По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, аквакультура в Соединенных Штатах представляет собой отрасль с оборотом в 1,5 миллиарда долларов в год. Как и наземное сельское хозяйство, аквакультура моллюсков требует здорового производства семян для поддержания устойчивой отрасли. Производство личинок моллюсков (семен) в аквакультуре требует тщательного мониторинга для отслеживания уровня смертности и оценки здоровья на самых ранних стадиях жизни.
Тщательное наблюдение необходимо для составления производственного графика, определения воздействия встречающихся в природе вредных бактерий и обеспечения устойчивого производства семян. Это важный шаг для заводов по разведению моллюсков, но в настоящее время это трудоемкий ручной процесс, подверженный человеческим ошибкам.
При финансовой поддержке Лаборатории водных и пищевых систем Массачусетского технологического института имени Абдула Латифа Джамиля (J-WAFS) MIT Sea Grant работает с доцентом Отто Кордеро с факультета гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института, профессором Таскином Падиром и научным сотрудником Марком Золотасом из Северо-Восточного университета. Институт экспериментальной робототехники и другие представители Корпорации исследований аквакультуры (ARC) и Альянса коммерческих рыбаков Кейп-Кода с целью продвижения технологий для индустрии аквакультуры. Компания ARC, расположенная на Кейп-Коде, является ведущим заводом по разведению моллюсков, фермой и оптовым торговцем, который играет жизненно важную роль в предоставлении высококачественных семян моллюсков местным и региональным производителям.
Два студента Массачусетского технологического института в этом семестре присоединились к усилиям, работая с Робертом Винсентом, помощником директора по консультационным услугам MIT Sea Grant, в рамках Программы студенческих исследовательских возможностей (UROP).
Студент первого курса Уньиме Усуа и второкурсник Сантьяго Боррего используют микроскопические изображения семян моллюсков из ARC для обучения алгоритмам машинного обучения, которые помогут автоматизировать процесс идентификации и подсчета. Получившийся в результате удобный инструмент распознавания изображений призван помочь аквакультуристам дифференцировать и подсчитывать здоровые, нездоровые и мертвые личинки моллюсков, повышая точность и сокращая время и усилия.
Винсент объясняет, что искусственный интеллект — это мощный инструмент для науки об окружающей среде, который позволяет исследователям, промышленности и менеджерам ресурсов решать проблемы, которые долгое время были слабыми местами для точного сбора, анализа, прогнозирования и оптимизации процессов. «Финансовая поддержка со стороны таких программ, как J-WAFS, позволяет нам решать эти проблемы напрямую», — говорит он.
ARC сталкивается с проблемами при количественном определении классов личинок вручную, что является важным шагом в процессе производства семян. «Когда личинки находятся на стадии роста, их постоянно определяют по размеру и подсчитывают», — объясняет Шерил Джеймс, менеджер по производству личинок и молоди ARC. «Этот процесс имеет решающее значение для обеспечения оптимального роста и укрепления популяции».
Разработка автоматизированной системы идентификации и подсчета поможет улучшить этот этап производственного процесса, сэкономив время и средства. «Это непростая задача, — говорит Винсент, — но под руководством доктора Золотаса из Института экспериментальной робототехники Северо-Восточного университета и работы студентов УРОП мы добились значительного прогресса».
Программа UROP приносит пользу как исследователям, так и студентам. Вовлечение студентов MIT UROP в разработку систем такого типа позволяет получить представление о приложениях ИИ, о которых они, возможно, даже не задумывались, предоставляя возможности исследовать, учиться и применять себя, одновременно способствуя решению реальных задач.
Боррего рассматривал этот проект как возможность применить то, что он узнал на уроке 6.390 (Введение в машинное обучение), к реальной проблеме. «У меня начало формироваться представление о том, как компьютеры могут видеть изображения и извлекать из них информацию», — говорит он. «Я хотел продолжать исследовать это».
Компания Usua решила продолжить реализацию проекта из-за возможных прямых последствий для отрасли. «Мне очень интересно увидеть, как мы можем использовать машинное обучение, чтобы облегчить жизнь людей. Мы используем ИИ, чтобы помочь биологам упростить процесс подсчета и идентификации». Хотя Усуа не была знакома с аквакультурой до начала этого проекта, она объясняет: «Просто услышав об инкубаториях, о которых нам рассказывал д-р Винсент, было жаль, что немногие люди знают, что происходит и о проблемах, с которыми они сталкиваются». мы стоим лицом к лицу».
Только на Кейп-Коде аквакультура представляет собой отрасль с оборотом 18 миллионов долларов в год. Но по оценкам Массачусетского отдела морского рыболовства, инкубаторы способны удовлетворить лишь 70–80 процентов спроса на семена ежегодно, что влияет на местных производителей и экономику. В рамках этого проекта партнеры стремятся разработать технологию, которая увеличит производство семян, расширит возможности отрасли, а также поможет понять и улучшить микробиом инкубатория.
Боррего объясняет первоначальную проблему, связанную с ограниченностью данных для работы. «Сначала нам нужно было просмотреть и пометить все данные, но этот процесс помог мне многому научиться». В истинном духе MIT он делится своим выводом из проекта: «Постарайтесь извлечь максимальную пользу из того, что вам дают, с данными, с которыми вам приходится работать. Вам придется адаптироваться и менять свои стратегии в зависимости от того, что у вас есть».
Усуа описывает свой опыт проведения исследовательского процесса, общения в команде и принятия решения о том, какие подходы следует использовать. «Исследование — сложный и длительный процесс, но от него можно получить много пользы, потому что оно учит искать вещи самостоятельно и находить собственные решения проблем».
Помимо увеличения производства семян и сокращения трудозатрат, необходимых в инкубационном процессе, сотрудники ожидают, что этот проект будет способствовать экономии затрат и интеграции технологий для поддержки одной из наиболее недостаточно обслуживаемых отраслей в Соединенных Штатах.
Боррего и Усуа планируют продолжить свою работу в течение второго семестра в MIT Sea Grant. Боррего хочет узнать больше о том, как можно использовать технологии для защиты окружающей среды и дикой природы. Усуа говорит, что надеется изучить больше проектов, связанных с аквакультурой. «Похоже, что существует бесконечное количество способов решения этих проблем».