De door Kelp Blue aangeplante zeewierbossen in Shearwater Bay, Namibië.
© P.J. Kotzé
Tekst Kim Bakker
Wereldwijd zijn zeewierbossen van onschatbare waarde in de strijd tegen klimaatverandering. Studententeam Epoch ontwikkelde een AI-model om ze te monitoren. Ze wonnen daarmee een internationale prijs.
Voor een kwart van de wereldwijde kustlijnen liggen uitgestrekte bossen die zelden door een mens worden gezien. Onder de zeespiegel strekken gigantische wieren zich uit tot wel veertig meter hoog. Deze kelpbossen zijn toevluchtsoorden en voedingsbronnen voor talloze onderwaterdieren. De wierwouden komen over de hele wereld voor: van de noordelijke tot de zuidelijke poolwateren. Naar schatting beslaan ze samen een oppervlakte ter grootte van Europa. Vooral de tientallen meters hoge reuzenkelp springt in het oog. Deze vormt aan het zeeoppervlak een afdak voor het leven eronder. Maar voor de Californische kust rest inmiddels weinig meer dan een woestijnachtige zeebodem, vertelt onderzoeker Derek Lomas (faculteit Industrieel Ontwerpen). Lomas houdt zich bezig met positieve AI, ofwel: hoe kan AI de wereld mooier maken? Voor hij naar Delft kwam, woonde hij in het Amerikaanse San Diego. Aan de kust daar zag hij in het afgelopen decennium 90 procent van alle kelpbossen verdwijnen.
Een zeewierbos vanuit de lucht.
© Kelp Blue
Reuzenkelp aan het zee-oppervlak voor de kust van Namibië.
© Kelp Blue
Zonnebloemster
Dit is het gevolg van de massale sterfte van de zonnebloemster, een 24-armige zeester die jaagt op zee-egels. Door een onbekende ziekte verloor vrijwel de hele populatie in het gebied in enkele jaren tijd alle ledematen. Het door klimaatverandering opgewarmde zeewater is mogelijk de oorzaak. Wat overbleef waren zielige hoopjes pulp. Zonder het roofdier plantte hun prooi, de zee-egel, zich al kelp-etend voort. Duikers voor de Californische kust stuiten sindsdien op kale woestijnen vol zee-egels. Die gaan nergens heen, want ze kunnen jaren zonder eten. Kelp krijgt geen kans. In een poging het tij te keren, nemen zijn duikende vrienden een hamer mee de zee in, vertelt Lomas. Om de zee-egels te kop in te slaan. Inmiddels lopen er programma’s om de jagende zonnebloemster te herintroduceren. Om te zien of dat werkt, kun je duikers steekproeven laten nemen. Veel efficiënter is het om de kelpgroei grootschalig te monitoren. Toen Lomas zag dat een studententeam aan nota bene zijn eigen universiteit hiervoor een model had ontwikkeld, maakte zijn hart een sprongetje.
Team Epoch
Het avontuur van Team Epoch begon vorig najaar, vertelt Suusje Helwegen, teamlid public relations. Toen schreven de studenten zich in voor een competitie van het Amerikaanse Woods Hole Oceanographic Institute. Het doel: een algoritme maken dat de aan- of afwezigheid van kelpbossen voorspelt met behulp van satellietbeelden. Die opdracht was het studententeam, dat maatschappelijke relevantie vooropstelt, op het lijf geschreven. Team Epoch onderscheidt zich van andere Dreamteams van de TU Delft doordat zij niet toewerken naar een fysiek product, zoals een auto of boot. De ontwikkelde algoritmes zijn hun eindproduct. Epoch doet maar liefst vier keer per jaar mee aan een competitie, met elke keer een ander thema.
Duikers stuiten niet langer op bijna ondoordringbare bossen van reuzenkelp, maar op kale woestijnen vol zee-egels
Biomassa van kelpbossen
Team Epoch zocht contact met kelponderzoeker Michael Mateus. Voor de Namibische organisatie Kelp Blue, die zich richt op de kweek van kelpbossen. Hij meet de biomassa van de kelpbossen voor de Namibische kust. Daarvoor gebruikt hij onder andere satellietbeelden en akoestische data. Anders dan die bij Californië, zijn de kelpbossen voor de kust van Namibië nauwelijks in kaart gebracht. Mateus: “We weten eigenlijk niet goed hoe de kelpbossen er hier voor staan. Er zijn bijna geen studies naar gedaan.” Het AI-model van Team Epoch kan dat veranderen. Net als in Californië vormen de wieren in Namibië een belangrijk ecosysteem. Mateus lepelt de voordelen op: “Kelpbossen zijn een carbon sink – ze nemen enorm veel CO2 op. Ze vormen het leef- en voortplantingsgebied voor allerlei planten en dieren. Ze geven zuurstof af aan het water. Ze beschermen de kust tegen erosie. En ga zo maar door.” Ook de mens kan profiteren van het multi-inzetbare materiaal, voor bijvoorbeeld bioplastic, medicijnen en cosmetica.
Onderzoekers varen door een zeewierbos voor de kust van Namibië.
© Kelp Blue
Algoritme
Deelname aan de kelpboscompetitie betekende voor Team Epoch drie maanden hard werken. Ze moesten drie keer per dag data aanleveren, zodat snel resultaat te zien zou zijn van elke update in het algoritme.
Al snel behoorden de Delftenaren tot de top vijftig van de 671 deelnemers, en vlak voor het einde belandden ze op plek 3. Toen werd het echt spannend, blikt Helwegen terug. “Voor de uiteindelijk uitslag wordt het model getest op een andere database die waarmee we hadden gewerkt. Het is maar de vraag of je model dan functioneert.” Dat bleek het geval; Team Epoch won.
In de competitie gebruikten de deelnemers beelden van de Landsat-satellieten. Die fotograferen al sinds 1984 elke zestien dagen het hele aardoppervlak. Maar alleen die beelden waren niet genoeg; het AI-model leunt ook sterk op de verzamelde resultaten van burgerwetenschap.
Tienduizenden classificaties
Dat ging zo. Via het platform Floating Forests konden vrijwilligers zich vanaf 2014 aanmelden om kelp te identificeren op de satellietbeelden. Op die manier lukte het kelponderzoekers om tienduizenden classificaties te verzamelen. Aangevuld met gegevens van duikers waren methodes als deze lange tijd de standaard. Met die bestaande gegevens is het AI-model van Team Epoch getraind. Het algoritme kan de resultaten vervolgens uitvergroten tot op wereldschaal. Voor kelpwetenschappers als Michael Mateus is het een droom die uitkomt. “Het kost nu nog veel tijd om de beelden handmatig te analyseren. AI doet het sneller, efficiënter, accurater en consistenter.” Het model van Team Epoch wordt open source beschikbaar gesteld door het Woods Hole Oceanographic Institute en kan door iedereen worden gebruikt.
Het studententeam is inmiddels alweer bezig met de volgende competitie. Hun nieuwe missie: een AI-model ontwikkelen waarmee schadelijke breinactiviteit het beste kan worden geclassificeerd. Hun voorgaande prestatie is echt indrukwekkend, benadrukt onderzoeker Positieve AI Derek Lomas nog maar eens. “Het opent zoveel deuren voor nieuw onderzoek. Ze hebben echt iets moois voor elkaar gekregen.”
Team Epoch 2023-2024: “We trainen onszelf tot moreel bewuste en ervaren ingenieurs die samenwerken aan een betere wereld.”
Dreamteams
De dreamteams van de TU Delft zijn wereldwijd bekend. Deze interdisciplinaire studententeams gaan elk jaar de strijd aan in een competitie om zo technische innovatie op de kaart te zetten die bijdraagt aan een betere toekomst. De uitvoering – van het teammanagement tot het ontwerpen en produceren van hun uitvindingen – vindt plaats in de Dream Hall op de campus. De missie van Team Epoch is ‘bij te dragen aan een positieve ontwikkeling van AI’. Het team bouwt AI-modellen die bijdragen aan de Duurzame Ontwikkelingsdoelen van de Verenigde Naties. De komende tijd werkt Team Epoch aan de classificatie van schadelijke hersenactiviteit. In voorgaande competities hielden ze zich onder andere bezig met het detecteren van slaapstadia; het ontwikkelen van een AI-model dat de tekens van Amerikaanse gebarentaal (ASL) in videobeelden kan identificeren; en het gebruik van AI om de hoeveelheid bovengrondse biomassa in een bos in Finland te schatten.