Lors de l'expérience CANON été 2020, ces deux Wave Gliders ont zigzagué au-dessus de Monterey Canyon, en utilisant des échosondeurs pour localiser les poissons et autres animaux dans l'eau ci-dessous. Les échosondeurs sont les appareils cylindriques situés à l'arrière de chaque Wave Glider. Les feuilles vert olive sous les Wave Gliders aident à propulser ces robots autonomes à la surface de la mer. Crédit :Chris Wahl/MBARI
La pandémie de COVID-19 a rendu particulièrement difficile pour les scientifiques marins de faire des observations et de mener des expériences en mer. Les croisières de recherche ont été réduites ou annulées car il est difficile de maintenir une distance de sécurité entre les scientifiques et l'équipage dans les espaces restreints d'un navire de recherche. Dans cette situation actuelle, Les véhicules et instruments robotiques de MBARI se sont avérés très utiles.
Un exemple en est le contrôle d'été 2020 de MBARI, Agile, et l'expérience Novel Ocean Network (CANON), qui se déroule du 14 juillet au 4 août. Associée de recherche Katie Pitz, qui a participé à la planification de l'opération, expliqué, "Pour l'expérience de cette année, l'échantillonnage proprement dit est effectué par des instruments et des véhicules autonomes qui peuvent être surveillés à distance par des scientifiques à terre. MBARI fait progresser les technologies autonomes depuis longtemps, c'est donc un excellent exemple de la façon dont nous pouvons appliquer ces technologies."
Les expériences CANON annuelles de MBARI emploient généralement un grand nombre de navires, robots, et des instruments déployés plus ou moins simultanément sur la baie de Monterey pour collecter des données liées à un processus physique et biologique spécifique dans la baie. Les expériences CANON sont également des opportunités pour les chercheurs de tester de nouvelles, technologies de pointe.
L'expérience CANON de cette année est conçue pour étudier de grands groupes d'anchois et d'autres animaux dans et autour de Monterey Canyon. Pour savoir où et quand ces animaux se rassemblent dans le canyon, des chercheurs du MBARI et de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) combinent deux technologies très différentes :les échosondeurs à haute résolution et l'ADN environnemental (eDNA).
Cette carte, créé par le système d'aide à la décision océanographique de MBARI, montre les chemins empruntés par les Wave Gliders et les AUV à longue portée alors qu'ils surveillaient les animaux dans le canyon de Monterey pendant l'expérience CANON de l'été 2020. Crédit :MBARI
Les échosondeurs scientifiques utilisent des ondes sonores pour créer des images de couches d'animaux à différentes profondeurs et, dans certains cas, permettent même aux scientifiques d'identifier ces animaux. Avec l'analyse eDNA, les biologistes peuvent déterminer quels types d'organismes se trouvent dans une parcelle d'océan simplement en prélevant un échantillon d'eau de mer et en extrayant l'ADN de cette eau de mer. Les séquences d'ADN de l'eau de mer sont ensuite comparées avec des séquences d'ADN connues pour une variété d'organismes différents.
"Cette technologie est analogue à un enquêteur médico-légal qui trouve de l'ADN sur une scène de crime et le compare à la banque de suspects dans le dépôt génétique du FBI, " a déclaré Francisco Chavez, chercheur principal sur les expériences CANON. "Nos suspects, " il a continué, "sont la vie dans la mer."
Comme Pitz l'a noté, La NOAA est très intéressée à explorer cette nouvelle approche. "La microbiologiste Kelly Goodwin de la NOAA a organisé le financement de MBARI pour collecter des échantillons d'ADNe et comparer les résultats avec les observations du sondeur. À l'origine, nous devions faire participer un navire de la NOAA à l'expérience, mais à cause de la pandémie, le navire n'a pas pu être ici."
À l'intérieur de ce robot sous-marin (un véhicule sous-marin autonome à longue portée ou LRAUV) se trouve un laboratoire robotique appelé Environmental Sample Processor, qui recueille des échantillons d'eau de mer puis extrait l'ADN environnemental pour une analyse ultérieure à terre. Crédit :Erik Trauschke/MBARI
"Cette recherche s'applique directement aux études de la NOAA sur les stocks de poissons, " expliqua Pitz. " Ils utilisent des échosondeurs sur les navires pour cartographier la répartition des poissons et des filets afin de vérifier quels poissons sont présents. Pendant CANON, nous faisons la même chose, sauf que nous utilisons des échosondeurs montés sur des robots à la surface et collectons l'ADNe à l'aide de robots sous-marins."
Les robots de surface utilisés dans l'expérience CANON sont appelés « Wave Gliders, " et ressemblent à des planches de surf au carré. Tout au long de l'expérience, un Wave Glider parcourt un chemin en zigzag au-dessus de la partie intérieure du canyon de Monterey, où l'on trouve souvent des bancs d'anchois. Alors que le Wave Glider se déplace sur la surface, ses échosondeurs capturent des images de bancs d'anchois et d'autres animaux dans l'eau ci-dessous.
Après le Wave Glider sur son parcours en zigzag, un robot sous-marin appelé véhicule sous-marin autonome à longue portée (LRAUV), qui collecte des échantillons d'eau pour l'analyse eDNA. Au cours de l'expérience de deux semaines, le LRAUV recueillera jusqu'à 60 échantillons d'eau à l'aide d'un dispositif d'échantillonnage robotique conçu par MBARI appelé Environmental Sample Processor (ESP). "C'est l'une des premières fois que nous utilisons le LRAUV pour collecter des échantillons sous l'eau aux mêmes endroits que le Wave Glider acoustique visite à la surface, " dit Pitz.
Un Wave Glider glisse sur la baie de Monterey pendant l'expérience CANON de l'été 2020. Image :Chris Wahl/MBARI
Bien que les robots effectuent la majeure partie de la collecte d'échantillons et de données, plus de deux douzaines d'humains sont également impliqués dans cette expérience. Tous ces scientifiques, ingénieurs, et le personnel des opérations maritimes sont nécessaires pour lancer, se remettre, et entretenir les robots, et pour traiter et analyser les échantillons et les données.
A la fin de l'expérience, after all the robots return to shore, CANON scientists and engineers will begin processing hundreds of samples for eDNA analysis. "During my first CANON experiment in Spring 2017, we collected only four eDNA samples autonomously, " said Pitz. "Now, with multiple ESPs, we have a huge increase in the number of samples we can collect and will need to process."
"It's a lot of work, " she added. "But having more samples is great for the science. And the samples can be stored in a freezer and preserved for years. Analytical methods for eDNA are improving rapidly, so it's nice to preserve some samples for later analysis in case a better technique comes along."
During the Summer 2020 CANON experiment, researchers are testing small “benchtop” DNA sequencers that plug directly into a laptop computer. After analyzing one water sample, the sequencer produced a graph showing how much DNA was detected from different types of animals, including anchovies, copepods, and microscopic algae. Credit:Charles Nye/MBARI
Studying the ocean can be risky for robots as well as for humans. During the Summer 2020 CANON experiment, one LRAUV was bitten by a shark. Researchers pulled several fragments of shark teeth from the hull of the vehicle. Credit:Top image:Brian Kieft/MBARI; Bottom image:Ben Yair Raanan/MBARI
"Speaking of cutting edge technologies, " Pitz said, "Another cool aspect of this experiment is that MBARI scientists Nathan Truelove and Charles Nye are using a desktop sequencer to sequence eDNA from water samples in near real-time—within a day or so."
"Benchtop sequencing has a higher error rate in reading the DNA than next-generation methods that involve large sequencing machines, " she explained. "So the data processing is a lot more challenging. But being able to sequence DNA in a day would be great compared to shipping samples out to a lab, which can take several weeks. Finalement, we hope to be able to host this tiny sequencer on our LRAUV."
Although MBARI engineers have had great success building robots that communicate effectively with one another, Pitz noted that one of the biggest challenges in this experiment is keeping lines of communication open among the humans involved. "We need to decide the best times and places to collect samples while making sure the LRAUV doesn't burn out its battery or hit the bottom. This requires lots of communicating between the scientists, ingénieurs, and marine operations staff. As a scientist at MBARI, one of the things I've learned is that, in order to get good scientific data, you need to work closely with the engineers to understand and adapt to the limitations of the equipment."
The Summer 2020 CANON experiment is a prime example of how researchers can collect vast amounts of useful data by sending robots instead of people out to sea. "This mode of operation will increase dramatically in the future, " said Chavez. "Not only because of COVID but because of the need for persistent and globally distributed observations of life in the sea."
