هوش مصنوعی به کمک پاکسازی پلاستیک از اقیانوس‌ها آمد

آلودگی پلاستیکی اقیانوس‌ها به‌عنوان بحران سیاره‌ای هولناک، شاهدی گسترده بر مصرف ناپایدار و سوءمدیریت زباله است. مقیاس این بحران سرسام‌آور است؛ سالانه میلیون‌ها تن زباله پلاستیکی به اکوسیستم‌های دریایی نفوذ می‌کنند، بر تنوع زیستی تاثیر می‌گذارند، امنیت غذایی را تهدید و حتی از طریق آلودگی میکروپلاستیک زنجیره غذایی، خطراتی را برای سلامت انسان ایجاد می‌کنند.

نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که چگونه الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند راندمان حذف پلاستیک را بیش از ۶۰ درصد افزایش دهند، جهشی قابل‌توجه که رویای اقیانوس‌های بدون پلاستیک را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

هوش مصنوعی می‌تواند پاکسازی اقیانوس‌ها را متحول کند

هوش مصنوعی (AI)، با مجموعه‌ای از فناوری‌ها که تغییر پارادایمی در ظرفیت ما برای مشاهده، تجزیه‌وتحلیل و در نهایت مبارزه با آلودگی پلاستیکی اقیانوس ارائه می‌دهد، وارد این عرصه شده است. پتانسیل هوش مصنوعی در توانایی آن در پردازش مجموعه داده‌های عظیم، تشخیص الگوهای ظریف غیرقابل تشخیص برای چشم انسان و خودکارسازی وظایف دشوار، نهفته است و در نتیجه تلاش‌های نظارتی را متحول می‌کند. از تجزیه‌وتحلیل تصاویر ماهواره‌ای گرفته تا نظارت مبتنی بر پهپاد و نظارت صوتی، توانایی این فناوری برای پرداختن به چالش‌های زیست‌محیطی، اجتماعی و اقتصادی را نشان می‌دهند. این فناوری‌ها در حال نفوذ به تحقیقات اقیانوس‌شناسی و مدیریت محیط زیست هستند و نوید درک جامع‌تر و بلادرنگ‌تری از توزیع و تجمع پلاستیک را می‌دهند.

سایت ارث گزارش کرد، تاکنون، تلاش‌های پاکسازی اقیانوس‌ها بر اساس راهبردهای مسیریابی نسبتا ساده و دستی انجام می‌شد؛ کشتی‌هایی که برای پلاستیک‌های شناور در آب‌های آزاد تور ماهیگیری پهن می‌کردند، مسیرهای مستقیمی را دنبال می‌کردند، اغلب بدون اینکه با تغییر تراکم پلاستیک یا آب‌وهوای غیرقابل پیش‌بینی سازگار شوند.

این تحقیق جدید که بین سال‌های ۲۰۲۲ تا ۲۰۲۴ انجام شد، این فرآیند را به‌طور اساسی تغییر داد. این گروه، مدل بهینه‌سازی غیرخطی و پویا ایجاد کرد که حتی هنگام مدیریت مناطق وسیع اقیانوس، موثرترین مسیرهای جمع‌آوری پلاستیک را در عرض چند ثانیه پیدا می‌کند. این روش تغییرات در تراکم پلاستیک، الگوهای آب‌وهوایی و تاثیر خود سیستم بر محیط زیست را در نظر می‌گیرد و بدون افزایش هزینه‌های عملیاتی، نتایج به‌طور قابل‌توجهی بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهد.

کاربردهای فعلی هوش مصنوعی در پایش پلاستیک‌های اقیانوسی کدامند؟

در حال حاضر، چندین طرح پیشگام از هوش مصنوعی برای مقابله با جنبه‌های مختلف چالش پلاستیک‌های اقیانوسی استفاده می‌شود. این کاربردهای اولیه، در حالی که هنوز در حال تکامل هستند، پتانسیل دگرگون‌کننده این فناوری‌ها را نشان می‌دهند.

مدل‌های هوش مصنوعی مسیرهایی برای حذف پلاستیک پیدا می‌کنند

در هسته این نوآوری، یک مدل ریاضی پیچیده وجود دارد. چالش فقط پیمایش از یک نقطه به نقطه دیگر نیست، بلکه به حداکثر رساندن جمع‌آوری پلاستیک در طول زمان است.

تحلیل تصاویر ماهواره‌ای و هوایی

یکی از امیدوارکننده‌ترین راه‌ها، استفاده از هوش مصنوعی برای تحلیل تصاویر ماهواره‌ای و هوایی است. الگوریتم‌های آموزش‌دیده بر اساس مجموعه داده‌های مربوط به نشانه‌های پلاستیکی می‌توانند تجمعات بزرگی از پلاستیک شناور را حتی در مناطق دورافتاده اقیانوس، شناسایی کنند. این رویکرد پوشش مکانی بی‌سابقه‌ای را ارائه می‌دهد و امکان نظارت بر بخش‌های وسیعی از اقیانوس را فراهم می‌کند که بررسی دستی آنها غیرممکن است. علاوه بر این، تحلیل زمانی داده‌های ماهواره‌ای می‌تواند حرکت و پراکندگی تکه‌های پلاستیکی را در طول زمان آشکار کند و بینش‌هایی در مورد مناطق تجمع و مسیرهای انتقال ارائه دهد.

پهپادهای مجهز به دوربین‌هایی با وضوح بالا و تشخیص تصویر مبتنی بر هوش مصنوعی، قابلیت نظارت محلی‌تر اما بسیار دقیقی را ارائه می‌دهند

به‌عنوان مثال، مدل‌های یادگیری ماشینی برای تمایز قائل شدن بین جلبک دریایی، زباله‌های طبیعی و پلاستیک در تصاویر ماهواره‌ای در حال توسعه هستند و دقت و قابلیت اطمینان سنجش از دور را برای تشخیص آلودگی افزایش می‌دهند. این سیستم‌ها هنوز کامل نیستند و پوشش ابر، عملکرد موج و شباهت طیفی بین پلاستیک و سایر مواد می‌تواند چالش‌هایی را ایجاد کند. با این حال، تحقیقات مداوم بر اصلاح الگوریتم‌ها و ادغام داده‌ها از چندین حسگر ماهواره‌ای برای غلبه بر این محدودیت‌ها و بهبود نرخ تشخیص، به ویژه برای قطعات پلاستیکی کوچکتر و زباله‌های غوطه‌ور، متمرکز است.

نظارت بصری مبتنی بر پهپاد

پهپادهای مجهز به دوربین‌هایی با وضوح بالا و تشخیص تصویر مبتنی بر هوش مصنوعی، قابلیت نظارت محلی‌تر اما بسیار دقیقی را ارائه می‌دهند. این وسایل نقلیه هوایی می‌توانند برای بررسی مناطق ساحلی، دهانه رودخانه‌ها و بندرگاه‌ها به‌عنوان نقاط ورودی کلیدی آلودگی پلاستیکی به اقیانوس مستقر شوند. مزیت پهپادها در انعطاف‌پذیری، مقرون‌به‌صرفه بودن آنها در مقایسه با هواپیماهای سرنشین‌دار و توانایی کار در مناطقی است که برای کشتی‌های بزرگتر غیرقابل دسترسی هستند. علاوه بر این، پهپادها می‌توانند به حسگرهایی فراتر از دوربین‌های بصری، مانند تصویربردارهای فراطیفی، مجهز شوند که می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری در مورد ترکیب زباله‌های پلاستیکی ارائه دهند.

پایش صوتی و رباتیک زیر آب

در حالی که پایش سطحی و هوایی بسیار مهم هستند، بخش قابل‌توجهی از آلودگی‌های پلاستیکی، به ویژه میکروپلاستیک‌ها، در زیر سطح اقیانوس وجود دارند. پایش صوتی، با استفاده از هوش مصنوعی برای تجزیه‌وتحلیل صداهای زیر آب، رویکردی جدید برای شناسایی و ردیابی زباله‌های پلاستیکی ارائه می‌دهد. انواع خاصی از پلاستیک، هنگام تعامل با جریان‌های آب یا موجودات دریایی، امضاهای صوتی منحصربه‌فردی ایجاد می‌کنند که الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند تشخیص آنها را یاد بگیرند. این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود است، اما نتایج تحقیقات اولیه نشان می‌دهد که پتانسیل آن برای نظارت بر زیرسطحی در مقیاس بزرگ وجود دارد.

مکمل روش‌های صوتی، ربات‌های زیر آب یا وسایل نقلیه زیر آب خودران (AUV) مجهز به دوربین و حسگر هستند. هوش مصنوعی این ربات‌ها را قادر می‌سازد تا به صورت خودران حرکت کنند، زباله‌های پلاستیکی را در کف دریا یا در ستون آب شناسایی کنند و حتی نمونه‌ها را برای تجزیه و تحلیل بیشتر جمع‌آوری کنند.

آلودگی پلاستیک اقیانوس به راه‌حل‌های جدید نیاز دارد

آلودگی پلاستیک در اقیانوس‌ها به سطوح فاجعه‌باری رسیده است. برآوردهای اخیر نشان می‌دهد که بیش از ۱۷۰ تریلیون ذره پلاستیکی در دریا شناور هستند. با وجود گفت‌وگوهای جهانی در مورد تغییرات اقلیمی، آلودگی پلاستیک اقیانوس همچنان بحران فوری اما اغلب نادیده گرفته شده است.

محققان اظهار کردند: هوش مصنوعی و تحقیقات عملیاتی فقط برای امور مالی یا فناوری نیستند، آنها می‌توانند به‌طور فعال چالش‌های زیست‌محیطی را رفع کنند. با تجزیه‌وتحلیل هوشمندانه‌تر، می‌توانیم تلاش‌های پاکسازی اقیانوس‌ها را بسیار موثرتر کنیم و به آینده‌ای بدون پلاستیک نزدیک‌تر شویم.

تجمع پلاستیک بدون مداخله، هر ساله چهار درصد افزایش خواهد یافت و در حال حاضر، در ماموریت‌های پاکسازی اقیانوس از هوش مصنوعی استفاده می‌شود. برخلاف بسیاری از نوآوری‌های دانشگاهی که در تئوری محصور مانده‌اند، این مدل هوش مصنوعی به سرعت به سمت کاربرد در دنیای واقعی حرکت کرده است.

محققان فراتر از تقویت عملیات پاکسازی فعلی، بررسی کردند که چگونه مدل بهینه‌سازی آنها می‌تواند به توسعه فناوری در آینده کمک کند. هوش مصنوعی می‌تواند پاکسازی‌ها را فراتر از اقیانوس‌ها افزایش دهد و نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که تکنیک‌های بهینه‌سازی هوش مصنوعی می‌توانند تاثیر ابتکارات زیست‌محیطی موجود را به‌طور اساسی تقویت کنند.

با ایجاد ابزارها و چارچوب‌های دسترسی آزاد، گروه تحقیقاتی همچنین تضمین می‌کند که نوآوری‌های آنان می‌تواند برای سایر ماموریت‌ها نیز سازگار شود. این کار پیشگامانه نشان می‌دهد که هوش مصنوعی می‌تواند تعادل را تغییر دهد. با ادغام بهینه‌سازی بلادرنگ با اقدامات زیست‌محیطی، رویای اقیانوس‌های عاری از پلاستیک از ایده‌آلیسم به واقعیت عملی تبدیل می‌شود. علم، فناوری و حل مسئله‌ آرمانی اکنون دست در دست هم برای التیام قلب آبی سیاره‌ ما تلاش می‌کنند.

نتایج این تحقیق در نشریه Operations Research منتشر شده است.