Система раннего предупреждения об экологических изменениях: новые метки для животных с камерами и ИИ совершили первый полет

Прототип инновационной системы меток для животных, разработанной Институтом зоологии и исследований дикой природы им. Лейбница (Leibniz-IZW) и Институтом интегральных схем Фраунгофера (Fraunhofer IIS), совершил свой первый полет на грифе в Берлинском зоопарке Tierpark. Метки будут оснащены сенсорным искусственным интеллектом (ИИ), камерой, энергоэффективной электроникой и спутниковой технологией связи. Это позволит получить совершенно новые данные о мире животных и их средах обитания. Метки обнаруживают и передают поведение животных в реальном времени, выступая системой раннего предупреждения об экологических изменениях.

Чтобы успевать за ускоряющимся темпом изменений окружающей среды, экологические исследования и охрана природы должны использовать потенциал новейших технологий. С начала 2022 года Leibniz-IZW и Fraunhofer IIS совместно работают над двумя крупными проектами: GAIA-Sat-IoT и SyNaKI. В их рамках была разработана новая генерация меток для животных, позволяющая получать значительно более быстрые и точные данные об экосистемах.

Ключевые инновации меток

  1. Раздельная конструкция: Метка состоит из двух частей. Одна крепится на спине птицы и записывает данные о положении и ускорении. Второй модуль с камерой находится на груди птицы. Обе части соединены и работают совместно.
  2. Встроенный искусственный интеллект: ИИ непосредственно на метке распознает определенные поведенческие паттерны животных в данных, классифицирует их поведение и генерирует ценную информацию на самом устройстве. Камера делает снимки в ключевые моменты, которые, в свою очередь, анализируются другой системой ИИ.
  3. Спутниковая связь: Новая спутниковая система связи обеспечит передачу информации прямо с метки на спутник и ученым, даже в самых удаленных экосистемах.

«Мы выбрали этот путь, потому что он позволяет нам видеть, что происходит в экосистеме, гораздо точнее и быстрее», — говорит д-р Йорг Мельцхаймер, руководитель проекта GAIA в Leibniz-IZW.

Метки разрабатываются для использования на грифах в Южной Африке. Эти падальщики обладают удивительными сенсорными способностями и интеллектом. Они с огромной точностью и скоростью находят падаль, что делает их идеальными союзниками для ученых.

Появление падали — естественное явление, однако по аномалиям в ее возникновении можно обнаружить критические изменения в экосистеме, например, вспышку заболеваний диких животных. Метки позволяют обнаруживать такие локальные экологические «горячие точки» почти в реальном времени.

Технические аспекты разработки

«Обработка данных ИИ прямо на метке — ключевая особенность, так как это позволяет решать в реальном времени, какие из собранных данных достаточно важны для отправки на спутник», — объясняет Нина Хольцер, руководитель проекта GAIA-Sat-IoT в Fraunhofer IIS. Отправка всех собранных данных в реальном времени практически невозможна из-за ограничений спутникового соединения и высокого энергопотребления.

Раздельный дизайн метки также является новшеством со своими техническими требованиями. «Обе электронные компоненты должны работать слаженно, а вся система должна быть идеально адаптирована к анатомии животных», — отмечает Юрген Эрнст, ведущий инженер проекта GAIA-Sat-IoT.

Роль Берлинского зоопарка и обучение ИИ

Tierpark Berlin — незаменимый партнер консорциума. На ранней стадии проекта ученые и смотрители зоопарка пометили двух африканских грифов в вольере коммерчески доступными метками, записывающими данные об ускорении (ACC) и GPS-позиции. Одновременно ученые записывали видео типичного поведения грифов. Сочетание данных ACC и видеозаписей позволило обучить искусственный интеллект.

«На видео мы можем точно определить до секунды, когда птица демонстрирует то или иное типичное поведение, и, таким образом, идентифицировать соответствующие паттерны в данных ACC», — поясняет Ванья Раст, специалист по ИИ в Leibniz-IZW. Эти тренировочные данные — основа для ИИ, который в будущем будет выполнять автоматическую классификацию поведения прямо на метке.

В проекте SyNaKI естественный роевой интеллект будет виртуально отображен в рое микропроцессоров. «Мы объединяем естественный и искусственный интеллект на метках животных с подходами из области экстремальных периферийных вычислений», — добавляет руководитель проекта SyNaKI Феликс Крайс из Fraunhofer IIS.

Задачи по передаче данных

Еще одна серьезная задача — эффективная и надежная передача данных от животного к пользователю. «Поскольку метка будет использоваться на раннем этапе проекта для сбора тренировочных данных, функция передачи в настоящее время все еще ограничена. Следующим шагом мы further разовьем передатчик и интегрируем электронику для обработки сигналов ИИ», — говорит Флориан Лешка из Fraunhofer IIS.

Для работы в районах вне зоны действия наземной инфраструктуры связи необходима поддержка спутниковых сетей. Специалисты Fraunhofer разрабатывают систему связи на основе наземной технологии mioty для прямой передачи данных с метки на спутник.

В результате разработок создается небольшая метка для животных, которая интеллектуально предварительно обрабатывает и объединяет данные, отправляя через спутниковый канал связи только релевантную информацию об окружающей среде.