Ứng dụng robot để phục hồi san hô

Taryn Foster luôn tin rằng các rạn san hô đang chết dần chết mòn của Úc rồi sẽ hồi sinh trở lại - niềm tin thoạt nghe có vẻ cố chấp này là động lực để cô ấy gắng sức giải cứu chúng. Suốt nhiều năm qua, các nhà sinh vật học như cô đã chung tay giúp đỡ các rạn san hô đang vật lộn với nhiệt độ tăng cao và độ chua của đại dương: Họ đã thu thập các mảnh san hô và cắt chúng thành nhiều mảnh để nhân giống và phát triển chúng trong các vườn ươm trên đất liền; họ đã lai tạo các loài để phát triển khả năng chịu nhiệt; họ đã thử nghiệm chế phẩm sinh học để bảo vệ chống lại những căn bệnh nguy hiểm.

Dưới làn nước trong xanh, các loài san hô riêng lẻ được gọi là polyp xây dựng khung xương đá vôi của chúng bằng cách chiết xuất canxi carbonat từ nước biển. Sau đó, chúng hợp nhất với san hô có cùng cấu trúc di truyền để tạo thành những quần thể khổng lồ - rạn san hô. Nhưng khi đại dương hấp thụ nhiều carbon dioxide từ khí quyển, nước dần có tính axit hơn, khiến các polyp khó tạo khung xương hoặc ngăn chúng phân hủy. Axit hóa ức chế sự phát triển của rạn san hô và trong bối cảnh nhiệt độ đại dương tăng lên, san hô đang phải vật lộn để tồn tại.

Ở Rạn san hô Great Barrier, sự phát triển của san hô đã chậm lại trong những thập kỷ gần đây, một phần là do trong các đợt nắng nóng, san hô đẩy các loại tảo nhỏ sống bên trong các mô của chúng và đóng vai trò cung cấp chất dinh dưỡng cho chúng, khiến chúng bị tẩy trắng. San hô bị tẩy trắng không chết lập tức nhưng chúng phải đối diện với nhiều nguy cơ nghiêm trọng gây tử vong, đồng thời việc mất đi các rạn san hô sẽ góp phần tàn phá đời sống của hàng nghìn loài cá, cua và các động vật biển khác dựa vào chúng để làm nơi trú ẩn và thức ăn.

Trồng san hô thay thế trong vườn ươm và ghép chúng theo cách thủ công vào các rạn san hô hiện là công việc tốn nhiều công sức, tốn kém và chậm chạp. San hô là loài sinh trưởng từ từ một cách tự nhiên — chúng mất từ ​​3 đến 10 năm, tùy thuộc vào loài, để xây dựng khung xương có kích thước trưởng thành. Thông thường, các nhà bảo tồn sẽ nhân giống bằng cách cắt một đoạn san hô sống, sau đó ghép nó theo cách thủ công và giúp mảnh san hô phát triển khung xương cho chính nó.

Cô mong muốn mở rộng quy trình phục hồi, giúp sửa chữa các rạn san hô bị tẩy trắng nhanh hơn và thậm chí di dời các quần thể san hô đến các địa điểm tốt hơn để chống chọi với biến đổi khí hậu.

Foster bắt đầu trăn trở về việc này khi đang tiến hành luận án tiến sĩ về việc biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng đến các rạn san hô như thế nào, lúc bấy giờ hàng loạt sự kiện tẩy trắng san hô quy mô lớn đã xảy ra. Cô chuyển đến San Francisco để theo học tại Học viện Khoa học California, nhằm tìm hiểu cách thức điều chỉnh những công nghệ như robot, thiết kế 3D và kỹ thuật để mở rộng quy trình phục hồi san hô.

Vào năm 2019, TS. Foster quyết định thành lập công ty khởi nghiệp Coral Maker để đẩy nhanh quá trình này. Công ty đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là khôi phục một triệu san hô mỗi năm.

TS. Foster ban đầu dự định sử dụng máy in 3D để tái tạo hình dạng “phức tạp, đẹp đẽ” của san hô, nhưng cô dần nhận ra máy móc quá chậm để tạo ra đủ cấu trúc. “Càng tìm hiểu, tôi càng phát hiện ra rằng sẽ rất khó để mở rộng quy mô nếu chỉ in 3D, phải mất hàng giờ chỉ để in một khung xương”.

Giữa lúc đang loay hoay tìm kiếm phương án điều chỉnh, TS. Foster đã nhớ đến công ty của gia đình mình. Là một nhà sinh học biển, Taryn Foster không hy vọng mình sẽ tiếp tục sự nghiệp tại nhà máy mà cha mẹ đã gây dựng nên tại Geraldton, cách Perth 400km về phía Bắc. Đó là nơi sản xuất các vật liệu đá cho các dự án xây dựng như khối đá vôi, khối tường chắn và gạch lát nền. Cuối cùng, cô vẫn trở về với công ty của gia đình, nhưng theo một cách khác.

Cô nảy ra ý tưởng rằng có thể điều chỉnh các máy làm gạch truyền thống để tạo ra hàng nghìn khung xương ít phức tạp hơn có thể chứa các mảnh san hô. Ngay lập tức, cô tìm ra cách sử dụng máy đúc khô của gia đình để tạo ra các khuôn đá vôi giống với khung xương san hô tự nhiên, nhằm cung cấp cho san hô non một môi trường phù hợp để từ đó chúng có thể phát triển nhanh hơn.

Nguyên mẫu đầu tiên của khung xương Coral Maker có hình vòm và có sáu ô cắm để có thể đặt các mảnh san hô sống. Thiết kế khung xương lấy cảm hứng từ thiên nhiên: Nhiều loài như san hô não phát triển theo hình vòm, trong khi san hô phân nhánh hoặc san hô đĩa bay phát triển hướng lên trên từ một nền rắn. Nhưng khung xương hình mái vòm nhân tạo cũng gây ra nhiều trở ngại, Foster nói. “Chúng không dễ sản xuất như những vật liệu có bề mặt phẳng, chúng không dễ đóng gói trên kệ pallet, không dễ để dán các thứ lên chúng.” Đó là lý do tại sao Foster vẫn tiếp tục mày mò thiết kế để có thể sớm sản xuất tới 10.000 chiếc mỗi ngày với giá chỉ vài USD. Quy trình này sau đó có thể được nhân rộng trong các nhà máy khác.

Sau khi các mảnh san hô với khung xương tạo sẵn của chúng được “trồng”, chúng có thể đạt kích thước đầy đủ trong vòng 12 đến 18 tháng - nhanh hơn đáng kể so với điều kiện thường - nếu vị trí, điều kiện nước và ánh sáng phù hợp. San hô thích ấm, nhưng không quá ấm; sáng, nhưng không quá sáng; chúng thích những dòng nước mang thức ăn đến nhưng không phá hủy cấu trúc mong manh của chúng. “Chúng hơi kén chọn”, Foster đúc rút.

Foster đã trồng đợt san hô đầu tiên trong các khung xương nhân tạo suốt hơn một năm tại một trang trại san hô gần Đảo Abrolhos ở Tây Úc, nơi cô sống. Mục đích của cuộc thử nghiệm đầu tiên là để kiểm tra xem các thợ lặn có thể vận chuyển các khung xương đá vôi dễ dàng hay không, và san hô sinh trưởng như thế nào ở một khu vực có điều kiện thuận lợi. Vào ngày 2/12/2022, Foster và các đồng nghiệp của cô đã triển khai đợt trồng san hô thứ hai trên một khu vực có cát ở trang trại dưới nước. Lần này, các khung xương làm sẵn có hình đĩa, với một tay cầm nhỏ để người thợ lặn hoặc phương tiện điều khiển từ xa có thể nắm lấy.

Nhưng Foster vẫn chưa hài lòng. Ngay cả việc cấy hàng nghìn san hô khỏe mạnh, đã được phục hồi, lên các rạn san hô bị hư hại cũng không đủ để cứu lấy toàn bộ hệ sinh thái. “Chúng tôi cần một số phương án triển khai trên quy mô lớn”, cô suy nghĩ, và nhận ra rằng đây là lúc robot có thể vào cuộc. Các bước thủ công trong quá trình chuẩn bị sẽ phải được tự động hóa để tạo ra khoảng 1,7 triệu san hô trên 280.000 khung xương mỗi năm. Cô ấy đang làm việc với các nhà nghiên cứu tại Autodesk AI Lab ở San Francisco để phát triển và huấn luyện hai loại cánh tay robot có cảm biến hình ảnh: một loại có khả năng cắt các mảnh san hô thành những mảnh nhỏ hơn và dán chúng vào các ô và một loại có thể cấy các ô đó vào khung xương đá vôi. Các nhà nghiên cứu tại Autodesk không chỉ tạo ra phần mềm thiết kế, kỹ thuật và xây dựng 3D, mà các nhân viên của hãng trên khắp Bắc Mỹ và Anh đã hỗ trợ Coral Maker trong việc sử dụng cũng như sản xuất và tự động hóa robot.

Hiện Coral Maker đang trong quá trình gây quỹ vòng tài trợ hạt giống đầu tiên, công ty khởi nghiệp này cũng đang thử nghiệm cách sử dụng các cánh tay robot để cắm các mảnh san hô vào khung xương nhân tạo. Cô ấy hy vọng một khi các robot được đưa vào vận hành rộng rãi, sẽ có thêm nhiều dự án hồi sinh trên các rạn san hô và bờ biển khắp thế giới.

Theo Wired, Financial Review