Maiken Mikkelsen veut changer le monde en développant un petit caméra hyperspectrale peu coûteuse pour permettre des pratiques d'agriculture de précision dans le monde entier qui réduiraient considérablement l'eau, énergie, l'utilisation d'engrais et de pesticides tout en augmentant simultanément les rendements. Bien que cet objectif semble être une tâche ardue pour un simple appareil photo, c'est celui qui a maintenant reçu le feu vert d'une bourse d'inventeur Moore 2019.

"La bourse Moore Inventor m'ouvre une nouvelle voie de recherche, " a déclaré Mikkelsen, le James N. et Elizabeth H. Barton professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université Duke. "Cela me permet d'explorer de nouvelles applications pour ma technologie qui pourraient bénéficier profondément à l'environnement et à l'humanité, et je suis reconnaissant que la Fondation Moore me permette de poursuivre ces recherches. »

Les caméras auxquelles la plupart des gens pensent et utilisent tous les jours ne capturent que la lumière visible, qui est une petite fraction du spectre disponible. D'autres caméras peuvent se spécialiser dans les longueurs d'onde infrarouges ou de rayons X, par exemple, mais peu peuvent capturer la lumière à partir de points disparates le long du spectre. Et ceux qui peuvent souffrir d'une myriade d'inconvénients, comme des machines compliquées qui peuvent casser, vitesses fonctionnelles lentes, un encombrement qui peut les rendre difficiles à transporter, manipuler à la main ou placer sur des drones, et des coûts allant de dizaines à des centaines de milliers de dollars.

Mikkelsen, cependant, travaille sur une approche implémentable sur une seule puce, peut prendre une image multispectrale en quelques billions de seconde, et produit et vendu pour seulement des dizaines de dollars.

"Ce n'était pas évident du tout qu'on pouvait faire ça, " a déclaré Mikkelsen. " C'est assez étonnant en fait que non seulement cela fonctionne dans les expériences préliminaires, mais nous voyons de nouveaux phénomènes physiques auxquels nous ne nous attendions pas et qui nous permettront d'accélérer la vitesse à laquelle nous pouvons effectuer cette détection de plusieurs ordres de grandeur."

Le phénomène physique derrière la technologie de Mikkelsen est appelé plasmonique, c'est-à-dire l'utilisation de phénomènes physiques à l'échelle nanométrique pour piéger certaines fréquences de lumière.

Mikkelsen et son équipe fabriquent des cubes d'argent d'une centaine de nanomètres de large et les placent à quelques nanomètres seulement au-dessus d'une fine couche d'or. Lorsque la lumière entrante frappe la surface d'un nanocube, il excite les électrons de l'argent, piégeant l'énergie de la lumière, mais seulement à une certaine fréquence.

La taille des nanocubes d'argent et leur distance de la couche de base d'or détermine cette fréquence, tout en contrôlant l'espacement entre les nanoparticules permet de régler la force de l'absorption. En adaptant précisément ces espacements, les chercheurs peuvent faire en sorte que le système réponde à n'importe quelle fréquence électromagnétique qu'ils souhaitent.

Pour exploiter ce phénomène physique fondamental pour un appareil photo commercial, Mikkelsen et ses collègues ont démontré une sorte de "superpixel" - un pixel composé d'une grille de neuf détecteurs individuels réglés chacun sur une fréquence de lumière différente. Lorsqu'un point sur la grille du pixel capture sa fréquence spécifique, ça chauffe, qui à son tour crée une tension électrique dans une couche de matériau pyroélectrique située directement en dessous. Cette tension est ensuite lue par une couche inférieure d'un contact semi-conducteur en silicium, qui transmet le signal à un ordinateur pour analyse.

"Des photodétecteurs commerciaux ont déjà été fabriqués avec ces types de matériaux pyroélectriques, mais ils ont toujours souffert de deux inconvénients majeurs - ils n'ont pas pu se concentrer sur des fréquences électromagnétiques spécifiques et ont fonctionné à des vitesses très lentes en raison des couches épaisses du matériau nécessaires pour absorber suffisamment de lumière entrante, " a déclaré Mikkelsen. " Mais nos détecteurs plasmoniques peuvent être réglés sur n'importe quelle fréquence et piéger tellement d'énergie que nous n'avons besoin que d'une fine couche de matériau pyroélectrique, ce qui accélère considérablement le processus."

Alors que les premières expériences de preuve de concept utiliseront une grille trois par trois capable de détecter neuf fréquences, Mikkelsen prévoit de passer à une grille de cinq par cinq pour un total de 25 fréquences. Et les applications ne manquent pas pour tirer parti d'un tel appareil.

Les chirurgiens peuvent utiliser l'imagerie hyperspectrale pour faire la différence entre les tissus cancéreux et sains pendant la chirurgie. Les inspecteurs de la salubrité des aliments et de l'eau peuvent l'utiliser pour savoir quand une poitrine de poulet est contaminée par des bactéries dangereuses. Mais l'application sur laquelle Mikkelsen a jeté son dévolu est l'agriculture de précision. Alors que les plantes peuvent seulement sembler vertes ou brunes à l'œil nu, la lumière réfléchie par leurs feuilles et leurs fleurs en dehors du spectre visuel contient une corne d'abondance d'informations précieuses.

"L'obtention d'une 'empreinte spectrale' permet d'identifier précisément un matériau et sa composition, " a déclaré Mikkelsen. " Non seulement il peut indiquer le type de plante, mais il peut aussi déterminer son état, s'il a besoin d'eau, est stressé ou a une faible teneur en azote, indiquant un besoin d'engrais. C'est vraiment étonnant de voir tout ce que nous pouvons apprendre sur les plantes en étudiant simplement une image spectrale d'elles."

L'imagerie hyperspectrale pourrait permettre une agriculture de précision, permettre l'engrais, pesticides, herbicides et eau à n'appliquer qu'en cas de besoin. Cela a le potentiel de réduire la pollution tout en économisant de l'eau et de l'argent. Imaginez une caméra hyperspectrale montée sur un hélicoptère ou un drone cartographiant l'état d'un champ et transmettant cette information à un tracteur conçu pour distribuer des engrais ou des pesticides à des taux variables à travers les champs.

On estime que le processus actuellement utilisé pour produire des engrais représente jusqu'à deux pour cent de la consommation mondiale d'énergie et jusqu'à trois pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone. À la fois, les chercheurs estiment que 50 à 60 pour cent des engrais produits sont gaspillés. Comptabilisation des engrais seuls, l'agriculture de précision recèle un énorme potentiel d'économies d'énergie et de réduction des gaz à effet de serre, sans parler des économies estimées à 8,5 milliards de dollars chaque année, selon le ministère de l'Agriculture des États-Unis.

Plusieurs entreprises poursuivent déjà ce type de projets. Par exemple, IBM pilote un projet en Inde utilisant l'imagerie satellite pour évaluer les cultures de cette manière. Cette approche, cependant, est très coûteux et limitant, c'est pourquoi Mikkelsen envisage une solution bon marché, détecteur portable qui pourrait imager les champs cultivés depuis le sol ou depuis des drones peu coûteux.

« Imaginez l'impact non seulement aux États-Unis, mais aussi dans les pays à revenu faible et intermédiaire où il y a souvent des pénuries d'engrais, pesticides et eau, " a déclaré Mikkelsen. " En sachant où appliquer ces ressources rares, nous pourrions augmenter considérablement le rendement des cultures et aider à réduire la famine. »

Lancé en 2016 pour célébrer le cinquantième anniversaire de la loi de Moore, la prédiction révolutionnaire qui anticipait la croissance exponentielle de la puissance de calcul, le programme embrasse l'esprit de la passion de Gordon Moore pour la science et son penchant pour l'invention.

Cette année, la fondation a examiné plus de 200 candidatures au tour final, parmi lesquels cinq boursiers ont été sélectionnés pour poursuivre des projets innovants ayant le potentiel d'apporter des changements significatifs. Chaque boursier reçoit un total de 825 $, 000 sur trois ans ainsi qu'un réseau et un soutien entrepreneurial pour faire avancer leur invention.

« La bourse de l'inventeur Moore reconnaît la qualité de l'individu, ainsi que la qualité de l'idée, " a déclaré Harvey V. Fineberg, président de la Fondation Gordon et Betty Moore. "Le but ultime est de convertir les idées en inventions qui peuvent changer le monde."