Hoe kan een gier in een dierentuin in Berlijn zijn soortgenoten en hun leefgebieden in Namibië helpen? Misschien kan het dienen als model en beschermheer voor een nieuwe generatie dierenlabels.

Het prototype van een innovatief dierherkenningssysteem, ontwikkeld door het Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research (Leibniz-IZW) en het Fraunhofer Institute for Integrated Circuits (Fraunhofer IIS), maakte vandaag zijn eerste vlucht op een gier in Tierpark Berlin. De tags worden uitgerust met op sensoren gebaseerde kunstmatige intelligentie (AI), een camera, energiezuinige elektronica en satellietgebaseerde communicatietechnologie. Hierdoor ontstaan ​​geheel nieuwe inzichten in de wereld van dieren en hun leefgebieden. De tags detecteren en verzenden dierlijk gedrag in realtime en zijn dus een vroegtijdig waarschuwingssysteem voor ecologische veranderingen.

Klimaatverandering, uitsterven van soorten, pandemieën - door menselijke invloed verandert onze planeet sneller dan we kunnen begrijpen en beschermen. Om gelijke tred te houden met het steeds snellere tempo van de veranderingen in het milieu, moeten milieuonderzoek en -behoud nieuwe wegen inslaan en het potentieel van de nieuwste technologische ontwikkelingen omarmen. Leibniz-IZW en Fraunhofer IIS werken daarom sinds begin 2022 samen in twee grote onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten. In de projecten GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) en SyNaKI (Synergy of natural and artificial intelligence in the swarm) hebben ze een nieuwe generatie dierenlabels ontwikkeld waarmee aanzienlijk sneller en nauwkeuriger inzicht in ecosystemen.

Daartoe zullen de tags belangrijke innovaties bevatten:ten eerste zijn ze verdeeld in twee delen, waarvan er één aan de ruggen van de gieren is bevestigd en onder andere positie- en versnellingsgegevens registreert. De tweede module is voorzien van een camera en zit dus vooraan op de vogelkisten. Beide delen zijn met elkaar verbonden en werken hand in hand. Dit wordt mogelijk gemaakt door een tweede innovatie:on-board AI direct op de tag herkent bepaalde gedragspatronen van de dieren in de data, classificeert hun gedrag en genereert daarmee waardevolle informatie direct op de tag. De camera maakt dan op cruciale momenten foto's, die op hun beurt door een ander AI-systeem worden geëvalueerd. Last but not least zorgt een nieuwe op satellieten gebaseerde communicatieverbinding ervoor dat informatie rechtstreeks van de tag naar een satelliet en naar de wetenschappers kan worden verzonden, zelfs in de meest afgelegen ecosystemen.

"We volgen deze route omdat we hierdoor veel nauwkeuriger en sneller kunnen zien wat er in een ecosysteem gebeurt", zegt Dr. Jörg Melzheimer, GAIA-projecthoofd bij Leibniz-IZW. "We ontwikkelen onze tags bij wijze van voorbeeld voor gebruik op gieren in zuidelijk Afrika. Deze aaseters hebben verbazingwekkende zintuiglijke vermogens en intelligentie, elke vogel afzonderlijk en samen in een kielzog. Ze vinden aas met enorme precisie en snelheid, waardoor ze ideale bondgenoten voor ons zijn ."

Enerzijds is het voorkomen van aas een volkomen natuurlijke omstandigheid, maar kritische veranderingen in het ecosysteem kunnen ook worden opgespoord door onregelmatigheden in het voorkomen van aas, bijvoorbeeld het uitbreken van dierziekten. De tags maken het mogelijk om dergelijke lokale ecologische hotspots bijna in realtime te detecteren. "We hebben de GAIA-projecten ontworpen als een netwerk van dierlijke, menselijke en kunstmatige intelligentie. We gebruiken hightech en de evolutionaire intelligentie van dieren om dringende milieuproblemen te identificeren en op te lossen", zegt Melzheimer.

Het ontwerp en de ontwikkeling van het GAIA-dierherkenningssysteem wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen specialisten op het gebied van natuurbiologie en ecologie, kunstmatige intelligentie, communicatietechnologie en sensortechnologie bij Leibniz-IZW en Fraunhofer IIS. "De verwerking van de gegevens door een AI direct op de tag is een belangrijke functie, omdat het kan worden gebruikt om in realtime te beslissen welke van de verzamelde gegevens relevant genoeg zijn om naar de satelliet te verzenden", zegt Dipl.-Inf. Nina Holzer, groepsleider Multimodal Human Sensing en projecthoofd van GAIA-Sat-IoT bij Fraunhofer IIS. "Alle verzamelde gegevens in realtime verzenden is vrijwel onmogelijk, een satellietverbinding laat dat niet toe en zou te veel stroom verbruiken."

Bovendien is het ontwerp van de gesplitste tag een noviteit met zijn eigen technische vereisten, meldt Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, hoofdingenieur bij Fraunhofer IIS en hoofdingenieur van GAIA-Sat-IoT. "De cameramodule zit aan de voorkant van de borst van de gier. Alle andere sensoren, evenals de AI-processors en de zonne-energievoorziening zijn ondergebracht in de tag aan de achterkant. Beide elektronische componenten moeten soepel samenwerken en het hele systeem moet ook perfect worden aangepast aan de anatomie van de dieren, zodat ze volgens dierenwelzijnsaspecten in gebruik kunnen worden genomen."

Het Tierpark Berlin, een van de twee dierentuinen in de Duitse hoofdstad, is een onmisbare samenwerkingspartner van het consortium. In een vroege fase van het project hebben GAIA-wetenschappers en dierentuinhouders twee witruggieren in de volière van het Tierpark gemerkt met commercieel verkrijgbare tags, die acceleratiegegevens (ACC) en GPS-posities registreren. ACC-gegevens geven een zeer nauwkeurig inzicht in de bewegingen van de tags en de dieren. Tegelijkertijd namen de wetenschappers beelden op van typisch gierengedrag met een videocamera. De combinatie van ACC-gegevens en video-opnames maakte het mogelijk om de kunstmatige intelligentie te trainen.

"In de video's kunnen we tot op de seconde nauwkeurig identificeren wanneer de vogel welk typerend gedrag vertoont en zo overeenkomstige patronen in de ACC-gegevens kunnen herkennen", legt Wanja Rast, AI-specialist bij Leibniz-IZW, uit. "Deze trainingsgegevens vormen de basis van de AI, die in de toekomst op een zeer energiezuinige en nauwkeurige manier geautomatiseerde gedragsclassificatie rechtstreeks op de tag zal uitvoeren." De AI is nog niet geïmplementeerd op het huidige prototype en wordt momenteel nog desktop-gebaseerd ontwikkeld met gedownloade gegevens, maar het zal in de loop van de projecten een uniek verkoopargument worden van de nieuwe dierenlabels.

"In het SyNaKI-project zullen we ook de natuurlijke zwermintelligentie virtueel in kaart brengen in een zwerm microprocessors", voegt SyNaKI-projecthoofd Felix Kreyß van Fraunhofer IIS toe. "Hierdoor maken we gedistribueerde en op AI gebaseerde data-analyse direct in het veld mogelijk, in een kielzog van gieren. Om dit te bereiken, combineren we natuurlijke met kunstmatige intelligentie op de dierlijke tags en met benaderingen van extreme edge computing."

Een andere grote uitdaging bij de ontwikkeling van de tags is de efficiënte en betrouwbare overdracht van gegevens van het dier naar de gebruiker, bijvoorbeeld de wetenschappers of natuurbeschermers.

"Omdat de tag vroeg in het project moet worden gebruikt om trainingsgegevens te verzamelen, is de transmissiefunctie momenteel (nog) beperkt. In de volgende stap zullen we de zender verder ontwikkelen en de AI-signaalverwerkingselektronica integreren", zegt Florian Leschka. , groepsleider systeemontwerp bij Fraunhofer IIS. "Een andere essentiële werkstap is de integratie van een krachtige IoT-satellietradiomodule in de zender om de daaropvolgende overdracht van de geëxtraheerde informatie te garanderen."

Vooral in gebieden die buiten het bereik van terrestrische communicatie-infrastructuren liggen, is de ondersteuning van op satellieten gebaseerde netwerken vereist. Om directe transmissie van het zendknooppunt naar de satelliet mogelijk te maken, ontwikkelen de Fraunhofer-experts een communicatiesysteem op basis van een terrestrische mioty-technologie. Als resultaat van de ontwikkelingen van Leibniz-IZW en Fraunhofer IIS wordt een klein dierlijk label gecreëerd dat op intelligente wijze gegevens voorbewerkt en combineert en alleen relevante milieu-informatie verzendt via een satellietgebaseerde communicatieverbinding. + Verder verkennen

Beschermde gebieden in Afrika zijn te klein om de snel afnemende gierenpopulaties te beschermen