Ένας νέος τύπος αισθητήρα, που αιωρεί δεκάδες γυάλινα μικροσωματίδια, θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα της μέτρησης, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις για βελτιωμένα αυτόνομα οχήματα, συστήματα πλοήγησης και ακόμη και την ανίχνευση σκοτεινής ύλης.
Χρησιμοποιώντας μια κάμερα εμπνευσμένη από το ανθρώπινο μάτι, οι επιστήμονες του King’s College του Λονδίνου πιστεύουν ότι μπορούν να παρακολουθήσουν πάνω από 100 αιωρούμενα σωματίδια, δημιουργώντας έναν από τους πιο ευαίσθητους αισθητήρες που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα.
Πλεονέκτημα πολλών αιωρούμενων σωματιδίων
Οι αιωρούμενοι αισθητήρες συνήθως απομονώνουν μικρά σωματίδια για να παρατηρήσουν και να μετρήσουν την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, όπως η επιτάχυνση. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των σωματιδίων που μπορούν να επηρεαστούν και όσο καλύτερα απομονώνονται από το περιβάλλον τους, τόσο πιο ακριβής γίνεται ο αισθητήρας.
«Με την ικανότητα να παρακολουθούμε και να ελέγχουμε σύννεφα πολλών αισθητήρων ταυτόχρονα, το σχέδιο του King’s ξεπερνά την παραδοσιακή επιλογή που έκαναν οι προηγούμενες συσκευές μεταξύ γρήγορης παρακολούθησης ενός αντικειμένου και αργής παρακολούθησης πολλών», εξηγεί ο καθηγητής James Millen, διευθυντής του King’s Quantum Research Center.
Εφαρμογές στην τεχνολογία και την επιστήμη
«Συχνά αόρατοι, οι αισθητήρες βρίσκονται στον πυρήνα πολλών σύγχρονων τεχνολογιών και επιστημονικών εφαρμογών», λέει ο καθηγητής Millen.
«Πιο ακριβείς αισθητήρες σημαίνουν ότι τα αυτόνομα οχήματα μπορούν να προσανατολιστούν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια, καθώς ανιχνεύουν τις πιο μικρές αλλαγές στην επιτάχυνση και παρέχουν αυτόνομη πλοήγηση χωρίς να εξαρτώνται από αναξιόπιστες δορυφορικές συνδέσεις».
«Με την αιώρηση μικροσωματιδίων σε κενό έχουμε δημιουργήσει έναν αισθητήρα απίστευτης ευαισθησίας. Η χρήση τεχνολογίας εμπνευσμένης από τον τρόπο που ο εγκέφαλος επεξεργάζεται την όραση μας επιτρέπει να ελέγχουμε την κίνηση των αισθητήρων σε υψηλή ταχύτητα. Μέσω διαδικασίας ψύξης, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε τις ιδιότητες της κβαντικής φυσικής για ακόμη μεγαλύτερη ευαισθησία, επιτρέποντάς μας να μετρήσουμε εξαιρετικά αδύναμες δυνάμεις, όπως αυτές που εμπλέκονται στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων ή σκοτεινής ύλης».
Τεχνολογία βασισμένη στον εγκέφαλο και AI
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, χρησιμοποιεί μια νευρομορφική (εμπνευσμένη από τον εγκέφαλο) κάμερα που καταγράφει μόνο την κίνηση των μικροσωματιδίων σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, αντί να λαμβάνει συνεχόμενα καρέ βίντεο. Ένας αλγόριθμος τεχνητής νοημοσύνης επιτρέπει την παρακολούθηση της κίνησης των σωματιδίων τόσο μεμονωμένα όσο και συλλογικά ως ένα σύννεφο, κατανοώντας όλες τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά με ανεξάντλητη ακρίβεια.
Η μέθοδος αυτή παράγει ελάχιστα δεδομένα, επιτρέποντας την πραγματική ανατροφοδότηση για τον έλεγχο κάθε σωματιδίου. Με τον έλεγχο της κίνησης, οι ερευνητές μειώνουν την ενέργεια των σωματιδίων, ψύχοντάς τα και σταθεροποιώντας την κίνησή τους.
Προοπτικές για κβαντικούς αισθητήρες και ενσωμάτωση σε τσιπ
Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, η ομάδα πιστεύει ότι υπάρχει μεγάλο περιθώριο αύξησης του αριθμού των σωματιδίων που μπορεί να αιωρεί ο αισθητήρας και για ενσωμάτωση της τεχνολογίας σε μικροτσιπ.
Ο Dr. Yugang Ren, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: «Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας της τεχνολογίας μας και των αλγορίθμων παρακολούθησης, η ενσωμάτωση σε υπολογιστικά τσιπ μπορεί να είναι εφικτή μέσα στα επόμενα 5-10 χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι από την παρακολούθηση του περιβάλλοντος έως τα καταναλωτικά προϊόντα, η ακρίβεια των αισθητήρων θα βελτιωθεί σημαντικά».
«Στο μέλλον, η μέθοδός μας θα μπορούσε να ψύξει τα σωματίδια σε θερμοκρασίες κάτω από το ένα χιλιοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, εξαλείφοντας τον θερμικό θόρυβο και τις δονήσεις που εμποδίζουν την ακρίβεια. Αυτό θα δημιουργήσει έναν κβαντικό αισθητήρα με ευαισθησία και ακρίβεια πρωτοφανή για την κλασική τεχνολογία».
Περισσότερες πληροφορίες: Yugang Ren et al, Νευρομορφική ανίχνευση και ψύξη μικροσωματιδίων σε συστοιχίες, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65677-0
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Communications
Παρέχεται από το King’s College London
