设计用于改善农业生产的高光谱相机

迈肯·米克尔森(Maiken Mikkelsen)希望通过开发一种小型、廉价的高光谱相机来改变世界，使全球范围内的精准农业实践得以实现，这将显著减少水、能源、化肥和农药的使用，同时提高产量。虽然这个目标听起来对一个简单的相机来说是一个艰巨的任务，但它已经被一个2019年摩尔发明家奖学金．

“摩尔发明家奖学金为我开辟了一条新的研究道路，”Mikkelsen说，他是杜克大学电气与计算机工程的James N.和Elizabeth H. Barton副教授。“这使我能够探索我的技术的新应用，从而深刻地造福环境和人类。”

一种新型高光谱成像探测器的艺术渲染。根据它们的大小和间距，位于薄层黄金上的纳米立方体会捕获特定频率的光，这些光会加热下面的材料，从而产生电子信号。提供:Jon Stewart，杜克大学[/caption]

Mikkelsen和她的团队制作了100纳米宽的银块，并将它们放置在一层薄薄的金子上面几纳米的地方。当入射光照射到纳米立方表面时，它会激发银的电子，捕获光的能量——但只是在特定的频率上。

银纳米立方体的大小和它们与金基底层的距离决定了频率，而控制纳米颗粒之间的间距可以调节吸收的强度。通过精确地调整这些间距，研究人员可以使系统对他们想要的任何电磁频率做出反应。

为了将这一基本物理现象应用于商用相机，Mikkelsen和她的同事们展示了一种“超级像素”——一种由9个独立探测器组成的网格组成的像素，每个探测器都调谐到不同的光频率。当像素网格上的任何一个点捕捉到特定的频率时，它就会被加热，这反过来又会在正下方的热释电材料层中产生电压。然后，硅半导体触点的底层读取该电压，并将信号传输到计算机进行分析。

一种新型轻质、廉价的超光谱相机可以实现精准农业。这张图显示了不同的像素是如何被调整到特定的光频率，以表明作物田地的各种需求。提供:杜克大学Maiken Mikkelsen和Jon Stewart [/caption]

据估计，目前用于生产化肥的过程占全球能源消耗的2%，占全球二氧化碳排放的3%。与此同时，研究人员估计，生产的化肥有50%到60%被浪费了。根据美国农业部(United States Department of agriculture)的数据，仅考虑化肥，精准农业在节约能源和减少温室气体方面就具有巨大潜力，更不用说每年节省的约85亿美元了。

有几家公司已经在进行这类项目。例如，IBM正在印度试点一个项目，利用卫星图像以这种方式评估作物。然而，这种方法非常昂贵且有局限性，这就是为什么Mikkelsen设想了一种廉价的手持探测器，可以从地面或廉价的无人机上对农作物进行成像。

Mikkelsen说:“想象一下，这不仅对美国的影响，而且对经常缺乏化肥、农药和水的中低收入国家也有影响。”“通过知道在哪里应用这些稀疏的资源，我们可以显著提高作物产量，并帮助减少饥饿。”

杜克大学

www.duke.edu

-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程离散的传感器和视觉故事．

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