浙大青年学者杨宗银失败150次后开发出世界最小光谱仪，外媒称超越牛顿光学实验极限，如何看待这一研究？

幸福侠侣

浙大青年学者，2023年达摩院青橙奖得主杨宗银研发了世界上最小的光谱仪，他提出了一种全新的结构，用半导体纳米材料替代了传统光谱仪中用到的光栅、探测器阵列和准直光路等大元件，结构非常简单，因此尺寸能缩小为传统光谱仪的千分之一。该光谱仪可用于单细胞高光谱成像、光谱监测和筛选。此外也可通过材料的替换，使该微型光谱仪的工作波段从可见光延伸到中红外，从而开拓出更多的应用，如血糖检测。
这样一个比头发丝直径还小千倍的器件，杨宗银前前后后研究了8年，失败了150次，Science的编辑评价这项成果是“世界上最先进的材料合成，最高超的实验技巧，最巧妙的算法”，让中国在光谱仪微型化领域走在了世界前列。
当时发表的这篇Science论文，剑桥大学新闻稿用的标题是超越牛顿光学实验的极限，在牛顿光学的基础上做的更小。如何看待这一研究？光谱仪能给日常生活带来哪些变化？


原文地址：https://www.zhihu.com/question/637144784

检验医师

上周刚好精读了这篇论文，之前也探索过相似的工作，以一个计算机专业学生的视角在这里解读一下这篇science，分享一些读后感。
1. 前言

这个工作是一篇2019年的Science，《Single-nanowire spectrometers》，用单个纳米线实现光谱仪的功能。主要是用异质的纳米线构筑的光电探测器，得到有差异的光响应谱，以此来计算重构光谱。
光谱仪是探测波长成分复杂的光中不同波长的光的强度的仪器。用通俗的话讲，假设来了一束太阳光，光谱仪就能看出来里面红橙黄绿蓝靛紫的光分别有多少。
传统的光谱仪需要前置的分光仪器讲不同波长的光分开，根据不同的分光原理有棱镜光谱仪、光栅光谱仪等等，它们无一例外需要前置的分光仪器将不同波长的光分开，因此难以向小型化的方向发展。
这篇文章，就是使用一个单器件的纳米线，通过计算重构光谱，实现光谱仪的功能，推动光谱仪的低成本和小型化。
2. 工作原理与亮点

关于这个工作的原理和精妙之处：
2.1 用带隙渐变半导体纳米线来得到渐变的光响应谱

我觉得这是本文中最灵光一现的idea，其它的困难更多在于实验和工程实现。
具体而言，从信息论的角度来讲，由于光谱是一个向量，而光电探测器的光响应是一个标量，因此想要从探测器的光响应重构光谱，你的光电探测器的光响应信号中至少需要再有额外一个维度的信息，例如一些工作会通过调栅压的方式获得新的一个维度的信息。
在本文中，作者灵光一现地用渐变的 这样的渐变纳米线来给光响应增加一个新的信息维度。下图1是作者设计的器件，一端主要是CdS，而另一端主要是CdSe，而纳米线中间则是渐变的 。



图1 渐变CdSxSe1-x纳米线

这样一来，由于CdS和CdSe存在带隙差异，现在将纳米线分成n段，均匀地接上n+1个电极，相邻两个电极上测到的光响应谱（材料的光响应的大小随入射光的波长的变化趋势）便会体现出差异，也就得到了下图2中的展示的光响应谱，也就得到了新增的一维信息。



图2 渐变CdSxSe1-x不同区间的光响应谱

u1s1，这个渐变的光响应谱真的非常非常理想，可能是我见过最理想的一张调光响应的图了。不同区间纳米线的光响应差异性非常强，而且变化非常均匀，这才为后面重构光谱奠定了基础。
2.2 通过解线性方程组来重构光谱

假设现在有一束含有不同波长信息的光，它的光谱和它在这个渐变纳米线上每一段的光响应可以写成公式1所示的线性方程组。



公式1 光谱与光响应的线性方程组

在这个线性方程组中， 和分别代表想用的纳米线响应波长的上限和下限，文中是500nm到630nm； 是光谱，也就是不同波长的光的强度； 是第i段纳米线的光响应谱；光谱和光响应谱相乘并累加，就得到了在当前光照下每段纳米线的光响应电流 。
在这个线性方程组中， 是图2已经测出来的， 也是测出来的已知量，而 是未知量，通过求解这个线性方程组就可以重构出光谱。
当然，这个线性方程组是不能直接求解的。测过光电器件的同学们都应该体会过，器件的光响应波动是很明显的，成像的时候应该都深有体会，这就给 和 引入了误差，直接求解线性方程组解出来大概率是奇奇怪怪的解。
关于这个线程方程组的求解方法的探索，作者杨宗银老师在他自己的回答中也提到了：

幸运的是在放弃一段时间后，有一天早上和一起跑步的朋友聊起实验上的困难，他觉得实验失败很可能是算法上没有做降噪处理导致的。他帮忙写了新算法后、我又做了“最后一次尝试”，终于测得了微弱的信号，从此见到了曙光，并最终在博士毕业前几个月做到了与商用光谱仪的信号一致。

经过艰难地探索，在论文的supporting MM.4部分，作者给出了他们最终使用的重构算法。
一方面，假设每个波长的光都是高斯分布的，也就是下图3中这样的函数曲线。其中峰高就代表着该波段的光强，峰的半高宽也就代表着光谱仪的识别精度。



图3 高斯分布

这样一来，需要求解的线性方程组就变成了公式2所示的样子，假设有m个波长的单色光，把原本的 替换成为 所示的高斯分布。感觉用高斯分布可以一定程度上抵消误差（不知道对不对，有没有大佬可以解答一下）



公式2 引入高斯分布后需要求解的线性方程组

最后，用岭回归的方法求解上述线性方程组，sklearn中有相应的库函数。岭回归相较于线性回归，多了公式3中所示的L2正则化项，这是因为线性回归的最优解常常出现过拟合的现象，L2正则化项的加入可以缓解过拟合。



公式3 岭回归中添加的L2正则化项

L2正则化：目标函数中增加所有权重w参数的平方之和, 逼迫所有w尽可能趋向零但不为零. 因为过拟合的时候, 拟合函数需要顾忌每一个点, 最终形成的拟合函数波动很大, 在某些很小的区间里, 函数值的变化很剧烈, 也就是某些w非常大. 为此, L2正则化的加入就惩罚了权重变大的趋势。

2.3 实验结果

文中使用这种方法，成功地重构出了原始光谱：



图4 实验结果

上图4中分别是单色光、双色光、连续光谱和多个单色光的光谱的计算重构结果，可以看到跟商用的光谱仪的结果相差不大。
最终，使用38段渐进纳米线和30段渐进纳米线的识别精度分别可以识别出最小半高宽为8.5nm和7nm的单色光。
3. 讨论

在这项工作中，最精妙的设计就是用带隙渐变半导体纳米线来得到渐变的光响应谱，效果非常显著。
另外，作者在文章和supporting中还讲述了降低系统误差的一些方法，怎样尽可能消除误差的影响绝对是这项工作最终能够达到识别实际成像的光谱这样的效果的的重中之重。
最后，作为计算机专业的学生，在这篇文章中，我看到了计算机的相关知识在传统生化环材等基础学科中的应用。在这项工作中，或者在其它的基础研究中，计算机科学中的优化方法、强化学习方法以及各种新兴的AI4Science方法肯定会发挥越来越重要的作用，实现更优的效果，非常看好基础学科x计算机的交叉研究方向。
引用

• Single-nanowire spectrometers
  

2. https://www.zhihu.com/question/637144784/answer/3342581244
3. https://blog.csdn.net/weixin_45031468/article/details/113758011

同花顺

这个论文5月投稿给Science杂志，7月便被接受。而且被编辑评价这项成果是“世界上最先进的材料合成，最高超的实验技巧，最巧妙的算法”，感谢他让中国在光谱仪微型化领域走在了世界前列。

清风寡欲

人类的科技文明，就是靠着这些具体的技术进步直接推动的。为杨宗银点赞！！！
从牛顿发现光的色散分解开始，光谱在人类生产生活、科学研究中的作用就越来越大。远到测量遥远恒星的状态，近到研究某些物质组成成分，光谱检测在很多时候都发挥着无可替代的作用。
有了这么小的微型光谱仪，就会使光谱检测更加方便的应用到日常生活中，给人们生活带来便利，甚至是较大的变化。
最容易想到的就是无创血糖检测。利用微型光谱仪，有可能开发出小巧方便的无创血糖监测装置，会给千千万万受糖尿病困扰的人们带来极大的便利。他们可以随时监测血糖，随时根据血糖情况控制自己的饮食，合理增加运动等。特别是糖尿病人由于糖代谢紊乱，有时会发生低血糖危险，危及生命，有了这种无创血糖检测装置，会及时提醒病人注意血糖过低的情况，有时候会挽救生命。
技术创新很不容易，150次失败后的艰辛可想而知。杨宗银获得2023达摩院青橙奖，实至名归。
希望他所发明的技术，能够尽快造福百姓、造福社会。
我本人作为糖尿病潜在的高危人群（母亲家族有糖尿病史），希望未来有一天能够用上基于这种微型光谱仪开发出来的血糖监测装置，随时监测血糖，甚至让我能够不再患上糖尿病。


最后，也祝愿杨宗银这样的青年学者在以后的研究道路上做出更大的贡献！！！

检验医师

感谢邀请，感谢达摩院青橙奖，我是杨宗银，接来下我将从亲历者的角度讲述我的研究经历、开展微型光谱仪研究的缘起和该领域的未来发展方向。
我是个80后，小时候的物资条件没有像现在这么富足，玩具只能靠自己动手做，而制作玩具的零部件也只能靠拆家里的电器获得。小学时只会用电动机做一些小车小船等简单的玩具，有一天看到了姐姐的初中自然科学课本后了解到还有二极管三极管这些神奇的器件，很兴奋，每天都在琢磨着怎么把它们用起来，于是无师自通地用四个二极管搭出了整流桥，还通过姐姐自然科学实验课剩下的三极管和光敏电阻做出了光控闹钟。正是这段经历让我对电子科学产生了极大的兴趣，立志以后要从事相关领域的研究。
刚在浙大读大一时，我的专业是应用生物，后来转专业到了更感兴趣的机械工程及其自动化专业。到了机械系后我如鱼得水，乐在其中，把机器人、机械电子设计等领域的各类竞赛都参加了一遍，拿了全国和省里几乎所有的大奖。这个过程中，我的动手能力和创新思维得到了进一步提升。当时指导竞赛的顾大强老师经常教导我们“要用最巧妙的机构完成一件复杂的事情”，这种思维训练对我来说受益终身。
我在机械系度过了一段愉快的时光，时间不知不觉来到了大学最后一年。机缘巧合下，指导我机器人竞赛的一位学长把我推荐给了他的导师，也是我后来的硕士导师浙大光电学院的童利民教授。和童老师聊了一上午，他很激动，按他的说法是“你身上有很多闪光点，很适合做科研”，于是童老师帮我争取到了保送光电系读研的名额。从机械到光电有很多需要适应的地方，尤其是思维方式上的转变，原来在机械系时想的是一些成熟方案的巧妙组合，而在童老师团队里接触的更多的是前沿研究，需要通过科学思维去解决未知的问题。一开始是帮师兄生长纳米材料，熟练了就萌发出做挑战性改进的想法，有一天午睡的时候突然想到德国化学家凯库勒梦见一条蛇首尾相接发现苯环的故事，再联想到自己的纳米线能否做成两端不一样然后首尾相接？有了这个想法后发现没有现成的实验设备，这时本科期间的机械电子设计基础给我的研究带来了很多便利，让我通过自己设计加工的零件慢慢搭出了整套实验装置。基于这个新想法和搭好的装置，我生长出了带隙渐变半导体纳米线（“彩虹”纳米线），还基于这种材料开发了世界最宽光谱可调谐激光器，发表了两篇Nano Letters和一篇JACS论文，在当时应该都够博士毕业好几次了。
我对微型光谱仪的研究源自于硕士期间在显微镜下观察到“彩虹”纳米线时的突发奇想，这种彩色发光的纳米线已被人们用来做成可调的激光器，是否还可以做成可调的探测器，这样不就可以替换光栅或者三棱镜了吗？2014年我去剑桥大学读博士，在此期间非常期待能把光谱仪做出来，但由于剑桥博士导师的研究方向为打印柔性电子器件，与光谱仪方向相差甚远，所以我不仅要完成柔性电子的任务还要独自摸索光谱仪相关的技术，过程非常辛苦，在博士前三年里，我做失败了150多个器件，每次都在前一次的基础上做改进，但伴随着每一次信心满满的是不尽如人意的实验结果，来自毕业的压力让我想过放弃、去做一些简单的研究工作。幸运的是在放弃一段时间后，有一天早上和一起跑步的朋友聊起实验上的困难，他觉得实验失败很可能是算法上没有做降噪处理导致的。他帮忙写了新算法后、我又做了“最后一次尝试”，终于测得了微弱的信号，从此见到了曙光，并最终在博士毕业前几个月做到了与商用光谱仪的信号一致。这段时间的磨练过程很辛苦，但却是我人生中无比宝贵的财富。在这里我想提醒还在读研的同学，要经常和导师沟通、汇报工作进展，不然自己默默扛下所有挫折后导师并不知道你原来做了这么多工作，也没法帮你，另外就是要多和人沟通，特别是和不同领域的人沟通，很可能结合他们角度给的建议能让你茅塞顿开。
按照传统的技术路线，小尺寸和高性能是无法兼具的，我的研究工作报道了世界上首次基于探测器光谱编码的新方案，完美解决了在极小的空间范围内实现光的色散分光的科学难题，因此能进一步减少光谱仪尺度，克服了小尺寸与高性能兼具的世界难题。该器件尺寸仅为几十微米，小于头发丝直径，是目前市面上最小光谱仪的千分之一。该研究受到Science《科学杂志》编辑和审稿人的高度认可，审稿人评价：“这个工作是集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的惊艳之作”。
目前基于该技术延伸，我们开发了更多更小的、具备更高性能的光谱仪，可以集成在手机、手表等便携设备中应用。在手机传感器已经没有其它突破口的背景下，微型光谱仪从长远来看是黄金赛道，但是短期内还有非常多的技术和应用问题未被解决。由于技术是一直在进步的，我相信接下来的几年随着进入这个行业的人越来越多，光谱分辨率和稳定性的问题会被很好解决。另外找到契合且是刚需的应用是难点，很多看起来很酷炫的应用其实在生活中并不是刚需，真正的刚需还是和大健康领域息息相关的那些应用，这也是可以被解决的，等市面上有了微型光谱器件后，各种应用会在尝试中慢慢被发掘出来。另外器件的性能指标和应用又是挂钩的，微型光谱仪的性能进一步提高后会开辟出更多新的应用。

继续前进

导师说过这个人，我去查过，三十出头，浙大博士生导师，中国区《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人，百人计划研究员，恐怖如斯……