TU/e spin-off Mantispectra (hub Alpha): Meer zien met onzichtbaar licht

Spectrometers verzamelen licht, breken het uit elkaar en hale er waardevolle informatie uit. Hier kan "licht" het zichtbare licht zijn dat onze ogen detecteren of onzichtbare elektromagnetische golven zoals infraroodstraling, die wordt gebruikt in optische communicatie en ook wordt geproduceerd door chemische reacties in gewassen en in sterren zoals onze zon.

TU/e-onderzoekers Maurangelo Petruzzella, Francesco Pagliano en Andrea Fiore weten het een en ander over licht verzamelen en analyseren met spectrometers. In 2017 waren ze co-auteur van een Nature Communications-paper dat een manier voorstelde om een ​​microspectrometer te bouwen die in een smartphone zou passen, onderzoek dat de aandacht trok van de Volkskrant.

"De respons op het microspectrometerwerk was buitengewoon", herinnert Andrea Fiore zich, hoogleraar bij de faculteit Technische Natuurkunde. "Dat het in de Volkskrant te zien was, was op zijn zachtst gezegd een grote rechtvaardiging voor ons werk!"

Petruzzella - voorheen onderzoeker bij de afdeling Technische Natuurkunde en nu CEO van MantiSpectra - heeft ook goede herinneringen aan die paper: “We zagen het potentieel, en het bredere publiek zag het potentieel. Maar we wisten dat we de technologische aanpak moesten veranderen om echt geschikt te zijn voor alledaagse toepassingen. We hadden iets nodig dat veel eenvoudiger en robuuster was. "

En zo begon de reis naar het TU/e-spin-offbedrijf MantiSpectra.

Bron: MantiSpectra.

VANUIT EEN POSTDOCTORAAL BEGIN

Na het behalen van zijn doctoraat cum laude in 2017, begaf Petruzzella zich in de wereld van postdoctoraal onderzoek met een focus op het ontwerp en de fabricage van spectrale sensoren om licht uit verschillende bronnen te analyseren.

"Wat we nu met MantiSpectra hebben, komt van de inspanningen van ons onderzoeksteam tijdens mijn postdoctorale inspanningen", zegt Petruzzella.

Maar hoewel MantiSpectra is geëvolueerd uit fundamenteel onderzoek, heeft het nog even geduurd voordat het onderzoek leidde tot technologieën die in de samenleving zouden kunnen worden gebruikt. "Het was niet alsof we de bedrijfsnaam hadden uitgezocht voordat we begonnen", legt Petruzzella uit. "Het is een organisch proces geweest en MantiSpectra is een organisch resultaat geweest."

MantiSpectra probeert technologieën vooruit te helpen op het gebied van geminiaturiseerde en draagbare spectroscopie, in het bijzonder door een spectrale detectiechip te ontwikkelen die is geïnspireerd op onderzoek van de groep van Fiore. "Het is interessant als ik terugdenk aan het begin. We hadden deze nieuwe technologie, maar we hadden geen specifieke toepassing in gedachten ”, merkt Fiore op. "Toen we de mogelijke toepassingen in de agrifood- en farmaceutische industrie beter gingen begrijpen, werd het duidelijk wat er echt nodig was om een ​​eenvoudige maar nuttige sensor te maken."

WAT ZIT ER IN EEN NAAM?

Dus waar komt de naam MantiSpectra vandaan? Nou, er is een interessant dierenrijk verband met het veld van spectrale detectie, zoals Maurangelo Petruzzella uitlegt.

“Het netvlies van het menselijk oog herbergt fotoreceptorcellen die licht detecteren. Er zijn twee soorten: staafjes voor weinig licht en kegels voor helder licht. We hebben drie verschillende kegelcellen, elk gevoelig voor verschillende golflengten van licht - rood, groen en blauw. Maar de bidsprinkhaankreeft overtreft gemakkelijk het menselijk oog, aangezien zijn ogen wel zestien verschillende fotoreceptorcellen kunnen hebben, die allemaal gevoelig zijn voor een andere golflengte van licht tussen ultraviolet en infrarood. "

Het is de replicatie van deze ‘supervisie’ van de Mantis-garnaal die de basis vormt van de technologieën van MantiSpectra, vandaar de naam die het wezen in de zee eert. "Het is duidelijk dat we niet proberen het oog van de bidsprinkhaankreeft na te bootsen, maar onze sensoren gebruiken een soortgelijk principe om verschillende delen van het spectrum te meten met verschillende receptoren", zegt Petruzzella.

Bron: MantiSpectra.

ORGANISCHE TOEPASSINGEN

MantiSpectra zijn specifiek geïnteresseerd in het golflengtebereik in het nabij-infrarode (IR) deel van het elektromagnetische spectrum, tussen 900 en 1.700 nm. “Dit golflengtebereik is van bijzonder belang voor spectrale detectietoepassingen met organische materialen. Dit golflengtebereik wordt geassocieerd met absorptiebanden in chemische bindingen zoals O-H (zuurstof-waterstof), C-H (koolstof-waterstof) en NH (stikstof-waterstof), ”zegt Petruzzella.

"Het zichtbare spectrum geeft enige informatie, maar meten op nabij-infrarode golflengten geeft veel meer informatie voor veel belangrijke problemen, en dit kan worden gebruikt om organische en anorganische stoffen in de agrifood en gezondheidszorg beter te karakteriseren", voegt Fiore toe.

MantiSpectra's benadering van het oog van de Mantis-garnaal is een chip, ongeveer 1 millimeter bij 1 millimeter, die de thuisbasis is van zestien elektronische fotoreceptoren of pixels, elk gevoelig voor een ander golflengtebereik in het nabij-IR. Ondanks zijn kleine formaat openen de sensoren van de chip een wereld aan mogelijkheden, vooral als het gaat om het monitoren van de versheid van fruit en groenten voordat ze worden geoogst.

Bron: MantiSpectra.

WANNEER IS DE JUISTE TIJD OM TE OOGSTEN?

“Het kan moeilijk zijn voor boeren om de beste tijd te vinden om groenten en fruit te oogsten. Ze kunnen rekenen op jarenlange ervaring en gaan met instinct, maar er kan iets mis gaan. Als ze te vroeg worden geplukt, hebben de producten mogelijk niet hun maximale smaak, als ze te laat worden geplukt, kunnen de producten bederven. Onze sensor kan boeren in de toekomst echt helpen ”, zegt Petruzzella.

Soms zien fruit of groenten er misschien niet uit alsof ze klaar zijn om geoogst te worden, maar een weggeefindicator van hun rijpheid is te vinden bij bijna-IR-golflengten. "Onze ogen kunnen deze golflengten misschien niet zien, maar ze kunnen worden gemeten met onze pixelsensor", zegt Fiore.

Het zijn deze verborgen gegevens die de chip van MantiSpectra exploiteert, maar voordat het systeem een ​​goede aanbeveling kan geven over wanneer het een goed moment is om te oogsten, moet het systeem worden getraind met behulp van machine learning-benaderingen.

“Voordat de chip in velden wordt gebruikt, moet hij worden gekalibreerd. De gegevens die door de chip worden verzameld, worden geanalyseerd met een algoritme, maar dit algoritme moet worden getraind, en dat is waar machine learning een rol speelt '', legt Petruzzella uit. “We gebruiken een trainingsdataset die voortkomt uit een interessante oogst. Verschillende producten, of in sommige gevallen verschillende varianten van een product, hebben mogelijk een aparte training nodig - dit is wat we testen voor de verschillende toepassingsgevallen ”. Dezelfde aanpak kan worden gebruikt om het sensorsysteem te trainen om verschillende soorten kunststoffen of weefsels te classificeren, die grote potentiële toepassingen voor recycling hebben.

SPANNENDE AVONTUREN DIE KOMEN

Het behoeft geen betoog dat er spannende tijden in het verschiet liggen voor MantiSpectra, en 2021 belooft een avontuur te worden voor de startup, opgericht in oktober door Petruzzella, Fiore, hun collega Francesco Pagliano en TU/e Holding. Het begon fantastisch in 2021 toen MantiSpectra met naam werd genoemd in een van de eerste persberichten van het jaar van de Nederlandse overheid.

Daarnaast heeft MantiSpectra veel steun gekregen van PhotonDelta, maar ook van Innovation Industries, NWO en de Metropoolregio Eindhoven. En het MantiSpectra-team groeit, met verschillende toevoegingen aan het MantiSpectra-team.

"We staan ​​nog maar aan het begin, maar we weten dat er zoveel potentieel is voor deze technologie, of het nu gaat om het monitoren van gewassen, het classificeren van materialen voor recycling of het controleren van de chemische samenstelling van medicijnen. De toekomst belooft spannend te worden ”, zegt Petruzzella.

Andrea Fiore weerspiegelt ook het enthousiasme van Maurangelo Petruzzella: “In de vroege fasen van de technologie waren we op zoek naar een applicatie. Nu hebben we keuze te over, het is moeilijk om niet enthousiast te zijn. "

MantiSpectra werd geboren vanaf het eerste onderzoek aan de TU/e en lijkt een sleutelrol te gaan spelen in het gebruik van spectrale detectietechnologieën in ons dagelijks leven. Ze staan ​​nog maar aan het begin, maar de supervisie-technologieën van MantiSpectra zullen ons helpen dingen te zien die we anders helemaal zouden missen. De superkracht van near-IR vision is gearriveerd!

Lees meer over MantiSpectra in een artikel van Bits & Chips uit december 2020.