- 數千個微小的、具備時間感知能力的傳感器能夠共同繪制出細管內的化學物質濃度分布。
- 來源：帕特里夏德萊西（Patricia DeLacey），密歇根大學工程學院 發(fā)表于 2025/2/7
人體腸道系統（a）可被視作一系列活塞流反應器（b），這是一種用于描述流動圓柱體系內化學反應的模型。具有時間感知能力的微粒傳感器（c）在活塞流系統中移動，檢測被稱為分析物的目標化學物質。圖片來源：馬寧等人，2025 年。部分圖片由 BioRender 軟件制作。
在合成化學物質時，固定式傳感器能夠從反應器系統內部收集并傳輸詳細數據。然而，當涉及繪制流經難以觸及區(qū)域（尤其是狹長管道）的流體內部的濃度分布圖時，物理安裝的傳感器便暴露出局限性。
在工業(yè)環(huán)境中，雖然傳感器可以安裝在反應器周邊，但將傳感器置于管道中心會干擾流體流動。在醫(yī)療應用場景中，比如通過繪制腸道內化學物質濃度分布圖來確定內出血位置，植入式傳感器并不切實可行。
一種新框架優(yōu)化了對時間感知微粒傳感器（TAPS）的使用。這種微小的傳感器在系統中移動，并能記住何時遇到目標化學物質，從而繪制這些未知區(qū)域的分布圖。
模擬結果表明，當數千個此類傳感器被釋放后，它們能夠共同繪制出這些此前難以檢測的系統的完整濃度分布圖。這項由密歇根大學開展的研究發(fā)表在《美國化學工程師學會雜志》上。
“我們在此表明，即便每個傳感器僅具備基本功能，但憑借數量優(yōu)勢，它們協同起來就能完成一些原本極難做到的事�！� 密歇根大學化學工程、高分子科學與工程以及材料科學與工程助理教授阿爾伯特・劉說道，他也是該研究的通訊作者。
這些微粒大小的傳感器直徑僅約 100 微米 —— 差不多相當于一根人類頭發(fā)的寬度，足夠小，能夠懸浮在流體中而不會顯著擾亂流體的流動模式；同時又足夠大，可以通過過濾回收，以便進行分析。
與傳統的基于集成電路的傳感器（本質上就是縮小版的計算機）相比，傳感器的尺寸和簡易性也有助于降低成本。數百萬個這樣的傳感器可以在單個硅片上制造出來，硅片是一種直徑約 12 英寸或更小的圓盤。
這些傳感器使用一組憶阻器來記錄時間。憶阻器是一種利用電阻存儲信息的電子元件。當憶阻器排列成并聯電路時，它們可以充當模擬時鐘。計時器啟動后，階梯狀排列的憶阻器會按照已知的速率依次關閉。時鐘會一直計時，直到目標化學物質觸發(fā)傳感器中的一個開關，計時器才會停止。
一旦傳感器被回收，關閉的憶阻器數量就表明自傳感器與化學物質發(fā)生相互作用以來過去了多長時間。
“這是一種將時間信息轉化為空間信息的簡單機制，” 劉教授說。
雖然憶阻器是本研究的主題，但該系統設計足夠寬泛，能夠涵蓋任何對時間敏感的檢測方法。
模型發(fā)現，傳感器的性能受到多種因素的強烈影響，比如化學物質的類型、濃度水平、系統大小以及通過系統所需的時間。
“我們的模擬結果清晰地表明，傳感器需要根據其所處環(huán)境進行定制。每個系統都有其獨特的‘指紋’，這會改變所需傳感器的最佳數量以及用于檢測目標化學物質的傳感材料，” 密歇根大學化學工程專業(yè)博士生、該研究的第一作者馬修・馬寧說道。
為應對不同系統之間的差異，研究人員開發(fā)了一種優(yōu)化方案，以幫助工程師為每個獨特的系統設計出最佳的傳感器。
隨著這項技術的不斷發(fā)展，研究團隊希望能提高空間分辨率，從而了解化學物質在三維空間中的濃度分布。目前，該方法能夠提供流體在管道中流動的時間分辨率，進而生成管道內化學物質的濃度分布圖。
部署數千個傳感器的框架確保了傳感器層面的微小改進都能極大地提升化學物質濃度測繪的效果。
總體而言，這些傳感器展現出涌現功能，從本質上說，整個系統的能力遠超其各部分能力之和。
研究人員還可以通過讓微粒之間相互通信，進一步挖掘這些傳感器集體呈現出的涌現特性。
“在這項研究中，單個微粒之間尚未實現相互通信。許多涌現行為依賴于微粒間的通信。一旦實現這一點，這種基于分布式微粒的系統的非線性擴展就能真正發(fā)揮作用，” 劉教授說。
更多信息：馬修李;馬寧等人，《通過計算能力有限的分布式傳感器節(jié)點進行時間分辨濃度分析》，《美國化學工程師學會雜志》（2024 年）。DOI：10.1002/aic.18691
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