微塑料（MP）指的是直徑小于5 mm 的塑料碎片和顆粒，由于它的形狀多種多樣并且是非均勻塑料顆粒混合體，人們往往難以通過肉眼將其分辨，所以微塑料被形象地稱為“海中的PM2.5”。

微塑料作為海洋和淡水環(huán)境以及陸地生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的環(huán)境污染物，雖然已經(jīng)確定其會對非人類生物體產(chǎn)生不利影響，但對人類健康的影響至今仍不確定。

基于此，挪威科技大學(xué)博士候選人安德烈亞·法爾廷科娃（Andrea Faltynkova）研究團(tuán)隊與阿圖爾·佐利奇（Artur Zolich）共同發(fā)明了一種無人水面載具(uncrewed surface vehicle，USV)“Pamela”，這是一個跨科學(xué)合作的研究成果，這種無人水面載具可用于采樣各種地表水顆粒，甚至從微塑料、浮游生物到鮭虱，相關(guān)研究成果在Springer Open 發(fā)表。

 

圖 | Pamela（來源：挪威科技大學(xué)官網(wǎng)）

源起基金關(guān)注到，該團(tuán)隊提供了一個可以理解人機(jī)交互的技術(shù)原理的敘述環(huán)境，并且系統(tǒng)地回顧和討論了將人機(jī)交互應(yīng)用于微塑料研究的不同方法，包括儀器儀表、數(shù)據(jù)收集和分析。這項研究成果詳細(xì)綜述了近年來紅外高光譜成像技術(shù)（HSI）在微塑料分析中的應(yīng)用。

該團(tuán)隊的研究結(jié)論是，HSI是一種有前途的MP分析技術(shù)，但需要適應(yīng)這種新的應(yīng)用。Pamela這款比機(jī)器人吸塵器稍大一點(diǎn)的機(jī)器人，在微塑料采樣方面取得的進(jìn)展受到業(yè)界贊許。

1 Pamela更簡單、更速度

Faltynkova團(tuán)隊主要研究的項目是采用和開發(fā)一種稱為高光譜成像技術(shù)，來識別和計數(shù)微塑料。此技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代中期，用于從飛機(jī)或太空研究地球，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于研究水下沉船到識別不同人體組織類型的方方面面。

這種類型的成像還可以被回收行業(yè)用于分離塑料，使其成為研究微塑料的完美工具。這種新方法強(qiáng)調(diào)簡單和速度，F(xiàn)altynkova所要做的就是用高光譜相機(jī)為她的樣本拍照，剩下的工作由她建立的處理圖像計算機(jī)模型來完成。NTNU的IDUN計算集群允許她快速處理大量數(shù)據(jù)，以確定樣本中收集了什么類型的塑料。

Faltynkova 表示：“如果從海里取一升水，看到里面沒有塑料，能否直接得出海里沒有塑料?人們開一艘船去海里取幾次樣，就試圖根據(jù)他們撿到的塑料數(shù)量得出結(jié)論，但我們真的不知道這個估計有多準(zhǔn)確。”接下來,Faltynkova 將從海洋中收集足夠的樣本，進(jìn)一步證明她所研究的成果是有意義的。

紅外高光譜成像技術(shù)成功地應(yīng)用于大于250 μm的干微塑料分析，與現(xiàn)有的最佳技術(shù)(如傅里葉變換紅外、拉曼光譜)相比，較大地縮短了分析時間。源起基金關(guān)注到，他們發(fā)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)是包括提高空間分辨率以檢測更小的MP，以及開發(fā)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)分析模型。

 

圖 | 基于假圖像表示的高光譜數(shù)據(jù)的像素分類（來源：Springer Open）

2 快速分析可與快速采樣相結(jié)合

大多數(shù)微塑料采樣需要在船后拖網(wǎng)，速度非常慢，這既昂貴又耗時。

Faltynkova使用高光譜相機(jī)快速有效地從她的樣品中對不同類型的塑料進(jìn)行了分類，這意味著她可以研究很多樣品。Faltynkova這種低成本和獨(dú)立研究的能力，意味著她可以使用紅外高光譜成像技術(shù)快速收集多個樣本。

Faltynkova表示：“我試圖做的是用高光譜成像實(shí)現(xiàn)快速分析，配合一種允許快速采樣的方法。這些都將真正提高我們有效繪制和監(jiān)測塑料污染的整體能力。”

HSI圖像采集有三種常用方法：點(diǎn)掃描、線陣掃描或面陣掃描。在這三種方法中，線掃描或“推掃”方法/傳感器已成為HSI許多應(yīng)用的首選方法，例如遙感。推掃掃描使用被成像物體或成像器的移動來覆蓋給定區(qū)域。推掃室是一種線掃描技術(shù)，每次測量在空間維度上收集一條“線”（即狹縫圖像）。光源位于樣品上方，指向下方。由于光源在每個波長上不發(fā)射相同強(qiáng)度的光，因此使用朗伯反射率標(biāo)準(zhǔn)來校正光譜。

 

圖 | 如何使用 HSI 分析 MP 的示意圖（來源：Springer Open）

“Pamela”號是一艘無人水上載具，得名于她的兩艘亮橙色“海灘游俠”彩車，因電影明星帕梅拉·安德森而出名。這款機(jī)器人的發(fā)明者佐利奇曾表示，Pamela”被兩個橙色的大花車所漂浮，就像熱門電視劇《海灘游俠》中的花車一樣，它可以按照預(yù)先設(shè)定的程序行駛，而不需要研究人員跟蹤或監(jiān)督它的工作。

 

圖 | Pamela（來源：Springer Open）

Faltynkova和Zolich的這項合作，是由NTNU生物學(xué)家Geir Johnsen發(fā)起的，并得到了工程控制系Tor Arne Johansen的支持。

3 克服挑戰(zhàn)，以技術(shù)創(chuàng)新解決“微塑料”采樣難題

值得一提的是，該研究成員之一，Zolich已經(jīng)在這個行業(yè)有十余年的工作經(jīng)驗，由于對構(gòu)建新的發(fā)明解決現(xiàn)實(shí)難題，他決定重返學(xué)術(shù)界。而首要解決的問題便是幫Faltynkova進(jìn)行微塑料采樣。

他認(rèn)為，Pamela是圍繞現(xiàn)實(shí)生活中的用戶需求而設(shè)計的，并根據(jù)早期采用者的反饋不斷發(fā)展，其先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)盡可能使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的消費(fèi)級商用現(xiàn)貨 （COTS） 組件，并使用快速原型組件作為定制部件，這種組合使機(jī)器人使用方便，易于改進(jìn)。

 

圖 | Pamela的網(wǎng)可以收集到的東西。生物材料可以被沖走，留下微塑料，然后可以使用高光譜相機(jī)拍攝（來源：Andrea Faltkynova/NTNU）

這款工具非常模塊化，它可以在許多方面專業(yè)化，比如可以根據(jù)研究人員想要的樣本會變得更加專業(yè)化。

不僅如此，該工具在其他方面更具優(yōu)勢，它可以獨(dú)立于船只或海岸操作，這意味著沒有船只尾流影響其收集水樣的能力。Pamela可以很容易地被前往偏遠(yuǎn)地區(qū)的研究人員使用，它適合托運(yùn)行李，它的電池可以帶上飛機(jī)，所以研究人員不必?fù)?dān)心提前運(yùn)送樣本，這也是該工具在商業(yè)化方面的巨大潛在應(yīng)用場景。

據(jù)悉，該機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)得到了臺灣科技大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移辦公室20萬挪威克朗的探索創(chuàng)新基金。在過去的6個月里，Zolich和Faltynkova與TTO的一個團(tuán)隊合作，調(diào)查了USV的市場潛力、知識產(chǎn)權(quán)問題、機(jī)器人設(shè)計和未來的商業(yè)戰(zhàn)略。

值得關(guān)注的是，當(dāng) Faltkynova的海洋生物學(xué)同事看到Pamela時，他們立即開始了解，是否可以將它用于他們的工作。她用機(jī)器人拖曳一種被稱之為浮游生物網(wǎng)的科學(xué)研究生物網(wǎng)，來收集地表水的微塑料樣本。

 

圖 | 光學(xué)分析方法的檢測限。紫色條表示在其他側(cè)重于 MP 分析的評論中報告的各種分析方法的范圍,黃點(diǎn)表示本綜述納入的研究的作者報告的LOD（來源：Springer Open）

在第9屆挪威環(huán)境毒理學(xué)研討會及在希臘雅典為微塑料研究人員舉辦的研討會上，這款機(jī)器人正式展示給更多的觀眾。

目前，Pamela正在接受鮭虱樣本測試，這是挪威科技大學(xué)和挪威自然研究所的研究人員進(jìn)行的一項更大的研究，包括本用于觀察鮭魚虱幼蟲的濃度被動采樣器件。Zolich改變了Pamela上取樣網(wǎng)的位置，這樣它就可以對鮭虱進(jìn)行取樣，這個技術(shù)正與被動采樣器一起接受測試。

Zolich團(tuán)隊所研究的這種機(jī)器人可以較大降低現(xiàn)場采樣成本，并通過更多的樣本提高研究質(zhì)量，他們非常愿意做市場拓展，并積極尋找愿意嘗試他們研究成果的研究人員和機(jī)構(gòu)。

源起基金認(rèn)為，技術(shù)突破與迭代將優(yōu)化產(chǎn)業(yè)原有模式以及催生一眾新產(chǎn)業(yè)。未來，源起基金將進(jìn)一步關(guān)注該團(tuán)隊的技術(shù)進(jìn)展。#挪威科技大學(xué)##微塑料##新材料#

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