Hur kan en gam i ett Berlin Zoo hjälpa sina släktingar och deras livsmiljöer i Namibia? Kanske kan den tjäna som modell och beskyddare för en ny generation av djurmärken.

Prototypen av ett innovativt djurmärkessystem som utvecklats av Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research (Leibniz-IZW) och Fraunhofer Institute for Integrated Circuits (Fraunhofer IIS) avslutade sin jungfruflygning på en gam vid Tierpark Berlin idag. Taggarna kommer att utrustas med sensorbaserad artificiell intelligens (AI), en kamera, energieffektiv elektronik och satellitbaserad kommunikationsteknik. Detta kommer att möjliggöra helt nya insikter om djurens värld och deras livsmiljöer. Taggarna upptäcker och överför djurens beteende i realtid och är därmed ett tidigt varningssystem för ekologiska förändringar.

Klimatförändringar, arters utrotning, pandemier – på grund av mänskligt inflytande förändras vår planet snabbare än vi kan förstå och skydda den. För att hänga med i den accelererande takten av miljöförändringar måste miljöforskning och miljövård bryta ny mark och omfamna potentialen i den senaste tekniska utvecklingen. Leibniz-IZW och Fraunhofer IIS har därför arbetat tillsammans sedan början av 2022 i två stora forsknings- och utvecklingsprojekt. I projekten GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) och SyNaKI (Synergy of natural and artificiell intelligens in the swarm) har de utvecklat en ny generation av djurmärken som gör det möjligt att avsevärt snabbare och mer exakta insikter om ekosystem.

För detta ändamål kommer taggarna att innehålla betydande innovationer:För det första är de uppdelade i två delar, varav den ena är fäst vid gamarnas ryggar och registrerar bland annat positions- och accelerationsdata. Den andra modulen har en kamera och sitter därför på fåglarnas bröst framtill. Båda delarna hänger ihop och fungerar hand i hand. Detta möjliggörs av en andra innovation:ombord AI direkt på taggen känner igen vissa beteendemönster hos djuren i data, klassificerar deras beteende och genererar därmed värdefull information direkt på taggen. Kameran tar sedan bilder vid avgörande ögonblick, som i sin tur utvärderas av ett annat AI-system. Sist men inte minst kommer en ny satellitbaserad kommunikationslänk att säkerställa att information kan överföras direkt från taggen till en satellit och till forskarna även i de mest avlägsna ekosystemen.

"Vi följer den här vägen eftersom den tillåter oss att se mycket mer exakt och snabbare vad som händer i ett ekosystem", säger Dr Jörg Melzheimer, GAIA-projektledare vid Leibniz-IZW. "Vi utvecklar våra taggar exemplariskt för användning på gamar i södra Afrika. Dessa asätare har fantastiska sensoriska förmågor och intelligens, varje fågel för sig och tillsammans i ett kölvatten. De hittar kadaver med enorm precision och snabbhet, vilket gör dem till idealiska allierade för oss ."

Å ena sidan är förekomsten av kadaver en helt naturlig omständighet, men kritiska förändringar i ekosystemet kan också upptäckas från oegentligheter i kadaverförekomsten, till exempel utbrott av vilda djursjukdomar. Taggarna gör det möjligt att upptäcka sådana lokala ekologiska hotspots nästan i realtid. "Vi designade GAIA-projekten som ett nätverk av djur-, människa- och artificiell intelligens. Vi använder högteknologi och djurens evolutionära intelligens för att identifiera och lösa akuta miljöproblem", säger Melzheimer.

Designen och utvecklingen av GAIA-djurmärkessystemet utförs i nära samarbete mellan specialister inom vilda djurs biologi och ekologi, artificiell intelligens, kommunikationsteknik och sensorteknik vid Leibniz-IZW och Fraunhofer IIS. "Bearbetningen av data av en AI direkt på taggen är en nyckelfunktion, eftersom den kan användas för att i realtid avgöra vilken av de insamlade uppgifterna som är relevanta nog att skicka till satelliten", säger Dipl.-Inf. Nina Holzer, gruppledare Multimodal Human Sensing och projektledare för GAIA-Sat-IoT på Fraunhofer IIS. "Att skicka all insamlad data i realtid är praktiskt taget omöjligt, en satellitanslutning tillåter inte det och skulle förbruka för mycket ström."

Dessutom är den delade taggdesignen en nyhet med helt egna tekniska krav, rapporterar Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, chefsingenjör på Fraunhofer IIS och huvudingenjör för GAIA-Sat-IoT. "Kameramodulen sitter på framsidan av gamens bröst. Alla andra sensorer samt AI-processorer och solenergiförsörjningen är inrymda i taggen på baksidan. Båda elektroniska komponenterna måste samarbeta smidigt och hela systemen behöver också vara perfekt anpassad till djurens anatomi så att den kan tas i bruk i enlighet med djurskyddsaspekter."

Tierpark Berlin – en av två djurparker i den tyska huvudstaden – är en oumbärlig samarbetspartner för konsortiet. I en tidig fas av projektet märkte GAIA-forskare och djurparksskötare två vitryggiga gamar i Tierparks voljär med kommersiellt tillgängliga taggar, som registrerar accelerationsdata (ACC) och GPS-positioner. ACC-data ger en mycket exakt inblick i taggarnas och djurens rörelser. Samtidigt spelade forskarna in bilder av typiskt gambeteende med en videokamera. Kombinationen av ACC-data och videoinspelningar gjorde det möjligt att träna den artificiella intelligensen.

"I videorna kan vi identifiera exakt till sekunden när fågeln visar vilket typiskt beteende och kan därmed identifiera motsvarande mönster i ACC-data", förklarar Wanja Rast, AI-specialist på Leibniz-IZW. "Denna träningsdata är grunden för AI, som i framtiden kommer att utföra automatiserad beteendeklassificering direkt på taggen på ett mycket energieffektivt och korrekt sätt." AI:n är ännu inte implementerad på den nuvarande prototypen och utvecklas för närvarande fortfarande på skrivbordet med nedladdade data, men det kommer att bli ett unikt försäljningsargument för de nya djurtaggarna under projektens gång.

"I SyNaKI-projektet kommer vi också att kartlägga naturlig svärmintelligens praktiskt taget i en svärm av mikroprocessorer", tillägger SyNaKI-projektledaren Felix Kreyß från Fraunhofer IIS. "Genom att göra det möjliggör vi distribuerad och AI-baserad dataanalys direkt på fältet, i ett spår av gamar. För att uppnå detta kombinerar vi naturlig med artificiell intelligens på djurtaggarna såväl som med tillvägagångssätt från extrem edge computing."

En annan stor utmaning i utvecklingen av taggarna är den effektiva och tillförlitliga överföringen av data från djuret till användaren, till exempel forskarna eller naturvårdare.

"Eftersom taggen ska användas tidigt i projektet för att samla in träningsdata är överföringsfunktionen för närvarande (fortfarande) begränsad. I nästa steg kommer vi att utveckla sändaren ytterligare och integrera AI-signalbehandlingselektroniken", säger Florian Leschka , Group Leader System Design på Fraunhofer IIS. "Ett annat viktigt arbetssteg är integrationen av en kraftfull satellit IoT-radiomodul i sändaren för att garantera efterföljande överföring av den extraherade informationen."

Särskilt i områden utanför räckhåll för markbundna kommunikationsinfrastrukturer krävs stöd av satellitbaserade nätverk. För att möjliggöra direkt överföring från sändarnoden till satelliten utvecklar Fraunhofer-experterna ett kommunikationssystem baserat på en markbunden mioty-teknologi. Som ett resultat av utvecklingen av Leibniz-IZW och Fraunhofer IIS skapas en liten djuretikett som intelligent förbearbetar och kombinerar data och bara skickar relevant miljöinformation via en satellitbaserad kommunikationslänk. + Utforska vidare

Skyddade områden i Afrika är för små för att skydda snabbt minskande gampopulationer