El enfoque GAIA i³: Creación de un sistema de alerta temprana de alteraciones del ecosistema basado en IA

Los buitres son un grupo de aves muy inteligentes que prestan importantes servicios a los ecosistemas. Sin embargo, las poblaciones de buitres del Viejo Mundo han disminuido drásticamente en las últimas décadas debido a factores antropogénicos. Es necesario desarrollar estrategias de conservación eficientes que aborden amenazas críticas como el envenenamiento indiscriminado o el agotamiento de las fuentes de alimento. Al mismo tiempo, su comportamiento, incluidas las interacciones sociales, sigue siendo poco conocido. Gracias a equipos de seguimiento de alta tecnología y herramientas analíticas basadas en IA, GAIA pretende comprender mejor cómo se comunican, interactúan y cooperan los buitres, se alimentan, se reproducen y crían a sus polluelos. Además, los científicos de GAIA investigan las estrategias sociales de alimentación de los buitres dorsiblancos y la transferencia de información dentro de las comunidades de carnívoros carroñeros. En el reino animal es común en todos los taxones que la búsqueda de alimento se realice no sólo de forma individual, sino en grupo. Los animales buscan comida juntos o se basan en los conocimientos de otros individuos para encontrarla. Esta búsqueda social de alimento presumiblemente aporta beneficios, por ejemplo en cuanto a la cantidad de comida que se encuentra, el tamaño de las presas que se pueden cazar o el tiempo necesario para acceder a la comida. GAIA investiga los mecanismos específicos de cada especie en materia de comportamiento y comunicación, así como los incentivos, beneficios y posibles desventajas para los individuos.

Al comprender mejor estas conexiones e interacciones intra e interespecíficas, GAIA también contribuye a entender mejor las raíces de los conflictos entre el hombre y la fauna (que a menudo están relacionados con el comportamiento de los carnívoros) y a la gestión de las especies. En Namibia, por ejemplo, la investigación sobre las comunidades de leones ayuda a comprender su comportamiento espacial y a mitigar los contactos con la población local (por ejemplo, los ganaderos) para gestionar los conflictos entre el hombre y la fauna (objetivo 4 del GBF). Estos conocimientos también se utilizan para observar y gestionar de forma sostenible las poblaciones locales de leones en beneficio de la población (objetivo 9 del GBF), equilibrando la mitigación de conflictos y el turismo.

Los satélites y las aeronaves desempeñan un papel crucial en la recogida de datos medioambientales a distancia, ayudándonos a comprender mejor nuestro clima y nuestros ecosistemas. La teledetección, a menudo realizada desde aviones, globos o satélites, nos permite vigilar grandes áreas y regiones remotas durante largos periodos. Estos "ojos en el cielo" son un complemento inestimable de las observaciones terrestres, ya que nos ayudan a comprender las corrientes oceánicas y aéreas, los cambios en la cubierta terrestre y el cambio climático. Sin embargo, los animales también poseen sentidos extraordinarios y una capacidad única para detectar cambios en sus hábitats. Al combinar las capacidades de los animales con las tecnologías de teledetección, GAIA pretende mejorar nuestra capacidad para vigilar y comprender nuestro planeta. Los animales poseen capacidades sensoriales superiores y estrategias de comportamiento que les permiten percibir cambios sutiles y drásticos en sus ecosistemas, así como detectar incidentes críticos. Los buitres, por ejemplo, actúan como "especies centinela" y pueden elevar el concepto de teledetección a nuevas cotas. Patrullan regularmente vastas zonas en busca de alimento, operando sin emisiones, recursos adicionales ni reparaciones. Además, sus patrullas se guían por su excepcional visión y la misión de encontrar cadáveres. La forma en que patrullan, lo que buscan y los incidentes a los que nos conducen pueden estar relacionados con cambios medioambientales y acontecimientos ecológicos específicos.

Para aprovechar plenamente el potencial de la teledetección a bordo de buitres, GAIA se centra en dos aspectos esenciales. En primer lugar, se fijan potentes dispositivos de seguimiento a los buitres para vigilar sus movimientos y comportamiento a escalas temporales y espaciales detalladas. En segundo lugar, se están desarrollando nuevas soluciones tecnológicas para comprender mejor lo que observan y hacen los animales. Por ejemplo, una nueva etiqueta con cámara integrada, algoritmos de inteligencia artificial para la detección de comportamientos y el reconocimiento de imágenes, y un enlace vía satélite para la cobertura en tiempo real en regiones remotas. Con estas herramientas, los animales pueden captar imágenes y proporcionar datos de su entorno más rápidamente, con mayor resolución y especificidad que las imágenes por satélite. Este enfoque innovador nos permite ver la naturaleza a través de los ojos de los animales.

GAIA ha adoptado una estrategia de residuos mínimos: Sólo se utiliza y desarrolla el equipo técnico que es absolutamente esencial. Los collares y las etiquetas permanecen durante largos periodos de tiempo (por ejemplo, en el caso de los buitres) o se recogen de forma rutinaria (por ejemplo, en el caso de los leones) para extraer datos. Ningún transmisor permanece en el paisaje: si se cae un transmisor o muere el animal que lleva la marca, se localiza y se retira del paisaje. De este modo, el sistema GAIA es un sistema que "no deja rastro", con importantes beneficios para los ecosistemas.

Tanto para la investigación ecológica como para los casos de uso de GAIA, es necesario reconocer con fiabilidad y precisión el comportamiento de distintas especies animales durante un largo periodo de tiempo en regiones salvajes remotas. Para ello, los científicos de GAIA han desarrollado y entrenado una inteligencia artificial (IA) capaz de realizar una clasificación de comportamientos a partir de datos de GPS y aceleración y decirnos exactamente qué están haciendo, por ejemplo, los buitres dorsiblancos equipados con marcas en cualquier momento y lugar. Esta IA se ejecutará directamente en las marcas GAIA y generará información sobre el comportamiento a partir de los datos de los sensores. En un segundo paso, los científicos combinaron el comportamiento así clasificado con los datos GPS de las marcas. Mediante algoritmos de agrupación espacial, identificaron los lugares donde se producían con más frecuencia determinados comportamientos. De este modo, obtuvieron ubicaciones espacial y temporalmente bien resueltas donde se alimentaban los buitres. Por último, GAIA está desarrollando una IA de reconocimiento de imágenes que analizará las fotos tomadas por la cámara integrada del nuevo sistema de marcas. Todos esos algoritmos se ejecutarán directamente en la etiqueta y podrán realizar un procesamiento eficaz de los datos integrados. Esto también plantea exigencias muy especiales a la IA de reconocimiento de imágenes, que debe funcionar con especial moderación y con pequeñas cantidades de datos. Para ello, los equipos de GAIA están desarrollando estrategias y modelos adecuados para la IA dispersa.

Esta novedosa línea de detección de cadáveres es un activo clave para frenar la extinción de especies y gestionar los conflictos entre el hombre y la fauna, por lo que se ajusta al objetivo 4 del GBF. El sistema permite detectar rápidamente la muerte de los buitres o la del animal del que se alimentan. Ambos escenarios son relevantes para frenar la extinción de especies: El envenenamiento de cadáveres contribuye significativamente al declive de las poblaciones de muchas especies de buitres. Como los buitres utilizan estrategias sociales en su búsqueda de alimento, un cadáver envenenado puede matar a cientos de aves. Los científicos de la Iniciativa GAIA han demostrado que el marcado de buitres permite detectar a tiempo las muertes y retirar el cadáver. El marcaje de buitres y el uso de los conductos de IA aquí descritos pueden reducir sustancialmente nuevas mortalidades. En segundo lugar, la detección precoz de incidentes de caza furtiva de especies amenazadas puede poner fin por completo a la caza furtiva local y contribuir significativamente a la lucha contra la extinción.

Para cumplir el objetivo de la iniciativa GAIA de desarrollar y poner en práctica un sistema de alerta temprana de alta tecnología para cambios medioambientales, una nueva generación de etiquetas para animales es un componente clave. Los equipos de GAIA están trabajando en el desarrollo de hardware y software de etiquetas miniaturizadas para animales con tecnología de sensores de bajo consumo con cámara y procesamiento de imágenes. Las etiquetas serán autónomas desde el punto de vista energético, se adaptarán de forma óptima a la anatomía de los buitres y serán la base de otras características tecnológicas en desarrollo, como inteligencias artificiales a bordo para la detección de comportamientos y el reconocimiento de imágenes, así como un sistema de comunicación IoT por satélite.

Además, GAIA está desarrollando conceptos de inteligencia artificial distribuida y redes de microprocesadores, etiquetas para animales que actúan como un enjambre. De forma análoga a la inteligencia natural de los enjambres, la iniciativa GAIA está mapeando la inteligencia digital de los enjambres en una red ad hoc de microprocesadores. Estas redes de formación espontánea son la base del análisis distribuido y basado en sensores de grandes cantidades de datos. Seguir este camino hará posible que, por ejemplo, las etiquetas de los buitres presentes en el mismo lugar durante los eventos de alimentación se enlacen y compartan tareas como los análisis de inteligencia artificial y la transmisión de datos.

Los procesos e incidentes ecológicos relevantes que interesan a la investigación del cambio ambiental suelen producirse en zonas remotas, fuera del alcance de las infraestructuras de comunicación terrestres. Los datos generados sobre el terreno mediante marcas animales en estas regiones a menudo sólo pueden transmitirse con un retraso de días o incluso semanas. Para superar este retraso y garantizar la ausencia de demoras en el sistema de alerta temprana, GAIA desarrolla un módulo de comunicación por satélite para las etiquetas, así como un nanosatélite que opera en órbita terrestre baja (LEO): Para poder transmitir los datos y la información recogidos directamente desde el nodo transmisor al satélite LEO (órbita terrestre baja), se integrará en las nuevas etiquetas un módulo de radio IoT por satélite de alto rendimiento. Esto garantiza una transmisión inmediata, segura y energéticamente eficiente de los datos extraídos. El sistema de comunicación se basa en la tecnología terrestre mioty® y se adaptará a las bandas de frecuencia típicas de los satélites, como las bandas L y S, para el proyecto. Los protocolos de comunicación habituales, que a veces se utilizan en el sector de la IO, suelen estar diseñados para paquetes de pequeño tamaño. Por tanto, el desarrollo del sistema mioty® también tendrá como objetivo aumentar la velocidad de transmisión de datos y el tamaño de los mensajes para permitir escenarios de aplicación como la transmisión de imágenes.

El sistema IoT por satélite será clave para una comunicación sin retrasos y, por tanto, para un sistema de alerta temprana. Contribuye en gran medida al sistema GAIA en la consecución del objetivo 4 del GBF "Detener la extinción, proteger la diversidad genética y gestionar los conflictos entre el hombre y la fauna".

Los jardines zoológicos y acuarios modernos de todo el mundo ofrecen oportunidades únicas al aportar su experiencia en el cuidado de animales, la conservación de especies y la educación pública, formando una base sólida para la conservación moderna y la investigación científica. Al colaborar estrechamente con estas instituciones y utilizar los datos y conocimientos que generan, la Iniciativa GAIA pretende tender un puente entre los esfuerzos de conservación in situ y ex situ. Los animales bajo cuidado humano pueden servir de valiosos modelos para comprender la biología, el comportamiento y las respuestas de las especies a los cambios ambientales. Además, las condiciones controladas de los parques zoológicos permiten desarrollar y probar tecnologías avanzadas, como sensores y sistemas de inteligencia artificial transportados por animales, en entornos más predecibles y accesibles antes de su despliegue en la naturaleza.

Las principales áreas de interés de este módulo son las siguientes

• Generación de datos de referencia y entrenamiento para el desarrollo de la canalización de IA para los datos de los sensores. Al colocar las etiquetas en los buitres en cautividad en una gran pajarera y recodificar su comportamiento simultáneamente, pudimos crear un conjunto de datos emparejados para el entrenamiento de la IA. Con la IA entrenada ya no es necesario observar a los animales para detectar comportamientos relevantes, por ejemplo, la alimentación; la IA puede predecir el comportamiento de forma muy fiable a partir de los datos de los sensores, lo que nos proporciona información sobre el comportamiento de los animales objetivo a lo largo de su vida.
• Educación y participación pública: El zoo de Berlín integra los hallazgos de GAIA en sus programas educativos y colabora en las relaciones con los medios de comunicación y la divulgación pública, fomentando la concienciación y la participación del público en la conservación de la biodiversidad y las innovaciones tecnológicas. Se presenta a los visitantes las herramientas más avanzadas y su impacto en la conservación de la vida salvaje.

Uno de los objetivos clave de la Iniciativa GAIA es que el impacto en cada animal sea mínimo y sólo el estrictamente necesario. Tanto en el caso de los leones como en el de los buitres, se llevaron a cabo exhaustivos procedimientos de experimentación (dentro del sistema alemán de experimentación y bienestar animal) en el zoo y el Tierpark de Berlín. Las técnicas fueron desarrolladas y probadas por expertos veterinarios tanto para animales de zoológico como para animales salvajes y se consideran seguras y compatibles con estrictas consideraciones de bienestar animal. Además, tanto dentro de GAIA como por parte de otros grupos de investigación existe experiencia y datos a largo plazo sobre los efectos del marcado y el collar de las respectivas especies. Se ha demostrado, por ejemplo, que el marcado de buitres no tiene ningún efecto perjudicial sobre el bienestar, la salud o la reproducción de las aves. Se ha comprobado que los buitres viven muchos años con las marcas, tienen movimientos y comportamientos de búsqueda de alimento similares y tienen descendencia.

La asociación de GAIA con el Zoo de Berlín también pone de relieve los objetivos de comunicación y transferencia de conocimientos de la Iniciativa en el sentido de la meta 21 del GBF "Garantizar que el conocimiento esté disponible y sea accesible para orientar la acción en materia de biodiversidad". Este campo de actividad no sólo se dirige al público en general para concienciar sobre la conservación de la biodiversidad y las innovaciones tecnológicas, sino también a los responsables políticos a nivel nacional e internacional. GAIA se ha mostrado muy activa en las consultas con los responsables políticos de Alemania y Namibia, por ejemplo, y ha participado en el Foro Regional de Conservación 2024 de la UICN, celebrado en Brujas (Bélgica).

La Iniciativa GAIA lleva a cabo importantes medidas de capacitación a medida que el sistema de alerta temprana desarrollado se pone en práctica junto con parques y autoridades locales en muchos países africanos como Namibia, Mozambique y Uganda. El personal de los parques, los funcionarios de las autoridades competentes y los de los ministerios reciben formación durante la aplicación del sistema. Esto incluye capacitar a las comunidades locales para que lleven a cabo la localización, el marcado y el seguimiento con el sistema GAIA, así como para que pongan en marcha el sistema de alerta temprana utilizando el frontend designado.

Además, el personal de GAIA está formando activamente a estudiantes de diversas disciplinas y campos de investigación en apoyo de nuevas tecnologías para la conservación y las ciencias de la vida. En los últimos seis años, más de 250 estudiantes han participado con éxito en los cursos impartidos por el personal de GAIA en la Universidad de Namibia sobre veterinaria y biología de la fauna, con especial atención, por ejemplo, a los conflictos entre humanos y animales salvajes, el rastreo de animales y el comportamiento de buitres, leones y hienas.

Tanto el desarrollo de las capacidades profesionales como la formación de los estudiantes se dirigen directamente a las comunidades locales para que puedan gestionar el sistema de alerta temprana GAIA en gran medida sólo con los conocimientos y recursos locales. Este bloque de construcción sitúa el objetivo 20 del GBF "Fortalecer la creación de capacidades, la transferencia de tecnología y la cooperación científica y técnica para la biodiversidad" en el centro de la Iniciativa GAIA, ya que este bloque no es un apéndice de la parte de investigación y desarrollo de la Iniciativa, sino un campo de acción clave desde el principio.