حسگرهای کوانتومی الماس در گجت‌های پوشیدنی پایش سلامت

پایان دوران الکترودهای چسبنده و حسگرهای نوری فوتوپلتیسموگرافی (PPG)

در طول یک دهه گذشته، ساعت‌های هوشمند و مچ‌بندهای تندرستی به حسگرهای نوری PPG (دیودهای تابش نور سبز و قرمز) و الکترودهای فلزی تماسی برای ثبت ضربان قلب و الکتروکاردیوگرام (ECG) متکی بوده‌اند. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، این سنسورها با محدودیت‌های بیوفیزیکی ذاتی دست‌به‌گریبان هستند: موی بدن، رنگ پوست، لغزش ساعت هنگام دویدن، تعریق شدید و خشکی پوست همگی باعث اعوجاج سیگنال‌های الکتریکی کوچک در مقیاس میلی‌ولت می‌شوند.

علاوه بر این، برای دریافت یک نوار قلب معتبر با ساعت هوشمند، کاربر ناچار است انگشت دست مخالف خود را به مدت ۳۰ ثانیه روی فریم فلزی ساعت بی‌حرکت نگه دارد؛ کاری که پایش پیوسته در طول خواب، رانندگی یا فعالیت‌های ورزشی سنگین را غیرممکن می‌سازد. از سوی دیگر، ثبت پتانسیل‌های الکتریکی مغز و قلب نیازمند الکترودهای هادی است که تماس مداوم آن‌ها در درازمدت موجب تحریکات آلرژیک پوستی و اگزما می‌شود.

در بررسی‌های تحریریه ماگ بیت پیرامون حلقه‌های هوشمند فوتونیک با طیف‌سنجی رامان اشاره کرده بودیم که فوتونیک پزشکی آینده گجت‌ها را رقم خواهد زد. اکنون امروزه انقلابی حتی عمیق‌تر در فیزیک حسگرها رخ داده است: ورود «حسگرهای کوانتومی الماس» (Diamond NV Centers) به دنیای گجت‌های مصرفی.

فیزیک پدیده NV Center؛ تبدیل الماس نقص‌دار به مگنتومتر کوانتومی در دمای اتاق

در ساختار بلوری الماس، زمانی که یک اتم کربن جای خود را به یک اتم نیتروژن می‌دهد و در مجاورت آن یک جای خالی (Vacancy) در شبکه شبکه ایجاد می‌شود، پدیده‌ای کوانتومی با عنوان «مرکز تهی‌جایی-نیتروژن» شکل می‌گیرد. این نقص بلوری مانند یک تک‌اتم محبوس عمل می‌کند که دارای اسپین الکترونی خالص است. بر خلاف کیوبیت‌های ابررسانا که نیازمند خنک‌سازی تا صفر مطلق کلوین هستند، اسپین‌های کوانتومی در الماس پایداری فوق‌العاده‌ای در دمای محیط (Room Temperature) دارند.

هنگامی که این نانوبلور الماس تحت تابش لیزر دیودی کم‌مصرف سبز قرار می‌گیرد، الکترون‌ها به تراز انرژی بالاتری می‌روند و سپس با گسیل نور قرمز (فلورسانس) بازمی‌گردند. نکته اعجاب‌انگیز اینجاست که شدت این نور قرمز با میدان مغناطیسی محیط نسبت مستقیم دارد (رزونانس مغناطیسی اپتیکی یا ODMR). قلب و اعصاب انسان در هر بار انقباض و انتقال پالس‌های عصبی، میدان‌های مغناطیسی متغیری در حد «پیکوتسلا» (یک‌میلیاردیم میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌کنند.

حسگر کوانتومی الماس قادر است بدون نیاز به هیچ‌گونه تماس فیزیکی مستقیم با پوست و حتی از روی لباس نازک، این نوسانات مغناطیسی بیولوژیکی را کشف و اندازه‌گیری کند؛ فناوری پیشرفته‌ای که به عنوان «مگنتوکاردیوگرافی» (Magnetocardiography - MCG) شناخته می‌شود و تا پیش از این تنها در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی مجهز به اتاق‌های ایزوله مغناطیسی چند میلیون دلاری امکان‌پذیر بود.

معماری تراشه‌های میکروکوآنتوم دوران کنونی مینیاتوری‌سازی به سبک نانوفوتونیک

آنچه امروزه این فناوری را از آزمایشگاه‌های فیزیک به گجت‌های پوشیدنی رسانده، جهش در بسته‌بندی اپتوالکترونیکی و نانوفوتونیک است. شرکت‌های پیشگام نظیر TDK، بوش و استارت‌آپ‌های بیوتک کوانتومی موفق شده‌اند لیزر نیمه‌رسانا، نانوالماس‌های سنتز شده با گاز متان و فوتودیودهای سیلیکونی را در بسته‌ای به ابعاد کمتر از ۴×۴ میلی‌متر ادغام کنند.

سیگنال‌های خام دریافتی از این سنسورها به دلیل تداخل امواج رادیویی شهری و میدان مغناطیسی زمین دارای نویز بسیار بالایی هستند. در اینجا، پردازنده‌های عصبی نسل نوین نظیر آنچه در واکاوی انقلاب لپ‌تاپ‌های ARM و پردازنده‌های عصبی یکپارچه و شتاب‌دهنده‌های لبه بررسی شد، وارد عمل می‌شوند. الگوریتم‌های هوش مصنوعی با حذف میدان پس‌زمینه زمین در کسری از میلی‌ثانیه، شکل موج بیومغناطیسی قلب را با شفافیتی باورنکردنی استخراج می‌نمایند.

این داده‌های مغناطیسی به مراتب غنی‌تر از نوار قلب معمولی هستند؛ زیرا میدان مغناطیسی برخلاف سیگنال‌های الکتریکی توسط بافت‌های چربی، عضلات قفسه سینه و پوست تضعیف یا منحرف نمی‌شود و تصویری سه‌بعدی و برداری از فعالیت الکترومغناطیسی دهلیزها و بطن‌ها ارائه می‌دهد.

کاربردهای تحول‌آفرین بالینی؛ از کشف ایسکمی بی‌صدا تا رابط‌های مغز و عضله

استقرار حسگرهای MCG کوانتومی در ساعت‌های پرچمدار دوران کنونی امکاناتی فراتر از حد تصور پزشکان فراهم کرده است. ساعت هوشمند می‌تواند ۲۴ ساعته و بدون نیاز به هوشیاری یا مداخله کاربر، کوچک‌ترین ایسکمی‌های قلبی (کاهش موضعی جریان خون به عضله قلب) را تا ۶ ساعت پیش از وقوع سکته حاد قلبی هشدار دهد. علاوه بر این، شناسایی زودهنگام فیبریلاسیون دهلیزی (AFib) پنهان که در نوار قلب‌های معمولی نادیده گرفته می‌شود، اکنون به دقتی نزدیک به ۱۰۰ درصد رسیده است.

فراتر از قلب، این حسگرها قابلیت ثبت «مگنتومیوگرافی» (MMG) را دارا هستند. با مانیتور کردن جریان مغناطیسی فیبرهای عضلانی مچ دست، ساعت می‌تواند حتی قصد حرکت انگشتان را پیش از شروع انقباض فیزیکی متوجه شود. این قابلیت در تعامل با عینک‌های واقعیت افزوده و پلتفرم‌های ایربادهای عصبی رابط مغز و رایانه، کنترل حرکتی بدون لمس و بازتعریف تعامل انسان با ماشین را به اوج رسانده است.

دقت سنجش این نانوحسگرها پیوندی ژرف با پیشرفت‌های ساعت‌های اتمی اپتیکی شبکه استرانسیوم و ژئودزی کوانتومی دارد؛ جایی که کنترل کوانتومی اسپین‌ها، مرزهای سنجش طبیعت را بازتعریف می‌کند.

چالش‌های زنجیره تأمین، مصرف انرژی و چشم‌انداز تجاری‌سازی

با وجود تمام مزایای انقلابی، مقیاس‌پذیری تولید الماس‌های کوانتومی سنتزی با خلوص ایزوتوپی کربن-۱۲ بالا و تعبیه پایدار میکروکوپلرهای نوری همچنان چالش‌هایی در بازده تولید (Yield Rate) ایجاد کرده است. همچنین مصرف انرژی لیزر دیودی نیازمند مدیریت توان هوشمند است تا طول عمر باتری ساعت‌های هوشمند بیش از ۴۸ ساعت حفظ شود.

تحریریه ماگ بیت ارزیابی می‌کند که تا سال ۲۰۲۷، حسگرهای کوانتومی الماس از رده دستگاه‌های فوق‌پرمیوم پزشکی به مچ‌بندهای ارزان‌قیمت ورزشی نیز راه پیدا خواهند کرد. پوشیدنی‌های سلامت دیگر صرفاً ابزارهای ثبت گام و کالری نیستند؛ آن‌ها به رصدخانه‌های کوانتومی مینیاتوری تبدیل شده‌اند که بر روی مچ دستان ما، از اسرار درونی سلول‌ها و تپش‌های حیات پاسداری می‌کنند.