Métrologie et Instrumentation en Biologie et Environnement

LUL “Logger Ultra Léger” - Ultra Light Logger

The LUL is the tiniest bio-logger of the family. While measuring temperature, light and pressure every minute, it provides a 1.5 years life time for a total weight (including batteries and casing) of just 2.0 grams. Casing is customizable according to the intended use (biocompatible casing for implantation or pressure resistant for deep diving use) ; the size and nature of batteries can be adapted to the application and the temperature conditions.

Specifications

General
Sampling period : from 1sec to 24h
A/D conversion : 14-16 bits
Memory size : 64 MB
Programmable start delay : from 1 min to 1 year
Operating temperature : - 40°C to + 70°C

Temperature measurement
Range : - 35 to + 65 °C
Precision : ±0.5 °C
Resolution : 0.02 °C
Time constant in water with standard casing : 22 sec.

Pressure measurement
Depth range in water : 50 m or 300 m, precision : ± 5 cm or ±30 cm.
Altitude range in air : 0 to 5000m, resolution 40 cm at sea level.

Light measurement
0.045 to 188 000 lux

Physical dimensions
Electronics size : 16 x 8 x 4 mm3
Electronics weight : 0.76 g

Configuration example :
Pressure + Temperature + Light measured every minute,
with 19 mAh battery >> Life time 1.5 years for 2.0g total weight.

Low temperature LUL version, with battery for long term operation at -35°C

Low temperature operation requires a special battery, which doesn’t exist in ultra-small weight and dimensions.

Battery : 17 x 15 x 7 mm3 5,0 grams

LUL with battery and casing : 22 x 21 x 15 mm3 7,7 grams (see pictures).

Lifetime of loggers versus acquisition periods for : Pressure P, temperature T and light L (exemples) :
PTL = 1”, 10”, 10” > 320 days (10 months)
PTL = 2”, 10”, 10” > 550 days (1.5 years)
PTL = 4”, 10”, 10” > 860 days (3.2 years)

*When > -15°C operation is convenient, another battery technology can be used, thus reducing weight and size of the logger. Please contact us for discussion.
*Casing is designed on demand.

Bio-logger WACU : Accelerometer logger

This data logger combines PTL measurements (pressure, temperature, light) with 3D acceleration recordings. Extremely low power consumption brings outstanding life time/small and light-weight characteristics, while the 4 GB memory allows users to store a huge quantity of data. Casing is customizable according to the intended use (biocompatible casing for implantation or pressure resistant for deep diving use) ; the size and nature of batteries can be adapted to the application and the temperature conditions.

Specifications

General
Sampling period for PTL : from 1sec to 24h
Sampling frequency for 3D acceleration : from 1 Hz to 50 Hz
A/D conversion : 14 - 16 bits
Memory size : 4 GB
Programmable start delay : from 1 min to 1 year
Operating temperature : - 40°C to + 70°C

Temperature measurement
Range : - 35 to + 65 °C
Precision : ±0.5 °C
Resolution : 0.02 °C
Time constant in water with standard casing : < 1 min

Pressure measurement
Depth range in water : 50 m or 300 m, precision : ± 5 cm or ±30 cm.
Altitude range in air : 0 to 5000m, resolution 40 cm at sea level

Light measurement
0.045 to 188 000 lux

3 axis Acceleration measurements
Acceleration range : ± 2G, ± 4G or ±8 G, ±16G
Precision / resolution : 1 to 12mG
Sampling frequency : selectable 1, 10, 25 or 50 Hz

Physical dimensions
Electronics size : 21 x 13 x 4 mm3
Electronics weight : 1.7 g

Configuration example :
P+T+L measurements every second, Acc. at 10Hz,
with a 5g battery >> Life time : 2 years.

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 de l’ordre d’une centaine de mètres. 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.

Cette fonctionnalité est émergente dans le domaine des bio-loggers, mais la portée associée au débit élevé de la transmission des données (de l’ordre de 1 Mbps utile) que nous visons n’ont aujourd’hui jamais été atteints pour ce type d’instrument miniature et ultra faible consommation.

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.

Le grand hamster d’Alsace en milieu péri-urbain

L’un des axes d’étude du programme Européen LiFe Alister est d’utiliser les espaces péri-urbains pour la conservation du grand hamster d’alsace. Ces espaces représentent des milieux privilégiés pour la recherche de nourriture, offrent des températures plus clémentes, et une protection plus importante face aux prédateurs que le milieu naturel. Avant d’expérimenter in natura l’adaptation de l’espèce au milieu péri urbain, il est nécessaire de connaitre l’impact de la pollution lumineuse et du bruit sur les animaux.

L’Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien a développé un système d’éclairage reproduisant fidèlement le spectre de la lumière du jour et pouvant recréer l’éclairement artificiel nocturne que l’on trouve dans les zones d’activités. Des terriers artificiels équipés de capteurs permettent d’estimer l’activité des animaux. Ainsi, il est possible de mesurer l’impact de la pollution lumineuse sur l’écologie du hamster et notamment sur ses rythmes d’activité journalier et saisonnier, la qualité de l’hibernation, le succès reproducteur et le comportement.

Reconnexion des zones de présence du Grand Hamster

Un autre axe 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.

Freire, Ricardo (2015 – 2017) – Stage en alternance d’école d’ingénieur en Informatique

Le DEPE et le Centre Scientifique de Monaco, Laboratoire Européen Associé au CNRS, dirigent un programme de l’Institut Polaire sur les stratégies adaptatives et la dynamique des populations de prédateurs marins face aux changements environnementaux, nommé Antavia (Programme 137). Le système de suivi automatique de la population de manchots Adélie permet de recueillir de façon automatique les courbes de pesées des manchots Adélies 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).

Mission :

• Développement d’algorithmes d’analyse des courbes de pesées prenant en compte la date et la durée de passage des individus franchissant les balances, le nombre d’individus sur les balances, les pesées des balances limitrophes, ainsi que des tares inhérentes au système de pesée.
• Entretien et l’évolution de bases de données MySQL, et Développement d’une application d’extraction des connaissances destinée à des études en biologie basées sur le suivi électronique des manchots.
• Etablir un processus de synchronisation des bases de données entre les sites de terrain (Archipel de Crozet et Station de Dumont d’Urville) et les laboratoires de Strasbourg (IPHC) et de Monaco (CSM).

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