PROBACA.COM – Bayangkan kamu memakai jam tangan yang bukan cuma menghitung langkah, tetapi juga bisa memantau kadar gula darah, alkohol dalam tubuh, atau tingkat kelembapan kulit. Kedengarannya seperti alat dari film fiksi ilmiah? Bisa jadi, tetapi para ilmuwan di University of Cambridge sedang membuat jalannya.
Mereka mengembangkan spektrometer optik baru—alat yang membaca cahaya untuk mengetahui kandungan suatu bahan—dengan ukuran hanya beberapa sentimeter dan perkiraan harga sekitar 10 dolar AS. Perangkat ini dikembangkan bersama GlitterinTech, perusahaan rintisan yang didirikan oleh kelompok riset yang sama.
Spektrometer sebenarnya bukan barang baru. Alat semacam ini digunakan di bidang medis, manufaktur, pengujian kimia, hingga penelitian lingkungan. Cara kerjanya mirip seperti melihat “sidik jari” cahaya: ketika cahaya berinteraksi dengan suatu zat, pola cahayanya berubah. Dari pola itulah, alat dapat mengungkap bahan apa yang sedang diperiksa atau seberapa banyak kandungannya.
Masalahnya, spektrometer yang akurat biasanya berukuran besar dan mahal. Ketika diperkecil, kinerjanya sering ikut turun. Rentang pengukurannya menjadi terbatas, resolusinya berkurang, atau hasilnya kurang akurat. Alat mungil biasanya lebih cocok untuk mengenali jenis zat, bukan mengukur konsentrasinya secara presisi.
Tim Cambridge mencoba mengatasi masalah itu dengan pendekatan yang berbeda. Perangkat mereka disebut convolutional spectrometer, atau spektrometer konvolusional. Namanya memang terdengar rumit, tetapi gagasannya cukup menarik: alih-alih hanya memisahkan cahaya ke dalam panjang gelombang atau mengandalkan perhitungan berat untuk menyusun kembali spektrum, alat ini melakukan operasi matematika bernama konvolusi langsung pada cahaya yang masuk.
Analogi sederhananya begini. Kalau cara lama seperti membongkar satu lagu menjadi setiap instrumennya lalu menyusunnya kembali, pendekatan baru ini memakai pola penyaring cahaya yang sudah diatur berurutan. Hasil interaksi cahaya dengan pola-pola itu kemudian diproses untuk mengungkap “lagu” aslinya.
Para peneliti menyusun komponen optik dengan respons spektral yang berulang. Komponen tersebut dapat berupa unbalanced Mach-Zehnder interferometers atau micro-ring resonators. Dengan mengatur komponen-komponen itu dalam perbandingan tertentu, respons alat bisa digeser secara terkendali dan linear ke berbagai panjang gelombang.
Setelah itu, algoritma fast Fourier transform digunakan untuk mengambil kembali spektrum cahaya secara akurat. Menurut Dr. Chunhui Yao, salah satu penulis utama penelitian, kunci temuannya adalah kembali ke dasar matematika dan mencari cara yang lebih bersih untuk memperoleh spektrum.
“Dengan menggunakan teorema konvolusi langsung dalam ranah optik, kami menghindari banyak keterbatasan yang selama ini menghambat spektrometer mini,” ujar Yao. Pendekatan ini, menurutnya, menghasilkan presisi tinggi, tahan terhadap gangguan sinyal, serta membutuhkan beban komputasi yang sangat rendah.
Spektrometer itu dibuat menggunakan platform fotonik silikon nitrida dan dipadukan dengan elektronik di dalam perangkat. Ia bekerja pada rentang cahaya inframerah dekat 1.200 hingga 1.700 nanometer, serta dapat mengumpulkan dan memproses pengukuran dalam waktu kurang dari satu detik.
Yang juga menarik, kemampuan alat ini bisa diperluas tanpa perubahan besar pada perangkat keras. Karena memakai pola optik yang berulang, rentang spektralnya secara teori dapat diperpanjang hampir tanpa batas. Menambahkan lebih banyak komponen optik secara berurutan juga dapat meningkatkan resolusi secara eksponensial.
Untuk menguji apakah alat ini hanya bagus di atas kertas, para peneliti menggunakannya pada berbagai bahan. Spektrometer tersebut berhasil mengklasifikasikan plastik, obat-obatan, kopi, tepung, dan teh dengan tingkat keberhasilan 100 persen dalam pengujian yang dilaporkan.
Alat itu juga mengukur konsentrasi dalam larutan berbasis air dan larutan organik dengan akurasi sekitar 0,01 persen. Dalam percobaan tersebut, kinerjanya bahkan melampaui spektrometer komersial berukuran meja.
Uji kesehatan memberikan hasil yang tak kalah menarik. Dalam kondisi yang dirancang menyerupai lingkungan fisiologis manusia, perangkat ini mampu mengukur beberapa biomarker—penanda biologis yang memberi informasi tentang kondisi tubuh—seperti kelembapan kulit, kadar alkohol dalam darah, laktat darah, dan glukosa darah.
Para peneliti juga mendemonstrasikan pemantauan glukosa secara noninvasif dalam waktu yang cukup panjang pada satu orang peserta. Artinya, ada kemungkinan suatu hari kadar gula darah dapat dipantau tanpa harus berulang kali menusuk kulit.
Namun, ini belum berarti jam tangan pengukur gula darah siap dijual. Pengujian lebih lanjut tetap diperlukan sebelum teknologi tersebut dapat menjadi produk medis praktis. Prof. Qixiang Cheng, pemimpin proyek, mengatakan bahwa keunggulan penelitian ini bukan hanya hasil uji laboratorium, tetapi juga kesiapan teknis perangkatnya.
Menurut Cheng, kontribusi Yao penting untuk mengubah konsep matematika menjadi sistem yang utuh, kuat, dan dapat bekerja dengan andal dalam kondisi dunia nyata, termasuk saat suhu berubah ekstrem.
Dalam pengujian, sensor tetap beroperasi pada suhu antara -20 dan 80 derajat Celsius. Rentang yang sangat lebar ini dapat berguna untuk perangkat yang dikenakan di tubuh, peralatan pabrik, maupun sensor luar ruangan.
Keunggulan lainnya terletak pada kesederhanaan komputasinya. Banyak spektrometer mini lain memerlukan kalibrasi rumit dan algoritma berat untuk menyusun kembali informasi spektrum. Ketika sinyal terganggu oleh derau, proses tersebut bisa menjadi kurang andal dan membutuhkan daya komputasi besar.
Pendekatan berbasis konvolusi dari tim Cambridge mengurangi sebagian kerumitan itu. Karena hubungan matematis dalam pengukurannya bersifat linear, spektrum dapat dipulihkan dengan cepat—seperti membaca pola dari stempel yang sudah dibuat rapi, bukan menebak gambar buram sedikit demi sedikit.
Jika pengembangan berikutnya berhasil, sensor mungil ini dapat membuka pintu bagi perangkat kesehatan yang lebih praktis, pengujian makanan di lapangan, pemeriksaan bahan kimia, hingga pemantauan proses industri. Bukan sekadar membuat spektrometer lebih kecil, para peneliti mencoba mempertahankan akurasinya sambil menekan ukuran, biaya, dan kebutuhan komputasi.
Nah, terobosan ini menunjukkan bahwa mengecilkan alat laboratorium tidak selalu berarti mengorbankan kemampuannya. Kadang, jalan menuju sensor murah di pergelangan tangan justru dimulai dari satu ide matematika yang sangat sederhana: membaca cahaya dengan cara yang berbeda.
***
DISCLAIMER: Sebagian proses pengolahan artikel ini dibantu oleh teknologi AI. Pembaca disarankan memverifikasi kembali data dan informasi melalui sumber resmi atau sumber primer
Disadur dari ScienceDaily
