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Das unbemannte Oberflächenfahrzeug macht das Studium des Ozeans einfach und erschwinglich

Das unbemannte Oberflächenfahrzeug macht das Studium des Ozeans einfach und erschwinglich

by nwna_de

Artur Zolich ist Postdoc am Department of Engineering Kybernetics der NTNU. Er und Mitarbeiter des Fachbereichs Biologie haben einen Roboter-Wasserprobennehmer entwickelt, den sie “Pamela” nennen. Bildnachweis: NTNU

„Pamela“ ist ein unbemanntes Oberflächenfahrzeug (USV), das als unternehmerische Idee an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) entwickelt wurde, um eine Vielzahl von Oberflächenwasserpartikeln zu beproben, von Mikroplastik über Plankton bis hin zu Lachsläusen. Die USV ist eine gemeinsame Anstrengung eines interdisziplinären Teams – Andrea Faltynkova, Ph.D. Doktorand am Institut für Biologie, und Artur Zolich, Postdoc am Institut für Technische Kybernetik.

Faltynkova untersucht Mikroplastik im Ozean. Mikroplastik sind Plastikteile, die kleiner als 5 mm sind, was ungefähr der Größe eines Bleistiftendes entspricht. Während Forscher wissen, dass Mikroplastik negative Auswirkungen auf Meeres- oder Süßwasserorganismen haben kann, ist weniger darüber bekannt, wie sie sich auf die menschliche Gesundheit auswirken. Die Untersuchung von Mikroplastik sei jedoch aufgrund der Natur der Substanz selbst eine Herausforderung, sagt sie.

„Mikroplastik ist so heterogen. Es ist eine sehr große, vielfältige Gruppe von Partikeln. Darüber hinaus sind sie sehr ungleich verteilt. Mikroplastik ist nicht wie andere gelöste Schadstoffe, die selbst in kleinen Mengen Wasser oder Boden nachgewiesen werden können Sie nehmen einen Liter aus dem Meer und da ist kein Plastik drin, können Sie daraus schließen, dass es kein Plastik im Meer gibt? Sie fragte.

„Die Leute fahren mit einem Boot hinaus und nehmen ein paar Mal Proben und versuchen dann, Schlussfolgerungen zu ziehen, basierend auf der Menge an Plastik, die sie aufgesammelt haben. Aber wir haben wirklich keine Ahnung, wie gut diese Schätzung ist.“ Das macht das Fahrzeug, das etwas größer als ein Staubsaugerroboter ist, zu einer besonders willkommenen Weiterentwicklung der Mikroplastik-Probenahme.

Einfachheit und Geschwindigkeit

Faltynkovas Hauptforschungsprojekt ist die Anpassung und Entwicklung einer Technik namens Hyperspectral Imaging zur Identifizierung und Zählung von Mikroplastik. Die hyperspektrale Bildgebung ist eine Mitte der 1980er Jahre entwickelte Technologie zur Untersuchung der Erde aus Flugzeugen oder aus dem Weltraum. Es wird heute in vielen Bereichen eingesetzt, von der Untersuchung von Unterwasserschiffswracks bis zur Identifizierung verschiedener menschlicher Gewebetypen.

Diese Art der Bildgebung wird auch von der Recyclingindustrie zur Trennung von Kunststoffen verwendet, was sie zu einem perfekten Werkzeug zur Untersuchung von Mikroplastik macht.

Diese neue Methode betont Einfachheit und Geschwindigkeit; Alles, was Faltynkova tun muss, ist, ihre Proben mit einer Hyperspektralkamera zu fotografieren. Den Rest der Arbeit erledigt das Computermodell, das sie gebaut hat, um die Bilder zu verarbeiten. Der IDUN-Rechencluster an der NTNU ermöglicht es ihr, große Datenmengen schnell zu verarbeiten, um festzustellen, welche Arten von Kunststoffen in der Probe gesammelt wurden.

Aber dann ist da noch das Problem, genügend Proben aus dem Ozean zu sammeln, damit sie etwas Aussagekräftiges über das sagen kann, was sie gefunden hat.

Pamela betreten.

Das unbemannte Oberflächenfahrzeug macht das Studium des Ozeans einfach und erschwinglich

„Pamela“, das unbemannte Oberflächenfahrzeug, ist nach ihren beiden leuchtend orangefarbenen Baywatch-Wagen benannt, die durch den Filmstar Pamela Anderson berühmt wurden. Bildnachweis: NTNU

Schnelle Analyse mit schneller Probenahme koppeln

Die meisten Proben von Mikroplastik erfordern das Schleppen eines Netzes hinter einem Boot bei sehr langsamer Geschwindigkeit, was sowohl kostspielig als auch zeitaufwändig ist.

Faltynkovas Einsatz einer Hyperspektralkamera zur schnellen und effizienten Katalogisierung verschiedener Kunststoffarten anhand ihrer Proben bedeutet, dass sie viele Proben untersuchen kann. Pamelas niedrige Kosten und ihre Fähigkeit, unabhängig zu arbeiten, bedeutet, dass Faltynkova damit schnell mehrere Proben sammeln kann.

„Was ich versuche, ist eine schnelle Analyse (mit hyperspektraler Bildgebung) zu ermöglichen, gepaart mit einer Methode, die eine schnelle Probennahme ermöglicht“, sagte sie. „Das zusammen ist es, was uns wirklich in der Lage sein wird, die Plastikverschmutzung effektiv zu kartieren und zu überwachen.“

Pamela, die von ihren beiden großen orangefarbenen Schwimmern getragen wird, genau wie die aus der beliebten TV-Serie Baywatch, kann einen vorprogrammierten Kurs abfahren, ohne dass ein Forscher dem Fahrzeug folgen oder es bei seiner Arbeit überwachen muss, sagt Zolich. der den Roboter erfunden hat.

Die Zusammenarbeit von Faltynkova und Zolich wurde vom NTNU-Biologen Geir Johnsen initiiert und von Tor Arne Johansen vom Department of Engineering Kybernetics unterstützt. Johnsen und Johansen sind beide Schlüsselwissenschaftler am Center for Autonomous Marine Operations and Systems (AMOS).

Problemlösende Innovation

„Ich mag es, Dinge zu bauen, die ein Problem lösen“, sagt Zolich, der mehrere Jahre in der Industrie gearbeitet hat, bevor er an die Universität zurückkehrte, um zu promovieren. und dann Postdoc.

Das zu lösende Problem bestand in diesem Fall darin, Faltynkova bei ihrer Mikroplastikprobenahme zu helfen.

Pamela ist auf die Bedürfnisse realer Benutzer ausgelegt und entwickelt sich als Reaktion auf das Feedback von Early Adopters weiter. Die fortschrittliche Systemarchitektur verwendet nach Möglichkeit kostengünstige, handelsübliche Komponenten (COTS) in Verbraucherqualität und verwendet Rapid-Prototyping-Komponenten für kundenspezifische Teile. Die Kombination macht den Roboter bequem zu bedienen und leicht zu verbessern.

Das unbemannte Oberflächenfahrzeug macht das Studium des Ozeans einfach und erschwinglich

Hier ist ein Beispiel für die Art von Dingen, die Pamelas Netz sammeln kann. Das biologische Material kann weggespült werden, wobei Mikroplastik zurückbleibt, das dann mit einer Hyperspektralkamera fotografiert werden kann. Bildnachweis: Andrea Faltkynova/NTNU

„Dieses Fahrzeug ist sehr modular“, sagte Zolich. “Es kann auf viele Arten spezialisiert werden. Ich stelle mir vor, dass es immer spezialisierter wird, je nachdem, was Forscher beproben möchten.”

Zu den weiteren Vorteilen des Fahrzeugs gehört, dass es unabhängig von einem Boot oder vom Ufer aus betrieben werden kann, was bedeutet, dass kein Kielwasser die Fähigkeit zum Sammeln von Wasserproben beeinträchtigt. Pamela kann problemlos von Forschern verwendet werden, die an abgelegene Orte reisen. Es passt in aufgegebenes Gepäck, seine Batterien können in einem Flugzeug mitgeführt werden, sodass sich die Forscher keine Gedanken über den Versand des Probenehmers im Voraus machen müssen.

Der Roboter wird mit einem Discovery-Innovationsstipendium in Höhe von 200 000 NOK vom Technology Transfer Office der NTNU entwickelt. In den letzten 6 Monaten haben Zolich und Faltynkova mit einem Team von TTO zusammengearbeitet, um das Marktpotenzial des USV, Angelegenheiten des geistigen Eigentums, Roboterdesign und zukünftige Geschäftsstrategien zu untersuchen.

Vielfältige Anwendungen und internationales Interesse

Als Faltynkovas Kollegen aus der Meeresbiologie Pamela sahen, begannen sie sofort zu fragen, ob es an ihre Arbeit angepasst werden könnte. Sie benutzt das Roboterfahrzeug, um eine Art Netz zu ziehen, das von Biologen allgemein verwendet wird, ein sogenanntes Planktonnetz, um Oberflächenwasserproben auf Mikroplastik zu sammeln.

„Allein durch Gespräche mit Kollegen sagten sie: ‚Hey, ich benutze auch Planktonnetze. Kann ich es für Lachsläuse verwenden? Kann ich es für Phytoplanktonproben verwenden? Kann ich es für Zooplankton verwenden?‘ Das war eines der Dinge, mit denen wir nicht wirklich gerechnet hatten“, sagte sie.

Der Roboter wurde beim 9. Norwegischen Umwelttoxikologie-Symposium und bei einem Workshop für Mikroplastikforscher in Athen, Griechenland, offiziell einem breiteren Publikum vorgestellt. Die Forscher wurden auch von internationalen Gruppen kontaktiert, darunter die niederländische NGO The Ocean Cleanup und das California State Water Resources Board.

Pamela wird derzeit im Rahmen einer größeren Studie, die von NTNU und Forschern des Norwegischen Instituts für Naturforschung durchgeführt wird, an Lachsläusen getestet. Die Forscher, darunter Professor Bengt Finstad und Ph.D. Kandidat Nathan Mertz, haben einen passiven Probenehmer entwickelt, um die Konzentrationen von Lachslauslarven zu untersuchen – das ist das Stadium, in dem sie sich am stärksten ausbreiten. Zolich hat den Standort des Probenahmenetzes auf Pamela verschoben, damit es auch Lachsläuse beproben kann. Es wird jetzt zusammen mit den Passivsammlern getestet.

„Wir sehen, dass unser Roboter die Kosten für Feldprobenentnahmen erheblich senken und die Forschungsqualität mit mehr Proben verbessern kann“, sagte Zolich. „Wir sind sehr offen für die Erweiterung unseres Kooperationsnetzwerks und suchen aktiv nach Forschern und Institutionen, die unseren Roboter in ihrer Arbeit ausprobieren möchten.“


Die entlegensten Ozeane der Welt sind mit Mikroplastik verseucht


Mehr Informationen:
Andrea Faltynkova et al, Hyperspektrale Bildgebung als aufstrebendes Werkzeug zur Analyse von Mikroplastik: Eine systematische Überprüfung und Empfehlungen für die zukünftige Entwicklung, Mikroplastik und Nanoplastik (2021). DOI: 10.1186/s43591-021-00014-y

Bereitgestellt von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie

Zitat: Unbemanntes Oberflächenfahrzeug macht das Studium des Ozeans einfach und erschwinglich (2022, 5. August), abgerufen am 6. August 2022 von https://techxplore.com/news/2022-08-uncrewed-surface-vehicle-ocean-easy.html

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