Lichtsensor van 10 dollar uit Cambridge kan stoffen in huid, voedsel en plastic herkennen
Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge maakten een spectrometer op een chip van een paar centimeter, voor zo'n 10 dollar. Hij herkent stoffen aan het licht dat ze opnemen. Bij één proefpersoon volgde hij de bloedsuiker zonder prik; de volgende stap is testen bij meer mensen.
Elke stof slokt een paar kleuren licht op en laat de rest door. Welke kleuren dat zijn, verschilt per stof, een beetje zoals een vingerafdruk. Een apparaat dat dat patroon meet, heet een spectrometer. Laboratoria gebruiken ze al tientallen jaren om te zien wat er in een monster zit, van medicijnen tot koffie. Maar goede spectrometers zijn groot, duur en blijven daarom meestal in het lab.
Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben nu een spectrometer gemaakt die op een chip van een paar centimeter past en volgens hen ongeveer 10 dollar kost, nog geen 9 euro. Ze werkten samen met GlitterinTech, een jong bedrijf dat uit dezelfde onderzoeksgroep is voortgekomen. Het onderzoek verscheen dit jaar in het vakblad Nature Photonics.
Rekenen met het licht zelf
Kleine spectrometers bestaan al, maar ze leveren meestal iets in. Ze zien minder kleuren, meten minder scherp, of hebben veel rekenkracht en ingewikkeld afstellen nodig om uit een rommelig signaal het juiste patroon te halen. Dat maakt ze gevoelig voor ruis.
Het team rond hoofdonderzoeker Chunhui Yao koos een andere route. De chip stuurt het licht door een rij kleine, identieke lichtcircuits, die elk een herhalend patroon van kleuren doorlaten. Zo voert het licht onderweg al een deel van de berekening uit. Daarna volstaat een standaardberekening om het volledige kleurenpatroon terug te vinden. Volgens Yao vermijden ze zo veel van de beperkingen die kleine spectrometers tot nu toe tegenhielden: ze meten nauwkeurig, zijn weinig gevoelig voor ruis en hebben weinig rekenkracht nodig.
De chip meet in infrarood licht, net buiten de kleuren die ons oog ziet. Dat licht dringt een klein stukje de huid in, en veel stoffen in het lichaam en in voedsel laten er een duidelijke vingerafdruk in achter. Een meting duurt minder dan een seconde.
Van koffie tot bloedsuiker
In het lab liet het team de chip plastics, medicijnen, koffie, meel en thee uit elkaar houden. Volgens de onderzoekers deed hij dat in alle gevallen goed. Bij het meten van hoeveel van een stof er in een vloeistof is opgelost, kwam hij tot op ongeveer een honderdste procent nauwkeurig. Dat was in die proeven beter dan de grote spectrometers die laboratoria nu op tafel hebben staan.
Daarna richtten de onderzoekers zich op de gezondheid. Onder omstandigheden die lijken op die in het lichaam maten ze het vocht in de huid en het gehalte aan alcohol, melkzuur en suiker in het bloed. Bij één proefpersoon volgden ze de bloedsuiker langere tijd zonder dat er geprikt hoefde te worden. Voor mensen met diabetes, die nu vaak meerdere keren per dag in hun vinger prikken of een sensor onder de huid dragen, is zo'n meting door de huid heen een lang gekoesterde wens.
De chip werkte ook betrouwbaar bij temperaturen van min 20 tot 80 graden Celsius. Dat is belangrijk voor een apparaat dat je om je pols draagt of in een fabriekshal ophangt.
Klaar voor productie, nog niet voor de patiënt
Projectleider Qixiang Cheng benadrukt dat het niet alleen om de prestaties in het lab gaat, maar om hoe klaar de techniek is voor gebruik. Volgens collega Richard Penty is het ontwerp eenvoudig, schaalbaar en geschikt om in grote aantallen te maken. De chip is gebouwd op een type chipmateriaal dat de industrie al gebruikt.
Een kant-en-klaar horloge dat je bloedsuiker meet, is het nog niet. De meting bij mensen is bij één proefpersoon gedaan. De volgende stap is testen bij veel meer mensen, en een medisch apparaat moet daarna ook nog worden goedgekeurd. De onderzoekers noemen naast gezondheid ook andere toepassingen: kwaliteitscontrole in fabrieken, controleren of voedsel nog vers is en het meten van vervuiling in het milieu.
Het doel van het team is groot: spectrometers zo gewoon maken als de sensoren voor temperatuur of beweging die nu al in elke telefoon en elk sporthorloge zitten.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Goedkope sensoren veranderen wat we over de wereld weten. Een spectrometer die maar een paar euro kost, kan in horloges, keukenapparaten, fabrieksmachines en meetpaaltjes langs de weg terechtkomen. Waar je nu een monster naar een lab stuurt en dagen op de uitslag wacht, komt er dan continu een stroom metingen binnen.
Daar kan AI veel mee. Een lichtpatroon lezen is patroonherkenning, en daar zijn AI-modellen sterk in. Een model dat duizenden metingen van één persoon over maanden volgt, kan kleine veranderingen opmerken die bij een losse meting buiten beeld blijven. En omdat dezelfde chip zowel koffie, plastic als huid kan meten, kan een AI-model dat al die vakgebieden tegelijk kent, verbanden leggen die een voedingswetenschapper of een arts alleen niet zou zien. Zo kan een sensor van een tientje, samen met slimme software, een stukje laboratorium naar iedereen brengen.
