Les chercheurs ont développé un programme d'intelligence artificielle (IA) qui peut automatiquement fournir une identification au niveau des espèces d'organismes marins microscopiques. La prochaine étape consiste à intégrer l'IA dans un système robotique qui contribuera à faire progresser notre compréhension des océans du monde, à la fois maintenant et dans notre passé préhistorique.

Spécifiquement, le programme d'IA s'est avéré capable d'identifier six espèces de foraminifères, ou forams – des organismes qui sont répandus dans les océans de la Terre depuis plus de 100 millions d'années.

Les forams sont des protistes, ni végétal ni animal. Quand ils meurent, ils laissent derrière eux leurs minuscules coquilles, la plupart moins d'un millimètre de large. Ces coquillages donnent aux scientifiques un aperçu des caractéristiques des océans tels qu'ils existaient lorsque les forams étaient vivants. Par exemple, différents types d'espèces de foram prospèrent dans différents types d'environnements océaniques, et les mesures chimiques peuvent renseigner les scientifiques sur tout, de la chimie de l'océan à sa température au moment de la formation de la coquille.

Cependant, l'évaluation de ces coquilles et fossiles de foram est à la fois fastidieuse et chronophage. C'est pourquoi une équipe interdisciplinaire de chercheurs, avec des expertises allant de la robotique à la paléoocéanographie, travaille à automatiser le processus.

"À ce point, l'IA identifie correctement les forams environ 80 pour cent du temps, qui est meilleur que la plupart des humains entraînés, " dit Edgar Lobaton, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université d'État de Caroline du Nord et co-auteur d'un article sur le travail.

"Mais ce n'est que la preuve de concept. Nous nous attendons à ce que le système s'améliore avec le temps, parce que l'apprentissage automatique signifie que le programme deviendra plus précis et plus cohérent à chaque itération. Nous prévoyons également d'étendre la portée de l'IA, afin qu'il puisse identifier au moins 35 espèces de forams, plutôt que les six actuels."

Le système actuel fonctionne en plaçant un foram sous un microscope capable de prendre des photographies. Un anneau LED éclaire le foram dans 16 directions - une à la fois - tout en prenant une image du foram à chaque changement de lumière. Ces 16 images sont combinées pour fournir autant d'informations géométriques que possible sur la forme du foram. L'IA utilise ensuite ces informations pour identifier les espèces du foram.

La numérisation et l'identification ne prennent que quelques secondes, et est déjà aussi rapide - ou plus rapide - que les experts humains les plus rapides.

"Plus, l'IA ne se fatigue pas et ne s'ennuie pas, " dit Lobaton. " Ce travail démontre la première étape réussie vers la construction d'une plate-forme robotique qui sera capable d'identifier, choisir et trier les forams automatiquement."

Lobaton et ses collaborateurs ont reçu une subvention de la National Science Foundation (NSF), à partir de janvier 2019, pour construire le système robotique entièrement fonctionnel.

"Ce travail est important car les océans couvrent environ 70 pour cent de la surface de la Terre et jouent un rôle énorme dans son climat, " dit Tom Marchitto, professeur agrégé de sciences géologiques à l'Université du Colorado, Rocher, et auteur correspondant de l'article.

"Les forams sont omniprésents dans nos océans, et la chimie de leurs coquilles enregistre les caractéristiques physiques et chimiques des eaux dans lesquelles ils ont grandi. Ces minuscules organismes témoignent de propriétés passées comme la température, salinité, l'acidité et les concentrations de nutriments. À leur tour, nous pouvons utiliser ces propriétés pour reconstituer la circulation océanique et le transport de chaleur lors d'événements climatiques passés.

"C'est important parce que l'humanité est au milieu d'une situation non intentionnelle, « expérience » climatique à l'échelle mondiale en raison de nos émissions de gaz à effet de serre, " Marchitto dit. "Pour prédire les résultats de cette expérience, nous avons besoin d'une meilleure compréhension de la façon dont le climat de la Terre se comporte lorsque son bilan énergétique est modifié. La nouvelle IA, et le système robotique qu'il permettra, pourrait considérablement accélérer notre capacité à en savoir plus sur la relation entre le climat et les océans à de vastes échelles de temps. »

Le papier, "Identification automatisée au niveau de l'espèce des foraminifères planctiques à l'aide de réseaux de neurones convolutifs, par rapport à la performance humaine, " est publié dans la revue Micropaléontologie marine .