Luchando contra los microplásticos con monitoreo de IA en tiempo real – El estado del planeta

La contaminación plástica representa una amenaza importante para nuestras vías fluviales y océanos. Columbia Engineering y Columbia Climate School están tomando medidas decisivas para abordar este problema.

Los colaboradores Beizhan Yan, profesor de investigación de Lamont en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Escuela Climática de Columbia, y Zoran Kostic, profesor de práctica profesional en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Ingeniería de Columbia, recibieron una subvención de 2,7 millones de dólares de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica ( NOAA) ) Programa Sea Grant para su último proyecto, «Limpieza y monitoreo de desechos plásticos de precisión: solución mejorada con inteligencia artificial para vías navegables y salud de los océanos sostenibles».

El premio destaca el compromiso federal para abordar la crisis de los desechos marinos. Como parte de los esfuerzos de la NOAA para proteger y preservar los recursos naturales de Estados Unidos, esta inversión apoya proyectos innovadores que prometen soluciones sostenibles a largo plazo al problema generalizado de la contaminación plástica. La investigación fue elegida por su potencial para tener un impacto significativo tanto a escala local como global.

Su proyecto combina experiencia en los campos de las ciencias ambientales, aplicaciones de inteligencia artificial (IA), diseño mecánico, procesamiento y comunicaciones de señales de baja energía, procesamiento de imágenes y videos, análisis de datos e Internet de las cosas (IoT).

«El proyecto ejemplifica el poder de la colaboración multidisciplinaria para abordar la contaminación plástica», afirma Yan. “Los enfoques actuales de recolección de plástico se han topado con desafíos de eficiencia, lo que lleva a la insostenibilidad. La urgente necesidad de colaboración es también la razón exacta por la que Thanos Bourtsalas y yo formamos la red de Análisis e Idoneidad de Soluciones para la Contaminación Plástica hace unos tres años, reuniendo experiencia en ingeniería, ciencia, política, salud ambiental y más para abordar este problema global. .”

Kostic añade: «Es muy gratificante poder colaborar con expertos en ciencias ambientales y utilizar mi experiencia científica y de ingeniería en IA y procesamiento de señales para beneficiar la causa de la ingeniería para una humanidad sana».

Recogida de residuos plásticos con automatización basada en IA

El proyecto aborda un desafío ambiental crítico: las grandes cantidades de desechos plásticos que ingresan a nuestros océanos desde ríos y costas. Los recolectores de residuos tradicionales a menudo tienen dificultades para diferenciar entre desechos plásticos y naturales, lo que genera ineficiencias y mayores costos de mantenimiento.

Dirigidos por Kostic, que también es miembro del Instituto de Ciencia de Datos de Columbia, los investigadores aportan a este trabajo una gran experiencia en aprendizaje profundo y aplicaciones de inteligencia artificial. El laboratorio Kostic, Aplicaciones de IA y Aprendizaje Profundo (AIDL), conocido por explorar soluciones impulsadas por IA en diversos campos, ahora emplea estas tecnologías avanzadas para abordar el acuciante problema de la contaminación del aire. Kostic se compromete a integrar la investigación de IA de vanguardia con aplicaciones del mundo real. Está involucrado en el Centro de Tecnología de Inteligencia Artificial de Columbia y su investigación reciente, presentada en la conferencia CVPR 2024, se centra en entornos de simulación basados ​​en datos para modelar el tráfico en intersecciones de calles metropolitanas utilizando datos de seguimiento del mundo real, diseñando latencia alta y baja. -sistemas de aprendizaje profundo de ancho de banda para aplicaciones de ciudades inteligentes y aplicaciones de inteligencia artificial en cirugía y análisis del habla.

Sistema avanzado de seguimiento y recogida.

El nuevo dispositivo aprovechará imágenes avanzadas de cámaras de color espectrales y de consumo para distinguir con precisión los plásticos de los desechos naturales, como hojas y ramas. Este enfoque selectivo, dicen los investigadores, mejora la eficiencia de la recolección de desechos y también minimiza la alteración ecológica al preservar los desechos naturales en su ecosistema.

Los prototipos, una vez desarrollados, se someterán a rigurosas pruebas en los ríos Hudson y Bronx. Esto asegura la adaptabilidad del sistema a diversas condiciones hidrológicas y su efectividad en escenarios del mundo real. Los investigadores planean crear una versión rentable para su implementación en países en desarrollo.

Resultados sostenibles e impacto global

Las capacidades de procesamiento a bordo e in situ del sistema reducirán significativamente los costos de clasificación y transporte al identificar y recolectar con precisión los desechos plásticos. La adaptabilidad de la tecnología promete amplias aplicaciones, dicen los investigadores, en los recolectores de desechos comerciales, y podría conducir a una adopción generalizada y ahorros sustanciales de costos.

El análisis ambiental y económico resaltará los beneficios de esta solución innovadora. Al evitar que los desechos plásticos lleguen a los océanos, el proyecto mitigará la generación de microplásticos y nanoplásticos, mejorará la salud de las vías fluviales y protegerá la vida acuática. Además, se mejorarán los esfuerzos de reciclaje mediante la despolimerización de los plásticos recolectados en monómeros reutilizables utilizando enzimas diseñadas.

Centrarse en la participación y la educación de la comunidad.

Un aspecto crucial de esta iniciativa es la participación de la comunidad. New York Sea Grant desarrollará materiales educativos y actividades prácticas para crear conciencia y fomentar la participación, particularmente en comunidades desatendidas. Clean Ocean Action ampliará estos esfuerzos en Nueva Jersey y Pensilvania, ampliando aún más el alcance y el impacto del proyecto.

Otros investigadores de este proyecto incluyen a Thanos Bourtsalas (Columbia Engineering), Nick Frearson y Joaquim Goes (Lamont-Doherty Earth Observatory), y Katherine Bunting-Howarth y Catherine Prunella (New York Sea Grant).

Tres cosas que debes saber sobre los microplásticos y nanoplásticos

1. Presencia en todas partes: Se han encontrado microplásticos, partículas diminutas de menos de 5 milímetros de tamaño, en entornos de todo el mundo, desde las partes más profundas del océano hasta el hielo del Ártico, e incluso en el aire que respiramos y los alimentos que consumimos. En el medio ambiente, los microplásticos pueden descomponerse aún más, formando nanoplásticos, partículas de plástico con tamaños inferiores a un micrómetro.
2. Escondido en Madría: Un estudio reciente de Yan demostró que el agua embotellada puede contener cientos de miles de partículas nanoplásticas por litro. Estos pequeños trozos suelen ser invisibles a la vista, pero pueden ser ingeridos por humanos y animales, lo que puede afectar a la salud.
3. Contaminantes persistentes: Los microplásticos son muy resistentes a la degradación ambiental. Pueden permanecer en los ecosistemas durante décadas, acumulándose y planteando riesgos a largo plazo para la vida marina y la seguridad alimentaria, ya que absorben y concentran contaminantes tóxicos. Debido al pequeño tamaño de las partículas, los nanoplásticos pueden ingresar al cuerpo humano y transportarse a órganos vitales como el hígado, lo que podría provocar resultados negativos para la salud. El proyecto financiado por la NOAA construirá sistemas inteligentes de recolección de plástico y, si tiene éxito, podría reducir en gran medida el aporte del río a los ambientes oceánicos.

Tina (Xintian) Wang es el gerente de eventos y relaciones externas para el Departamento de Ingeniería Eléctrica de Columbia. Esta publicación apareció originalmente en el sitio web de Columbia Engineering.