El vehículo de superficie sin tripulación hace que estudiar el océano sea fácil y asequible

«Pamela» es un vehículo de superficie no tripulado (USV) desarrollado como una idea empresarial en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) para tomar muestras de una variedad de partículas de agua superficial, desde microplásticos hasta plancton y piojos del salmón. El USV es un esfuerzo conjunto de un equipo interdisciplinario: Andrea Faltynkova, Ph.D. candidato en el Departamento de Biología, y Artur Zolich, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Cibernética.

Faltynkova estudia los microplásticos en el océano. Los microplásticos son trozos de plástico de menos de 5 mm, que es aproximadamente del tamaño de la punta de un lápiz. Si bien los investigadores saben que los microplásticos pueden tener efectos negativos en los organismos marinos o de agua dulce, se sabe menos sobre cómo afectan la salud humana. Pero estudiar microplásticos es un desafío debido a la naturaleza de la sustancia en sí, dice.

«Los microplásticos son tan heterogéneos. Es un grupo muy grande y diverso de partículas. No solo eso, sino que están distribuidos de manera muy desigual. Los microplásticos no son como otros contaminantes disueltos que se pueden detectar incluso en pequeñas cantidades de agua o suelo. Si vas y tomas un litro del mar y no hay plástico en él, ¿puedes concluir que no hay plástico en el mar?» ella preguntó.

«La gente sale con un bote y toma muestras varias veces, y luego trata de sacar conclusiones en función de la cantidad de plástico que han recogido. Pero realmente no tenemos idea de qué tan buena es esa estimación». Eso es lo que hace que el vehículo, que es un poco más grande que una aspiradora robot, sea un avance especialmente bienvenido en el muestreo de microplásticos.

Simplicidad y rapidez

El principal proyecto de investigación de Faltynkova es adaptar y desarrollar una técnica llamada imagen hiperespectral para identificar y contar microplásticos. La imagen hiperespectral es una tecnología desarrollada a mediados de la década de 1980 para estudiar la Tierra desde un avión o desde el espacio. Ahora se usa ampliamente en todo, desde estudiar naufragios submarinos hasta identificar diferentes tipos de tejido humano.

La industria del reciclaje también utiliza este tipo de imágenes para separar plásticos, lo que la convierte en una herramienta perfecta para estudiar microplásticos.

Este nuevo método enfatiza la simplicidad y la velocidad; todo lo que tiene que hacer Faltynkova es tomar una foto de sus muestras usando una cámara hiperespectral. El resto del trabajo lo realiza el modelo de computadora que ha construido para procesar las imágenes. El clúster de computación IDUN en NTNU le permite procesar rápidamente grandes cantidades de datos para determinar qué tipos de plásticos se han recolectado en la muestra.

Pero luego está la cuestión de recolectar suficientes muestras del océano para que pueda decir algo significativo sobre lo que ha encontrado.

Entra Pamela.

Combinación de análisis rápido con muestreo rápido

La mayoría de los muestreos de microplásticos requieren remolcar una red detrás de un bote a una velocidad muy lenta, lo cual es costoso y requiere mucho tiempo.

El uso de Faltynkova de una cámara hiperespectral para catalogar diferentes tipos de plásticos de forma rápida y eficiente a partir de sus muestras significa que puede estudiar muchas muestras. El bajo costo y la capacidad de Pamela para trabajar de forma independiente significa que Faltynkova puede usarlo para recolectar múltiples muestras rápidamente.

«Lo que estoy tratando de hacer es permitir un análisis rápido (con imágenes hiperespectrales), junto con un método que permita un muestreo rápido», dijo. «Eso en conjunto es lo que realmente aumentará nuestra capacidad general para mapear y monitorear de manera efectiva la contaminación plástica».

Pamela, impulsada por sus dos grandes flotadores naranjas, como los de la popular serie de televisión Baywatch, puede recorrer un curso preprogramado sin la necesidad de que un investigador siga o supervise el vehículo mientras hace su trabajo, dice Zolich, quien inventó el robot.

La colaboración de Faltynkova y Zolich fue iniciada por el biólogo Geir Johnsen de NTNU y ha sido apoyada por Tor Arne Johansen del Departamento de Ingeniería Cibernética. Johnsen y Johansen son científicos clave en el Centro de Sistemas y Operaciones Marinas Autónomas (AMOS).

Innovación para resolver problemas

«Me gusta construir cosas que resuelvan un problema», dice Zolich, quien trabajó durante varios años en la industria antes de regresar a la academia para hacer un doctorado. y luego un posdoctorado.

El problema a resolver, en este caso, era ayudar a Faltynkova con su muestreo de microplásticos.

Pamela está diseñada en torno a las necesidades de los usuarios de la vida real y continúa evolucionando en respuesta a los comentarios de los primeros usuarios. Su arquitectura de sistema avanzada utiliza componentes disponibles comercialmente (COTS, por sus siglas en inglés) asequibles y aptos para el consumidor siempre que sea posible y utiliza componentes de creación rápida de prototipos para piezas personalizadas. La combinación hace que el robot sea cómodo de usar y fácil de mejorar.

«Este vehículo es muy modular», dijo Zolich. «Se puede especializar de muchas maneras. Me imagino que se volverá más especializado en función de lo que los investigadores quieran muestrear».

Entre las otras ventajas del vehículo se encuentran que puede operarse independientemente de un bote o de la orilla, lo que significa que no hay estela del bote que afecte su capacidad para recolectar muestras de agua. Pamela puede ser utilizada fácilmente por investigadores que viajan a lugares remotos. Cabe en el equipaje de facturación, sus baterías se pueden llevar en un avión, por lo que los investigadores no tienen que preocuparse por enviar el muestreador por delante.

El robot se está desarrollando con una subvención de innovación Discovery de NOK 200 000 de la Oficina de Transferencia de Tecnología de NTNU. Durante los últimos 6 meses, Zolich y Faltynkova han trabajado con un equipo de TTO para investigar el potencial de mercado de USV, asuntos de propiedad intelectual, diseño de robots y futuras estrategias comerciales.

Diversificación de aplicaciones e interés internacional

Cuando los colegas de biología marina de Faltynkova vieron a Pamela, inmediatamente comenzaron a preguntar si se podía adaptar a su trabajo. Ella usa el vehículo robótico para remolcar un tipo de red que los biólogos usan comúnmente, llamada red de plancton, para recolectar muestras de agua superficial en busca de microplásticos.

«Solo a través de conversaciones con colegas, dijeron: ‘Oye, yo también uso redes de plancton. ¿Puedo usarlas para piojos del salmón? ¿Puedo usarlas para tomar muestras de fitoplancton? ¿Puedo usarlas para zooplancton?’ Esa fue una de las cosas que realmente no anticipamos”, dijo.

El robot se presentó oficialmente a una audiencia más amplia en el 9º Simposio de Toxicología Ambiental de Noruega y en un taller para investigadores de microplásticos en Atenas, Grecia. Los investigadores también han sido contactados por grupos internacionales, incluida la ONG holandesa The Ocean Cleanup y la Junta de Recursos Hídricos del Estado de California.

Pamela se está probando actualmente para tomar muestras de piojos del salmón como parte de un estudio más amplio realizado por NTNU e investigadores del Instituto Noruego de Investigación de la Naturaleza. Los investigadores, incluido el profesor Bengt Finstad y Ph.D. El candidato Nathan Mertz, ha desarrollado un muestreador pasivo para observar las concentraciones de larvas de piojos del salmón, que es la etapa en la que se propagan más ampliamente. Zolich cambió la ubicación de la red de muestreo en Pamela para que también pueda tomar muestras de piojos del salmón. Ahora se está probando junto con los muestreadores pasivos.

«Vemos que nuestro robot puede reducir en gran medida los costos de muestreo del trabajo de campo y mejorar la calidad de la investigación con más muestras», dijo Zolich. «Estamos muy abiertos a expandir nuestra red de colaboración y estamos buscando activamente investigadores e instituciones que quieran probar nuestro robot en su trabajo».