AI聽生病珊瑚的聲音、機器人、液態氮各出保育奇招

根據《Vox》報導，健康的珊瑚礁可以吸收高達97%的波浪能量，減緩沿海地區受風暴、海浪與洪水的衝擊。隨著海洋溫度上升，珊瑚礁面臨的威脅日益嚴重，數十年內可能遭遇生態浩劫，保護與復育珊瑚的多樣性成為維護海洋健康的首要任務，近年來，人工智慧與科技進步為復育工作帶來了重大進展。

海底世界常看到一叢一叢、長得像樹的珊瑚，他們是主要生長在熱帶水域，由許多珊瑚蟲（Polyps）組成的動物，珊瑚蟲會透過海水吸取碳酸鈣來形成堅硬的外殼，日積月累下形成了今日的珊瑚礁。雖然珊瑚礁只佔海底面積約0.2%，卻為超過1/4的海洋物種提供了棲息地。

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雖然珊瑚礁只佔海底面積約0.2%，卻為超過1/4的海洋物種提供了棲息地。照片來源：Hiroko Yoshii／Unsplash

珊瑚對海洋溫度與酸鹼度變化非常敏感，海洋溫度上升、酸性增強，都可能導致珊瑚生病或死亡。根據全球珊瑚礁監測網絡（Global Coral Reef Monitoring Network，GCRMN）的報告，海水溫度上升1.5°C，就可能造成全世界70％到90％的珊瑚消失。此外，更有科學家估計，在暖化威脅下，珊瑚將可能在2070年完全絕跡。

珊瑚的成長速度非常緩慢，一般復育珊瑚的方式通常會將小片珊瑚在陸地苗圃中培養後，再移植到受傷的珊瑚礁上。然而，這項作法不僅成本高昂且速度緩慢，僅能優先協助岌岌可危的珊瑚礁。為拯救暖化對珊瑚的影響，各地研究者研發出許多新科技，輔助珊瑚復育和保育行動。

機器人化身珊瑚復育好手

距離西澳海岸約60公里，在素有西澳大堡礁之稱的阿布羅霍斯群島（Abrolhos Islands）的淺水區域，科學家福斯特（Taryn Foster）與他的團隊正在訓練人工智慧（AI）投入珊瑚復育工作。

福斯特團隊設計用來培育珊瑚礁的底座，是具有凹槽、帶有手柄、由混凝土製成的扁平圓盤。科學家會訓練機器人將珊瑚碎片放入一個個小塞子（plugs）中，並插入底座，再將這些底盤分批放入海中。

測試至今的成果令人振奮，福斯特表示，「我們已部署了幾個不同珊瑚礁結構的模型，也在四種不同的珊瑚物種上測試，牠們都長得很好。」

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科學家福斯特（Taryn Foster）將用來培育珊瑚礁的底盤分批放入海中。照片來源：AUTODESK新聞稿

由福斯特成立的新創公司Coral Maker更進一步與軟體大廠歐特克（Autodesk）合作，訓練人工智慧及協作機器人（cobots），讓機器人與人類一起合作復育珊瑚，以加速復育進程。

機器人主要負責珊瑚復育過程中，一些重複拿取和放置的動作，如機器手臂負責將珊瑚碎片架接或黏接到培育底座上，研究員則用影像決定如何抓取。即使是同種珊瑚的碎片，形狀也大不相同，因此需要多加訓練機器人辨認珊瑚的形狀，以及如何放置這些珊瑚碎片。

Coral Maker的下一步是在一年半內將測試方案（PoC）移出實驗室。然而，將珊瑚放回海底也要耗費不少功夫，如何在不損害珊瑚或儀器的情況下達成這件事，仍是一大挑戰。

訓練AI聽音 為珊瑚健檢

除了透過機器人協助復育，AI也能幫助追蹤珊瑚礁的健康狀況。近年各界致力於珊瑚礁的聲景研究，然而珊瑚的聲景相當複雜，專家在分析錄音時往往十分吃力才能得知珊瑚的健康狀況。

2022年，一項發表在《生態指標》（Ecological Indicators）期刊上的研究取得了新進展，來自英國艾希特大學的科學家正在印尼海域進行名為Mars Coral Reef Restoration Project的珊瑚復育計畫，他們分別收集、記錄了數個健康與衰退珊瑚發出的聲音，並訓練AI學習辨識兩者差異，準確率高達92％，可望用來追蹤珊瑚復育計畫的進展。

英國倫敦大學學院生物多樣性與環境研究中心的博士候選人威廉（Ben Williams）表示，傳統調查中珊瑚的視覺與聽覺分析，須仰賴大量密集的勞力。此外，在水裡部署水聲儀，特別是在偏遠地區，也比實際請潛水專家實際下潛執行大規模調查，來得容易也經濟許多。

生活在珊瑚礁中的生物或魚類，可能會發出各種意義不明的聲響。使用機器學習演算法，研究團隊利用電腦篩選出人類耳朵無法監測到的聲音特徵（patterns），透過人工智慧，可以幫助分辨珊瑚整體是否健康，不僅辨識速度更快且更準確。

漂白與冷凍創新技術 幫助保育珊瑚

另一項保護珊瑚礁的新科技，是由德州農工大學研究團隊推出的「等體玻璃化（isochoric vitrification）」，挑選珊瑚碎片並冷凍保存，利用策略性的漂白技術加上液態氮，將珊瑚保存在負196°C的超低溫中，而不會被凍傷。

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科學家正在測試透過「等體玻璃化（isochoric vitrification）」技術協助珊瑚保育工作。照片來源：Cryopreservation and revival of Hawaiian stony corals using isochoric vitrification論文／Nature Communications

一年當中，珊瑚的繁殖期只有短短幾日。過往也有科學家利用冷凍保存的方式，在珊瑚繁殖期間收集生殖細胞，不過除了要配合繁殖時間，難以接近珊瑚的生長位置也是挑戰之一。德州農工大學研發出的創新技術，可以不受時間、地域限制，也不用在海中艱難地維護精密裝置，讓珊瑚復育工作迎來新的進展。

科學家首先需要將珊瑚樣本「漂白」，把珊瑚身上與之共生的光合藻類移除。接著透過技術，將珊瑚以玻璃狀態放在特殊的鋁製容器內保存，並以液態氮快速冷凍，之後再緩慢加熱、並於20分鐘內注入海水，讓珊瑚恢復生機，並讓解凍後的珊瑚成功存活到24小時，這項研究目前還在初步研究階段，下一階段的挑戰是提高珊瑚長期的存活率。

參考資料

• BBC（2023年9月12日），Robots are trained to help revive coral reefs
• Texas A&M University（2023年9月12日），Texas A&M-Led Team Devises Technique To Preserve Coral Samples, Holding Promise To Protect Reefs
• Autodesk，Coral Maker Saves The World’s Coral Reefs With Autodesk Technology
• Vox（2022年9月29日），Hurricane Ian shows Florida is vulnerable to extreme storms. Coral reefs can help.
• Looking Out for Hurricanes and Corals
• 明日科學（2023年8月31日），科學家透過「等體玻璃化」技術 漂白並冷凍珊瑚 以助保育
• University of Exeter（2022年5月27日），AI learns coral reef "song"