AI聽生病珊瑚的聲音、機器人、液態氮各出保育奇招

雖然珊瑚礁只佔海底面積約0.2%,卻為超過1/4的海洋物種提供了棲息地。 圖/Hiroko Yoshii/Unsplash
雖然珊瑚礁只佔海底面積約0.2%,卻為超過1/4的海洋物種提供了棲息地。 圖/Hiroko Yoshii/Unsplash

根據《Vox》報導,健康的珊瑚礁可以吸收高達97%的波浪能量,減緩沿海地區受風暴、海浪與洪水的衝擊。隨著海洋溫度上升,珊瑚礁面臨的威脅日益嚴重,數十年內可能遭遇生態浩劫,保護與復育珊瑚的多樣性成為維護海洋健康的首要任務,近年來,人工智慧與科技進步為復育工作帶來了重大進展。

海底世界常看到一叢一叢、長得像樹的珊瑚,他們是主要生長在熱帶水域,由許多珊瑚蟲(Polyps)組成的動物,珊瑚蟲會透過海水吸取碳酸鈣來形成堅硬的外殼,日積月累下形成了今日的珊瑚礁。雖然珊瑚礁只佔海底面積約0.2%,卻為超過1/4的海洋物種提供了棲息地。

珊瑚對海洋溫度與酸鹼度變化非常敏感,海洋溫度上升、酸性增強,都可能導致珊瑚生病或死亡。根據全球珊瑚礁監測網絡(Global Coral Reef Monitoring Network,GCRMN)的報告,海水溫度上升1.5°C,就可能造成全世界70%到90%的珊瑚消失。此外,更有科學家估計,在暖化威脅下,珊瑚將可能在2070年完全絕跡。

珊瑚的成長速度非常緩慢,一般復育珊瑚的方式通常會將小片珊瑚在陸地苗圃中培養後,再移植到受傷的珊瑚礁上。然而,這項作法不僅成本高昂且速度緩慢,僅能優先協助岌岌可危的珊瑚礁。為拯救暖化對珊瑚的影響,各地研究者研發出許多新科技,輔助珊瑚復育和保育行動。

機器人化身珊瑚復育好手

距離西澳海岸約60公里,在素有西澳大堡礁之稱的阿布羅霍斯群島(Abrolhos Islands)的淺水區域,科學家福斯特(Taryn Foster)與他的團隊正在訓練人工智慧(AI)投入珊瑚復育工作。

福斯特團隊設計用來培育珊瑚礁的底座,是具有凹槽、帶有手柄、由混凝土製成的扁平圓盤。科學家會訓練機器人製作符合珊瑚碎片大小的塞子(plugs),以節省人工復育的例行工作,再將這些底盤分批放入海中。

測試至今的成果令人振奮,福斯特表示,「我們已部署了幾個不同珊瑚礁結構的模型,也在四種不同的珊瑚物種上測試,牠們都長得很好。」

科學家福斯特(Taryn Foster)將用來培育珊瑚礁的底盤分批放入海中。 圖/AUTODESK新聞稿
科學家福斯特(Taryn Foster)將用來培育珊瑚礁的底盤分批放入海中。 圖/AUTODESK新聞稿

由福斯特成立的新創公司Coral Maker更進一步與軟體大廠歐特克(Autodesk)合作,訓練人工智慧及協作機器人(cobots),讓機器人與人類一起合作復育珊瑚,以加速復育進程。

機器人主要負責珊瑚復育過程中,一些重複拿取和放置的動作,機器手臂負責製作符合珊瑚碎片大小的塞子,並將其黏接到培育底座上,研究員則用影像決定如何抓取。即使是同種珊瑚的碎片,形狀也大不相同,因此需要多加訓練機器人辨認珊瑚的形狀,以製作出符合碎片形狀的基座。

Coral Maker的下一步是在一年半內將測試方案(PoC)移出實驗室。然而,將珊瑚放回海底也要耗費不少功夫,如何在不損害珊瑚或儀器的情況下達成這件事,仍是一大挑戰。

訓練AI聽音 為珊瑚健檢

除了透過機器人協助復育,AI也能幫助追蹤珊瑚礁的健康狀況。近年各界致力於珊瑚礁的聲景研究,然而珊瑚的聲景相當複雜,專家在分析錄音時往往十分吃力才能得知珊瑚的健康狀況。

2022年,一項發表在《生態指標》(Ecological Indicators)期刊上的研究取得了新進展,來自英國艾希特大學的科學家正在印尼海域進行名為Mars Coral Reef Restoration Project的珊瑚復育計畫,他們分別收集、記錄了數個健康與衰退珊瑚發出的聲音,並訓練AI學習辨識兩者差異,準確率高達92%,可望用來追蹤珊瑚復育計畫的進展。

英國倫敦大學學院生物多樣性與環境研究中心的博士候選人威廉(Ben Williams)表示,傳統調查中珊瑚的視覺與聽覺分析,須仰賴大量密集的勞力。此外,在水裡部署水聲儀,特別是在偏遠地區,也比實際請潛水專家實際下潛執行大規模調查,來得容易也經濟許多。

生活在珊瑚礁中的生物或魚類,可能會發出各種意義不明的聲響。使用機器學習演算法,研究團隊利用電腦篩選出人類耳朵無法監測到的聲音特徵(patterns),透過人工智慧,可以幫助分辨珊瑚整體是否健康,不僅辨識速度更快且更準確。

漂白與冷凍創新技術 幫助保育珊瑚

另一項保護珊瑚礁的新科技,是由德州農工大學研究團隊推出的「等體玻璃化(isochoric vitrification)」,挑選珊瑚碎片並冷凍保存,利用策略性的漂白技術加上液態氮,將珊瑚保存在負196°C的超低溫中,而不會被凍傷。

科學家正在測試透過「等體玻璃化(isochoric vitrification)」技術協助珊瑚保育工作。 圖/Cryopreservation and revival of Hawaiian stony corals using isochoric vitrification論文/Nature Communications
科學家正在測試透過「等體玻璃化(isochoric vitrification)」技術協助珊瑚保育工作。 圖/Cryopreservation and revival of Hawaiian stony corals using isochoric vitrification論文/Nature Communications

一年當中,珊瑚的繁殖期只有短短幾日。過往也有科學家利用冷凍保存的方式,在珊瑚繁殖期間收集生殖細胞,不過除了要配合繁殖時間,難以接近珊瑚的生長位置也是挑戰之一。德州農工大學研發出的創新技術,可以不受時間、地域限制,也不用在海中艱難地維護精密裝置,讓珊瑚復育工作迎來新的進展。

科學家首先需要將珊瑚樣本「漂白」,把珊瑚身上與之共生的光合藻類移除。接著透過技術,將珊瑚以玻璃狀態放在特殊的鋁製容器內保存,並以液態氮快速冷凍,之後再緩慢加熱、並於20分鐘內注入海水,讓珊瑚恢復生機,並讓解凍後的珊瑚成功存活到24小時,這項研究目前還在初步研究階段,下一階段的挑戰是提高珊瑚長期的存活率。


參考資料


本文授權轉載自《低碳生活部落格》,內容由台達電子文教基金會及台灣環境資訊協會共同企劃。(原文標題:AI聽生病珊瑚的聲音、機器人、液態氮各出保育奇招


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