¿Cómo puede un buitre en un zoológico de Berlín ayudar a sus congéneres y sus hábitats en Namibia? Tal vez pueda servir como modelo y patrón para una nueva generación de etiquetas de animales.

El prototipo de un innovador sistema de etiquetas de animales desarrollado por el Instituto Leibniz para la Investigación de Zoológico y Vida Silvestre (Leibniz-IZW) y el Instituto Fraunhofer de Circuitos Integrados (Fraunhofer IIS) completó hoy su vuelo inaugural en un buitre en Tierpark Berlin. Las etiquetas estarán equipadas con inteligencia artificial (IA) basada en sensores, una cámara, electrónica de bajo consumo y tecnología de comunicación satelital. Esto permitirá una visión completamente nueva del mundo de los animales y sus hábitats. Las etiquetas detectan y transmiten el comportamiento animal en tiempo real y, por lo tanto, son un sistema de alerta temprana de cambios ecológicos.

Cambio climático, extinción de especies, pandemias:debido a la influencia humana, nuestro planeta está cambiando más rápido de lo que podemos comprender y proteger. Para mantenerse al día con el ritmo acelerado del cambio ambiental, la investigación y la conservación ambiental deben abrir nuevos caminos y aprovechar el potencial de los últimos avances tecnológicos. Por lo tanto, Leibniz-IZW y Fraunhofer IIS han estado trabajando juntos desde principios de 2022 en dos importantes proyectos de investigación y desarrollo. En los proyectos GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) y SyNaKI (Synergy of natural and artificial intelligence in the swarm), han desarrollado una nueva generación de etiquetas de animales que permite información más rápida y precisa sobre los ecosistemas.

Para ello, los tags contarán con importantes novedades:en primer lugar, se dividen en dos partes, una de las cuales se fija al lomo de los buitres y registra datos de posición y aceleración, entre otros. El segundo módulo cuenta con una cámara y, por lo tanto, se sienta en los cofres de las aves en la parte delantera. Ambas partes están conectadas y trabajan de la mano. Esto es posible gracias a una segunda innovación:la IA integrada directamente en la etiqueta reconoce ciertos patrones de comportamiento de los animales en los datos, clasifica su comportamiento y, por lo tanto, genera información valiosa directamente en la etiqueta. Luego, la cámara toma fotos en momentos cruciales, que a su vez son evaluadas por otro sistema de inteligencia artificial. Por último, pero no menos importante, un nuevo enlace de comunicación satelital garantizará que la información se pueda transmitir directamente desde la etiqueta a un satélite y a los científicos, incluso en los ecosistemas más remotos.

"Seguimos esta ruta porque nos permite ver con mucha más precisión y rapidez lo que sucede en un ecosistema", dice el Dr. Jörg Melzheimer, director del proyecto GAIA en Leibniz-IZW. "Estamos desarrollando nuestras etiquetas de manera ejemplar para su uso en buitres en el sur de África. Estos carroñeros tienen habilidades sensoriales e inteligencia asombrosas, cada ave por su cuenta y juntas en una estela. Encuentran carroña con tremenda precisión y velocidad, lo que los convierte en aliados ideales para nosotros. ."

Por un lado, la ocurrencia de carroña es una circunstancia completamente natural, pero también se pueden detectar cambios críticos en el ecosistema a partir de irregularidades en la ocurrencia de carroña, por ejemplo, el brote de enfermedades de la fauna silvestre. Las etiquetas permiten detectar estos puntos críticos ecológicos locales casi en tiempo real. "Diseñamos los proyectos GAIA como una red de inteligencia animal, humana y artificial. Usamos alta tecnología y la inteligencia evolutiva de los animales para identificar y resolver problemas ambientales apremiantes", dice Melzheimer.

El diseño y desarrollo del sistema de etiquetas de animales GAIA se lleva a cabo en estrecha colaboración entre especialistas en biología y ecología de vida silvestre, inteligencia artificial, tecnología de comunicación y tecnología de sensores en Leibniz-IZW y Fraunhofer IIS. "El procesamiento de los datos por parte de una IA directamente en la etiqueta es una característica clave, ya que puede usarse para decidir en tiempo real cuáles de los datos recopilados son lo suficientemente relevantes para enviarlos al satélite", dice Dipl.-Inf. Nina Holzer, líder de grupo Multimodal Human Sensing y directora de proyecto de GAIA-Sat-IoT en Fraunhofer IIS. "Enviar todos los datos recopilados en tiempo real es prácticamente imposible, una conexión satelital no lo permite y consumiría demasiada energía".

Además, el diseño de la etiqueta dividida es una novedad con sus propios requisitos técnicos, informa Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, ingeniero jefe de Fraunhofer IIS e ingeniero principal de GAIA-Sat-IoT. "El módulo de la cámara se encuentra en la parte delantera del pecho del buitre. Todos los demás sensores, así como los procesadores de IA y la fuente de energía solar, están alojados en la etiqueta en la parte posterior. Ambos componentes electrónicos tienen que funcionar juntos sin problemas y todo el sistema también necesita estar perfectamente adaptado a la anatomía de los animales para que pueda ser puesto en uso de acuerdo con los aspectos de bienestar animal".

El Tierpark Berlin, uno de los dos zoológicos de la capital alemana, es un socio de cooperación indispensable del consorcio. En una fase inicial del proyecto, los científicos de GAIA y los cuidadores del zoológico etiquetaron dos buitres de lomo blanco en el aviario de Tierpark con etiquetas disponibles comercialmente, que registran datos de aceleración (ACC) y posiciones de GPS. Los datos de ACC brindan una visión muy precisa de los movimientos de las etiquetas y los animales. Al mismo tiempo, los científicos grabaron imágenes del comportamiento típico de los buitres con una cámara de video. La combinación de datos ACC y grabaciones de video hizo posible entrenar la inteligencia artificial.

"En los videos podemos identificar exactamente al segundo cuándo el pájaro muestra qué comportamiento típico y, por lo tanto, podemos identificar los patrones correspondientes en los datos de ACC", explica Wanja Rast, especialista en IA de Leibniz-IZW. "Estos datos de entrenamiento son la base de la IA, que en el futuro realizará una clasificación de comportamiento automatizada directamente en la etiqueta de una manera muy eficiente y precisa". La IA aún no está implementada en el prototipo actual y todavía se está desarrollando en el escritorio con datos descargados, pero se convertirá en un punto de venta único de las nuevas etiquetas de animales en el transcurso de los proyectos.

"En el proyecto SyNaKI, también mapearemos la inteligencia de enjambre natural virtualmente en un enjambre de microprocesadores", agrega el director del proyecto SyNaKI, Felix Kreyß, de Fraunhofer IIS. "Al hacerlo, permitimos el análisis de datos distribuidos y basados ​​en IA directamente en el campo, siguiendo a los buitres. Para lograr esto, combinamos la inteligencia natural con la artificial en las etiquetas de los animales, así como con enfoques de computación de borde extremo".

Otro desafío importante en el desarrollo de las etiquetas es la transmisión eficiente y confiable de datos del animal al usuario, por ejemplo, científicos o conservacionistas.

"Dado que la etiqueta se usará al principio del proyecto para recopilar datos de entrenamiento, la función de transmisión actualmente (todavía) es limitada. En el próximo paso, desarrollaremos más el transmisor e integraremos la electrónica de procesamiento de señales de IA", dice Florian Leschka. , líder de grupo en diseño de sistemas en Fraunhofer IIS. “Otro paso de trabajo fundamental es la integración de un potente módulo de radio IoT satelital en el transmisor para garantizar la posterior transmisión de la información extraída”.

Especialmente en áreas fuera del alcance de las infraestructuras de comunicaciones terrestres, se requiere el apoyo de redes basadas en satélites. Para permitir la transmisión directa desde el nodo transmisor al satélite, los expertos de Fraunhofer están desarrollando un sistema de comunicación basado en tecnología terrestre. Como resultado de los desarrollos de Leibniz-IZW y Fraunhofer IIS, se está creando una etiqueta para animales pequeños que preprocesa y combina datos de manera inteligente y envía solo información ambiental relevante a través de un enlace de comunicación satelital. + Explora más

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