I ricercatori hanno sviluppato un programma di intelligenza artificiale (AI) in grado di fornire automaticamente l'identificazione a livello di specie di organismi marini microscopici. Il prossimo passo è incorporare l'intelligenza artificiale in un sistema robotico che aiuterà a far progredire la nostra comprensione degli oceani del mondo, sia ora che nel nostro passato preistorico.

Nello specifico, il programma AI si è dimostrato in grado di identificare sei specie di foraminiferi, o forami – organismi che sono stati prevalenti negli oceani della Terra per più di 100 milioni di anni.

I foram sono protisti, né pianta né animale. Quando muoiono, lasciano le loro minuscole conchiglie, la maggior parte meno di un millimetro di larghezza. Questi gusci forniscono agli scienziati informazioni sulle caratteristiche degli oceani così come esistevano quando i forami erano vivi. Per esempio, diversi tipi di specie di foram prosperano in diversi tipi di ambienti oceanici, e le misurazioni chimiche possono dire agli scienziati di tutto, dalla chimica dell'oceano alla sua temperatura quando si stava formando il guscio.

Però, valutare quelle conchiglie e fossili di foram è sia noioso che dispendioso in termini di tempo. Ecco perché un team interdisciplinare di ricercatori, con competenze che vanno dalla robotica alla paleoceanografia, sta lavorando per automatizzare il processo.

"A questo punto, l'IA identifica correttamente i moduli circa l'80% delle volte, che è meglio della maggior parte degli umani addestrati, "dice Edgar Lobaton, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la North Carolina State University e coautore di un articolo sul lavoro.

"Ma questa è solo la prova del concetto. Ci aspettiamo che il sistema migliori nel tempo, perché l'apprendimento automatico significa che il programma diventerà più accurato e più coerente con ogni iterazione. Abbiamo anche in programma di espandere la competenza dell'IA, in modo che possa identificare almeno 35 specie di forami, piuttosto che gli attuali sei."

Il sistema attuale funziona ponendo un foro sotto un microscopio in grado di scattare fotografie. Un anello LED illumina il foro da 16 direzioni, una alla volta, mentre acquisisce un'immagine del foro a ogni cambio di luce. Queste 16 immagini vengono combinate per fornire quante più informazioni geometriche possibili sulla forma del foro. L'IA utilizza quindi queste informazioni per identificare le specie del foram.

La scansione e l'identificazione richiedono solo pochi secondi, ed è già veloce – o più veloce – degli esperti umani più veloci.

"Più, l'intelligenza artificiale non si stanca né si annoia, " Dice Lobaton. "Questo lavoro dimostra il successo del primo passo verso la costruzione di una piattaforma robotica che sarà in grado di identificare, seleziona e ordina automaticamente i moduli."

Lobaton e i suoi collaboratori hanno ricevuto una borsa di studio dalla National Science Foundation (NSF), a partire da gennaio 2019, per costruire il sistema robotico completamente funzionante.

"Questo lavoro è importante perché gli oceani coprono circa il 70% della superficie terrestre e svolgono un ruolo enorme nel suo clima, "dice Tom Marchitto, professore associato di scienze geologiche presso l'Università del Colorado, Masso, e corrispondente autore dell'articolo.

"I forum sono onnipresenti nei nostri oceani, e la chimica dei loro gusci registra le caratteristiche fisiche e chimiche delle acque in cui sono cresciuti. Questi minuscoli organismi testimoniano proprietà passate come la temperatura, salinità, acidità e concentrazione di nutrienti. A nostra volta possiamo usare queste proprietà per ricostruire la circolazione oceanica e il trasporto di calore durante gli eventi climatici passati.

"Questo è importante perché l'umanità è nel mezzo di un involontario, 'esperimento' climatico su scala globale dovuto alla nostra emissione di gas serra, Dice Marchitto. “Per prevedere gli esiti di quell'esperimento abbiamo bisogno di una migliore comprensione di come si comporta il clima della Terra quando il suo bilancio energetico viene alterato. La nuova IA, e il sistema robotico che consentirà, potrebbe accelerare in modo significativo la nostra capacità di saperne di più sulla relazione tra il clima e gli oceani su vaste scale temporali".

La carta, "Identificazione automatizzata a livello di specie di foraminiferi planctici utilizzando reti neurali convoluzionali, rispetto alle prestazioni umane, " è pubblicato sulla rivista Micropaleontologia Marina .