Projekt

Zurück zur Übersicht

A Flexible Underwater Distributed Robotic System for High-Resolution Sensing of Aquatic Ecosystems

Titel Englisch A Flexible Underwater Distributed Robotic System for High-Resolution Sensing of Aquatic Ecosystems
Gesuchsteller/in Martinoli Alcherio
Nummer 160726
Förderungsinstrument Sinergia
Forschungseinrichtung Laboratoire de systèmes et algorithmes intelligents distribués EPFL - ENAC - IIE - DISAL
Hochschule EPF Lausanne - EPFL
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Beginn/Ende 01.08.2015 - 31.07.2019
Bewilligter Betrag 1'675'708.00
Alle Daten anzeigen

Alle Disziplinen (7)

Disziplin
Andere Gebiete der Ingenieurwissenschaften
Maschineningenieurwesen
Elektroingenieurwesen
Oekologie
Informatik
Hydrologie, Limnologie, Glaziologie
Umweltforschung

Keywords (8)

Community assembly; Biodiversity; High-resolution water column sampling; Small-scale stratification and turbulence; Vehicle formation control; Niche differentiation; Distributed localization; Autonomous Underwater Vehicle (AUV)

Lay Summary (Französisch)

Lead
L'état de l'environnement et la santé de nos lacs est d'une grande importance pour la société et l'économie suisse. Les méthodes actuelles de surveillance sont souvent limitées à des mesures prises à quelques endroits, et ne donnent pas suffisamment de détails pour étudier et comprendre les phénomènes à petite échelle. Des robots sous-marins permettent un échantillonnage automatisé efficace, mais cette technologie n’a pas été adaptée pour des bassins d’eau douce comme nos lacs. Des nouveaux développements dans la robotique et ses composants clés nous donnent la possibilité d’envisager pour la première fois des techniques de mesure fortement parallèle, avec une haute résolution spatiale et en trois dimensions. Ces mesures permettront l'étude des phénomènes physiques et de l’écologie des lacs à petite échelle.
Lay summary

Le but de ce projet est de développer une flotte de robots sous-marins qui travaillent en collaboration pour collecter des mesures de qualité de l'eau à haute résolution, et d'utiliser ces mesures pour étudier les phénomènes physiques et écologiques à petite échelle dans les lacs suisses. Les robots ont été conçus spécifiquement pour être petits, portables et agiles pour simplifier l’opération sur le terrain. Dans ce projet, nous allons développer des nouvelles méthodes de communication, localisation et contrôle distribué. Cela permettra aux robots de mesurer des phénomènes locaux et de collecter des données simultanément à plusieurs endroits. Les données collectées par les robots pendant plusieurs campagnes de mesure dans les lacs suisses seront analysées pour mieux comprendre les processus à petite échelle, tels que la turbulence, la micro-stratification et la diversité spatiale du phytoplancton en réponse à la structure physique. Grâce à une meilleure compréhension des processus de mélange à petite échelle dans les lacs périalpins, les résultats du projet contribueront à l’étude de l'impact du changement climatique sur les niches écologiques et la biodiversité.


Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 13.08.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Autonomous Feature Tracing and Adaptive Sampling in Real-World Underwater Environments
Quraishi Anwar, Bahr Alexander, Schill Felix, Martinoli Alcherio (2018), Autonomous Feature Tracing and Adaptive Sampling in Real-World Underwater Environments, in 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Brisbane, AustraliaIEEE Press, Brisbane, Australia.
Vertex: A New Distributed Underwater Robotic Platform for Environmental Monitoring
Schill Felix, Bahr Alexander, Martinoli Alcherio (2018), Vertex: A New Distributed Underwater Robotic Platform for Environmental Monitoring, in Distributed Autonomous Robotic Systems (DARS 2016), Springer Tracts in Advanced Robotics (STAR) , LondonSpringer, London.
Bacteria-induced mixing in natural waters
Sommer Tobias, Danza F. Berg J. Sengupta A. Constantinescu G. Tokyay T. Buergmann H. Dressler Y., Sepulveda Steiner Oscar, Schubert C.J. Tonolla M., Wueest Alfred (2017), Bacteria-induced mixing in natural waters, in Geophysical Research Letters, 44(18), 9424-9432.
Patterns and drivers of deep chlorophyll maxima structure in 100 lakes: The relative importance of light and thermal stratification
Leach Taylor H., Ibelings Bastiaan W., Verburg Piet (2017), Patterns and drivers of deep chlorophyll maxima structure in 100 lakes: The relative importance of light and thermal stratification, in Limnology and Oceanography, LNO 10656.
Limnological research in and around the European Alps–Linking up research stations, people, ideas, and perspectives for SIL at an inter-regional scale
Rasconi Serena, Kainz Martin J., Ibelings Bastiaan W. (2017), Limnological research in and around the European Alps–Linking up research stations, people, ideas, and perspectives for SIL at an inter-regional scale, in Inland Waters, 7(1), 1-2.
Automated high frequency monitoring for improved lake and reservoir management
Marcé Rafael, Ibelings Bastiaan W., Jennings Eleanor (2016), Automated high frequency monitoring for improved lake and reservoir management, in Environmental Science and Technology, 50(20), 10780-10794.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Dr Laurent Seuront, CNRS, Laboratory for Oceanography and Geosciences, Wimereux Frankreich (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
Prof. Jakob Pernthaler (University of Zurich) Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Forschungsinfrastrukturen
Dr Patrick Venail, Institute Forel, University of Geneva, Versoix Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
Prof. Antonio Pascoal, IST, Lisbon Portugal (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Prof George Constantinescu, Maxwell Stanley Hydraulics Laboratory, University of Iowa Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
Prof. Antonio Pedro Aguiar, IST Lisbon and University of Porto Portugal (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Prof. Alexander Forrest (University of California, Davis, Dept. Civil & Env Eng) Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern
Prof Christel Hassler, Institute Forel, University of Geneva, Versoix Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
Prof Rob E. Uittenbogaard, Hydrodynamics, Physics, Turbulence modelling, Deltares, Delft Niederlande (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
Dr Francesco Pomati, Eawag, Dübendorf Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
Dr. Lisette de Senerpont Domis, Netherlands Institute of Ecology, Wageningen Niederlande (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
Dr Orlane Anneville, INRA CARRTEL, Thonon les Bains Frankreich (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Physical Processes in Natural Waters Vortrag im Rahmen einer Tagung • Diurnal variation in the convection-driven vertical distribution of phytoplankton under ice and after ice-off in the large Lake Onego (Russia) 20.08.2018 Solothurn, Schweiz Suarez Bolanos Ena; Ibelings Bastiaan;
21st International Workshop on Physical Processes in Natural Waters Vortrag im Rahmen einer Tagung Day and night bio-convection in Lake Cadagno 20.08.2018 Solothurn, Schweiz Wüest Alfred; Sepùlveda Steiner Oscar;
ASLO Vortrag im Rahmen einer Tagung Niche differences trump relative fitness differences in predicting the co-existence of phytoplankton 11.06.2018 Victoria, Kanada Ibelings Bastiaan;
8th International Symposium on Environmental Hydraulics, University of Notre Dame, Indiana, USA Vortrag im Rahmen einer Tagung Measuring bio-convection in natural waters 04.06.2018 Notre Dame, Indiana, USA, Vereinigte Staaten von Amerika Schill Felix; Sepùlveda Steiner Oscar; Wüest Alfred;
2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) Vortrag im Rahmen einer Tagung Autonomous Feature Tracing and Adaptive Sampling in Real-World Underwater Environments 21.05.2018 Brisbane, Australien Quraishi Anwar Ahmad;
INTECOL 12 (plenary keynote talk) Vortrag im Rahmen einer Tagung From vials to lakes: on the role of environmental complexity for eco-evolutionary feedbacks in microbial communities 20.08.2017 Beijing, China Ibelings Bastiaan;
Cours d'Hydrogéologie Microbienne Einzelvortrag Bioconvection in Lake Cadagno 13.07.2017 CBA-Cadagno, Schweiz Sepùlveda Steiner Oscar;
Distributed Autonomous Robotic Systems (DARS 2016) Poster Vertex: A New Distributed Underwater Robotic Platform for Environmental Monitoring 07.11.2016 London, Grossbritannien und Nordirland Schill Felix;
Ecosummit 2016 Vortrag im Rahmen einer Tagung Cyanobacterial blooms: what you see is what you get 29.08.2016 Montpellier, Frankreich Ibelings Bastiaan;
Water Sciences / Physical Processes in Natural Waters Einzelvortrag 20 years of PPNW: Ever-growing interest in the geosciences of inland water 14.07.2016 University of Bath, Grossbritannien und Nordirland Wüest Alfred;
Global Lake Ecology Observatorories Network - GLEON18 Vortrag im Rahmen einer Tagung Limnology in the Alps 04.07.2016 Lunz, Österreich Ibelings Bastiaan; Tiffay Marie-Caroline;
CSF Conference - Fluid Mechanics and Collective Behavior: From Cells to Organisms, Ascona Vortrag im Rahmen einer Tagung Bacteria induced mixing in natural waters 05.04.2016 CSF Ascona, Switzerland, Schweiz Wüest Alfred;
Workshop: Physical Processes in Natural Waters, Landau Germany Vortrag im Rahmen einer Tagung Bioconvection in Lago di Cadagno 28.08.2015 Landau, Germany, Deutschland Wüest Alfred;


Veranstaltungen zum Wissenstransfer

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
EPFL Open Days 2016 Performances, Ausstellungen (z.B. für Bildungsinstitute) 05.11.2016 EPFL, Lausanne, Schweiz


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen ENAC Research Day Westschweiz 2018
Medienarbeit: Printmedien, Online-Medien Wir sind die Roboter Bilanz Deutschschweiz 2017
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen EPFL Open Days Westschweiz 2016
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen Limnology in the Alps International 2016

Auszeichnungen

Titel Jahr
Best Poster Award, DARS 2016 (endowed by Springer) http://dars2016.org/awards/ 2016

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
140538 Lake Kivu - turbulence and double diffusion in permanent stratification 01.04.2012 Projektförderung (Abt. I-III)
179123 Primary production under oligotrophication in lakes 01.08.2018 Projektförderung (Abt. I-III)
166260 On the role of bioactive compounds in the co-evolutionary struggle between toxic cyanobacteria and their chyhtrid parasites 01.09.2016 Projektförderung (Abt. I-III)
146652 Oxygen depletion in a deep perialpine lake 01.07.2013 Projektförderung (Abt. I-III)
157779 Léman exploration (LÉXPLORE) 01.05.2015 R'EQUIP

Abstract

The long-term goal of the proposed project is building the capacity and expertise in underwater-robot-based sampling for mapping physical-chemical-biological quantities at high spatial and temporal resolution in many lakes worldwide. Practically, its goal is to produce high-resolution scans of the water column over tens and hundreds of meters at cm- (vertical) to dm-scales (horizontal). Besides the classical applications of tracing and mapping, this technology will prove essential for the interdisciplinary study of small-scale processes such as small-scale mixing processes and their impact on phytoplankton dynamics and diversity. The initial goal of this proposed three-year project is to further develop an Autonomous Underwater Vehicle (AUV), which will be prototyped before the start of this project. This AUV is built from the bottom up to allow for highly innovative distributed robotic concepts. Within this project, up to four coordinated vehicles will each simultaneously probe eight sensing modalities, but the hardware as well as the control algorithms will be scalable to dozens of vehicles. This will require the combination of methods and technologies, available in two large bodies of robotics research, in an unprecedented way: distributed robotics (where until now most achievements were obtained using ground and flying platforms) and underwater robotics. As a first step we will focus on the optimization of the individual technologies necessary for the investigation of the small-scale phenomena in lakes, such as motion control, sensor noise reduction and coordination of multiple AUVs. We will start with using individual AUVs for sampling physical and biological variables in a well-defined scientific context and will then systematically scale to more heterogeneous and energetic lake waters while operating up to four simultaneously sampling AUVs. With such field studies in four different lakes in Switzerland, we aim to unravel small-scale physical processes in lakes in two- to three-dimensional structures, such as shear- and thermal-induced turbulence, patchiness of properties, micro-stratification and submesoscale lateral structures. Besides the small-scale physical characterization of the water column, the quantification of the small-scale structuring of phytoplankton diversity in response to the physical structure is a clear focus of the project. The ultimate scientific goal of our project is to understand how the interaction between small-scale mixing processes and gradients of key phytoplankton resources like nutrients or light determine phytoplankton biodiversity in alpine lakes. The key hypothesis we aim to test, using the AUVs, is that climate warming has resulted in enhanced physical structure of the water column, generating a more heterogeneous lake environment allowing a larger number of plankton species to co-exist through spatial niche differentiation. This is hypothesized to promote plankton biodiversity. The phytoplankton studies proposed here aim to collect high quality data on the spatial and temporal reorganization of lake phytoplankton in response to dynamics in fine-scale physics. The proposed development opens perspectives for a large set of experiments and field studies in aquatic ecology worldwide, and will be supported by the new possibilities of remote sensing.
-