Maiken Mikkelsen vill förändra världen genom att utveckla en liten, billig hyperspektral kamera för att möjliggöra världsomspännande precisionsodlingsmetoder som avsevärt skulle minska vatten, energi, användning av gödningsmedel och bekämpningsmedel samtidigt som avkastningen ökas. Även om det målet låter som en hög uppgift för en enkel kamera, det är en som nu har blivit grönbelyst av ett Moore Inventor Fellowship 2019.

"Moore Inventor Fellowship öppnar en ny forskningsväg för mig, "sa Mikkelsen, James N. och Elizabeth H. Barton docent i el- och datateknik vid Duke University. "Det gör att jag kan utforska nya applikationer för min teknik som kan gynna miljön och mänskligheten på ett djupgående sätt, och jag är tacksam för att Moore Foundation tillåter mig att fortsätta med dem. "

Kamerorna som de flesta tänker på och använder varje dag fångar bara synligt ljus, vilket är en liten bråkdel av det tillgängliga spektrumet. Andra kameror kan specialisera sig på infraröda eller röntgenvåglängder, till exempel, men få kan fånga ljus från olika punkter längs spektrumet. Och de som kan drabbas av ett otal nackdelar, som komplicerade maskiner som kan gå sönder, långsamma funktionshastigheter, bulk som kan göra dem svåra att transportera, handtag för hand eller placera på drönare, och kostnader som sträcker sig från tiotals till hundratusentals dollar.

Mikkelsen, dock, arbetar med ett tillvägagångssätt kan implementeras på ett enda chip, kan ta en multispektral bild på några biljoner tiondelar av en sekund, och produceras och säljs för bara tiotals dollar.

"Det var inte alls uppenbart att vi kunde göra det här, "sa Mikkelsen." Det är faktiskt ganska häpnadsväckande att det inte bara fungerar i preliminära experiment, men vi ser nya fysiska fenomen som vi inte förväntade oss som gör att vi kan påskynda hur snabbt vi kan göra denna upptäckt med många storleksordningar. "

Det fysiska fenomenet bakom Mikkelsens teknik kallas plasmonik - användningen av fysiska fenomen i nanoskala för att fånga vissa ljusfrekvenser.

Mikkelsen och hennes team formar silverbitar bara hundra nanometer breda och placerar dem bara några nanometer ovanför ett tunt lager guld. När inkommande ljus träffar ytan på en nanokub, det väcker silverets elektroner, fånga ljusets energi - men bara vid en viss frekvens.

Storleken på silver -nanokuberna och deras avstånd från baslagret av guld avgör den frekvensen, medan du kontrollerar avståndet mellan nanopartiklarna gör det möjligt att justera absorptionsstyrkan. Genom att exakt anpassa dessa avstånd, forskare kan få systemet att reagera på valfri elektromagnetisk frekvens.

För att utnyttja detta grundläggande fysiska fenomen för en kommersiell kamera, Mikkelsen och hennes kollegor har visat ett slags "superpixel" - en pixel gjord av ett rutnät med nio enskilda detektorer som var och en är inställd på en annan ljusfrekvens. När någon plats på pixelns rutnät fångar dess specifika frekvens, det värms upp, som i sin tur skapar en elektrisk spänning i ett lager av pyroelektriskt material som sitter direkt under det. Denna spänning läses sedan av ett bottenlager av en halvledarkontakt av kisel, som överför signalen till en dator för analys.

"Kommersiella fotodetektorer har gjorts med dessa typer av pyroelektriska material tidigare, men de led alltid av två stora nackdelar - de har inte kunnat fokusera på specifika elektromagnetiska frekvenser och har arbetat med mycket långsamma hastigheter på grund av de tjocka lagren av materialet som behövs för att absorbera tillräckligt med inkommande ljus, "sa Mikkelsen." Men våra plasmoniska detektorer kan ställas in på valfri frekvens och fånga så mycket energi att vi bara behöver ett tunt lager av pyroelektriskt material, vilket påskyndar processen mycket. "

Medan de första proof-of-concept-experimenten kommer att använda ett tre-till-tre-nät som kan upptäcka nio frekvenser, Mikkelsen planerar att skala upp till ett fem-till-fem-nät för totalt 25 frekvenser. Och det är ingen brist på applikationer som är grundade för att dra nytta av en sådan enhet.

Kirurger kan använda hyperspektral avbildning för att berätta skillnaden mellan cancerös och frisk vävnad under operationen. Mat- och vattensäkerhetsinspektörer kan använda det för att berätta när ett kycklingbröst är förorenat med farliga bakterier. Men applikationen som Mikkelsen har siktet inställt på är precisionsjordbruk. Medan växter bara kan se gröna eller bruna ut med blotta ögat, ljuset som reflekteras från deras blad och blommor utanför det visuella spektrumet innehåller ett ymnighetshorn av värdefull information.

"Att få ett" spektralt fingeravtryck "kan exakt identifiera ett material och dess sammansättning, "sa Mikkelsen." Det kan inte bara indikera typen av växt, men det kan också avgöra dess tillstånd, om det behöver vatten, är stressad eller har låg kvävehalt, indikerar ett behov av gödselmedel. Det är verkligen häpnadsväckande hur mycket vi kan lära oss om växter genom att helt enkelt studera en spektral bild av dem. "

Hyperspektral avbildning kan möjliggöra precisionsjordbruk, tillåter gödsel, bekämpningsmedel, herbicider och vatten ska endast appliceras där det behövs. Detta har potential att minska föroreningar samtidigt som du sparar vatten och pengar. Tänk dig en hyperspektral kamera monterad på en helikopter eller drönare som kartlägger ett fälts tillstånd och överför den informationen till en traktor som är utformad för att leverera gödningsmedel eller bekämpningsmedel med varierande hastigheter över fälten.

Det uppskattas att den process som för närvarande används för att producera gödselmedel står för upp till två procent av den globala energiförbrukningen och upp till tre procent av de globala koldioxidutsläppen. På samma gång, forskare uppskattar att 50 till 60 procent av det producerade gödningsmedlet är bortkastat. Redovisar enbart gödningsmedel, precisionsjordbruk har en enorm potential för energibesparingar och minskning av växthusgaser, för att inte tala om de uppskattade besparingarna på 8,5 miljarder dollar varje år, enligt United States Department of Agriculture.

Flera företag driver redan denna typ av projekt. Till exempel, IBM driver ett projekt i Indien med satellitbilder för att bedöma grödor på detta sätt. Detta tillvägagångssätt, dock, är mycket dyrt och begränsande, det är därför Mikkelsen föreställer sig en billig, handhållen detektor som kan avbilda grödor från marken eller från billiga drönare.

"Föreställ dig effekten inte bara i USA, men också i låg- och medelinkomstländer där det ofta råder brist på gödselmedel, bekämpningsmedel och vatten, "sa Mikkelsen." Genom att veta var man ska tillämpa de glesa resurserna, vi kan öka avkastningen avsevärt och hjälpa till att minska svält. "

Lanserades 2016 för att fira femtioårsjubileet av Moores lag, den revolutionära förutsägelsen som förutsåg den exponentiella tillväxten av datorkraft, programmet omfattar andan i Gordon Moores passion för vetenskap och förkärlek för att uppfinna.

Det här året, stiftelsen övervägde mer än 200 finalomgångar, varifrån fem stipendiater valdes ut för att driva innovativa projekt med potential att åstadkomma betydande förändringar. Varje kollega får totalt $ 825, 000 över tre år samt nätverkande och entreprenörsstöd för att driva deras uppfinning framåt.

"Moore Inventor Fellowship erkänner individens kvalitet, liksom kvaliteten på idén, "sade Harvey V. Fineberg, ordförande för Gordon och Betty Moore Foundation. "Det yttersta målet är att omvandla idéerna till uppfinningar som kan förändra världen."