Sauver les algues grâce au machine learning | Nouvelles du MIT

L’année dernière, Charlene Xia ’17, SM ’20 s’est retrouvée à la croisée des chemins. Elle terminait sa maîtrise en arts et sciences médiatiques du MIT Media Lab et venait de soumettre des candidatures aux programmes de doctorat. Tout ce que Xia pouvait faire était de s’asseoir et d’attendre. Entre-temps, elle a réduit ses options de carrière, qu’elle ait ou non été acceptée dans un programme.

« J’avais deux réflexions : soit je vais obtenir un doctorat pour travailler sur un projet qui protège notre planète, soit je vais ouvrir un restaurant », se souvient Xia.

Xia a passé en revue sa vaste collection de livres de cuisine, recherchant des cuisines internationales alors qu’elle attendait avec impatience des nouvelles sur ses candidatures aux études supérieures. Elle s’est même penchée sur le coût d’un permis de food truck dans la région de Boston. Alors qu’elle commençait à élaborer des plans pour ouvrir un restaurant de brochettes à base de plantes, Xia a appris qu’elle avait été acceptée dans le programme d’études supérieures en génie mécanique du MIT.

Peu de temps après avoir commencé ses études de doctorat, le conseiller de Xia, le professeur David Wallace, l’a approchée avec une opportunité intéressante. MathWorks, une société de logiciels connue pour développer la plate-forme informatique MATLAB, avait annoncé un nouveau programme de financement de démarrage au département de génie mécanique du MIT. Le programme a encouragé des projets de recherche collaborative axés sur la santé de la planète.

« J’ai vu cela comme une opportunité super amusante de combiner ma passion pour la nourriture, mon expertise technique en ingénierie océanique et mon intérêt à aider notre planète de manière durable », a déclaré Xia.

Wallace savait que Xia serait à la hauteur de la tâche d’adopter une approche interdisciplinaire pour résoudre un problème lié à la santé de la planète. « Charlene est une étudiante remarquable avec un talent extraordinaire et une profonde réflexion. Elle est à peu près intrépide, relevant les défis dans presque tous les domaines avec la conviction bien fondée qu’avec des efforts, elle deviendra un maître », a déclaré Wallace.

Aux côtés de Wallace et de la professeure agrégée Stefanie Mueller, Xia a proposé un projet pour prédire et prévenir la propagation des maladies en aquaculture. L’équipe s’est particulièrement concentrée sur les fermes d’algues.

Déjà populaire dans les cuisines d’Asie de l’Est, les algues ont un potentiel énorme en tant que source alimentaire durable pour la population mondiale en constante augmentation. En plus de sa valeur nutritive, les algues combattent diverses menaces environnementales. Il aide à lutter contre le changement climatique en absorbant l’excès de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, et peut également absorber le ruissellement d’engrais, gardant les côtes plus propres.

Comme pour une grande partie de la vie marine, les algues sont menacées par ce qu’elles contribuent à atténuer : le changement climatique. Les facteurs de stress climatiques comme les températures chaudes ou la lumière solaire minimale encouragent la croissance de bactéries nocives telles que la maladie de la glace. En quelques jours, des fermes d’algues entières sont décimées par une croissance bactérienne incontrôlée.

Pour résoudre ce problème, Xia s’est tourné vers le microbiote présent dans ces fermes d’algues comme indicateur prédictif de toute menace pour les algues ou le bétail. « Notre projet est de développer un appareil à faible coût capable de détecter et de prévenir les maladies avant qu’elles n’affectent les algues ou le bétail en surveillant le microbiome de l’environnement », explique Xia.

L’équipe associe une technologie ancienne aux dernières technologies informatiques. À l’aide d’un microscope holographique numérique submersible, ils prennent une image 2D. Ils utilisent ensuite un système d’apprentissage automatique appelé réseau de neurones pour convertir l’image 2D en une représentation du microbiome présent dans l’environnement 3D.

« À l’aide d’un réseau d’apprentissage automatique, vous pouvez prendre une image 2D et la reconstruire presque en temps réel pour avoir une idée de ce à quoi ressemble le microbiome dans un espace 3D », explique Xia.

Le logiciel peut être exécuté dans un petit Raspberry Pi qui pourrait être attaché au microscope holographique. Pour comprendre comment communiquer ces données à l’équipe de recherche, Xia s’est appuyée sur ses recherches de maîtrise.

Dans ce travail, sous la direction du professeur Allan Adams et du professeur Joseph Paradiso du Media Lab, Xia s’est concentré sur le développement de petits appareils de communication sous-marins capables de relayer les données sur l’océan aux chercheurs. Plutôt que les 4 000 $ habituels, ces appareils ont été conçus pour coûter moins de 100 $, contribuant ainsi à réduire la barrière des coûts pour ceux qui souhaitent découvrir les nombreux mystères de nos océans. Les dispositifs de communication peuvent être utilisés pour relayer les données sur l’environnement océanique à partir des algorithmes d’apprentissage automatique.

En combinant ces dispositifs de communication à faible coût avec des images microscopiques et l’apprentissage automatique, Xia espère concevoir un système de surveillance en temps réel à faible coût qui peut être adapté pour couvrir des fermes d’algues entières.

« C’est presque comme avoir l’Internet des objets sous l’eau », ajoute Xia. « Je développe tout ce système de caméra sous-marine parallèlement à la communication sans fil que j’ai développée et qui peut me fournir les données pendant que je suis assis sur la terre ferme. »

Armés de ces données sur le microbiome, Xia et son équipe peuvent détecter si une maladie est sur le point de frapper ou non et de mettre en danger les algues ou le bétail avant qu’il ne soit trop tard.

Alors que Xia rêve encore d’ouvrir un restaurant, elle espère que le projet sur les algues incitera les gens à repenser la façon dont ils considèrent la production alimentaire en général.

« Nous devrions penser à l’agriculture et à la production alimentaire en termes d’écosystème dans son ensemble », dit-elle. « Mon méta-objectif pour ce projet serait d’amener les gens à penser à la production alimentaire d’une manière plus holistique et naturelle. »