Кембриджские учёные создали оптический спектрометр размером с сантиметр за $10, который открывает путь к массовым портативным и носимым сенсорам

Исследователи из Университета Кембриджа и технологического стартапа GlitterinTech, основанного той же научной группой, разработали принципиально новый тип спектрометра — прибора, который анализирует состав света и по нему позволяет определять химический состав веществ, концентрации растворов и физические свойства материалов. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Оптические спектрометры широко применяются в химическом анализе, промышленном контроле, экологии и медицине, однако их миниатюризация традиционно сопровождается серьёзными компромиссами: уменьшение размеров обычно приводит к падению точности, разрешения или спектрального диапазона. Из-за этого компактные устройства долго оставались пригодными лишь для грубой идентификации веществ, но не для точных измерений уровня лабораторных приборов.

Новый прибор, названный «конволюционный спектрометр» (convolutional spectrometer), обходит эти ограничения за счёт принципиально иной схемы работы. В отличие от классических устройств, которые либо раскладывают свет с помощью дисперсии, либо восстанавливают спектр математической реконструкцией, новая система выполняет операцию свёртки (convolution) непосредственно в оптическом тракте. Это означает, что преобразование сигнала происходит не в вычислениях после измерения, а физически — внутри самой оптической системы.

Изображение сгенерировано: Nano Banana

Такой эффект достигается с помощью последовательности фотонных компонентов с периодической спектральной характеристикой, включая интерферометры Маха–Цендера и микрокольцевые резонаторы. Благодаря настраиваемым параметрам, система последовательно сдвигает спектральный отклик, а восстановление исходного спектра выполняется с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT), хорошо известного метода математического анализа сигналов.

Как отметил один из авторов работы Чуньхуэй Яо (Chunhui Yao), ключевая идея заключалась в использовании самой математической структуры задачи: вместо усложнения реконструкции исследователи реализовали её физически, через оптическую систему. Это позволило добиться высокой точности, устойчивости к шуму и минимальной вычислительной нагрузки при крайне компактной конструкции.

Устройство реализовано на платформе фотонной интеграции на основе нитрида кремния и работает в ближнем инфракрасном диапазоне 1200–1700 нм. Оно способно выполнять измерения с интервалом менее секунды и, благодаря своей периодической архитектуре, теоретически расширяет спектральный диапазон без изменения аппаратной части. Разрешение также может масштабироваться за счёт добавления дополнительных каскадов элементов.

Источник: Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566–026–01891–6

В экспериментах спектрометр показал высокую точность в прикладных задачах. В анализе материалов и пищевых продуктов он корректно классифицировал пластик, фармацевтические препараты, кофе, муку и чай с точностью до 100%. В количественных измерениях растворов точность достигала порядка 0,01%, что превышает возможности ряда настольных лабораторных спектрометров.

Отдельно исследователи продемонстрировали применение устройства в биомедицине. Спектрометр смог в реальном времени и неинвазивно отслеживать параметры человеческого организма, включая влажность кожи, уровень алкоголя в крови, концентрацию лактата и глюкозы. В случае глюкозы измерения проводились на протяжении длительного периода у одного участника, демонстрируя потенциал для мониторинга хронических состояний.

Разработчики подчёркивают устойчивость системы: устройство сохраняет стабильность при температурах от −20 до +80 °C, что делает его пригодным для использования в промышленности, на открытом воздухе и в носимой электронике — условиях, где традиционные миниатюрные спектрометры часто теряют точность.

Помимо точности, важным преимуществом новой архитектуры стала простота вычислений. В отличие от большинства компактных спектрометров, требующих сложной калибровки и ресурсоёмких алгоритмов восстановления сигнала, конволюционный подход позволяет быстро и устойчиво извлекать спектр при минимальной вычислительной нагрузке.

По словам профессора Ричарда Пенти (Richard Penty), участвовавшего в разработке фотонной архитектуры, ключевым результатом стало объединение простоты конструкции и высокой точности, сравнимой с крупными лабораторными приборами. Это создаёт основу для масштабируемого производства подобных устройств.

Авторы работы считают, что новая архитектура спектрометра может изменить практику спектроскопии. Дешёвые и компактные приборы с лабораторной точностью могут быть встроены в промышленные линии, системы контроля качества продуктов, экологические сенсоры и носимые медицинские устройства. В медицине это потенциально открывает путь к непрерывному мониторингу биомаркеров, включая, в частности, уровень глюкозы у пациентов с диабетом.

©  iXBT