美国国家科学基金会事业奖支持生物光子学研究

美国国家科学基金会事业奖支持生物光子学研究

十大网赌平台推荐工程学教授Josh Brake因其项目“下一代根际监测-利用植物茎的光管道特性进行非侵入性植物表型和健康监测”获得了美国国家科学基金会(NSF)职业奖.“国家科学基金会的资助是十大网赌平台推荐教师研究的最大份额的外部支持.

布雷克的研究方向是生物光子学, 光学和生物学的交叉领域，在生物医学诊断和治疗中发挥越来越大的作用. 在这里，他描述了NSF项目，他将在今年夏天开始与学生们合作.

研究的目标是什么?

该项目的研究计划的目标是利用植物茎和根的光管道特性来开发下一代光学工具. 这些工具将为研究植物根系及其周围环境提供新的方法. 这个项目的灵感来自于20世纪80年代植物生物学家的一个很酷的发现 光可以像光纤一样通过植物的茎和根传播. 令人惊讶的是，似乎没有太多的工作来尝试和利用这一特性.

在我们的实验中, 我们将通过植物的茎将光送入植物的根中，并测量从根中反射回来的光子. 这些光将用干涉测量法来探测, 一种在光学中广泛用于灵敏地测量非常微弱信号的策略. 第一个目标是使用这些数据来测量结构信息，比如有多少根和它们的长度. 最终的希望是利用不同波长的光来梳理出额外的信息，比如水分含量和根际周围土壤的生化成分.

用于测量后向散射光的技术利用了光的一种称为相干性的特性来选择已经行进了一定距离的光子. 这个想法类似于自动驾驶汽车或iPhone的FaceID模块中的光探测和测距(LiDaR)技术的工作原理. 但, 而这些技术通常使用光脉冲来测量时域内的后向散射信号, 在这里，我们使用光源的光谱特性来实现深度分辨率，并识别从一定距离反射的光子. 

国家科学基金会的职业生涯计划也非常重视研究和教育的结合. 该项目的教育部分使本科生和高中生能够参与研究活动，在那里他们将学习广泛的工程界面技能, 光学与植物生物学. 这是在哈维马德这样的地方做研究的一个独特方面. 而在大型研究型大学，学生可能主要与领导项目的研究生或博士后一起工作, 在Mudd，他们领导项目，有更多的机会与我直接互动. 该项目还将支持3d打印的开发, 低成本的计算显微镜平台，我在过去的几年里一直致力于光学和显微镜教学.

3 d打印的显微镜?

你说对了! 这些都很有趣. 我的最终愿景是开发这些显微镜，就像光学微控制器开发板一样——一种低成本、易于使用的计算显微镜，可以用来学习光学和计算显微镜的基本概念. 

这款显微镜基于树莓派Zero 2 W和树莓派相机，售价约为100美元. 我们使用3d打印来制作底盘，将所有东西都固定在一起. 3d打印方面是伟大的，因为它使学生能够轻松地修改定制他们的显微镜和探索设计空间. 它还有助于使平台成本低且易于使用，因为光学器件往往会很快变得昂贵. 去年我在技术选修课上试用了这种显微镜，学生们都很喜欢用它们. 作为教育计划的一部分, 我将进一步研制显微镜, 制作与之配套的教育材料, 并每年举办研讨会，在当地本科生和高中生中进行试点. 

我还喜欢这个显微镜平台，因为它展示了公开分享研究成果的价值. 显微镜并不是我从零开始建造的，而是在上面建造的 一些伟大的作品 来自格拉斯哥大学和加州大学伯克利分校的一个小组的合作. 当我读他们的论文时, 我认为这是一个很好的显微镜教学工具, 因为他们让所有的设计文件和代码都可以免费访问, 很容易看到他们做了什么，并在此基础上进行建设. 这是一个很好的例子，说明了如何在世界范围内进行合作，自由分享好的想法也能产生影响.

学生将如何参与研究?

学生将主要以几种方式参与. 最直接的方法就是在暑假和整个学年和我一起为研究计划做实验. 我喜欢在马德做研究的原因之一是，我可以与聪明勤奋的学生密切合作. 这对学生和我来说都很有趣.

学生们还将帮助促进我每年举办的研讨会，并成为开发和测试我们共同编写的课程材料的重要组成部分. 我本科时的教学机会对我来说是一种转变，帮助我走到了今天. 我希望这些教学经验同样会对和我一起教学的学生产生影响.

这项技术的实际应用是什么呢?

最终, 这项技术的目标是开发一种三录仪，以最低限度的侵入方式分析单个植物或植物群的健康状况. 例如, 这项技术可以用来帮助分析植物在同一时间点和一段时间内的生长情况，因为该技术不需要将植物连根拔起. 我还认为，在野火等与气候相关的事件发生后，有一些有趣的分析机会. 这样的工具可以用来评估火灾后残留的植物和土壤的健康状况.

你还有什么要补充的吗?

我非常感谢NSF资助我做我喜欢的工作，并帮助指导崭露头角的年轻工程师. 我在本科期间的经历对我自身的发展产生了形成性的影响，不仅是作为一名工程师, 但是作为一个人. 我很高兴能够把这些东西传递给下一代的学生，我非常感谢能够与工程系和整个学院的同事们一起做这件事.