微塑料（MP）指的是直径小于5 mm 的塑料碎片和颗粒，由于它的形状多种多样并且是非均匀塑料颗粒混合体，人们往往难以通过肉眼将其分辨，所以微塑料被形象地称为“海中的PM2.5”。

微塑料作为海洋和淡水环境以及陆地生态系统中普遍存在的环境污染物，虽然已经确定其会对非人类生物体产生不利影响，但对人类健康的影响至今仍不确定。

基于此，挪威科技大学博士候选人安德烈亚·法尔廷科娃（Andrea Faltynkova）研究团队与阿图尔·佐利奇（Artur Zolich）共同发明了一种无人水面载具(uncrewed surface vehicle，USV)“Pamela”，这是一个跨科学合作的研究成果，这种无人水面载具可用于采样各种地表水颗粒，甚至从微塑料、浮游生物到鲑虱，相关研究成果在Springer Open 发表。

 

图 | Pamela（来源：挪威科技大学官网）

源起基金关注到，该团队提供了一个可以理解人机交互的技术原理的叙述环境，并且系统地回顾和讨论了将人机交互应用于微塑料研究的不同方法，包括仪器仪表、数据收集和分析。这项研究成果详细综述了近年来红外高光谱成像技术（HSI）在微塑料分析中的应用。

该团队的研究结论是，HSI是一种有前途的MP分析技术，但需要适应这种新的应用。Pamela这款比机器人吸尘器稍大一点的机器人，在微塑料采样方面取得的进展受到业界赞许。

1 Pamela更简单、更速度

Faltynkova团队主要研究的项目是采用和开发一种称为高光谱成像技术，来识别和计数微塑料。此技术兴起于20世纪80年代中期，用于从飞机或太空研究地球，现在被广泛应用于研究水下沉船到识别不同人体组织类型的方方面面。

这种类型的成像还可以被回收行业用于分离塑料，使其成为研究微塑料的完美工具。这种新方法强调简单和速度，Faltynkova所要做的就是用高光谱相机为她的样本拍照，剩下的工作由她建立的处理图像计算机模型来完成。NTNU的IDUN计算集群允许她快速处理大量数据，以确定样本中收集了什么类型的塑料。

Faltynkova 表示：“如果从海里取一升水，看到里面没有塑料，能否直接得出海里没有塑料?人们开一艘船去海里取几次样，就试图根据他们捡到的塑料数量得出结论，但我们真的不知道这个估计有多准确。”接下来,Faltynkova 将从海洋中收集足够的样本，进一步证明她所研究的成果是有意义的。

红外高光谱成像技术成功地应用于大于250 μm的干微塑料分析，与现有的最佳技术(如傅里叶变换红外、拉曼光谱)相比，较大地缩短了分析时间。源起基金关注到，他们发现的主要挑战是包括提高空间分辨率以检测更小的MP，以及开发稳健的数据分析模型。

 

图 | 基于假图像表示的高光谱数据的像素分类（来源：Springer Open）

2 快速分析可与快速采样相结合

大多数微塑料采样需要在船后拖网，速度非常慢，这既昂贵又耗时。

Faltynkova使用高光谱相机快速有效地从她的样品中对不同类型的塑料进行了分类，这意味着她可以研究很多样品。Faltynkova这种低成本和独立研究的能力，意味着她可以使用红外高光谱成像技术快速收集多个样本。

Faltynkova表示：“我试图做的是用高光谱成像实现快速分析，配合一种允许快速采样的方法。这些都将真正提高我们有效绘制和监测塑料污染的整体能力。”

HSI图像采集有三种常用方法：点扫描、线阵扫描或面阵扫描。在这三种方法中，线扫描或“推扫”方法/传感器已成为HSI许多应用的首选方法，例如遥感。推扫扫描使用被成像物体或成像器的移动来覆盖给定区域。推扫室是一种线扫描技术，每次测量在空间维度上收集一条“线”（即狭缝图像）。光源位于样品上方，指向下方。由于光源在每个波长上不发射相同强度的光，因此使用朗伯反射率标准来校正光谱。

 

图 | 如何使用 HSI 分析 MP 的示意图（来源：Springer Open）

“Pamela”号是一艘无人水上载具，得名于她的两艘亮橙色“海滩游侠”彩车，因电影明星帕梅拉·安德森而出名。这款机器人的发明者佐利奇曾表示，Pamela”被两个橙色的大花车所漂浮，就像热门电视剧《海滩游侠》中的花车一样，它可以按照预先设定的程序行驶，而不需要研究人员跟踪或监督它的工作。

 

图 | Pamela（来源：Springer Open）

Faltynkova和Zolich的这项合作，是由NTNU生物学家Geir Johnsen发起的，并得到了工程控制系Tor Arne Johansen的支持。

3 克服挑战，以技术创新解决“微塑料”采样难题

值得一提的是，该研究成员之一，Zolich已经在这个行业有十余年的工作经验，由于对构建新的发明解决现实难题，他决定重返学术界。而首要解决的问题便是帮Faltynkova进行微塑料采样。

他认为，Pamela是围绕现实生活中的用户需求而设计的，并根据早期采用者的反馈不断发展，其先进的系统架构尽可能使用经济实惠的消费级商用现货 （COTS） 组件，并使用快速原型组件作为定制部件，这种组合使机器人使用方便，易于改进。

 

图 | Pamela的网可以收集到的东西。生物材料可以被冲走，留下微塑料，然后可以使用高光谱相机拍摄（来源：Andrea Faltkynova/NTNU）

这款工具非常模块化，它可以在许多方面专业化，比如可以根据研究人员想要的样本会变得更加专业化。

不仅如此，该工具在其他方面更具优势，它可以独立于船只或海岸操作，这意味着没有船只尾流影响其收集水样的能力。Pamela可以很容易地被前往偏远地区的研究人员使用，它适合托运行李，它的电池可以带上飞机，所以研究人员不必担心提前运送样本，这也是该工具在商业化方面的巨大潜在应用场景。

据悉，该机器人的研发已经得到了台湾科技大学技术转移办公室20万挪威克朗的探索创新基金。在过去的6个月里，Zolich和Faltynkova与TTO的一个团队合作，调查了USV的市场潜力、知识产权问题、机器人设计和未来的商业战略。

值得关注的是，当 Faltkynova的海洋生物学同事看到Pamela时，他们立即开始了解，是否可以将它用于他们的工作。她用机器人拖曳一种被称之为浮游生物网的科学研究生物网，来收集地表水的微塑料样本。

 

图 | 光学分析方法的检测限。紫色条表示在其他侧重于 MP 分析的评论中报告的各种分析方法的范围,黄点表示本综述纳入的研究的作者报告的LOD（来源：Springer Open）

在第9届挪威环境毒理学研讨会及在希腊雅典为微塑料研究人员举办的研讨会上，这款机器人正式展示给更多的观众。

目前，Pamela正在接受鲑虱样本测试，这是挪威科技大学和挪威自然研究所的研究人员进行的一项更大的研究，包括本用于观察鲑鱼虱幼虫的浓度被动采样器件。Zolich改变了Pamela上取样网的位置，这样它就可以对鲑虱进行取样，这个技术正与被动采样器一起接受测试。

Zolich团队所研究的这种机器人可以较大降低现场采样成本，并通过更多的样本提高研究质量，他们非常愿意做市场拓展，并积极寻找愿意尝试他们研究成果的研究人员和机构。

源起基金认为，技术突破与迭代将优化产业原有模式以及催生一众新产业。未来，源起基金将进一步关注该团队的技术进展。#挪威科技大学##微塑料##新材料#

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