רכיב זעיר, שיחליף את מכשירי החישה האופטית גדולי הממדים והמורכבים, פותח על ידי פרופ' דורון נוה מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן ושותפיו. באוניברסיטה אמרו כי הפיתוח נמצא בשלב של הוכחת היתכנות במעבדה, ופרופ' נוה ושותפו - פרופ' פנגניאן שיה מאוניברסיטת ייל - מקווים בהמשך לגייס משקיעים ולהפוך את הרכיב, המבוסס על בינה מלאכותית וחיישן אדפטיבי, למוצר נגיש להמונים. מאמר על הפיתוח פורסם בכתב העת Science.
השימוש במכשירי חישה אופטית הוא חלק חיוני מאורח החיים המודרני. אולם מכשירי החישה, שבהם מאפיינים את תכונותיו של האור, גדולים ויקרים ונמצאים בעיקר במעבדות המיועדות לביצוע בדיקות (לדוגמה, חלק ניכר מהבדיקות הרפואיות שאנו מבצעים בקופת חולים נבדקות באופן אופטי). מחקר חדש שבוצע בפקולטה להנדסה בבר-אילן עם שותפים מארה"ב ואוסטריה מציע חלופה קומפקטית המבוססת על בינה מלאכותית.
מהם מכשירי חישה אופטית? המכשירים מספקים מידע על תכונות של חומר באמצעות החזרה או מעבר של אור דרכו ומשמשים לצרכים רפואיים ומחקריים, אך בקרוב הם יוכלו להיות חלק מהיומיום שלנו. החוקרים הסבירו כי מפני שהרכיב החדש הוא בגודל של כמה מיקרונים, יהיה ניתן לשלבו בטלפונים חכמים. בנוסף נוכל לבחון את הספקטרום של כל דבר שנרצה, ולשתף את המידע ברשתות החברתיות. פרופ' נוה מכנה זאת "הספקטרום של הדברים".
אז מה אפשר לעשות באמצעות הפיתוח הישראלי? באוניברסיטת בר-אילן אמרו כי נוכל למדוד תכונות של מוצרי מזון, למשל אם מלח הוא דל או עשיר בנתרן, צבע מדויק של חפצים, ובמידה מסוימת את ההרכב הכימי שלהם, את מה שיש לנו בכוס המשקה, את אחוז השומן בחלב או את איכות המים, האם שמן הזית, הדבש או מיץ הלימון שאנו שוקלים לרכוש זויפו באמצעות הוספת תמצית ריח ועוד. בנוסף, כך אומרים החוקרים, בעתיד נוכל לשאת ספקטרומטרים זעירים במכשירים הניידים ולבצע בעצמנו בדיקות שונות, למשל לריכוזי החמצן, האלכוהול או הסוכר בדמנו.
המדע שמאחורי הפיתוח
מאפייני האור הנמדדים באופן כמותי הם הספקטרום, העוצמה והקיטוב (הכיוון במרחב שבו מתנדנדים גלי האור). מדידת הספקטרום מבוצעת בדרך כלל על ידי נפיצה, תהליך שבו האור מועבר דרך מנסרה או סריג הגורם לכך שאורכי גל שונים של האור מתקדמים בכיוונים אחרים במרחב, בדומה לקשת בענן.
לאחר הנפיצה, האור מגיע אל מצלמה שבה הפיקסלים השונים מודדים את עוצמת האור בצבעים שונים. המרחק בין נקודת הנפיצה, היכן שממוקמת המנסרה, לבין המצלמה המודדת את הספקטרום קובע את כושר ההפרדה (רזולוציה). מכאן, לקבלת מדידת ספקטרום מדויקת יותר, יש צורך במכשיר גדול יותר, ואכן מכשירי המדידה עשויים להגיע לאורך של כ-2 מטרים ויותר.
החוקרים הסבירו כי מדידת הקיטוב מורכבת יותר ובדרך כלל כוללת הפרדה במרחב של קרן האור למספר קרניים המתקדמות בכיוונים שונים, כשכל קרן נושאת איתה את האור בקיטוב לאורך ציר מסוים במרחב. הגלאים פורשים את הצירים השונים של הקיטוב הלינארי. כמו כן, המערכת מודדת את הפרשי הפאזה, כלומר המצב הרגעי של גל האור, בקיטובים השונים. גם מדידה מסוג זה חיונית מאחר שהיא נושאת מידע עשיר על האינטראקציה של האור עם חומר ויכולה לבאר תהליכי פיזור.
בפיתוח החדש, המכשור האופטי בחיישנים המסורתיים מומר בחיישן אדפטיבי, אלגוריתם ופעולות מתמטיות המאפשרות חישה של תכונות האור. כך ניתן להחליף מכשור מורכב כמו ספקטרומטר ברכיב זעיר בגודל כמה מיקרונים בודדים, וזאת ללא צורך במראות, עדשות, מנסרות ומצלמות – אותן מחליפים אלגוריתמים ונתונים.
כך זה עובד
כמו במתכון, קיימת רשימת אלמנטים הנדרשים כדי לממש את עקרונות החישה החלופית, אותה מכנים החוקרים "חישה גיאומטרית עמוקה": חיישן אדפטיבי: חיישן שניתן לשנות את תגובתו לאור על ידי הפעלת מתחים, זרמים, שדה מגנטי, טמפרטורה, לחץ מכאני או כל דבר אחר הנמצא בשליטתנו בזמן ההפעלה של החיישן.
נתונים: הנתונים מתקבלים על ידי מדידות אימון לחיישן, שבהן משתמשים בדרך כלל במקרי בוחן אובייקטיביים (ישנם מקורות אמינים לנתונים מסוג זה, למשל מכון הסטנדרטים האמריקני). במדידות האימון מפעילים את החיישן האדפטיבי על מרחב המדדים שלו. לדוגמה, מדידת התגובה לאור בטווחי ספקטרום, טמפרטורות, מתח חשמלי ולחצים שונים. באופן זה מתקבל מרחב נתונים ארבע-ממדי.
ייצוג הנתונים: מגדירים את אופן סידור הנתונים, כך שיתקיים יחס אלגברי הגיוני בין המטריצה (מערך) הרב-ממדית המייצגת את תגובת החיישן לאור, הווקטור המייצג את המידע המבוקש – הנעלם, והתוצאה של המדידה שאותה אנו רוצים לבצע, כדי לקבל את הנעלם (בהינתן סט האילוצים הנגזר מהנתונים שנמדדו).
מודל: חלק זה מתחלק לשניים - ישנן בעיות שבהן הפיזיקה עצמה אינה מובנת וידועה, ולעומת זאת, ישנן בעיות שבהן הגלאי מציית לחוקים ידועים, אבל יש מספר פרמטרים חופשיים שאינם ידועים. כמות הנתונים הנדרשת עבור המקרה האנליטי (כאשר קיים מודל כללי) נמוכה ביחס לכמות הדרושה במקרה הנשען על מידע אמפירי בלבד (במקרה שאין מודל פיזיקלי), וכן גם האלגוריתמים.
בהינתן הבעיה, מייחסים את המדידה עצמה לתהליך קידוד שבו מקבלים תוצאת מדידה בדמות מערך מספרים המייצגים זרם או מתח חשמלי. פירוש תוצאת המדידה והתרגום שלה למידע ספקטרלי הוא תהליך הפענוח שבו עושים שימוש באלגוריתם המדמה את פעילותה של רשת נוירונים, המוזנת במידע מבוקר בתהליך הלמידה. לאחר מכן מציגים שאילתה, שבה הרשת עצמה מבצעת את פענוח המידע המבוקש.
פרופ' נוה הסביר שחישה מסוג זה יכולה לכלול לא רק את המאפיינים הפיזיקליים של קרן אור, אלא גם לבצע חישוב במערך גלאים - מצלמה, המאומנת לחפש אובייקטים ולהשלים פרטים החסרים בתמונה, בדומה למוח האנושי, על ידי חומרה ואלגוריתמים היוצרים רשת נוירונים במערך הפיקסלים של המצלמה.
במקרה כזה, תת-מערך של פיקסלים, המוגדר כנוירון בודד ברשת מאומן לחפש צורות מסוימות בתמונה, והוא נותן פידבק שהוא סכום על האות הנמדד בכל אחד מהאלמנטים באותו נוירון. הפידבק מייצג את ההתאמה של צורה מסוימת בתמונה לאובייקט מוכר מתוך קלסיפיקציה (לדוגמה כתב יד של ספרות או אותיות). באופן זה, המערך המצלם מאתר בתמונה אובייקטים בעלי משמעות בזמן הצילום עצמו.
"בעתיד מערכות רבות יהיו משובצות בחיישנים מסוג זה, שמטרתם ללמוד תכונות של חומר באמצעות החזרה או מעבר של אור דרכו, ובפרט במכשירים הניידים שאנו נושאים איתנו", הסביר פרופ' נוה. "נוכל למדוד ולחלוק את החתימה הספקטראלית של כל דבר, וגם של עצמנו, כאשר נרצה למדוד את ריכוז הגלוקוז, האלכוהול או החמצן בדם דרך הטלפון החכם, או כדי לבדוק את מי השתייה שלנו או כל דבר אחר שתכונותיו מעניינות אותנו".
