Les robots sous-marins développés par des chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie à San Diego offrent aux scientifiques un nouvel outil extraordinaire pour étudier les courants océaniques et les minuscules créatures qu'ils transportent. Des essaims de ces robots sous-marins ont aidé à répondre à quelques questions de base sur les formes de vie les plus abondantes dans l'océan :le plancton.

L'océanographe de recherche Scripps Jules Jaffe a conçu et construit les explorateurs sous-marins autonomes miniatures, ou M-AUE, pour étudier les processus environnementaux à petite échelle qui se déroulent dans l'océan. Les instruments de sonde océanique sont équipés de capteurs de température et d'autres capteurs pour mesurer les conditions océaniques environnantes tandis que les robots « nagent » de haut en bas pour maintenir une profondeur constante en ajustant leur flottabilité. Les M-AUE pourraient potentiellement être déployés en essaims de centaines à milliers pour capturer une vue tridimensionnelle des interactions entre les courants océaniques et la vie marine.

Dans une nouvelle étude publiée dans le numéro du 24 janvier de la revue Communication Nature , L'océanographe biologique de Jaffe et Scripps, Peter Franks, a déployé un essaim de 16 robots sous-marins de la taille d'un pamplemousse programmés pour imiter le comportement de nage sous-marine du plancton, les organismes microscopiques qui dérivent avec les courants océaniques. L'étude de recherche a été conçue pour tester les théories sur la façon dont le plancton forme des plaques denses sous la surface de l'océan, qui se révèlent souvent plus tard à la surface sous forme de marées rouges.

"Ces patchs pourraient fonctionner comme des barres simples planctoniques, " dit Francs, qui a longtemps soupçonné que les agrégations denses pourraient aider à l'alimentation, la reproduction, et la protection contre les prédateurs.

Il y a deux décennies, Franks a publié une théorie mathématique prédisant que le plancton nageant formerait des plaques denses lorsqu'il serait poussé par des vagues internes - géant, vagues lentes sous la surface de l'océan. Tester sa théorie nécessiterait de suivre les mouvements de plancton individuel - chacun plus petit qu'un grain de riz - alors qu'ils nageaient dans l'océan, ce qui n'est pas possible avec la technologie disponible.

Jaffe a plutôt inventé le "plancton robotique" qui dérive avec les courants océaniques, mais sont programmés pour monter et descendre en ajustant leur flottabilité, imitant les mouvements du plancton. Un essaim de ce plancton robotique était l'outil idéal pour enfin mettre la théorie mathématique de Franks à l'épreuve.

« Les grandes percées techniques devaient rendre les M-AUE petits, peu coûteux, et pouvant être suivi en continu sous l'eau, " a déclaré Jaffe. Le faible coût a permis à Jaffe et à son équipe de constituer une petite armée de robots qui pourraient être déployés en essaim.

Le suivi des M-AUE individuels était un défi, car le GPS ne fonctionne pas sous l'eau. Un élément clé du projet a été le développement par des chercheurs de l'Institut Qualcomm et du Département d'informatique et d'ingénierie de l'UC San Diego de techniques mathématiques permettant d'utiliser des signaux acoustiques pour suivre les véhicules M-AUE pendant qu'ils étaient submergés.

Au cours d'une expérience de cinq heures, les chercheurs de Scripps et leurs collègues de l'UC San Diego ont déployé un essaim de 300 mètres (984 pieds) de diamètre de 16 M-AUE programmé pour rester à 10 mètres (33 pieds) de profondeur dans l'océan au large de la côte de Torrey Pines, près de La Jolla, Californie Les M-AUE ont constamment ajusté leur flottabilité pour se déplacer verticalement contre les courants créés par les vagues internes. Les informations de localisation tridimensionnelles collectées toutes les 12 secondes ont révélé où cet essaim robotique s'est déplacé sous la surface de l'océan.

Les résultats de l'étude étaient presque identiques à ce que Franks avait prédit. Les températures de l'océan environnant ont fluctué au fur et à mesure que les ondes internes traversaient l'essaim M-AUE. Et, comme prédit par Franks, les données de localisation M-AUE ont montré que l'essaim formait une tache très dense dans les eaux chaudes des creux de vagues internes, mais dispersés sur les crêtes des vagues.

"C'est la première fois qu'un tel mécanisme est testé sous l'eau, " a déclaré Franks. L'expérience a aidé les chercheurs à confirmer que le plancton flottant peut utiliser la dynamique physique de l'océan - dans ce cas les vagues internes - pour augmenter leurs concentrations et se rassembler en essaims pour répondre à leurs besoins vitaux fondamentaux.

"Cette approche de détection d'essaim ouvre un tout nouveau domaine d'exploration océanique, " a déclaré Jaffe. Augmenter les M-AUE avec des caméras permettrait la cartographie photographique des habitats coralliens, ou "selfies au plancton, " selon Jaffe.

L'équipe de recherche espère construire des centaines d'autres robots miniatures pour étudier le mouvement des larves entre les aires marines protégées, surveiller les efflorescences nocives des marées rouges, et pour aider à suivre les déversements de pétrole. Les hydrophones embarqués qui aident à suivre les M-AUE sous l'eau pourraient également permettre à l'essaim d'agir comme une "oreille" géante dans l'océan, écouter et localiser les sons ambiants dans l'océan.

Jaffé, Francs, et leurs collègues ont reçu près d'un million de dollars de la National Science Foundation en 2009 pour développer et tester la nouvelle génération d'instruments de sondage océanique. Les coauteurs de l'étude sont :Paul Roberts, ingénieur principal de développement chez Scripps, Ryan Kastner, professeur au Département d'informatique et de génie; Diba Mirza, chercheur postdoctoral en informatique; et Curt Schurgers, ingénieur principal développement au Qualcomm Institute, et Adrien Boch, étudiant stagiaire de Scripps.