«Памела» — это беспилотное надводное транспортное средство (USV), разработанное в качестве предпринимательской идеи Норвежским университетом науки и технологии (NTNU) для отбора проб различных частиц поверхностных вод, от микропластика до планктона и лососевых вшей. USV — это совместная работа междисциплинарной команды Андреа Фалтынковой, кандидата наук. кандидат биологических наук и Артур Золич, постдок кафедры инженерной кибернетики.

Фалтынкова изучает микропластик в океане. Микропластик — это кусочки пластика размером менее 5 мм, что примерно соответствует размеру кончика карандаша. Хотя исследователи знают, что микропластик может оказывать негативное воздействие на морские или пресноводные организмы, меньше известно о том, как он влияет на здоровье человека. Но изучение микропластика — сложная задача из-за природы самого вещества, — говорит она.

«Микропластик настолько неоднороден. Это очень большая и разнообразная группа частиц. Мало того, они очень неравномерно распределены. Микропластик не похож на другие растворенные загрязнители, которые можно обнаружить даже в небольших количествах воды или почвы. вы берете литр из моря, и в нем нет пластика, можете ли вы сделать вывод, что в море нет пластика?» она спросила.

«Люди выходят на лодке и несколько раз берут пробы, а затем пытаются сделать выводы, основываясь на том, сколько пластика они собрали. Но мы действительно понятия не имеем, насколько точна эта оценка». Вот что делает транспортное средство, которое немного больше робота-пылесоса, особенно долгожданным достижением в области отбора проб микропластика .

Простота и скорость

Основной исследовательский проект Фалтынковой заключается в адаптации и развитии метода, называемого гиперспектральной визуализацией , для выявления и подсчета микропластика. Гиперспектральная визуализация — это технология, разработанная в середине 1980-х годов для изучения Земли с самолета или из космоса. В настоящее время он широко используется во всем: от изучения подводных кораблекрушений до идентификации различных типов тканей человека.

Этот тип визуализации также используется перерабатывающей промышленностью для разделения пластика, что делает его идеальным инструментом для изучения микропластика.

Этот новый метод подчеркивает простоту и скорость; все, что нужно сделать Фалтынковой, — это сфотографировать свои образцы с помощью гиперспектральной камеры. Остальную работу выполняет созданная ею компьютерная модель для обработки изображений. Вычислительный кластер IDUN в NTNU позволяет ей быстро обрабатывать большие объемы данных, чтобы определить, какие типы пластика были собраны в образце.

Но есть проблема собрать достаточно образцов из океана, чтобы она могла сказать что-то осмысленное о том, что она нашла.

Сочетание быстрого анализа с быстрой выборкой

В большинстве случаев для отбора проб микропластика требуется буксировка сети за лодкой на очень малой скорости, что требует больших затрат и времени.

Использование Фалтынковой гиперспектральной камеры для быстрой и эффективной каталогизации различных типов пластика по ее образцам означает, что она может изучать множество образцов. Низкая стоимость и способность Pamela работать независимо означают, что Фалтынкова может использовать его для быстрого сбора нескольких образцов.

«То, что я пытаюсь сделать, — это обеспечить быстрый анализ (с гиперспектральной визуализацией) в сочетании с методом, позволяющим быстро производить выборку», — сказала она. «Вместе это то, что действительно увеличит нашу общую способность эффективно отображать и отслеживать пластиковое загрязнение».

«Памела», поддерживаемая двумя большими оранжевыми поплавками, как в популярном телесериале «Спасатели Малибу», может двигаться по заранее запрограммированному курсу без необходимости в том, чтобы исследователь следил за транспортным средством или контролировал его, пока оно выполняет свою работу, говорит Золич. кто изобрел робота.

Сотрудничество Фалтынковой и Золича было инициировано биологом NTNU Гейром Йонсеном и поддержано Тором Арне Йохансеном из Департамента инженерной кибернетики. Джонсен и Йохансен являются ведущими учеными Центра автономных морских операций и систем (AMOS).

Инновации для решения проблем

«Мне нравится создавать вещи, которые решают проблему», — говорит Золич, который несколько лет проработал в отрасли, прежде чем вернуться в академию, чтобы защитить докторскую диссертацию. а потом постдок.

Проблема, которую нужно было решить, в данном случае заключалась в том, чтобы помочь Фалтынковой с взятием проб микропластика.

Pamela разработана с учетом реальных потребностей пользователей и продолжает развиваться в ответ на отзывы первых пользователей. Его усовершенствованная системная архитектура использует доступные коммерческие готовые (COTS) компоненты потребительского класса, где это возможно, и использует компоненты быстрого прототипирования для пользовательских деталей. Такое сочетание делает робота удобным в использовании и легко улучшаемым.

«Этот автомобиль очень модульный, — сказал Золич. «Он может быть специализирован во многих отношениях. Я предполагаю, что он станет более специализированным в зависимости от того, что исследователи хотят отобрать».

Среди других преимуществ этого транспортного средства можно отметить то, что им можно управлять независимо от лодки или берега, что означает отсутствие следа от лодки, влияющего на его способность собирать пробы воды. Памела может быть легко использована исследователями, путешествующими в отдаленные места. Он подходит для регистрируемого багажа, его батареи можно перевозить в самолете, поэтому исследователям не нужно беспокоиться о доставке пробоотборника вперед.

Робот разрабатывается благодаря инновационному гранту Discovery в размере 200 000 норвежских крон от Управления по передаче технологий NTNU. В течение последних 6 месяцев Золич и Фалтынкова работали с командой TTO над изучением рыночного потенциала USV, вопросов интеллектуальной собственности, дизайна роботов и будущих бизнес-стратегий.

Диверсификация приложений и международный интерес

Когда коллеги Фалтынковой по морской биологии увидели «Памелу», они сразу же стали спрашивать, можно ли ее адаптировать для их работы. Она использует роботизированное транспортное средство для буксировки своего рода сети, которая обычно используется биологами, называемой сетью для планктона, для сбора образцов поверхностных вод на наличие микропластика.

«Просто в беседах с коллегами они говорили: «Эй, я тоже использую сети для планктона. Могу ли я использовать их для лососевых вшей? Могу ли я использовать их для отбора проб фитопланктона? Могу ли я использовать их для зоопланктона?» Это была одна из вещей, которых мы не ожидали», — сказала она.

Робот был официально представлен широкой аудитории на 9-м Норвежском симпозиуме по экологической токсикологии и на семинаре для исследователей микропластика в Афинах, Греция. С исследователями также связались международные группы, в том числе голландская неправительственная организация The Ocean Cleanup и Совет по водным ресурсам штата Калифорния.

Памела в настоящее время проходит испытания на пробу лососевых вшей в рамках более крупного исследования, проводимого NTNU и исследователями из Норвежского института исследований природы. Исследователи, в том числе профессор Бенгт Финстад и доктор философии. кандидат Натан Мерц разработали пассивный пробоотборник для наблюдения за концентрациями личинок лососевых вшей, на которых они распространяются наиболее широко. Золич изменил расположение сети для сбора проб на Памеле, чтобы она могла также брать пробы лососевых вшей. Сейчас он проходит испытания вместе с пассивными пробоотборниками.

«Мы видим, что наш робот может значительно снизить затраты на отбор проб в полевых условиях и повысить качество исследований за счет большего количества образцов», — сказал Золич. «Мы очень открыты для расширения нашей сети сотрудничества и активно ищем исследователей и учреждения, которые хотели бы попробовать нашего робота в своей работе».