人体肠道系统（a）可被视作一系列活塞流反应器（b），这是一种用于描述流动圆柱体系内化学反应的模型。具有时间感知能力的微粒传感器（c）在活塞流系统中移动，检测被称为分析物的目标化学物质。图片来源：马宁等人，2025 年。部分图片由 BioRender 软件制作。

在合成化学物质时，固定式传感器能够从反应器系统内部收集并传输详细数据。然而，当涉及绘制流经难以触及区域（尤其是狭长管道）的流体内部的浓度分布图时，物理安装的传感器便暴露出局限性。

在工业环境中，虽然传感器可以安装在反应器周边，但将传感器置于管道中心会干扰流体流动。在医疗应用场景中，比如通过绘制肠道内化学物质浓度分布图来确定内出血位置，植入式传感器并不切实可行。

一种新框架优化了对时间感知微粒传感器（TAPS）的使用。这种微小的传感器在系统中移动，并能记住何时遇到目标化学物质，从而绘制这些未知区域的分布图。

模拟结果表明，当数千个此类传感器被释放后，它们能够共同绘制出这些此前难以检测的系统的完整浓度分布图。这项由密歇根大学开展的研究发表在《美国化学工程师学会杂志》上。

“我们在此表明，即便每个传感器仅具备基本功能，但凭借数量优势，它们协同起来就能完成一些原本极难做到的事。” 密歇根大学化学工程、高分子科学与工程以及材料科学与工程助理教授阿尔伯特・刘说道，他也是该研究的通讯作者。

这些微粒大小的传感器直径仅约 100 微米 —— 差不多相当于一根人类头发的宽度，足够小，能够悬浮在流体中而不会显著扰乱流体的流动模式；同时又足够大，可以通过过滤回收，以便进行分析。

与传统的基于集成电路的传感器（本质上就是缩小版的计算机）相比，传感器的尺寸和简易性也有助于降低成本。数百万个这样的传感器可以在单个硅片上制造出来，硅片是一种直径约 12 英寸或更小的圆盘。

这些传感器使用一组忆阻器来记录时间。忆阻器是一种利用电阻存储信息的电子元件。当忆阻器排列成并联电路时，它们可以充当模拟时钟。计时器启动后，阶梯状排列的忆阻器会按照已知的速率依次关闭。时钟会一直计时，直到目标化学物质触发传感器中的一个开关，计时器才会停止。

一旦传感器被回收，关闭的忆阻器数量就表明自传感器与化学物质发生相互作用以来过去了多长时间。

“这是一种将时间信息转化为空间信息的简单机制，” 刘教授说。

虽然忆阻器是本研究的主题，但该系统设计足够宽泛，能够涵盖任何对时间敏感的检测方法。

模型发现，传感器的性能受到多种因素的强烈影响，比如化学物质的类型、浓度水平、系统大小以及通过系统所需的时间。

“我们的模拟结果清晰地表明，传感器需要根据其所处环境进行定制。每个系统都有其独特的‘指纹’，这会改变所需传感器的最佳数量以及用于检测目标化学物质的传感材料，” 密歇根大学化学工程专业博士生、该研究的第一作者马修・马宁说道。

为应对不同系统之间的差异，研究人员开发了一种优化方案，以帮助工程师为每个独特的系统设计出最佳的传感器。

随着这项技术的不断发展，研究团队希望能提高空间分辨率，从而了解化学物质在三维空间中的浓度分布。目前，该方法能够提供流体在管道中流动的时间分辨率，进而生成管道内化学物质的浓度分布图。

部署数千个传感器的框架确保了传感器层面的微小改进都能极大地提升化学物质浓度测绘的效果。

总体而言，这些传感器展现出涌现功能，从本质上说，整个系统的能力远超其各部分能力之和。

研究人员还可以通过让微粒之间相互通信，进一步挖掘这些传感器集体呈现出的涌现特性。

“在这项研究中，单个微粒之间尚未实现相互通信。许多涌现行为依赖于微粒间的通信。一旦实现这一点，这种基于分布式微粒的系统的非线性扩展就能真正发挥作用，” 刘教授说。

更多信息：马修李;马宁等人，《通过计算能力有限的分布式传感器节点进行时间分辨浓度分析》，《美国化学工程师学会杂志》（2024 年）。DOI：10.1002/aic.18691