L'océan est grand, et nos tentatives pour le comprendre sont encore largement superficielles. Selon la National Oceanic and Atmospheric Organization, environ 80 % du grand bleu est "non cartographié, non observé et inexploré".
Les navires sont le principal moyen de collecter des informations sur les mers, mais ils sont coûteux à envoyer fréquemment. Plus récemment, des bouées robotisées appelées flotteurs Argo ont dérivé avec les courants, plongeant de haut en bas pour prendre une variété de mesures à des profondeurs allant jusqu'à 6 500 pieds. Mais de nouveaux robots aquatiques d'un laboratoire de Caltech pourraient aller plus loin et entreprendre des missions sous-marines plus personnalisées.
"Nous imaginons une approche pour l'exploration océanique mondiale où vous prenez des essaims de robots plus petits de différents types et peuplez l'océan avec eux pour le suivi, pour le changement climatique, pour comprendre la physique de l'océan", explique John O. Dabiri, un professeur d'aéronautique et de génie mécanique au California Institute of Technology.
Arrive CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning Robot), un robot aquatique de la taille d'une paume qui ressemble à un croisement entre une capsule de pilule et une pieuvre dumbo. Il a des moteurs pour nager, est lesté pour rester debout et possède des capteurs qui peuvent détecter la pression, la profondeur, l'accélération et l'orientation. Tout ce que CARL fait est alimenté par un microcontrôleur à l'intérieur, qui a un processeur de 1 mégaoctet qui est plus petit qu'un timbre-poste.
CARL est la dernière innovation océanique du laboratoire de Dabiri, créée et imprimée en 3D à la maison par Peter Gunnarson, étudiant diplômé de Caltech. Les premiers tests que Gunnarson a effectués avec lui étaient dans sa baignoire, puisque les laboratoires de Caltech ont été fermés au début de 2021 à cause du COVID.
À l'heure actuelle, CARL peut toujours être contrôlé à distance. Mais pour vraiment atteindre les parties les plus profondes de l'océan, il ne peut y avoir aucune prise en main. Cela signifie qu'aucun chercheur ne donne de directives à l'ABRC - il doit apprendre à naviguer par lui-même dans le puissant océan. Gunnarson et Dabiri ont recherché l'informaticien Petros Koumoutsakos, qui a aidé à développer des algorithmes d'IA pour CARL qui pourraient lui apprendre à s'orienter en fonction des changements de son environnement immédiat et de ses expériences passées. Leurs recherches ont été publiées cette semaine dans Nature Communications .
CARL peut décider d'ajuster son itinéraire à la volée pour contourner les courants violents et se rendre à destination. Ou il peut rester en place dans un endroit désigné en utilisant "l'énergie minimale" d'une batterie lithium-ion.
L'ensemble d'algorithmes développé par Koumoutsakos permet d'effectuer les calculs d'orientation à bord du petit robot. Les algorithmes tirent également parti de la mémoire du robot des rencontres précédentes, comme la façon de passer un tourbillon. "Nous pouvons utiliser ces informations pour décider comment gérer ces situations à l'avenir", explique Dabiri.
La programmation de CARL lui permet de se souvenir des chemins similaires qu'il a empruntés lors de missions précédentes, et "au fil d'expériences répétées, de mieux en mieux échantillonner l'océan avec moins de temps et moins d'énergie", ajoute Gunnarson.
Une grande partie de l'apprentissage automatique se fait en simulation, où tous les points de données sont propres. Mais transférer cela dans le monde réel peut être compliqué. Les capteurs sont parfois dépassés et peuvent ne pas capter toutes les métriques nécessaires. "Nous commençons tout juste les essais dans le réservoir physique", déclare Gunnarson. La première étape consiste à tester si CARL peut effectuer des tâches simples, comme des plongées répétées. Une courte vidéo sur le blog de Caltech montre le robot se balançant maladroitement et plongeant dans un réservoir d'eau plate.
Au fur et à mesure que les tests avancent, l'équipe prévoit de placer CARL dans un réservoir en forme de piscine avec de petits jets qui peuvent générer des courants horizontaux pour qu'il puisse naviguer. Lorsque le robot en sortira diplômé, il se déplacera vers une installation de deux étages qui peut imiter les courants ascendants et descendants. Là, il va falloir trouver comment maintenir une certaine profondeur dans une région où l'eau environnante coule dans tous les sens.
« En fin de compte, cependant, nous voulons CARL dans le monde réel. Il quittera le nid et ira dans l'océan et avec des essais répétés là-bas, le but serait qu'il apprenne à naviguer par lui-même », explique Dabiri.
Pendant les tests, l'équipe ajustera également les capteurs dans et sur CARL. "L'une des questions que nous nous posions était de savoir quel est l'ensemble minimal de capteurs que vous pouvez mettre à bord pour accomplir la tâche", explique Dabiri. Lorsqu'un robot est équipé d'outils comme le LiDAR ou des caméras, "cela limite la capacité du système à aller très longtemps dans l'océan avant de devoir changer la batterie".
En allégeant la charge du capteur, les chercheurs pourraient prolonger la durée de vie du CARL et ouvrir de l'espace pour ajouter des instruments scientifiques pour mesurer le pH, la salinité, la température, etc.
Au début de l'année dernière, le groupe de Dabiri a publié un article sur la façon dont ils utilisaient des zaps électriques pour contrôler les mouvements d'une méduse. Il est possible que l'ajout d'une puce qui héberge des algorithmes d'apprentissage automatique similaires à ceux de CARL permettrait aux chercheurs de mieux diriger les gelées à travers l'océan.
"Comprendre comment cet algorithme de navigation fonctionne sur une vraie méduse vivante pourrait prendre beaucoup de temps et d'efforts", explique Dabiri. À cet égard, l'ABRC fournit un navire de test pour les algorithmes qui pourraient éventuellement entrer dans les créatures modifiées mécaniquement. Contrairement aux robots et aux rovers, ces gelées n'auraient pas de limites de profondeur, car les biologistes savent qu'elles peuvent exister dans la fosse des Mariannes, à environ 30 000 pieds sous la surface.
L'ABRC, en soi, peut encore être un atout utile dans la surveillance des océans. Il peut fonctionner avec des instruments existants comme les flotteurs Argo et effectuer des missions en solo pour effectuer des explorations plus précises, étant donné qu'il peut s'approcher des fonds marins et d'autres structures fragiles. Il peut également suivre et étiqueter des organismes biologiques comme un banc de poissons.
"Vous pourriez un jour imaginer 10 000 ou un million de CARL (nous leur donnerons des noms différents, je suppose) allant tous dans l'océan pour mesurer simultanément des régions auxquelles nous ne pouvons tout simplement pas accéder aujourd'hui afin d'obtenir un temps -image résolue de la façon dont l'océan change », dit Dabiri. "Cela va être vraiment essentiel pour modéliser les prédictions du climat, mais aussi pour comprendre le fonctionnement de l'océan."
