Pendekatan GAIA i³: Menciptakan sistem peringatan dini bertenaga AI untuk gangguan ekosistem

Burung nasar adalah kelompok burung yang sangat cerdas yang menyediakan jasa ekosistem yang penting. Namun, populasi burung nasar di dunia lama menurun drastis dalam beberapa dekade terakhir karena faktor antropogenik. Strategi konservasi yang efisien yang dapat mengatasi ancaman kritis seperti keracunan sembarangan atau berkurangnya sumber makanan perlu dikembangkan. Pada saat yang sama, perilaku mereka termasuk interaksi sosial masih kurang dipahami. Dengan menggunakan peralatan pelacakan berteknologi tinggi dan alat analisis berbasis kecerdasan buatan, GAIA bertujuan untuk lebih memahami bagaimana burung nasar berkomunikasi, berinteraksi dan bekerja sama, mencari makan, berkembang biak, dan membesarkan anak-anak mereka. Selain itu, para ilmuwan GAIA juga meneliti strategi mencari makan sosial burung nasar punggung putih dan transfer informasi di dalam komunitas karnivora-pemakan bangkai. Dalam kerajaan hewan, adalah hal yang umum di seluruh taksa bahwa pencarian makanan dilakukan tidak hanya sebagai individu, tetapi juga dalam kelompok. Hewan mencari makan bersama atau mengandalkan pengetahuan dari individu lain untuk menemukan makanan. Apa yang disebut sebagai pencarian makanan secara sosial ini mungkin menghasilkan keuntungan, misalnya dalam hal jumlah makanan yang ditemukan, ukuran mangsa yang bisa diburu, atau waktu yang dibutuhkan untuk mengakses makanan. GAIA menyelidiki mekanisme spesifik spesies dalam perilaku dan komunikasi serta insentif, manfaat dan kemungkinan kerugian bagi individu.

Dengan memahami lebih jauh hubungan dan interaksi intra dan inter-spesifik ini, GAIA juga berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang akar konflik manusia-satwa liar (yang sering dikaitkan dengan perilaku karnivora) dan pengelolaan spesies. Di Namibia, misalnya, penelitian terhadap komunitas singa membantu memahami perilaku spasial mereka dan memitigasi kontak dengan penduduk lokal (misalnya peternak) untuk mengelola konflik antara manusia dan satwa liar (target GBF 4). Pengetahuan ini juga digunakan untuk mengamati dan mengelola populasi singa lokal secara berkelanjutan untuk memberi manfaat bagi manusia (target GBF 9), menyeimbangkan mitigasi konflik dan pariwisata.

Satelit dan pesawat terbang memainkan peran penting dalam mengumpulkan data lingkungan dari kejauhan, membantu kita untuk lebih memahami iklim dan ekosistem. Penginderaan jarak jauh, yang sering dilakukan dari pesawat terbang, balon, atau satelit, memungkinkan kita untuk memantau wilayah yang luas dan daerah terpencil dalam waktu yang lama. "Mata di langit" ini merupakan pelengkap yang tak ternilai bagi pengamatan di darat, membantu kita memahami arus laut dan udara, perubahan tutupan lahan, dan perubahan iklim. Namun, hewan juga memiliki indera yang luar biasa dan kemampuan unik untuk mendeteksi perubahan di habitat mereka. Dengan menggabungkan kemampuan hewan dengan teknologi penginderaan jauh, GAIA bertujuan untuk meningkatkan kemampuan kita untuk memantau dan memahami planet kita. Hewan memiliki kemampuan sensorik dan strategi perilaku yang unggul yang memungkinkan mereka untuk merasakan perubahan yang halus dan dramatis dalam ekosistem mereka, serta untuk mendeteksi insiden kritis. Burung nasar, misalnya, bertindak sebagai "spesies penjaga" dan dapat meningkatkan konsep penginderaan jarak jauh ke tingkat yang lebih tinggi. Mereka secara teratur berpatroli di wilayah yang luas untuk mencari makanan, beroperasi tanpa emisi, sumber daya tambahan, atau perbaikan. Selain itu, patroli mereka dipandu oleh visi mereka yang luar biasa dan misi untuk menemukan bangkai. Cara mereka berpatroli, apa yang mereka cari, dan insiden yang mereka tunjukkan kepada kita mungkin terkait dengan perubahan lingkungan dan peristiwa ekologis tertentu.

Untuk sepenuhnya memanfaatkan potensi penginderaan jarak jauh yang ditularkan oleh burung pemakan bangkai, GAIA berfokus pada dua aspek penting. Pertama, alat pelacak yang canggih dipasang pada burung nasar untuk memantau pergerakan dan perilaku mereka dalam skala temporal dan spasial yang terperinci. Kedua, solusi teknologi baru sedang dikembangkan untuk lebih memahami apa yang diamati dan dilakukan oleh hewan-hewan tersebut. Ini termasuk tag kamera yang baru dikembangkan dengan kamera terintegrasi, algoritma kecerdasan buatan untuk deteksi perilaku dan pengenalan gambar, serta uplink satelit untuk cakupan real-time di wilayah terpencil. Dengan alat-alat ini, hewan dapat menangkap citra dan memberikan data tentang lingkungan mereka dengan lebih cepat, dengan resolusi dan kekhususan yang lebih tinggi daripada citra satelit. Pendekatan inovatif ini memungkinkan kita untuk melihat alam melalui mata hewan.

GAIA telah mengadopsi strategi pemborosan minimum: Hanya peralatan teknis yang benar-benar penting yang digunakan dan dikembangkan. Kerah dan tag tetap digunakan untuk jangka waktu yang lama (misalnya burung nasar) atau dikumpulkan secara rutin (misalnya singa) untuk mengekstrak data. Tidak ada pemancar yang tertinggal di lanskap: Jika pemancar jatuh atau hewan yang membawa tag mati, pemancar tersebut akan ditemukan dan disingkirkan dari lanskap. Dengan cara ini, sistem GAIA merupakan sistem "tidak meninggalkan jejak" dengan manfaat yang signifikan bagi ekosistem.

Untuk penelitian ekologi dan juga untuk kasus penggunaan GAIA, penting untuk mengenali perilaku spesies hewan yang berbeda secara andal dan akurat dalam jangka waktu yang lama di wilayah hutan belantara yang terpencil. Untuk melakukan hal ini, para ilmuwan GAIA telah mengembangkan dan melatih kecerdasan buatan (AI) yang dapat melakukan klasifikasi perilaku dari data GPS dan akselerasi dan memberi tahu kami dengan tepat apa yang, misalnya, burung nasar yang dipasangi tag hewan pada waktu dan tempat tertentu. AI ini pada akhirnya akan berjalan langsung pada tag hewan GAIA dan menghasilkan informasi perilaku dari data sensor. Pada langkah kedua, para ilmuwan menggabungkan perilaku yang diklasifikasikan dengan data GPS dari tag. Dengan menggunakan algoritma untuk pengelompokan spasial, mereka mengidentifikasi lokasi-lokasi di mana perilaku tertentu lebih sering muncul. Dengan cara ini, mereka memperoleh lokasi yang terselesaikan secara spasial dan temporal di mana burung nasar mencari makan. Terakhir, GAIA sedang mengembangkan AI untuk pengenalan gambar yang akan menganalisis foto yang diambil oleh kamera terintegrasi dari sistem tag yang baru. Semua algoritme tersebut akan berjalan langsung pada tag dan dapat melakukan pemrosesan data tertanam yang efisien. Hal ini juga memberikan tuntutan yang sangat khusus pada AI untuk pengenalan gambar, yang harus beroperasi secara hemat dan dengan jumlah data yang kecil. Untuk itu, tim GAIA sedang mengembangkan strategi dan model yang tepat untuk AI yang jarang digunakan.

Pipeline deteksi bangkai yang baru ini merupakan aset utama dalam menghentikan kepunahan spesies dan mengelola konflik antara manusia dan satwa liar, sehingga sejalan dengan target GBF 4. Pipeline ini memungkinkan deteksi cepat kematian burung nasar atau kematian hewan yang dimangsa oleh burung nasar. Kedua skenario tersebut relevan untuk menghentikan kepunahan spesies: Keracunan pada bangkai berkontribusi secara signifikan terhadap penurunan populasi banyak spesies burung nasar. Karena burung nasar menggunakan strategi sosial dalam mencari makanan, satu bangkai yang diracuni dapat membunuh ratusan burung. Para ilmuwan dari GAIA Initiative telah menunjukkan bahwa penandaan burung nasar memungkinkan untuk mendeteksi kematian secara dini dan bangkainya dapat disingkirkan. Penandaan burung nasar dan penggunaan saluran AI yang dijelaskan di sini dapat secara substansial mengurangi kematian lebih lanjut. Kedua, deteksi dini insiden perburuan spesies yang terancam punah dapat menghentikan perburuan lokal dan berkontribusi secara signifikan dalam memerangi kepunahan.

Untuk memenuhi tujuan Inisiatif GAIA dalam mengembangkan dan mempraktikkan sistem peringatan dini berteknologi tinggi untuk perubahan lingkungan, tag hewan generasi baru merupakan komponen kunci. Tim GAIA sedang mengerjakan pengembangan perangkat keras dan perangkat lunak tag hewan miniatur dengan teknologi sensor berdaya rendah dengan kamera dan pemrosesan gambar. Tag ini akan bersifat otonom secara energi, secara optimal disesuaikan dengan anatomi burung nasar dan menjadi dasar untuk fitur teknologi lebih lanjut yang sedang dikembangkan seperti kecerdasan buatan on-board untuk deteksi perilaku dan pengenalan gambar serta sistem komunikasi IoT berbasis satelit.

Selain itu, GAIA sedang mengembangkan konsep kecerdasan buatan terdistribusi dan jaringan prosesor mikro - tag hewan yang bertindak seperti kawanan. Analog dengan kecerdasan kawanan alami, inisiatif GAIA memetakan kecerdasan kawanan digital dalam jaringan mikroprosesor ad hoc. Jaringan yang terbentuk secara spontan ini merupakan fondasi untuk analisis terdistribusi dan berbasis sensor dari data dalam jumlah besar. Mengikuti jalur ini akan memungkinkan tag burung bangkai, misalnya, yang berada di lokasi yang sama selama acara pemberian makan, untuk menghubungkan dan berbagi tugas seperti analisis kecerdasan buatan dan transmisi data.

Proses dan kejadian ekologis yang relevan yang menarik dalam penelitian perubahan lingkungan biasanya terjadi di daerah terpencil di luar jangkauan infrastruktur komunikasi terestrial. Data yang dihasilkan di lapangan dengan menggunakan tag hewan di wilayah ini sering kali hanya dapat dikirim dengan penundaan beberapa hari atau bahkan berminggu-minggu. Untuk mengatasi penundaan ini dan memastikan tidak ada penundaan dalam sistem peringatan dini, GAIA mengembangkan modul komunikasi satelit untuk tag serta satelit nano yang beroperasi di orbit rendah bumi (LEO): Agar dapat mengirimkan data dan informasi yang dikumpulkan secara langsung dari simpul pemancar ke satelit LEO (Orbit Bumi Rendah), modul radio IoT satelit berkinerja tinggi akan diintegrasikan ke dalam tag yang baru. Hal ini menjamin transmisi data yang diekstraksi dengan cepat, aman, dan hemat energi. Sistem komunikasi didasarkan pada teknologi mioty® terestrial dan akan disesuaikan dengan pita frekuensi khas satelit seperti L- dan S-band untuk proyek ini. Protokol komunikasi yang umum, yang terkadang digunakan di sektor IoT, biasanya dirancang untuk ukuran paket yang kecil. Oleh karena itu, pengembangan lebih lanjut dari sistem mioty® juga akan bertujuan untuk meningkatkan kecepatan data dan ukuran pesan untuk memungkinkan skenario aplikasi seperti transmisi gambar.

Sistem IoT satelit akan menjadi kunci untuk komunikasi tanpa penundaan dan dengan demikian untuk sistem peringatan dini. Hal ini sangat berkontribusi pada sistem GAIA dalam mencapai target GBF 4 "Menghentikan Kepunahan, Melindungi Keanekaragaman Genetik, dan Mengelola Konflik antara Manusia dan Satwa Liar".

Kebun binatang dan akuarium modern di seluruh dunia memberikan kesempatan unik dengan menyumbangkan keahlian dalam perawatan satwa, konservasi spesies, dan pendidikan publik, yang membentuk fondasi yang kuat untuk konservasi modern dan penelitian ilmiah. Dengan bekerja sama dengan lembaga-lembaga ini dan memanfaatkan data dan wawasan yang mereka hasilkan, Inisiatif GAIA bertujuan untuk menjembatani kesenjangan antara upaya konservasi in-situ dan ex-situ. Satwa yang berada di bawah perawatan manusia dapat menjadi model yang berharga untuk memahami biologi, perilaku, dan respons spesies terhadap perubahan lingkungan. Selain itu, kondisi kebun binatang yang terkendali memungkinkan pengembangan dan pengujian teknologi canggih, seperti sensor yang ditularkan melalui hewan dan sistem AI, di bawah pengaturan yang lebih mudah diprediksi dan dapat diakses sebelum diterapkan di alam liar.

Area fokus utama dari blok bangunan ini meliputi:

• Menghasilkan data referensi dan pelatihan untuk pengembangan pipeline AI untuk data sensor. Dengan menggunakan tag pada burung nasar di penangkaran di kandang burung yang besar dan mengkodekan ulang perilaku mereka secara bersamaan, kami dapat membuat kumpulan data berpasangan untuk pelatihan AI. Dengan AI yang terlatih, tidak perlu lagi mengamati hewan untuk mendeteksi perilaku yang relevan, misalnya memberi makan; AI dapat dengan andal memprediksi perilaku dari data sensor yang memberi kami wawasan tentang perilaku hewan target sepanjang hidup mereka.
• Pendidikan dan keterlibatan publik: Kebun Binatang Berlin mengintegrasikan temuan GAIA ke dalam program pendidikan dan berkolaborasi dalam hubungan media dan penjangkauan publik, menumbuhkan kesadaran dan partisipasi masyarakat dalam konservasi keanekaragaman hayati dan inovasi teknologi. Pengunjung diperkenalkan dengan alat-alat canggih dan dampaknya terhadap konservasi satwa liar.

Memiliki dampak minimal dan hanya sebatas yang diperlukan terhadap satwa adalah tujuan utama dari Inisiatif GAIA. Untuk singa dan burung nasar, ada prosedur pengujian ekstensif yang dilakukan (dalam sistem Pengujian Hewan dan Kesejahteraan Hewan Jerman) di Kebun Binatang Berlin dan Berlin Tierpark. Teknik-teknik yang dikembangkan dan diuji oleh para ahli kedokteran hewan untuk hewan kebun binatang dan satwa liar dan dianggap aman dan sesuai dengan pertimbangan kesejahteraan hewan yang ketat. Selain itu, baik di dalam GAIA maupun oleh kelompok penelitian lain, terdapat pengalaman dan data jangka panjang mengenai dampak penandaan dan pemasangan kalung pada masing-masing spesies. Sebagai contoh, telah terbukti bahwa penandaan pada burung nasar tidak memberikan efek yang merugikan bagi kesejahteraan, kesehatan, atau reproduksi burung tersebut. Burung nasar terbukti dapat hidup bertahun-tahun dengan penandaan, memiliki pergerakan dan perilaku mencari makan yang sama, dan memiliki keturunan.

Kemitraan GAIA dengan Kebun Binatang Berlin juga menekankan pada tujuan komunikasi dan transfer pengetahuan dari Inisiatif ini dalam hal target GBF 21 "Memastikan bahwa Pengetahuan Tersedia dan Dapat Diakses untuk Memandu Aksi Keanekaragaman Hayati". Bidang kegiatan ini tidak hanya menyasar masyarakat luas untuk meningkatkan kesadaran akan konservasi keanekaragaman hayati dan inovasi teknologi, tetapi juga menyasar para pengambil keputusan politik di tingkat nasional dan internasional. GAIA sangat aktif dalam berkonsultasi dengan para pemangku kepentingan politik di Jerman dan Namibia, misalnya, serta berpartisipasi dalam Forum Konservasi Regional IUCN 2024 di Bruges, Belgia.

Inisiatif GAIA melakukan langkah-langkah peningkatan kapasitas yang penting ketika sistem peringatan dini yang dikembangkan dipraktikkan bersama dengan taman nasional dan pihak berwenang di banyak negara Afrika seperti Namibia, Mozambik, dan Uganda. Staf taman nasional, petugas di otoritas terkait dan kementerian dilatih saat menerapkan sistem tersebut. Hal ini termasuk memberdayakan masyarakat setempat untuk melakukan collaring, penandaan, dan pelacakan dengan sistem GAIA serta mengimplementasikan jalur peringatan dini menggunakan frontend yang telah ditentukan.

Selain itu, staf GAIA secara aktif mendidik siswa di berbagai disiplin ilmu dan bidang penelitian untuk mendukung teknologi baru untuk konservasi dan ilmu pengetahuan hayati. Dalam 6 tahun terakhir, lebih dari 250 mahasiswa berhasil berpartisipasi dalam kursus yang diselenggarakan oleh staf GAIA di Universitas Namibia dalam bidang ilmu kedokteran hewan dan biologi satwa liar dengan fokus khusus pada, misalnya, konflik antara manusia dan satwa liar, pelacakan satwa serta perilaku burung nasar, singa, dan hyena.

Baik pengembangan kapasitas profesional maupun pelatihan mahasiswa secara langsung menargetkan masyarakat lokal untuk memungkinkan mereka menjalankan sistem peringatan dini GAIA sebagian besar dengan pengetahuan dan sumber daya lokal. Blok bangunan ini menempatkan target GBF 20 "Memperkuat Pengembangan Kapasitas, Transfer Teknologi, dan Kerjasama Ilmiah dan Teknis untuk Keanekaragaman Hayati" sebagai inti dari Inisiatif GAIA karena blok ini bukan merupakan adendum dari bagian penelitian dan pengembangan Inisiatif, tetapi merupakan bidang utama dari tindakan sejak awal.