الدقيقة، والبصريات النانوية، والإلكترونيات النانوية، والروبوتات النانوية الدقيقة، والسوائل النانوية الدقيقة، وتخزين الطاقة الدقيقة، والبلازمونات السطحية والمواد الميتا، ومواصلة تعزيز التقدم في العلوم الأساسية.
مراجع:
1.https://news.fudan.edu.cn/2024/0820/c5a141853/page.htm
2.https://www.memstraining.com/news-41.html
3.https://www.sohu.com/a/634625615_12