Maiken Mikkelsen quiere cambiar el mundo desarrollando un pequeño, Cámara hiperespectral económica para permitir prácticas agrícolas de precisión en todo el mundo que reducirían significativamente el agua. energía, uso de fertilizantes y pesticidas al mismo tiempo que aumentan los rendimientos. Si bien ese objetivo parece una tarea difícil para una cámara simple, es uno que ahora ha sido aprobado por una beca Moore Inventor Fellowship 2019.

"La beca Moore Inventor Fellowship me está abriendo una nueva vía de investigación, "dijo Mikkelsen, el Profesor Asociado James N. y Elizabeth H. Barton de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Duke. "Me está permitiendo explorar nuevas aplicaciones para mi tecnología que podrían beneficiar al medio ambiente y a la humanidad de una manera profunda, y estoy agradecido de que la Fundación Moore me permita perseguirlos ".

Las cámaras en las que la mayoría de la gente piensa y usa todos los días solo capturan la luz visible, que es una pequeña fracción del espectro disponible. Otras cámaras pueden especializarse en longitudes de onda infrarrojas o de rayos X, por ejemplo, pero pocos pueden capturar la luz de puntos dispares a lo largo del espectro. Y aquellos que pueden sufrir una gran cantidad de inconvenientes, como maquinaria complicada que puede romperse, velocidades funcionales lentas, voluminosos que pueden dificultar su transporte, manejar a mano o colocar en drones, y costos que oscilan entre decenas y cientos de miles de dólares.

Mikkelsen, sin embargo, está trabajando en un enfoque que se puede implementar en un solo chip, puede tomar una imagen multiespectral en unas billonésimas de segundo, y producido y vendido por solo decenas de dólares.

"No era nada obvio que pudiéramos hacer esto, ", dijo Mikkelsen." Es bastante sorprendente en realidad que esto no solo funcione en experimentos preliminares, pero estamos viendo nuevos fenómenos físicos que no esperábamos que nos permitan acelerar la rapidez con la que podemos hacer esta detección en muchos órdenes de magnitud ".

El fenómeno físico detrás de la tecnología de Mikkelsen se llama plasmónicos:el uso de fenómenos físicos a nanoescala para atrapar ciertas frecuencias de luz.

Mikkelsen y su equipo crean cubos de plata de solo cien nanómetros de ancho y los colocan solo unos pocos nanómetros por encima de una fina capa de oro. Cuando la luz entrante incide en la superficie de un nanocubo, excita los electrones de la plata, atrapando la energía de la luz, pero solo a una cierta frecuencia.

El tamaño de los nanocubos de plata y su distancia desde la capa base de oro determina esa frecuencia, mientras que controlar el espacio entre las nanopartículas permite ajustar la fuerza de la absorción. Al adaptar con precisión estos espacios, los investigadores pueden hacer que el sistema responda a cualquier frecuencia electromagnética que deseen.

Para aprovechar este fenómeno físico fundamental para una cámara comercial, Mikkelsen y sus colegas han demostrado una especie de "superpíxel", un píxel hecho a partir de una cuadrícula de nueve detectores individuales, cada uno sintonizado con una frecuencia de luz diferente. Cuando cualquier punto de la cuadrícula del píxel captura su frecuencia específica, se calienta lo que a su vez crea un voltaje eléctrico en una capa de material piroeléctrico que se encuentra directamente debajo de ella. Ese voltaje luego es leído por una capa inferior de un contacto semiconductor de silicio, que transmite la señal a una computadora para analizar.

"Los fotodetectores comerciales se han fabricado con este tipo de materiales piroeléctricos antes, pero siempre sufrieron dos inconvenientes importantes:no han podido enfocarse en frecuencias electromagnéticas específicas y han operado a velocidades muy lentas debido a las capas gruesas del material necesario para absorber suficiente luz entrante, "dijo Mikkelsen." Pero nuestros detectores plasmónicos se pueden sintonizar a cualquier frecuencia y atrapar tanta energía que solo necesitamos una capa delgada de material piroeléctrico, lo que acelera enormemente el proceso ".

Si bien los primeros experimentos de prueba de concepto utilizarán una cuadrícula de tres por tres capaz de detectar nueve frecuencias, Mikkelsen planea escalar hasta una cuadrícula de cinco por cinco para un total de 25 frecuencias. Y no hay escasez de aplicaciones preparadas para aprovechar tal dispositivo.

Los cirujanos pueden usar imágenes hiperespectrales para diferenciar entre tejido canceroso y tejido sano durante la cirugía. Los inspectores de seguridad de alimentos y agua pueden usarlo para saber cuándo una pechuga de pollo está contaminada con bacterias peligrosas. Pero la aplicación en la que Mikkelsen se ha fijado es la agricultura de precisión. Si bien las plantas solo pueden verse verdes o marrones a simple vista, la luz reflejada por sus hojas y flores fuera del espectro visual contiene una gran cantidad de información valiosa.

"Obtener una 'huella digital espectral' puede identificar con precisión un material y su composición, "dijo Mikkelsen." No solo puede indicar el tipo de planta, pero también puede determinar su condición, si necesita agua, está estresado o tiene un bajo contenido de nitrógeno, indicando una necesidad de fertilizante. Es realmente asombroso cuánto podemos aprender sobre las plantas simplemente estudiando una imagen espectral de ellas ".

Las imágenes hiperespectrales podrían permitir la agricultura de precisión, permitiendo fertilizante, pesticidas, herbicidas y agua para aplicar solo donde sea necesario. Esto tiene el potencial de reducir la contaminación al mismo tiempo que se ahorra agua y dinero. Imagine una cámara hiperespectral montada en un helicóptero o un dron mapeando el estado de un campo y transmitiendo esa información a un tractor diseñado para distribuir fertilizantes o pesticidas a tasas variables en los campos.

Se estima que el proceso que se utiliza actualmente para producir fertilizantes representa hasta el dos por ciento del consumo mundial de energía y hasta el tres por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, los investigadores estiman que se desperdicia entre el 50 y el 60 por ciento del fertilizante producido. Contabilizando solo los fertilizantes, La agricultura de precisión tiene un enorme potencial para el ahorro de energía y la reducción de gases de efecto invernadero. sin mencionar los ahorros estimados en $ 8.5 mil millones cada año, según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

Varias empresas ya están llevando a cabo este tipo de proyectos. Por ejemplo, IBM está poniendo a prueba un proyecto en la India utilizando imágenes de satélite para evaluar los cultivos de esta manera. Este enfoque, sin embargo, es muy caro y limitante, por eso Mikkelsen imagina un detector de mano que puede obtener imágenes de los campos de cultivo desde el suelo o desde drones económicos.

"Imagínese el impacto no solo en los Estados Unidos, pero también en países de ingresos bajos y medianos donde a menudo hay escasez de fertilizantes, pesticidas y agua, ", dijo Mikkelsen." Al saber dónde aplicar esos escasos recursos, podríamos aumentar el rendimiento de los cultivos de manera significativa y ayudar a reducir el hambre ".

Lanzado en 2016 para celebrar el quincuagésimo aniversario de la Ley de Moore, la revolucionaria predicción que anticipó el crecimiento exponencial de la potencia informática, el programa abraza el espíritu de la pasión de Gordon Moore por la ciencia y su inclinación por la invención.

Este año, la fundación consideró más de 200 nominaciones de la ronda final, de los cuales se seleccionaron cinco becarios para llevar a cabo proyectos innovadores con el potencial de generar cambios significativos. Cada becario recibe un total de $ 825, 000 durante tres años, así como la creación de redes y el apoyo empresarial para impulsar su invención.

"La beca Moore Inventor Fellowship reconoce la calidad del individuo, así como la calidad de la idea, "dijo Harvey V. Fineberg, presidente de la Fundación Gordon y Betty Moore. "El objetivo final es convertir las ideas en inventos que puedan cambiar el mundo".