Le véhicule de surface sans équipage rend l’étude de l’océan facile et abordable

“Pamela” est un véhicule de surface sans équipage (USV) développé comme une idée entrepreneuriale à l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) pour échantillonner une variété de particules d’eau de surface, du microplastique au plancton en passant par les poux du saumon. L’USV est un effort conjoint d’une équipe interdisciplinaire – Andrea Faltynkova, titulaire d’un doctorat. candidat au Département de biologie, et Artur Zolich, postdoctorant au Département d’ingénierie cybernétique.

Faltynkova étudie les microplastiques dans l’océan. Les microplastiques sont des morceaux de plastique de moins de 5 mm, soit à peu près la taille du bout d’un crayon. Alors que les chercheurs savent que les microplastiques peuvent avoir des effets négatifs sur les organismes marins ou d’eau douce, on en sait moins sur la façon dont ils affectent la santé humaine. Mais étudier les microplastiques est un défi en raison de la nature de la substance elle-même, dit-elle.

“Les microplastiques sont tellement hétérogènes. C’est un groupe très large et diversifié de particules. Non seulement cela, mais ils sont très inégalement répartis. Les microplastiques ne sont pas comme les autres polluants dissous qui peuvent être détectés même dans de petites quantités d’eau ou de sol. Si vous allez et vous prenez un litre de la mer, et il n’y a pas de plastique dedans, pouvez-vous conclure qu’il n’y a pas de plastique dans la mer ?” elle a demandé.

“Les gens sortent avec un bateau et échantillonnent plusieurs fois, puis essaient de tirer des conclusions en fonction de la quantité de plastique qu’ils ont ramassée. Mais nous n’avons vraiment aucune idée de la qualité de cette estimation.” C’est ce qui fait du véhicule, qui est un peu plus gros qu’un robot aspirateur, une avancée particulièrement bienvenue dans l’échantillonnage des microplastiques.

Simplicité et rapidité

Le principal projet de recherche de Faltynkova consiste à adapter et à développer une technique appelée imagerie hyperspectrale pour identifier et compter les microplastiques. L’imagerie hyperspectrale est une technologie développée au milieu des années 1980 pour étudier la Terre depuis un avion ou depuis l’espace. Il est maintenant largement utilisé dans tous les domaines, de l’étude des épaves sous-marines à l’identification de différents types de tissus humains.

Ce type d’imagerie est également utilisé par l’industrie du recyclage pour séparer les plastiques, ce qui en fait un outil parfait pour étudier les microplastiques.

Cette nouvelle méthode met l’accent sur la simplicité et la rapidité ; tout ce que Faltynkova a à faire est de prendre une photo de ses échantillons à l’aide d’une caméra hyperspectrale. Le reste du travail est effectué par le modèle informatique qu’elle a construit pour traiter les images. Le cluster informatique IDUN de NTNU lui permet de traiter rapidement de grandes quantités de données pour déterminer quels types de plastiques ont été collectés dans l’échantillon.

Mais ensuite, il y a la question de collecter suffisamment d’échantillons dans l’océan pour qu’elle puisse dire quelque chose de significatif sur ce qu’elle a trouvé.

Entre Paméla.

Associer une analyse rapide à un échantillonnage rapide

La plupart des prélèvements de microplastiques nécessitent de remorquer un filet derrière un bateau à une vitesse très lente, ce qui est à la fois coûteux et chronophage.

L’utilisation par Faltynkova d’une caméra hyperspectrale pour cataloguer rapidement et efficacement différents types de plastiques à partir de ses échantillons signifie qu’elle peut étudier de nombreux échantillons. Le faible coût de Pamela et sa capacité à travailler de manière indépendante signifient que Faltynkova peut l’utiliser pour collecter rapidement plusieurs échantillons.

“Ce que j’essaie de faire, c’est de permettre une analyse rapide (avec l’imagerie hyperspectrale), associée à une méthode qui permet un échantillonnage rapide”, a-t-elle déclaré. “C’est ce qui va vraiment augmenter notre capacité globale à cartographier et à surveiller efficacement la pollution plastique.”

Pamela, portée par ses deux gros flotteurs orange, tout comme ceux de la populaire série télévisée Baywatch, peut parcourir un parcours préprogrammé sans qu’un chercheur ait besoin de suivre ou de superviser le véhicule pendant qu’il fait son travail, explique Zolich, qui a inventé le robot.

La collaboration de Faltynkova et Zolich a été initiée par le biologiste NTNU Geir Johnsen et a été soutenue par Tor Arne Johansen du Département d’ingénierie cybernétique. Johnsen et Johansen sont tous deux des scientifiques clés du Center for Autonomous Marine Operations and Systems (AMOS).

Innovation de résolution de problèmes

“J’aime construire des choses qui résolvent un problème”, déclare Zolich, qui a travaillé plusieurs années dans l’industrie avant de retourner dans le milieu universitaire pour faire un doctorat. puis un postdoc.

Le problème à résoudre, dans ce cas, était d’aider Faltynkova avec son échantillonnage de microplastiques.

Pamela est conçue autour des besoins réels des utilisateurs et continue d’évoluer en réponse aux commentaires des premiers utilisateurs. Son architecture système avancée utilise des composants abordables, de qualité grand public et disponibles dans le commerce (COTS) dans la mesure du possible et utilise des composants de prototypage rapide pour les pièces personnalisées. La combinaison rend le robot pratique à utiliser et facile à améliorer.

“Ce véhicule est très modulaire”, a déclaré Zolich. “Il peut être spécialisé de plusieurs façons. J’envisage qu’il devienne plus spécialisé en fonction de ce que les chercheurs veulent échantillonner.”

Parmi les autres avantages du véhicule, citons qu’il peut être utilisé indépendamment d’un bateau ou du rivage, ce qui signifie qu’il n’y a pas de sillage du bateau pour affecter sa capacité à collecter des échantillons d’eau. Pamela peut être facilement utilisée par les chercheurs voyageant dans des endroits éloignés. Il convient aux bagages enregistrés, ses batteries peuvent être transportées dans un avion, de sorte que les chercheurs n’ont pas à se soucier d’expédier l’échantillonneur à l’avance.

Le robot est en cours de développement grâce à une subvention d’innovation Discovery de 200 000 NOK du Bureau de transfert de technologie de NTNU. Au cours des 6 derniers mois, Zolich et Faltynkova ont travaillé avec une équipe de TTO pour étudier le potentiel du marché de l’USV, les questions de propriété intellectuelle, la conception de robots et les futures stratégies commerciales.

Diversification des applications et intérêt international

Lorsque les collègues de biologie marine de Faltynkova ont vu Pamela, ils ont immédiatement commencé à demander si cela pouvait être adapté à leur travail. Elle utilise le véhicule robotique pour tracter une sorte de filet couramment utilisé par les biologistes, appelé filet à plancton, pour collecter des échantillons d’eau de surface pour les microplastiques.

“Juste à travers des conversations avec des collègues, ils se sont dit:” Hé, j’utilise aussi des filets à plancton. Puis-je l’utiliser pour les poux du saumon? Puis-je l’utiliser pour l’échantillonnage du phytoplancton? Puis-je l’utiliser pour le zooplancton? C’était l’une des choses que nous n’avions pas vraiment anticipées”, a-t-elle déclaré.

Le robot a été officiellement présenté à un public plus large lors du 9e symposium norvégien sur la toxicologie environnementale et lors d’un atelier pour les chercheurs en microplastiques à Athènes, en Grèce. Les chercheurs ont également été contactés par des groupes internationaux, dont l’ONG néerlandaise The Ocean Cleanup et le California State Water Resources Board.

Pamela est actuellement testée pour échantillonner les poux du saumon dans le cadre d’une étude plus vaste menée par NTNU et des chercheurs de l’Institut norvégien de recherche sur la nature. Les chercheurs, dont le professeur Bengt Finstad et Ph.D. candidat Nathan Mertz, ont mis au point un échantillonneur passif pour examiner les concentrations de larves de poux du saumon, qui est le stade auquel elles se propagent le plus largement. Zolich a déplacé l’emplacement du filet d’échantillonnage sur Pamela afin qu’il puisse également échantillonner les poux du saumon. Il est actuellement testé avec les échantillonneurs passifs.

“Nous voyons que notre robot peut réduire considérablement les coûts d’échantillonnage sur le terrain et améliorer la qualité de la recherche avec plus d’échantillons”, a déclaré Zolich. “Nous sommes très ouverts à l’élargissement de notre réseau de collaboration et recherchons activement des chercheurs et des institutions qui souhaiteraient essayer notre robot dans leurs travaux.”