Kameran ja spektrometrin yhdistelmä kuvaa kohta jopa mielialat.

Tekniikka-palsta

Teksti: Kalevi Rantanen

Kameran ja spektrometrin yhdistelmä kuvaa kohta jopa mielialat.

Julkaistu Tiede -lehdessä 9/2012

Terroristi kävelee lähtöselvitykseen. Hän on suunnitellut kaiken pienimpiä yksityiskohtia myöten. Hän osaa esiintyä vakuuttavasti ja pitää naamansa peruslukemilla.

Hän on unohtanut vain yhden seikan: hyperspektrikameran.

Turvallisuusvirkailija viittaa terroristin luokseen. Kamera on havainnut hänen kasvoillaan vähäisen muutoksen veren happipitoisuudessa. Se kertoo ylimääräisestä jännityksestä. Tarkastus takahuoneessa vahvistaa epäilyt, ja terroristi jää kiinni.

Juttu on tieteisfantasiaa – vain puoliksi. Britanniassa Cranfieldin yliopiston tutkijat ovat jo pystyneet hyperspektrikameralla näkemään kasvoista stressin aiheuttamia, tahdosta riippumattomia muutoksia. Tavallisessa kuvassa ne jäävät näkymättömiin. 

Ihmisen aikeiden tunnistus on vielä varhaisessa vaiheessa, mutta melkein yhtä hämmästyttäviä asioita hyperspektrikameralla saadaan jo esiin: mineraaleja, väärennettyjä seteleitä, huumeviljelmiä.

Kuvasta tulee kuutio

Nykyaikaisen digikameran kuva muodostuu kuvapisteistä eli pikseleistä. Kun kameraan yhdistetään spektrometri, saadaan hyperspektrikamera, joka kuvaa jokaisen kuvapisteen spektrin. Samalla kuvaus laajenee näkyvästä valosta infrapunavaloon.

Spektrien ansiosta kohteesta syntyy yhden kaksiulotteisen kuvan sijaan paksu pino kuvia. Niistä taas muodostuu spektrikuvakuutio, jonka koostumus vaihtelee kohteesta toiseen, sillä jokainen aine heijastaa tai lähettää säteilyä itselleen ominaisilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla.

Spektrien perusteella pystytään erottamaan vaikkapa kasvilajeja toisistaan. Jokaisella viljelykasvilla ja rikkaruoholla on oma spektrinsä, yhtä yksilöllinen kuin sormenjälki.

Spektrejä voi verrata tietoihin, jotka on tallennettu aineiden sormenjälkiarkistoihin eli spektrikirjastoihin. Kun tutkijat haluavat löytää vaikkapa hematiittia, erästä rautamineraalia, he mittaavat ehdokasalueen spektrin ja vertaavat sitä hematiitin mallispektriin. Vastaavuus osoittaa esiintymät.

Avaruudesta alaspäin

Hyperspektrikameroiden historia ulottuu melko kauas. Ensimmäisiä mittauksia tehtiin jo 1970-luvulla. Esimerkiksi Landsat-satelliitti kuvasi maapallon pintaa neljällä 100–200 nanometrin kanavalla. Kuva oli vielä epätarkka mutta kertoi, että 20 nanometrin erotuskyvyllä mineraalien määritys onnistuisi.

Seuraavalla vuosikymmenellä Yhdysvalloissa kehitettiin spektrikamera Aviris, joka kuvasi maapalloa toisinaan uskomattomalla tarkkuudella. Vuonna 1992 Nasan tutkimuslentokone ER-2 näki Aviriksella kahdenkymmenen kilometrin korkeudesta sentin mittaisen katkaravun, joka uiskenteli haihdutusaltaassa Kaliforniassa.

Saavutukset kasvattivat intoa. Suomessakin teknologian tutkimuskeskus VTT kehitti oman hyperspektrikameran. Laitteita valmistamaan syntyi yritys, Specim Oy. Suomalaiset pääsivät nopeasti alan mestaruussarjaan, ja nykyisin Specimin laitteita käytetään ympäri maailmaa. Niillä tutkittiin muun muassa Meksikonlahden öljykatast­rofia ja Unkarissa tapahtunutta myrkyllistä lietevuotoa.

Kohti pokkarikokoa

Alussa hyperspektrikamerat olivat kookkaita, mutta tekniikan yleis­tyessä ja kysynnän kasvaessa haluttiin entistä pienempiä ja edullisempia laitteita. Kameran paino onkin pudonnut useasta kilosta alle viiteensataan grammaan.

Keveys mahdollistaa entistä enemmän sovelluksia. Laite mahtuu viime aikoina yleistyneisiin  miehittämättömiin lennokkeihin. Se sopii maanviljelijän käteen mittariksi, jolla voi tutkia lannoitteiden, kosteuden, typen ja muiden aineiden jakautumista pellolla.

Käyttökohteet eivät toki rajoitu ulkoilmaan. Sisätiloissakin hyperspektritekniikasta on monenlaiseen laadunvalvontaan.

Lääkärit tutkivat yksittäisten syöpäsolujen molekyylikoostumusta, ja lääketehdas seuraa vaikuttavan aineen jakautumista tabletissa. Lähikauppias voi tarkkailla omenoiden ja appelsiinien laatua.

Tavallinen kamera on pienentynyt isosta laatikosta kännykkäkameraksi. Kännykkäkoon hyperspektrikamerakin olisi jo teknisesti mahdollinen. Ehkä meillä kaikilla on jonain päivänä oma pieni hyperkamera.

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja

Spektri kertautuu

Spektri Ominaisuuden jakauma aallonpituuden mukaan aaltoalueella eli aaltokaistalla– Multispektri Muutamien aaltokaistojen spektrien yhdistelmä– HyperspektriSatojen aaltokaistojen spektrien yhdistelmä

Nykyisiä käyttökohteita– Geologisten porausnäytteiden tutkinta– Jätteiden lajittelu– Lumipeitteen mittaaminen– Näyttöjen laadunvalvonta– Parketin pinnan poikkeamien tunnistus– Saasteiden tunnistus– Sotilastiedustelun etsintäoperaatiot– Suolakurkkujen laadunvalvonta– Väärennösten tunnistus– Öljypalmujen sieni-infektioiden tunnistus

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.