Volo inaugurale di un prototipo del nuovo sistema di tag animali GAIA nel Tierpark di Berlino. Credito:Jan Zwilling
Come può un avvoltoio in uno zoo di Berlino aiutare i suoi conspecifici e i loro habitat in Namibia? Forse può servire da modello e mecenate per una nuova generazione di etichette animali.
Il prototipo di un innovativo sistema di etichette per animali sviluppato dal Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research (Leibniz-IZW) e dal Fraunhofer Institute for Integrated Circuits (Fraunhofer IIS) ha completato oggi il suo primo volo su un avvoltoio al Tierpark di Berlino. I tag saranno dotati di intelligenza artificiale (AI) basata su sensori, una fotocamera, elettronica ad alta efficienza energetica e tecnologia di comunicazione satellitare. Ciò consentirà approfondimenti completamente nuovi sul mondo degli animali e sui loro habitat. I tag rilevano e trasmettono il comportamento degli animali in tempo reale e sono quindi un sistema di allerta precoce per i cambiamenti ecologici.
Cambiamenti climatici, estinzione di specie, pandemie:a causa dell'influenza umana, il nostro pianeta sta cambiando più velocemente di quanto possiamo comprenderlo e proteggerlo. Per stare al passo con il ritmo accelerato del cambiamento ambientale, la ricerca e la conservazione ambientale devono aprire nuove strade e sfruttare il potenziale degli ultimi sviluppi tecnologici. Leibniz-IZW e Fraunhofer IIS collaborano quindi dall'inizio del 2022 in due importanti progetti di ricerca e sviluppo. Nei progetti GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) e SyNaKI (Synergy of natural and artificial intelligence in the swarm), hanno sviluppato una nuova generazione di tag animali che consente in modo significativo informazioni più rapide e accurate sugli ecosistemi.
A tal fine, i tag presenteranno innovazioni significative:in primo luogo, sono divisi in due parti, una delle quali è attaccata alla schiena degli avvoltoi e registra, tra gli altri, i dati di posizione e accelerazione. Il secondo modulo è dotato di una fotocamera e quindi si trova sul petto degli uccelli nella parte anteriore. Entrambe le parti sono collegate e lavorano mano nella mano. Ciò è reso possibile da una seconda innovazione:l'IA di bordo direttamente sul tag riconosce determinati modelli comportamentali degli animali nei dati, classifica il loro comportamento e quindi genera informazioni preziose direttamente sul tag. La fotocamera scatta quindi foto nei momenti cruciali, che a loro volta vengono valutati da un altro sistema di intelligenza artificiale. Ultimo ma non meno importante, un nuovo collegamento di comunicazione satellitare garantirà che le informazioni possano essere trasmesse direttamente dal tag a un satellite e agli scienziati anche negli ecosistemi più remoti.
"Stiamo seguendo questa strada perché ci consente di vedere in modo molto più preciso e rapido cosa sta succedendo in un ecosistema", afferma il Dr. Jörg Melzheimer, capo del progetto GAIA presso Leibniz-IZW. "Stiamo sviluppando i nostri tag in modo esemplare per l'uso sugli avvoltoi nell'Africa meridionale. Questi spazzini hanno incredibili capacità sensoriali e intelligenza, ogni uccello da solo e insieme in una scia. Trovano le carogne con un'incredibile precisione e velocità, il che li rende alleati ideali per noi ."
Da un lato, la presenza di carogne è una circostanza del tutto naturale, ma cambiamenti critici nell'ecosistema possono essere rilevati anche da irregolarità nella presenza di carogne, ad esempio l'insorgenza di malattie della fauna selvatica. I tag consentono di rilevare tali hotspot ecologici locali quasi in tempo reale. "Abbiamo progettato i progetti GAIA come una rete di intelligenza animale, umana e artificiale. Utilizziamo l'alta tecnologia e l'intelligenza evolutiva degli animali per identificare e risolvere problemi ambientali urgenti", afferma Melzheimer.
La progettazione e lo sviluppo del sistema di tag per animali GAIA vengono eseguiti in stretta collaborazione tra specialisti in biologia ed ecologia della fauna selvatica, intelligenza artificiale, tecnologia della comunicazione e tecnologia dei sensori presso Leibniz-IZW e Fraunhofer IIS. "L'elaborazione dei dati da parte di un'IA direttamente sul tag è una caratteristica fondamentale, in quanto può essere utilizzata per decidere in tempo reale quali dati raccolti sono sufficientemente rilevanti da inviare al satellite", afferma Dipl.-Inf. Nina Holzer, Group Leader Multimodal Human Sensing e project head di GAIA-Sat-IoT presso Fraunhofer IIS. "L'invio di tutti i dati raccolti in tempo reale è praticamente impossibile, una connessione satellitare non lo consente e consumerebbe troppa energia."
Inoltre, il design del tag diviso è una novità con i suoi requisiti tecnici, riferisce Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, Chief Engineer presso Fraunhofer IIS e Lead Engineer di GAIA-Sat-IoT. "Il modulo della telecamera si trova sulla parte anteriore del torace dell'avvoltoio. Tutti gli altri sensori, i processori AI e l'alimentatore solare sono alloggiati nell'etichetta sul retro. Entrambi i componenti elettronici devono funzionare insieme senza intoppi e anche l'intero sistema ha bisogno essere perfettamente adattato all'anatomia degli animali in modo che possa essere utilizzato in conformità con gli aspetti del benessere degli animali."
Il Tierpark Berlin, uno dei due zoo della capitale tedesca, è un partner di cooperazione indispensabile del consorzio. In una fase iniziale del progetto, gli scienziati del GAIA e i guardiani dello zoo hanno etichettato due avvoltoi dorso bianco nella voliera del Tierpark con etichette disponibili in commercio, che registrano i dati di accelerazione (ACC) e le posizioni GPS. I dati ACC forniscono una visione molto precisa dei movimenti delle etichette e degli animali. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno registrato filmati del comportamento tipico degli avvoltoi con una videocamera. La combinazione di dati ACC e registrazioni video ha permesso di addestrare l'intelligenza artificiale.
"Nei video possiamo identificare esattamente il secondo in cui l'uccello mostra quale comportamento tipico e possiamo quindi identificare i modelli corrispondenti nei dati ACC", spiega Wanja Rast, specialista di intelligenza artificiale presso Leibniz-IZW. "Questi dati di addestramento sono la base dell'IA, che in futuro eseguirà la classificazione automatizzata del comportamento direttamente sul tag in modo molto efficiente dal punto di vista energetico e preciso". L'IA non è ancora implementata sull'attuale prototipo ed è attualmente ancora in fase di sviluppo su desktop con i dati scaricati, ma diventerà un punto vendita unico delle nuove etichette animali nel corso dei progetti.
"Nel progetto SyNaKI, mapperemo anche l'intelligenza naturale dello sciame virtualmente in uno sciame di microprocessori", aggiunge il capo del progetto SyNaKI Felix Kreyß di Fraunhofer IIS. "In questo modo, consentiamo l'analisi dei dati distribuita e basata sull'intelligenza artificiale direttamente sul campo, sulla scia degli avvoltoi. Per raggiungere questo obiettivo, combiniamo l'intelligenza artificiale e naturale sulle etichette degli animali, nonché con gli approcci dell'edge computing estremo".
Un'altra sfida importante nello sviluppo dei tag è la trasmissione efficiente e affidabile dei dati dall'animale all'utente, ad esempio gli scienziati o gli ambientalisti.
"Poiché il tag deve essere utilizzato all'inizio del progetto per raccogliere i dati di addestramento, la funzione di trasmissione è attualmente (ancora) limitata. Nella fase successiva, svilupperemo ulteriormente il trasmettitore e integreremo l'elettronica di elaborazione del segnale AI", afferma Florian Leschka , Group Leader System Design presso Fraunhofer IIS. "Un'altra fase di lavoro essenziale è l'integrazione di un potente modulo radio IoT satellitare nel trasmettitore per garantire la successiva trasmissione delle informazioni estratte."
Soprattutto nelle aree al di fuori della portata delle infrastrutture di comunicazione terrestre, è necessario il supporto di reti satellitari. Per consentire la trasmissione diretta dal nodo trasmettitore al satellite, gli esperti di Fraunhofer stanno sviluppando un sistema di comunicazione basato su una tecnologia terrestre. Come risultato degli sviluppi di Leibniz-IZW e Fraunhofer IIS, viene creata una piccola etichetta animale che pre-elabora e combina in modo intelligente i dati e invia solo informazioni ambientali rilevanti tramite un collegamento di comunicazione satellitare. + Esplora ulteriormente
