Toward Accessible Biophotonics : Instrumentation for Insect and Vegetation Applications
Mot tillgänglig biofotonik : Instrument för tillämpningar inom insekter och vegetation
Författare
Summary, in Swedish
Människors nyfikenhet och drivkraft att förstå och mäta vår värld har lett till många
vetenskapliga framsteg. Vårt ständiga sökande efter kunskap har hjälpt oss att bland annat
förhindra sjukdomar, förbättra skördar och förstå de ekosystem vi lever i. Dock varierar
förutsättningar och utmaningar för forskning runt om i världen, och i många
forskningsmiljöer saknas det tillgång till avancerad laboratorieutrustning. För att jämna ut
spelplanen är tillgång till lättillgänglig forskningsutrustning en nödvändighet. Därför har jag
i detta forskningsprojekt utvecklat två optiska mätinstrument med hjälp av
kostnadseffektiva material och komponenter. Instrumenten kan samla in information som
är otillgänglig utan dyr och komplex laboratorieutrustning. De är dessutom enkla att
förflytta, replikera och tillverka – och därmed bra anpassade för både fältstudier, utbildning
och för användning i mindre bemedlade forskningsmiljöer.
Det första instrumentet, ”BIOSPACE” (Artikel I), är en avancerad kamera där man kan
snurra runt på det man ska fotografera. Den mäter också hur ljus absorberas, reflekteras,
ändrar polarisation och sprids i olika material, som exempelvis insektsvingar eller löv.
Eftersom den kan mäta många fler våglängder än det mänskliga ögat kan uppfatta kan den
avslöja olika egenskaper hos materialet och producera bilder som innehåller mycket mer
information än ett vanligt fotografi.
Det andra instrumentet, en hyperspektral lidar (Artikel II), kombinerar funktionaliteten hos
två optiska instrument – en lidar och en hyperspektral kamera. En lidar mäter avstånd med
laserljus och en hyperspektral kamera tar bilder med ett högupplöst spektrum av
våglängder. Att kombinera detta i samma instrument gör det möjligt att mäta avståndet till
ett objekt och samtidigt analysera det. Den hyperspektrala lidarn gör det möjligt att studera
vegetationens egenskaper och insekters aktivitetsmönster med stor detaljrikedom från mer
än hundra meters avstånd och utan att störa ekosystemet som studeras – bladen kan sitta
kvar på träden och insekterna flyger oskadda genom laserstrålen!
Båda dessa instrument har använts i en rad fältstudier som jag presenterar i den här
avhandlingen. I Ghana byggde vi en kopia av lidarn och använde den bland annat för att
analysera jordbruksgrödor (Artikel VIII) och registrera aktivitetsmönstret hos gaddlösa bin
med hjälp av fluorescerande pulver (Artikel V). I Elfenbenskusten använde vi BIOSPACE
för att mäta regnskogslevande insekters optiska egenskaper (Artikel VI). Med BIOSPACE
lyckades vi även särskilja mellan olika arter av malariamyggor, avgöra deras kön och ålder
samt om de bar på ägg eller inte (Artikel IV). Vi har även mätt de tunnaste insektvingarna
som någonsin uppmätts (så vitt vi vet), en mygga med 173 nm tjocka vingar (Artikel IV).
Med hjälp av lidarn har vi mätt vingtjocklek på flygande insekter– även det den första
mätningen i sitt slag (Artikel III).
Målet med det här projektet har varit att ge forskare tillgång till kraftfulla optiska verktyg,
oavsett budget och var i världen de befinner sig. Instrumenten är designade med billiga och
lättillgängliga komponenter – BIOSPACE är byggd med hjälp av både 3D-printade delar
och tekniklego! Ritningar och mjukvara är fritt tillgängliga för att uppmuntra alla
intresserade att kopiera dem till sin forskning eller utbildningsverksamhet. Förhoppningen
är att dessa verktyg kommer att främja ett mer jämlikt forskningslandskap och möjliggöra
nya biologiska upptäckter.
vetenskapliga framsteg. Vårt ständiga sökande efter kunskap har hjälpt oss att bland annat
förhindra sjukdomar, förbättra skördar och förstå de ekosystem vi lever i. Dock varierar
förutsättningar och utmaningar för forskning runt om i världen, och i många
forskningsmiljöer saknas det tillgång till avancerad laboratorieutrustning. För att jämna ut
spelplanen är tillgång till lättillgänglig forskningsutrustning en nödvändighet. Därför har jag
i detta forskningsprojekt utvecklat två optiska mätinstrument med hjälp av
kostnadseffektiva material och komponenter. Instrumenten kan samla in information som
är otillgänglig utan dyr och komplex laboratorieutrustning. De är dessutom enkla att
förflytta, replikera och tillverka – och därmed bra anpassade för både fältstudier, utbildning
och för användning i mindre bemedlade forskningsmiljöer.
Det första instrumentet, ”BIOSPACE” (Artikel I), är en avancerad kamera där man kan
snurra runt på det man ska fotografera. Den mäter också hur ljus absorberas, reflekteras,
ändrar polarisation och sprids i olika material, som exempelvis insektsvingar eller löv.
Eftersom den kan mäta många fler våglängder än det mänskliga ögat kan uppfatta kan den
avslöja olika egenskaper hos materialet och producera bilder som innehåller mycket mer
information än ett vanligt fotografi.
Det andra instrumentet, en hyperspektral lidar (Artikel II), kombinerar funktionaliteten hos
två optiska instrument – en lidar och en hyperspektral kamera. En lidar mäter avstånd med
laserljus och en hyperspektral kamera tar bilder med ett högupplöst spektrum av
våglängder. Att kombinera detta i samma instrument gör det möjligt att mäta avståndet till
ett objekt och samtidigt analysera det. Den hyperspektrala lidarn gör det möjligt att studera
vegetationens egenskaper och insekters aktivitetsmönster med stor detaljrikedom från mer
än hundra meters avstånd och utan att störa ekosystemet som studeras – bladen kan sitta
kvar på träden och insekterna flyger oskadda genom laserstrålen!
Båda dessa instrument har använts i en rad fältstudier som jag presenterar i den här
avhandlingen. I Ghana byggde vi en kopia av lidarn och använde den bland annat för att
analysera jordbruksgrödor (Artikel VIII) och registrera aktivitetsmönstret hos gaddlösa bin
med hjälp av fluorescerande pulver (Artikel V). I Elfenbenskusten använde vi BIOSPACE
för att mäta regnskogslevande insekters optiska egenskaper (Artikel VI). Med BIOSPACE
lyckades vi även särskilja mellan olika arter av malariamyggor, avgöra deras kön och ålder
samt om de bar på ägg eller inte (Artikel IV). Vi har även mätt de tunnaste insektvingarna
som någonsin uppmätts (så vitt vi vet), en mygga med 173 nm tjocka vingar (Artikel IV).
Med hjälp av lidarn har vi mätt vingtjocklek på flygande insekter– även det den första
mätningen i sitt slag (Artikel III).
Målet med det här projektet har varit att ge forskare tillgång till kraftfulla optiska verktyg,
oavsett budget och var i världen de befinner sig. Instrumenten är designade med billiga och
lättillgängliga komponenter – BIOSPACE är byggd med hjälp av både 3D-printade delar
och tekniklego! Ritningar och mjukvara är fritt tillgängliga för att uppmuntra alla
intresserade att kopiera dem till sin forskning eller utbildningsverksamhet. Förhoppningen
är att dessa verktyg kommer att främja ett mer jämlikt forskningslandskap och möjliggöra
nya biologiska upptäckter.
Publiceringsår
2024-05-24
Språk
Engelska
Fulltext
- Available as PDF - 54 MB
- Download statistics
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Department of Physics, Lund University
Ämne
- Atom and Molecular Physics and Optics
Nyckelord
- Remote sensing
- Laser-Induced Fluorescence,
- Hyperspectral Scheimpflug Lidar
- Raytracing
- Low-Cost
- 3D printing
- Entomology
- Stingless bees
Status
Published
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-8104-045-6
- ISBN: 978-91-8104-044-9
Försvarsdatum
24 maj 2024
Försvarstid
13:15
Försvarsplats
Lecture Hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund.
Opponent
- Pablo Loza (Prof.)