【導(dǎo)讀】在物質(zhì)分析與健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，光譜儀如同科學(xué)家和醫(yī)生的“眼睛”，能精準(zhǔn)揭示物體的化學(xué)成分與含量。然而，傳統(tǒng)高性能光譜儀往往體積龐大、價(jià)格昂貴，且使用門檻高。無論是在工業(yè)場景中進(jìn)行材料成分識(shí)別與含量檢測(cè)，還是在醫(yī)療健康領(lǐng)域開展人體指標(biāo)分析，通常都離不開復(fù)雜的采樣流程、實(shí)驗(yàn)室送檢，以及專業(yè)人員的操作和解讀。
如果能把這枚“光譜之眼”濃縮到一枚價(jià)格低廉的光芯片上，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物質(zhì)成分的實(shí)時(shí)檢測(cè)，那精密光譜分析將不再局限于實(shí)驗(yàn)室，而走進(jìn)工廠車間、田間地頭，甚至融入日常穿戴設(shè)備，成為人人可用的感知能力。
“光學(xué)卷積光譜儀”成果發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）
近日，一個(gè)來自中國的團(tuán)隊(duì)——徐州光引科技發(fā)展有限公司與劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合宣布，成功研制出一種名為“光學(xué)卷積光譜儀”（Optical Convolutional Spectrometer）的面向量產(chǎn)的革命性片上光譜系統(tǒng)，革新了智能終端的交互邏輯。不僅解決了微型光譜儀性能、體積與成本的“不可能三角”難題，還讓可穿戴設(shè)備從“記錄型電子產(chǎn)品”升級(jí)為真正意義上的“個(gè)性化智能健康管家”成為可能。這項(xiàng)突破性成果已發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。
光譜儀芯片架構(gòu)與芯片實(shí)物圖
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)從底層數(shù)學(xué)原理出發(fā)，首次將卷積運(yùn)算直接融入光學(xué)器件本身，提出了一類全新的卷積式光譜儀架構(gòu)。該設(shè)計(jì)天然契合微型化與系統(tǒng)級(jí)集成的需求，在保證結(jié)構(gòu)極簡、計(jì)算高效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光譜信息的高保真、高精度采集。該架構(gòu)把復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)集成到一個(gè)指甲蓋大小的模組內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的性能與集成度平衡。但卻能精準(zhǔn)“看透”從塑料、溶液、藥品乃至人體皮下組織等一系列復(fù)雜樣本中的關(guān)鍵成分，結(jié)合AI算法可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的實(shí)時(shí)分析。
它的工作帶寬覆蓋超過500納米的近紅外波段，采樣和處理速度達(dá)到亞秒級(jí)，而整體成本僅為傳統(tǒng)設(shè)備的千分之一，最低可達(dá)萬分之一，低至百元級(jí)，將有力地推動(dòng)這一成果走向大眾日常生活。
《自然·光子學(xué)》的審稿人對(duì)此技術(shù)評(píng)價(jià)道：“本論文所提出的新型微型化近紅外測(cè)量光譜儀兼具原創(chuàng)性與顯著性能提升，特別是將系統(tǒng)成功集成到可穿戴設(shè)備以實(shí)現(xiàn)生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這將具備顯著的經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01891-6
微型光譜的核心挑戰(zhàn)：性能、體積與成本的“不可能三角”
在蘋果公司內(nèi)部，曾長期存在一個(gè)代號(hào)為“E5”的神秘項(xiàng)目。這個(gè)自喬布斯時(shí)代便已啟動(dòng)的計(jì)劃，核心目標(biāo)是通過微型紅外光譜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖檢測(cè)。盡管蘋果多年來持續(xù)投入、反復(fù)攻關(guān)，這一項(xiàng)目至今仍未取得真正意義上的實(shí)質(zhì)性突破。由于技術(shù)難度極高，這一方向曾被媒體形容為堪比“登月”的挑戰(zhàn)。
光學(xué)卷積光譜儀工作原理示意圖
挑戰(zhàn)背后，也折射出光譜儀微型化所面臨的行業(yè)共性難題：如何在極致壓縮體積、顯著降低成本的同時(shí)，依然保持足夠高的測(cè)量精度與長期穩(wěn)定性？而目前已有的方案都難以跨越這一門檻：有些設(shè)計(jì)為了縮小體積，而犧牲了光譜分辨率和帶寬；有些則系統(tǒng)封裝不成熟，難以在真實(shí)環(huán)境中可靠工作，更是無法滿足嚴(yán)苛的光譜計(jì)量要求。
而光引科技，一家由劍橋大學(xué)華人教授創(chuàng)立的硬科技公司，正以全新的技術(shù)路徑來突破這一困局。團(tuán)隊(duì)?wèi){借其在光子芯片領(lǐng)域的深厚積累，從底層數(shù)學(xué)原理出發(fā)，提出了一類全新的卷積式光譜儀架構(gòu)。該設(shè)計(jì)天然契合微型化與系統(tǒng)級(jí)集成的需求，在保證結(jié)構(gòu)極簡、計(jì)算高效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光譜信息的高保真、高精度采集，從而打破長期困擾行業(yè)的“不可能三角”。
改變可穿戴市場的游戲規(guī)則，一年內(nèi)推出相關(guān)產(chǎn)品
從上世紀(jì)PPG（光電容積脈搏波）技術(shù)發(fā)明，到2013年第一款PPG智能手環(huán)問世，可穿戴設(shè)備的核心感知范式其實(shí)并沒有發(fā)生根本性變化。時(shí)至今日，我們?nèi)粘Ｅ宕鞯脑S多智能設(shè)備所宣稱能夠檢測(cè)的心率、血氧、睡眠質(zhì)量等指標(biāo)，本質(zhì)上仍主要建立在脈搏波這種單一維度的信號(hào)之上，再通過算法進(jìn)行間接推算。這意味著，其可獲取的信息密度、能夠覆蓋的指標(biāo)范圍始終受限，檢測(cè)精度與穩(wěn)定性也面臨明顯瓶頸。
相比之下，微型光譜儀則帶來了一種“降維打擊”式的能力躍遷。不同于PPG低維、單點(diǎn)式的信息采樣，光譜儀獲取的，則是在廣闊波段范圍內(nèi)連續(xù)分布的高密度光譜信息，包含真實(shí)反映物質(zhì)本征屬性的“光譜指紋”。理論上，只要具備足夠高的信噪比、合適的波段設(shè)計(jì)以及可靠的算法支持，光譜技術(shù)就有潛力實(shí)現(xiàn)對(duì)多種成分和生理指標(biāo)的直接分析。
生理指標(biāo)無創(chuàng)檢測(cè)能力與智能穿戴應(yīng)用
基于這一路徑，光引科技率先論證了微型光譜儀在可穿戴健康管理與疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)這一新興領(lǐng)域中的巨大潛力。通過大規(guī)模志愿者人體數(shù)據(jù)采集與分析，并結(jié)合先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，這枚小小的“光譜之眼”已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多項(xiàng)關(guān)鍵皮下生理指標(biāo)的無創(chuàng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括膠原蛋白、皮膚水分、皮膚油脂、血酒精、血乳酸，甚至具備對(duì)血糖變化趨勢(shì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的潛力。
一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地，這項(xiàng)技術(shù)有望讓可穿戴設(shè)備從“記錄型電子產(chǎn)品”進(jìn)一步升級(jí)為真正意義上的“個(gè)性化智能健康管家”。它所帶來的不只是一次硬件能力的提升，更可能推動(dòng)健康監(jiān)測(cè)、個(gè)護(hù)醫(yī)美、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，乃至智能終端交互邏輯的整體革新。
目前，光引科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其晶圓級(jí)規(guī)模流片，正在推動(dòng)此技術(shù)的規(guī)模化封裝量產(chǎn)，并積極與各路業(yè)界人士合作。預(yù)期將在一年內(nèi)推出搭載此技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)品。
