Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation ist Norwegen der weltweit größte Produzent von gezüchtetem Atlantischen Lachs und ein High-Exporteur von Meeresfrüchten, während die Vereinigten Staaten nach wie vor der größte Importeur dieser Produkte sind. Zwei MIT-Studenten reisten kürzlich nach Trondheim, Norwegen, um die Spitzentechnologien zu erkunden, die in der Offshore-Aquakultur entwickelt und eingesetzt werden.
Beckett Devoe, ein Senior in künstlicher Intelligenz und Entscheidungsfindung, und Tony Tang, ein Junior in Maschinenbau, arbeiteten zunächst im Rahmen des Undergraduate Analysis Alternatives Program (UROP) mit MIT Sea Grant zusammen. Sie trugen zu Projekten bei, die sich auf das Design von Wellengeneratoren und Anwendungen des maschinellen Lernens zur Analyse der Gesundheit von Austernlarven in Brütereien konzentrierten. Während die küstennahe Aquakultur in Massachusetts und den Vereinigten Staaten ein etablierter Wirtschaftszweig ist, ist die Hochseezucht hier noch ein junges Feld, das mit einzigartigen und komplexen Herausforderungen konfrontiert ist.
Um diese aufstrebende Branche besser zu verstehen, hat MIT Sea Grant eine Gemeinschaftsinitiative namens AquaCulture Shock ins Leben gerufen, die aus einem Aquaculture Applied sciences and Schooling Journey Grant des Nationwide Sea Grant School Program finanziert wird. In Zusammenarbeit mit dem MIT-Scandinavia MISTI-Programm (MIT Worldwide Science and Expertise Initiatives) vermittelte MIT Sea Grant Devoe und Tang Sommerpraktika im Bereich Aquakultur bei SINTEF Ocean, einem der größten Forschungsinstitute in Europa.
„Die Möglichkeit, an diesem praktischen Aquakulturprojekt unter einer weltbekannten Forschungseinrichtung in einem Gebiet der Welt zu arbeiten, das für seine Innovationen in der Meerestechnologie bekannt ist – darum geht es bei MISTI“, sagt Madeline Smith, Geschäftsführerin von MIT-Scandinavia. „Studenten sammeln nicht nur wertvolle Erfahrungen in ihren Studienbereichen, sondern entwickeln auch kulturelles Verständnis und Fähigkeiten, die sie zu zukünftigen globalen Führungskräften machen.“ Beide Studenten arbeiteten im Aquaculture Robotics and Autonomous Methods Laboratory (ACE-Robotic Lab) von SINTEF Ocean, einer Einrichtung zur Entwicklung und Erprobung neuer Aquakulturtechnologien.
„Norwegen hat eine einzigartige Geographie mit all diesen Fjorden“, sagt Sveinung Ohrem, Forschungsmanager für die Aquaculture Robotics and Automation Group bei SINTEF Ocean. „Es gibt additionally viele geschützte Gewässer, was es best für die Meeresaquakultur macht.“ Er schätzt, dass es an der norwegischen Küste etwa tausend Fischfarmen gibt, und stellt einige der in der Branche eingesetzten Instrumente vor: Entscheidungssysteme zur Erfassung und Visualisierung von Daten für Landwirte und Betreiber; Roboter zur Inspektion und Reinigung; Umweltsensoren zur Messung von Sauerstoff, Temperatur und Strömungen; Echolote, die akustische Signale aussenden, um zu verfolgen, wo sich die Fische befinden; und Kameras zur Schätzung der Biomasse und zur Feinabstimmung der Fütterung. „Die Ernährung ist eine große Herausforderung“, stellt er fest. „Futter ist bei weitem der größte Kostenfaktor, daher führt die Optimierung der Fütterung zu einer deutlichen Senkung Ihrer Kosten.“
Während des Praktikums konzentrierte sich Devoe auf ein Projekt, das KI zur Optimierung der Fischfütterung einsetzt. „Ich versuche, mir die verschiedenen Gegebenheiten der Farm anzusehen – zum Beispiel, wie groß die Fische sind oder wie kalt das Wasser ist … und versuche damit, den Landwirten eine optimale Futtermenge für die besten Ergebnisse zu geben und gleichzeitig Geld für Futter zu sparen“, erklärt er. „Es struggle intestine, weitere maschinelle Lerntechniken zu erlernen und diese in einem realen Projekt zu verbessern.“
Im selben Labor arbeitete Tang an der Simulation eines Unterwasserfahrzeug-Manipulatorsystems, um mit einem Roboterarm durch Farmen zu navigieren und Schäden an Käfignetzen zu reparieren. Laut Ohrem sind heute in Norwegen Tausende von Aquakulturrobotern im Einsatz. „Der Umfang ist riesig“, sagt er. „Man kann nicht 8.000 Menschen haben, die 8.000 Roboter steuern – das ist weder wirtschaftlich noch praktisch machbar. Daher muss der Grad der Autonomie bei all diesen Robotern erhöht werden.“
Die Zusammenarbeit zwischen MIT und SINTEF Ocean begann im Jahr 2023, als MIT Sea Grant Eleni Kelasidi, eine Gastwissenschaftlerin vom ACE-Robotic Lab, zu Gast hatte. Kelasidi arbeitete mit dem Direktor des MIT Sea Grant, Michael Triantafyllou, und dem Professor für Maschinenbau, Themistoklis Sapsis, zusammen, um Steuerungen, Modelle und Unterwasserfahrzeuge für die Aquakultur zu entwickeln und gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen Fisch und Maschine zu untersuchen.
„Wir haben eine lange und fruchtbare Zusammenarbeit mit der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) und SINTEF, die mit wichtigen Bemühungen wie dem Aquakulturprojekt mit Dr. Kelasidi fortgesetzt wird“, sagt Triantafyllou. „Norwegen steht an der Spitze der Offshore-Aquakultur und MIT Sea Grant investiert in diesem Bereich, daher erwarten wir großartige Ergebnisse von der Zusammenarbeit.“
Kelasidi, der heute Professor an der NTNU ist, leitet außerdem das Subject Robotics Lab, das sich auf die Entwicklung robuster Robotersysteme für den Einsatz in sehr komplexen und rauen Umgebungen konzentriert. „Aquakultur ist einer der anspruchsvollsten Fachbereiche, in denen wir autonome Lösungen aufzeigen können, weil sich alles bewegt“, sagt sie. Kelasidi beschreibt die Aquakultur als einen zutiefst interdisziplinären Bereich, der mehr Studenten mit biologischem und technischem Hintergrund erfordert. „Wir können keine Technologien entwickeln, die in Industrien angewendet werden, in denen wir keine biologischen Komponenten haben“, erklärt sie, „und sie dann irgendwo anwenden, wo wir einen lebenden Fisch oder andere lebende Organismen haben.“
Ohrem bekräftigt, dass die Erhaltung des Wohlergehens der Fische der wichtigste Antrieb für Forscher und Unternehmen ist, die in der Aquakultur tätig sind, insbesondere da die Branche weiterhin wächst. „Die große Frage ist additionally“, sagt er, „wie kann man das sicherstellen?“ SINTEF Ocean verfügt über vier Forschungslizenzen für die Fischzucht, die sie in Zusammenarbeit mit SalMar, dem zweitgrößten Lachszüchter der Welt, betreiben. Die Schüler hatten die Gelegenheit, einen der Industriebetriebe, Singsholmen, auf der Insel Hitra zu besuchen. Die Farm verfügt über 10 große, runde Netzgehege mit einem Durchmesser von etwa 50 Metern, die tief unter der Oberfläche liegen und jeweils bis zu 200.000 Lachse beherbergen. „Ich konnte die Netze physisch berühren und sehen, wie der (Roboter-)Arm das Netz reparieren könnte“, sagt Tang.
Kelasidi betont, dass die vor Ort gewonnenen Informationen nicht im Büro oder Labor gelernt werden können. „Das öffnet einen und macht einem klar, wie groß die Herausforderungen oder wie groß die Einrichtungen sind“, sagt sie. Sie betont auch die Bedeutung der internationalen und institutionellen Zusammenarbeit, um dieses Forschungsgebiet voranzutreiben und widerstandsfähigere Robotersysteme zu entwickeln. „Wir müssen versuchen, dieses Drawback anzugehen und es gemeinsam zu lösen.“
MIT Sea Grant und das MIT-Scandinavia MISTI-Programm rekrutieren derzeit eine neue Kohorte von vier MIT-Studenten für ein Praktikum in Norwegen in diesem Sommer bei Instituten, die Offshore-Landwirtschaftstechnologien vorantreiben, darunter das Subject Robotics Lab der NTNU in Trondheim. Studierende, die sich für Autonomie, Deep Studying, Simulationsmodellierung, Unterwasserrobotersysteme und andere Bereiche im Zusammenhang mit der Aquakultur interessieren, werden ermutigt, sich an uns zu wenden Lily Keyes am MIT Sea Grant.