Métrologie et Instrumentation en Biologie et Environnement

LUL “Logger Ultra Léger”

Le LUL est le plus petit de la famille des bio-loggers. Enregistrant la température la luminosité et la pression chaque minute, il fournit une durée de vie d’an et demi pour un poids total (batterie et encapsulation comprise) de seulement 2 grammes. Le boitier est personnalisable selon l’utilisation souhaitée (boitier biocompatible pour l’implantation ou résistant à la pression pour des plongées en mer en profondeur). La taille et la nature des batteries peuvent être adaptées aux applications et à leurs conditions de température.

Spécifications

Général
Échantillonnage des capteurs : 1 s à 24 h

Taille Mémoire : 64 Mo

Départ différé programmable : à +1 année

Température d’utilisation : - 40°C to + 70°C

Mesure de température

Mesure de pression

Mesure de luminosité
de 0.045 à 188 000 lux

Dimensions
Taille de l’électronique : 16 x 8 x 4 mm

Poids de l’électronique : 0.76 g

Exemple de configuration :
Pression, température, luminosité, horodatage toutes les minutes

pile de 19 mAh

Autonomie de 1.5 années

Poids total de 2.0g

LUL Version basse température (-35°C), long déploiement

Les déploiements en basse température nécessitent un type spécial de batteries qui n’existent pas en dimensions et poids très réduits.

Batterie : 17 x 15 x 7 mm 5,0 grams
LUL encapsulé avec batterie : 22 x 21 x 15 mm 7,7 g

Autonomie du loggers en fonction de la période d’acquisition  :
avec Pression P, Température T and Luminosité (exemples) :
PTL = 1”, 10”, 10” > 320 jours (10 mois)

PTL = 2”, 10”, 10” > 550 jours (1.5 années)

PTL = 4”, 10”, 10” > 860 jours (3.2 années)

* Lorsque la température reste supérieure à -15°C, une autre technologie de batteries peut être envisage, ce qui réduit par conséquent le poids et la taille du logger. Nous contacter pour discussion.

* Le type d’encapsulation est réalisé à la demande

Bio-logger WACU : Accelerometer logger

Cet enregistreur de données combine les mesures de Pression (P), Température (T) et Luminosité (L) avec un accéléromètre 3D. Sa consommation d’énergie extrêmement faible lui confère une durée de vie époustouflante au regard de sa petite taille et de sa légèreté. Sa mémoire de 4 Go permet aux utilisateurs d’y enregistrer une importante quantité de données. Le boitier est personnalisable selon l’utilisation souhaitée (boitier biocompatible pour l’implantation ou résistant à la pression pour des plongées en mer en profondeur). La taille et la nature des batteries peuvent être adaptées aux applications et à leurs conditions de température.

Spécifications

Général
Échantillonnage des capteurs PTL : 1 s à 24 h 

Échantillonnage de l’accélérométrie : de 1 Hz à 50Hz
Taille
Mémoire : 4 Go

Départ différé calendaire 

Température d’utilisation : - 40°C to + 70°C

Mesure de température
ADC : 16 bits.

Gamme : - 35 to + 65 °C

Précision : ±2 °C
Résolution : 0.01 °C

Constante de temps dans l’eau avec le boitier standard : < 1 min.

Mesure de pression
ADC : 16 bits.
Gamme pour l’eau : 300 m, précision : ± 500 mbar
résolution ±3 mbar
Gamme de l’altimètre : 5000m, précision, ± 1.5 mbar résolution 0.1 mbar

Mesure de luminosité
ADC : 16 bits

De 0.045 à 188 000 lux

Mesure de l’accélération 3D
gamme de l’accélération : ± 2 g, ± 4 g or ±8 g

Résolution à ± 2 g : 16mg to 1mg / 8 ou 12 bits

Échantillonnage de l’accéléromètre : 1, 10, 25 or 50 Hz

Dimensions
Taille de l’électronique : 21 x 13 x 4 mm

Poids de l’électronique : 1.7 g

Exemple de configuration
Pression, température, luminosité, horodatage toutes les secondes, Accélérométrie à 10 Hz
pile de 5 g

Autonomie de 2 années

Projet WILOGG : Wireless LOGGer développement propre DEPE – MIBE

Une demande forte des biologistes utilisateurs de bio-loggers concerne l’apport d’une possibilité de déchargement des données à distance, permettant d’avoir accès aux données scientifiques en cours d’enregistrement, et permettant surtout de s’affranchir de l’obligation, très pénalisante pour eux, de recapturer les animaux en fin d’enregistrement.

L’équipe Métrologie et Instrumentation pour la Biologie et l’Environnement a pris l’initiative d’entreprendre un logger sans fil qui reprend les fonctionnalités logger accéléromètre, auxquelles des capacités de communication sont adjointes : un module radio permettra de transmettre les données contenues dans la mémoire embarquée à une distance. On pourra ainsi par exemple, en plaçant une station de base au pied de l’arbre sur lequel se trouve un nid de cigogne, récupérer les données durant le sommeil nocturne des volatiles équipés.

GEOBIRD - Projet ANR 2017 à 2020

plaquette du projet GEOBIRD

Partenaires : France Energies Marines (pilotage), EDF énergies nouvelles, Agence des Aires Marines Protégées, Ailes Marines, Eolfi, , société Parc du Banc de Guerande, Bretagne Vivante, CEFE-CNRS, IPHC-CNRS.

Ce travail a bénéficié d’une aide de l’Etat gérée par l’Agence Nationale de la Recherche au titre du programme Investissements d’avenir portant la référence ANR-10-IEED-0006-15

Le développement des EMR (énergies marines renouvelables) passe en particulier par le développement de parcs éoliens en mer posés ou flottant, et des fermes d’hydroliennes. L’acceptabilité de ces projets est conditionnée par l’étude environnementale des sites et des effets des projets. Un des enjeux majeurs est lié à l’avifaune, et en particulier aux populations d’oiseaux marins protégées par les réglementations nationales et internationales.

La mise en œuvre de suivis sur des espèces qui évoluent librement dans leurs milieux naturels se heurte aujourd’hui à des difficultés opérationnelles importantes. Les technologies d’observation disponibles à ce jour ne répondent pas à l’ensemble des besoins. C’est notamment le cas pour le suivi des espèces d’oiseaux plongeurs ou pour des pélagiques de taille moyenne (de poids inférieur à 0,5 kg), comme les puffins, qui requièrent un très haut niveau d’exigence en matière d’instrumentation portée par l’animal.

En s’appuyant sur des experts reconnus et des technologies de pointe, le projet GEOBIRD a pour objectif de développer une instrumentation intelligente et communicante, qui pourra être mobilisée dans le cadre de ces suivis de l’avifaune marine sensible.

L’équipe se MIBE de l’IPHC est en charge du développement d’une balise de géolocalisation basée sur la technologie GPS et intégrant des enregistreurs de données physiologiques et environnementales (bio-logger), qui seront stockées puis transmises par réseau GSM. L’objectif du projet est d’aboutir à un bio-logger communicant présentant un niveau de précision/autonomie/masse meilleur que tout dispositif existant.

OBJECTIFS DU PROJET :

• Conception et réalisation d’une balise miniature de géolocalisation pour le suivi de l’avifaune de taille moyenne (puffins, petits laridés, espèces plongeuses, etc.),
• Développer la connaissance sur l’avifaune pour sécuriser les études, les autorisations et la filière EMR.

OBJECTIFS DE LA FEUILLE DE ROUTE FEM :

• Réaliser des projets permettant d’étudier les principaux impacts environnementaux des EMR afin de mettre en place les leviers pour favoriser leur développement
• Disposer d’outils méthodologiques pour les études d’impact des EMR et de leurs dispositifs de connexion au réseau

Stratégies adaptatives et dynamique des populations de prédateurs marins face aux changements environnementaux

Ce programme soutenu par l’Institut Polaire Paul-Emile Victor, nommé Antavia, développe et utilise des systèmes d’identification fixes, automatiques, couplés ou non à des plateaux de pesée, ou mobiles (antennes transportables, ou rovers) afin de suivre la dynamique des populations de manchots des régions antarctiques (manchots royaux de Crozet et de Kerguelen, manchots empereurs et Adélie de Terre Adélie - continent Antarctique) et d’étudier la structure et le fonctionnement des colonies animales.

Le marquage électronique de cohortes de poussins nous permet ainsi de déterminer les principaux « traits d’histoire de vie » de ces individus, tels que leurs succès reproducteurs et leur survie, ou bien encore les caractéristiques de la communication acoustique des individus avec leurs congénères, tout en s’affranchissant des effets délétères liés aux bagues alaires. En effet, pendant des décennies, la méthode d’identification des manchots était leur marquage par une bague à un aileron. Cependant, notre laboratoire a montré que le baguage réduit le succès reproducteur et la survie des manchots royaux. Le baguage à l’aileron ayant été abandonné, les manchots marqués au moyen d’une petite puce électronique sans batterie de moins d’1 gramme peuvent alors être identifiés automatiquement grâce à des antennes RFID (Radio Frequency IDentification) déployées sur leurs points d’accès à leur colonie.

Le dispositif d’identification pour suivre la population de manchots Adélie en Terre Adélie est sans doute le plus abouti. Il permet de recueillir de façon automatique les courbes de pesées des manchots Adélie transitant sur des passerelles lors de leurs déplacements entre la colonie et leurs lieux d’alimentation en mer. Ces informations nous permettent, par exemple, d’évaluer la capacité des individus à gérer et à stocker leurs réserves énergétiques selon leur histoire individuelle (sexe, âge, expérience, qualité) et en fonction des modifications de leur environnement (notamment des ressources alimentaire en mer).

Robots-manchots pour l’étude des populations de manchots

Dans le cadre du programme scientifique soutenu par l’Institut Polaire Paul-Emile sur les stratégies adaptatives et la dynamique des populations de prédateurs marins face aux changements environnementaux (programme 137), nous avions montré, dans un article publié dans Nature Methods, qui a été repris par les médias du monde entier, qu’il est possible d’utiliser des rovers pour identifier in situ des manchots dans leur colonie par RFID (Radio Frequency IDentification) en évitant la perturbation liée à la présence humaine.

Avec le soutien de la Fondation d’Entreprise Total, l’Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien innove en développant des robots – faux manchots pour étudier la biologie de ces espèces.

Grâce à ces innovations technologiques, l’identification et la localisation des oiseaux marqués électroniquement nous permettent d’étudier la dynamique des populations ainsi que le fonctionnement et la structuration des colonies de manchots royaux et empereurs, l’objectif étant toujours de comprendre comment fonctionne leurs colonies, et comment cette structure évolue en fonction de l’impact du climat sur la disponibilité des ressources.

L’absence de comportement territorial des manchots empereurs et leur caractère craintif imposant un excellent camouflage, nous fabriquons actuellement un robot - faux manchot empereur qui se déplacera en « tobogganant ». Afin de reproduire fidèlement les mouvements des ailerons et des pattes par le robot et face au niveau important d’intégration des équipements scientifiques dans un volume restreint, une collaboration avec le laboratoire de robotique de l’IRCAD de Strasbourg, Institut de recherche contre les cancers de l’appareil digestif, s’est imposée naturellement. Dans l’optique de reproduire le plus fidèlement possible l’aspect extérieur d’un animal réel, nous travaillons avec les experts en taxidermie du muséum national d’histoire naturelle ainsi qu’avec des spécialistes des effets spéciaux du milieu cinématographique pour réaliser les costumes extérieurs du robot – faux manchot.

Enfin, parallèlement, nous apporterons notre expertise en robotique à des équipes qui étudient des espèces particulièrement menacées (les manchots du Cap, de Magellan et de Humboldt, d’Afrique du Sud, d’Argentine et du Chili, respectivement) pour leur permettre de passer rapidement aux nouvelles technologies moins perturbatrices.

Reconnexion des zones de présence du Grand Hamster

L’un des axes d’étude du programme Européen LIFE ALISTER concerne la reconnexion des zones de présence du Grand Hamster. Il s’agit de permettre aux hamsters de se déplacer d’une zone à l’autre, actuellement séparées par des obstacles (voies de circulation notamment), en empruntant des passages spécifiques qu’ils trouveront et qui ne les exposeront pas aux prédateurs.
Une expérience grandeur nature est en cours, sur le suivi les populations de hamster d’Alsace en enclos et sur l’utilisation par des hamsters d’un passage à faune. Le développement et l’utilisation de systèmes de radio-identifications automatiques équipant un des passages à faune et la pose en sous-cutané dans l’animal de transpondeurs RFID miniaturisés, permettent d’identifier un individu et d’enregistrer son heure de traversée. La récupération des donnés peut se faire à distance, via une liaison WIFI sécurisée.

Un système de radio-identification transportable permet également d’identifier des individus accédant à un lieu donné, une mangeoire ou leur terrier. Il s’agit d’un système autonome intégré dans des valises étanches, fonctionnant sous batterie. L’antenne de détection est placée directement sous la mangeoire ou autour de l’entrée du terrier.

Dispositif électromécanique pour étudier l’apprentissage associatif des oiseaux

Les capacités cognitives sont considérées comme étant au cœur de la flexibilité comportementale, conduisant le potentiel des individus à répondre rapidement aux changements environnementaux. Parmi ces capacités cognitives, l’innovation et l’apprentissage sont très variables entre espèces. Le projet EVOL-COG, coordonné par Blandine Doligez, étudie « la cognition dans un monde changeant : test du potentiel évolutif de l’innovation et de l’apprentissage en populations naturelles ». Dans ce projet, l’équipe MIBE prend en charge la réalisation d’un dispositif électromécanique pour tester l’apprentissage associatif des mésanges charbonnière et des gobe-mouches, dans le milieu naturel, en Suède. Le dispositif est composé d’une porte qui bloque l’accès au nid pendant la période d’élevage des jeunes pendant un temps limité et de 3 leviers en forme de perchoir qui sont associés chacun à une couleur différente. Pour que la porte s’ouvre, l’oiseau doit se poser sur le bon levier qui est identifié par une certaine couleur. Après chaque réussite de l’oiseau, le bon levier et sa couleur associée changent de position. On peut ainsi mesurer la capacité des oiseaux à associer la réussite au test (ouverture de la porte) à une couleur donnée au fur et à mesure des essais successifs, et donc leur capacité d’apprentissage associatif.

Un système de radio-identification transportable permet également d’identifier des individus accédant à un lieu donné, une mangeoire ou leur terrier. Il s’agit d’un système autonome intégré dans des valises étanches, fonctionnant sous batterie. L’antenne de détection est placée directement sous la mangeoire ou autour de l’entrée du terrier.

Partenaires : Université Lyon 1, Université de Lyon - Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive – FR, Université de Strasbourg - Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien - FR, INRA Avignon - Biostatistique et Processus Spatiaux - FR, University of Aberdeen - School of Biological Sciences - UK, McGill University, - Institute of Biological and Environmental Sciences

Ce travail a bénéficié d’une aide de l’Etat gérée par l’Agence Nationale de la Recherche au titre du programme Investissements d’avenir portant la référence ANR-19-CE02-0007

Joris GREDT (2020 mai – juin) – stage de fin d’étude DUT Réseaux et Télécommunications

Le projet GEOBIRD a pour objectif de développer une instrumentation intelligente et communicante, qui pourra être mobilisée dans le cadre de ces suivis de l’avifaune marine sensible. L’équipe se MIBE de l’IPHC est en charge du développement d’une balise de géolocalisation basée sur la technologie GPS et intégrant des enregistreurs de données physiologiques et environnementales (bio-logger), qui seront stockées puis transmises par réseau GSM. 

Ce stage propose l’adaptation du programme de réception des données des systèmes embarqués Geobird. Le programme de réception initial fonctionne avec MySQL, et l’objectif est d’adapter la partie enregistrement des données pour la faire fonctionner avec une base de données NoSQL (Mongo DB) pour plus de performances.

Objectifs principaux du stage :
 Migrer la base de données MySQL vers Mongo DB en conservant les relations
 Modifier le programme de réception et d’enregistrement des données pour le faire fonctionner avec la nouvelle base de données
 Veiller à ce que l’application web GEOBIRD et le programme de réception soient sur la même longueur d’ondes pour un développement efficace
 Proposer une solution documentée et commentée pour permettre un maintien aisé

Responsable de stage : Julien Courtecuisse

Nicolas KIRCHHOFFER (2020 mai – juin) – stage de fin d’étude DUT Réseaux et Télécommunications

Le projet GEOBIRD a pour objectif de développer une instrumentation intelligente et communicante, qui pourra être mobilisée dans le cadre de ces suivis de l’avifaune marine sensible. L’équipe se MIBE de l’IPHC est en charge du développement d’une balise de géolocalisation basée sur la technologie GPS et intégrant des enregistreurs de données physiologiques et environnementales (bio-logger), qui seront stockées puis transmises par réseau GSM. 

Ce stage propose une refonte complète de l’interface web Geobird préexistante. L’interface web est distribuée avec 2 parties distinctes, l’interface en elle-même qui utilise Vue et le serveur d’API qui fournit les données à l’interface. La mise en place d’un nouveau moteur de stockage entre également en compte dans le stage, en fournissant un nouveau serveur d’API disponible avec la technologie de stockage NoSQL Mongo DB, qui permettra de nouveaux horizons au projet et de meilleures performances pour l’utilisateur final.

Voici la liste des objectifs principaux du stage :
 Concevoir une nouvelle structure pour l’interface web
 Adapter le serveur d’API à Mongo DB et non plus MySQL
 Documenter l’entièreté du projet
 Introduire des notions de DevOps et Big Data

Responsable de stage : Julien Courtecuisse

Paoli, Raphaël (2016 été) – Stage de fin de première année d’école d’ingénieur

L’instrumentation d’animaux à l’aide d’enregistreurs de données miniatures permet aux chercheurs de récolter des paramètres physiologiques et environnementaux sur les populations qu’ils équipent. Ses enregistreurs de données appelés biologgers sont conçus et réalisés au sein du laboratoire.

Mission :

• Développement d’une interface web permettant l’affichage des données issues des biologgers sous différentes formes (courbes, graphique 3D, etc…). Cet interface de visualisation sera couplée à une base de données, à créer, qui stockera l’ensemble des données biologiques. Le stagiaire travaillera en collaboration avec l’équipe en charge du développement électronique des biologgers.

Responsable de stage : Julien Courtecuisse

Wey, Maxime (2015) – Stage de fin d’étude d’école d’ingénieur

L’IPHC a innové en développant des robots télécommandés à distance, constituant des antennes RFID mobiles circulant dans les colonies de manchots et assurant ainsi l’identification et par conséquent la localisation des manchots transpondés. Cependant, il fallait évidemment s’assurer que les manchots se laissaient approcher par le robot et que sa présence induisait une perturbation inférieure à celle provoquée par l’homme circulant dans la colonie avec un lecteur RFID. C’est ce qui fut fait chez le manchot royal, ce manchot territorial attaquant le robot en approche (sous forme de rover, i.e. véhicule à 4 roues) de la même manière qu’il le fait vis-à-vis de congénères en transit dans la colonie, et ce sans pour autant montrer les perturbations comportementales induites par une présence humaine.

Mais le manchot empereur a présenté une difficulté supplémentaire en se révélant très craintif, reculant à l’approche du rover. Ceci s’explique par le fait que le manchot empereur n’a pas de comportement territorial, ce qui permet la formation des « tortues » hivernales. En collaboration avec une équipe travaillant pour la BBC, une « parade » a cependant été trouvée dans la mesure où les manchots empereurs ne sont plus inquiets lorsque approchés par un robot camouflé en manchot. En outre, ils sont moins craintifs lorsque le robot se déplace sur la glace ou la neige avec des chenilles plutôt qu’avec des roues.

Le projet consiste par conséquent dans le développement d’un robot, équipé de matériel électronique, imitant par son aspect et son comportement, un individu tobogannant.

Mission :

• Etudier la possibilité d’un système complet de locomotion le plus silencieux, réactif et puissant possible, reproduisant le déplacement d’un animal qui, allongé sur le ventre, glisse sur la banquise propulsé par ses pattes sur la glace

Responsable de stage : Julien Courtecuisse