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境以及陸地生態系統中普遍存在的環境污染物，雖然已經確定其會對非人類生物體產生不利影響，但對人類健康的影響至今仍不確定。

基于此，挪威科技大學博士候選人安德烈亞·法爾廷科娃（Andrea Faltynkova）研究團隊與阿圖爾·佐利奇（Artur Zolich）共同發明了一種無人水面載具(uncrewed surface vehicle，USV)“Pamela”，這是一個跨科學合作的研究成果，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，相關研究成果在Springer Open 發表。

 

圖 | Pamela（來源：挪威科技大學官網）

源起基金關注到，該團隊提供了一個可以理解人機交互的技術原理的敘述環境，并且系統地回顧和討論了將人機交互應用于微塑料研究的不同方法，包括儀器儀表、數據收集和分析。這項研究成果詳細綜述了近年來紅外高光譜成像技術（HSI）在微塑料分析中的應用。

該團隊的研究結論是，HSI是一種有前途的MP分析技術，但需要適應這種新的應用。Pamela這款比機器人吸塵器稍大一點的機器人，在微塑料采樣方面取得的進展受到業界贊許。

1 Pamela更簡單、更速度

Faltynkova團隊主要研究的項目是采用和開發一種稱為高光譜成像技術，來識別和計數微塑料。此技術興起于20世紀80年代中期，用于從飛機或太空研究地球，現在被廣泛應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。這種新方法強調簡單和速度，Faltynkova所要做的就是用高光譜相機為她的樣本拍照，剩下的工作由她建立的處理圖像計算機模型來完成。NTNU的IDUN計算集群允許她快速處理大量數據，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，就試圖根據他們撿到的塑料數量得出結論，但我們真的不知道這個估計有多準確。”接下來,Faltynkova 將從海洋中收集足夠的樣本，進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成功地應用于大于250 μm的干微塑料分析，與現有的最佳技術(如傅里葉變換紅外、拉曼光譜)相比，較大地縮短了分析時間。源起基金關注到，他們發現的主要挑戰是包括提高空間分辨率以檢測更小的MP，以及開發穩健的數據分析模型。

 

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

2 快速分析可與快速采樣相結合

大多數微塑料采樣需要在船后拖網，速度非常慢，這既昂貴又耗時。

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

Faltynkova表示：“我試圖做的是用高光譜成像實現快速分析，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測塑料污染的整體能力。”

HSI圖像采集有三種常用方法：點掃描、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域。推掃室是一種線掃描技術，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射相同強度的光，因此使用朗伯反射率標準來校正光譜。

 

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。這款機器人的發明者佐利奇曾表示，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，它可以按照預先設定的程序行駛，而不需要研究人員跟蹤或監督它的工作。

 

圖 | Pamela（來源：Springer Open）

Faltynkova和Zolich的這項合作，是由NTNU生物學家Geir Johnsen發起的，并得到了工程控制系Tor Arne Johansen的支持。

3 克服挑戰，以技術創新解決“微塑料”采樣難題

值得一提的是，該研究成員之一，Zolich已經在這個行業有十余年的工作經驗，由于對構建新的發明解決現實難題，他決定重返學術界。而首要解決的問題便是幫Faltynkova進行微塑料采樣。

他認為，Pamela是圍繞現實生活中的用戶需求而設計的，并根據早期采用者的反饋不斷發展，其先進的系統架構盡可能使用經濟實惠的消費級商用現貨 （COTS） 組件，并使用快速原型組件作為定制部件，這種組合使機器人使用方便，易于改進。

 

圖 | Pamela的網可以收集到的東西。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化，比如可以根據研究人員想要的樣本會變得更加專業化。

不僅如此，該工具在其他方面更具優勢，它可以獨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地區的研究人員使用，它適合托運行李，它的電池可以帶上飛機，所以研究人員不必擔心提前運送樣本，這也是該工具在商業化方面的巨大潛在應用場景。

據悉，該機器人的研發已經得到了臺灣科技大學技術轉移辦公室20萬挪威克朗的探索創新基金。在過去的6個月里，Zolich和Faltynkova與TTO的一個團隊合作，調查了USV的市場潛力、知識產權問題、機器人設計和未來的商業戰略。

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

 

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

在第9屆挪威環境毒理學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，這是挪威科技大學和挪威自然研究所的研究人員進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上取樣網的位置，這樣它就可以對鮭虱進行取樣，這個技術正與被動采樣器一起接受測試。

Zolich團隊所研究的這種機器人可以較大降低現場采樣成本，并通過更多的樣本提高研究質量，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構。

源起基金認為，技術突破與迭代將優化產業原有模式以及催生一眾新產業。未來，源起基金將進一步關注該團隊的技術進展。#挪威科技大學##微塑料##新材料#

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