MantiSpectra: meer zien met onzichtbaar licht

Spectrometers verzamelen licht, breken het uit elkaar en destilleren er waardevolle informatie uit. ‘Licht’ kan hier het zichtbare licht betekenen dat onze ogen waarnemen, maar ook onzichtbare elektromagnetische golven zoals infraroodstraling. Infraroodstraling wordt gebruikt in optische communicatie en wordt ook 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 het verzamelen van licht en het analyseren ervan met spectrometers. In 2017 waren ze coauteurs van een Nature Communications-paper waarin een manier werd voorgesteld om een microspectrometer te bouwen die in een smartphone zou passen. Dit onderzoek trok de aandacht van de Volkskrant.

"De reacties op het werk van de microspectrometer waren buitengewoon", herinnert Andrea Fiore, hoogleraar bij de faculteit Technische Natuurkunde, zich. "Dat het in de Volkskrant stond, 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 dat artikel: "Wij zagen het potentieel, en het bredere publiek zag het potentieel. Maar we wisten dat we de technologische aanpak moesten veranderen om het echt geschikt te maken voor alledaagse toepassingen. We hadden iets nodig dat veel eenvoudiger en robuuster was."

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

Een postdoctoraal begin

Nadat hij in 2017 cum laude promoveerde, stapte Petruzzella over naar de wereld van postdoctoraal onderzoek met een focus op het ontwerp en de fabricage van spectrale sensoren om licht van verschillende bronnen te analyseren.

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

Maar hoewel MantiSpectra is voortgekomen uit fundamenteel onderzoek, duurde het nog wel even voordat het onderzoek leidde tot technologieën die in de maatschappij konden worden gebruikt. "Het was niet zo dat 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 streeft naar technologische vooruitgang op het gebied van geminiaturiseerde en draagbare spectroscopie, met name door de ontwikkeling van een spectrale detectiechip die is geïnspireerd op onderzoek van Fiore's groep. "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 potentiële toepassingen in de agrovoedingsindustrie en de farmaceutische industrie beter begonnen te begrijpen, werd duidelijk wat er echt nodig was om een eenvoudige, maar bruikbare sensor te maken.”

DE BEDRIJFSNAAM

Dus waar komt de naam MantiSpectra vandaan? Nou, er is een interessante link tussen het dierenrijk en spectrale detectie, zoals Maurangelo Petruzzella uitlegt.

"Het netvlies van het menselijk oog bevat fotoreceptorcellen die licht detecteren. Er zijn twee soorten: staafjes voor zwak licht en kegeltjes voor fel licht. Wij hebben drie verschillende kegeltjescellen, die elk gevoelig zijn voor verschillende golflengten van licht - rood, groen en blauw. Maar de bidsprinkhaankreeft overtreft met gemak het menselijk oog, want zijn ogen kunnen tot zestien verschillende fotoreceptorcellen hebben, waarbij elke cel gevoelig is voor een andere golflengte van licht tussen ultraviolet en infrarood."

De replicatie van dit 'superzicht' van de bidsprinkhaankreeft vormt de basis van de technologieën van MantiSpectra, vandaar de naam die het in zee levende schepsel eert. "Uiteraard proberen we niet het oog van de bidsprinkhaankreeft na te bootsen, maar onze sensoren maken gebruik van een vergelijkbaar principe van het meten van verschillende delen van het spectrum met behulp van verschillende receptoren," zegt Petruzzella.

Organische toepassingen

MantiSpectra is specifiek geïnteresseerd in het golflengtegebied in het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum, tussen 900 en 1.700 nm. "Dit golflengtegebied is van bijzonder belang voor spectrale sensortoepassingen waarbij organische materialen zijn betrokken. Dit golflengtegebied wordt geassocieerd met absorptiebanden in chemische bindingen zoals O-H (zuurstof-waterstof), C-H (koolstof-waterstof), en N-H (stikstof-waterstof)", zegt Petruzzella.

"Het zichtbare spectrum levert enige informatie op, 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 agro-voedselsector en de gezondheidszorg beter te definiëren", voegt Fiore eraan toe.

MantiSpectra's benadering van het oog van de bidsprinkhaankreeft is een chip van ongeveer 1 millimeter bij 1 millimeter met zestien elektronische fotoreceptoren of pixels, die elk gevoelig zijn voor een ander golflengtebereik in het nabij-infrarood. Ondanks zijn geringe afmetingen openen de sensoren van de chip een wereld van mogelijkheden, vooral wanneer het gaat om de controle van de versheid van fruit en groenten vóór de oogst.

Wanneer is het juiste moment om te oogsten?

"Voor landbouwers kan het moeilijk zijn om te bepalen wat het beste moment is om groenten en fruit te oogsten. Ze kunnen vertrouwen op jarenlange ervaring en op hun instinct, maar er kan van alles misgaan. Als je te vroeg plukt, hebben de producten misschien nog niet hun maximale smaak bereikt, als je te laat plukt, kunnen de producten bedorven zijn. Onze sensor zou boeren in de toekomst echt kunnen helpen", zegt Petruzzella.

Soms ziet fruit of groente er niet uit alsof ze klaar zijn om geoogst te worden, maar een indicator van hun rijpheid is te vinden in de nabij-infrarode golflengten. "Onze ogen kunnen deze golflengtes misschien niet zien, maar ze kunnen wel worden gemeten met onze pixelsensor", zegt Fiore.

Het zijn deze verborgen gegevens die de MantiSpectra-chip benut, 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.

"Voordat de chip in het veld wordt gebruikt, moet hij worden gekalibreerd. De door de chip verzamelde gegevens worden geanalyseerd met een algoritme, maar dit algoritme moet worden getraind, en dat is waar machine learning om de hoek komt kijken", zegt Petruzzella. "We gebruiken een set trainingsgegevens die afkomstig zijn van een relevant gewas. Verschillende producten, of in sommige gevallen verschillende variëteiten van een product, hebben misschien een aparte training nodig - dit testen we voor de verschillende toepassingen." Dezelfde aanpak kan worden gebruikt om het sensorsysteem te trainen om verschillende soorten plastic of stoffen te classificeren, wat veel potentieel biedt voor recycletoepassingen.

Spannende avonturen in het verschiet

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

Daarnaast heeft MantiSpectra veel steun gekregen van PhotonDelta, maar ook van Innovation Industries, NWO en de Metropool Regio Eindhoven. En het MantiSpectra-team is groeiende, met diverse nieuwe leden.

"We staan nog maar aan het begin, maar we weten dat er veel 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 geneesmiddelen. De toekomst belooft spannend te worden", zegt Petruzzella.

Ook Andrea Fiore sluit zich aan bij het enthousiasme van Maurangelo Petruzzella: "In de beginfase van de technologie waren we op zoek naar een toepassing. Nu we keuze te over hebben, is het moeilijk om niet enthousiast te zijn.”

MantiSpectra is geboren uit initieel onderzoek aan de TU/e en lijkt een sleutelrol te gaan spelen bij het gebruik van spectrale detectietechnologieën in ons dagelijks leven. Ze staan nog maar aan het begin, maar de super-vision technologieën van MantiSpectra zullen ons helpen dingen te zien die we anders volledig zouden missen.

De superkracht van het nabij-infrarood-zicht is gearriveerd!

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