L'approccio di GAIA i³: Creare un sistema di allerta precoce alimentato dall'intelligenza artificiale per le perturbazioni dell'ecosistema

Gli avvoltoi sono un gruppo di uccelli molto intelligenti che forniscono importanti servizi all'ecosistema. Tuttavia, le popolazioni di avvoltoi del vecchio mondo sono diminuite drasticamente negli ultimi decenni a causa di fattori antropici. È necessario sviluppare strategie di conservazione efficaci che affrontino minacce critiche come l'avvelenamento indiscriminato o l'impoverimento delle fonti di cibo. Allo stesso tempo, il loro comportamento, comprese le interazioni sociali, è ancora poco conosciuto. Basandosi su apparecchiature di localizzazione ad alta tecnologia e su strumenti analitici basati sull'intelligenza artificiale, il GAIA mira a comprendere meglio come gli avvoltoi comunicano, interagiscono e cooperano, si foraggiano, si riproducono e allevano i loro piccoli. Inoltre, gli scienziati del GAIA ricercano le strategie sociali di foraggiamento degli avvoltoi dal dorso bianco e il trasferimento di informazioni all'interno delle comunità di carnivori-scavatori. Nel regno animale è comune a tutti i taxa che la ricerca di cibo avvenga non solo come individui ma anche in gruppo. Gli animali foraggiano insieme o si affidano alle conoscenze di altri individui per trovare il cibo. Questo cosiddetto foraggiamento sociale produce presumibilmente dei vantaggi, ad esempio per quanto riguarda la quantità di cibo trovato, le dimensioni delle prede che possono essere cacciate o il tempo necessario per accedere al cibo. GAIA studia i meccanismi specie-specifici del comportamento e della comunicazione, nonché gli incentivi, i vantaggi e gli eventuali svantaggi per gli individui.

Approfondendo la comprensione di queste connessioni e interazioni intra- e inter-specifiche, GAIA contribuisce anche a comprendere meglio le radici dei conflitti tra uomo e fauna selvatica (che sono spesso collegati al comportamento dei carnivori) e alla gestione delle specie. In Namibia, ad esempio, la ricerca sulle comunità di leoni aiuta a comprendere il loro comportamento spaziale e a mitigare i contatti con la popolazione locale (ad esempio gli allevatori di bestiame) per gestire il conflitto uomo-bestiame (obiettivo 4 del GBF). Queste conoscenze vengono utilizzate anche per osservare e gestire le popolazioni locali di leoni in modo sostenibile a beneficio della popolazione (obiettivo 9 del GBF), bilanciando la mitigazione dei conflitti e il turismo.

I satelliti e gli aerei svolgono un ruolo cruciale nella raccolta di dati ambientali a distanza, aiutandoci a comprendere meglio il clima e gli ecosistemi. Il telerilevamento, spesso condotto da aerei, palloni aerostatici o satelliti, ci permette di monitorare vaste aree e regioni remote per periodi prolungati. Questi "occhi nel cielo" sono un prezioso complemento alle osservazioni terrestri e ci aiutano a comprendere le correnti oceaniche e aeree, i cambiamenti della copertura del suolo e i cambiamenti climatici. Tuttavia, anche gli animali possiedono sensi straordinari e una capacità unica di rilevare i cambiamenti nei loro habitat. Combinando le capacità degli animali con le tecnologie di telerilevamento, GAIA mira a migliorare la nostra capacità di monitorare e comprendere il nostro pianeta. Gli animali possiedono capacità sensoriali superiori e strategie comportamentali che consentono loro di percepire cambiamenti sottili e drammatici nei loro ecosistemi, nonché di rilevare incidenti critici. Gli avvoltoi, ad esempio, agiscono come "specie sentinella" e possono elevare il concetto di telerilevamento a nuovi livelli. Pattugliano regolarmente vaste aree alla ricerca di cibo, operando senza emissioni, risorse aggiuntive o riparazioni. Inoltre, i loro pattugliamenti sono guidati da una vista eccezionale e dalla missione di trovare le carcasse. Il modo in cui pattugliano, ciò che cercano e gli incidenti a cui ci conducono possono essere legati a specifici cambiamenti ambientali ed eventi ecologici.

Per sfruttare appieno il potenziale del telerilevamento effettuato dagli avvoltoi, GAIA si concentra su due aspetti essenziali. In primo luogo, agli avvoltoi vengono applicati potenti dispositivi di localizzazione per monitorare i loro movimenti e comportamenti su scale temporali e spaziali dettagliate. In secondo luogo, vengono sviluppate nuove soluzioni tecnologiche per comprendere meglio ciò che gli animali osservano e fanno. Tra queste, un tag di nuova concezione con fotocamera integrata, algoritmi di intelligenza artificiale per il rilevamento del comportamento e il riconoscimento delle immagini e un uplink satellitare per la copertura in tempo reale delle regioni remote. Grazie a questi strumenti, gli animali possono catturare immagini e fornire dati sull'ambiente circostante più rapidamente, con una risoluzione e una specificità maggiori rispetto alle immagini satellitari. Questo approccio innovativo ci permette di vedere la natura con gli occhi degli animali.

GAIA ha adottato una strategia di minimizzazione degli sprechi: Vengono utilizzate e sviluppate solo le attrezzature tecniche assolutamente indispensabili. I collari e le targhette rimangono per lunghi periodi di tempo (ad esempio per gli avvoltoi) o vengono raccolti di routine (ad esempio per i leoni) per estrarre i dati. Nessun trasmettitore rimane nel paesaggio: se un trasmettitore cade o l'animale che porta la targhetta muore, viene localizzato e rimosso dal paesaggio. In questo modo, il sistema GAIA è un sistema "che non lascia tracce" con notevoli benefici per gli ecosistemi.

Per la ricerca ecologica e per i casi d'uso di GAIA, è necessario riconoscere in modo affidabile e preciso il comportamento di diverse specie animali per un lungo periodo di tempo in regioni selvagge e remote. A tal fine, gli scienziati di GAIA hanno sviluppato e addestrato un'intelligenza artificiale (AI) in grado di eseguire una classificazione comportamentale a partire dai dati GPS e di accelerazione e di dirci esattamente cosa stanno facendo, ad esempio, gli avvoltoi dal dorso bianco muniti di targhetta in un determinato momento e luogo. L'intelligenza artificiale verrà eseguita direttamente sulle targhette GAIA e genererà informazioni comportamentali dai dati dei sensori. In una seconda fase, gli scienziati hanno combinato il comportamento così classificato con i dati GPS delle targhette. Utilizzando algoritmi di clustering spaziale, hanno identificato i luoghi in cui determinati comportamenti si verificavano più frequentemente. In questo modo, hanno ottenuto una risoluzione spaziale e temporale dei luoghi in cui gli avvoltoi si nutrivano. Infine, GAIA sta sviluppando un'intelligenza artificiale per il riconoscimento delle immagini che analizzerà le foto scattate dalla fotocamera integrata del nuovo sistema di tag. Tutti questi algoritmi verranno eseguiti direttamente sul tag e potranno eseguire un'efficiente elaborazione dei dati incorporati. Ciò pone requisiti molto particolari all'IA per il riconoscimento delle immagini, che deve operare in modo particolarmente parsimonioso e con piccole quantità di dati. A tal fine, i team di GAIA stanno sviluppando strategie e modelli appropriati per l'IA rada.

Questa nuova pipeline di rilevamento delle carcasse è una risorsa fondamentale per arrestare l'estinzione delle specie e gestire i conflitti tra uomo e fauna selvatica, e pertanto si allinea all'obiettivo 4 del GBF. La pipeline consente di rilevare rapidamente la morte degli avvoltoi o la morte dell'animale di cui gli avvoltoi si stanno nutrendo. Entrambi gli scenari sono rilevanti per arrestare l'estinzione delle specie: L'avvelenamento delle carcasse contribuisce in modo significativo al declino delle popolazioni di molte specie di avvoltoi. Poiché gli avvoltoi utilizzano strategie sociali nella ricerca del cibo, una carcassa avvelenata può uccidere centinaia di uccelli. Gli scienziati dell'Iniziativa GAIA hanno dimostrato che la marcatura degli avvoltoi consente di individuare precocemente i decessi e di rimuovere la carcassa. La marcatura degli avvoltoi e l'utilizzo delle linee di AI qui descritte possono ridurre in modo sostanziale ulteriori decessi. In secondo luogo, il rilevamento precoce di episodi di bracconaggio di specie minacciate può porre fine al bracconaggio a livello locale e contribuire in modo significativo alla lotta contro l'estinzione.

Per raggiungere l'obiettivo dell'Iniziativa GAIA di sviluppare e mettere in pratica un sistema di allerta precoce ad alta tecnologia per i cambiamenti ambientali, una nuova generazione di etichette per animali è una componente chiave. I team di GAIA stanno lavorando allo sviluppo hardware e software di targhette per animali miniaturizzate con una tecnologia di sensori a basso consumo, con telecamera ed elaborazione delle immagini. Le targhette saranno autonome dal punto di vista energetico, si adatteranno in modo ottimale all'anatomia degli avvoltoi e saranno la base per ulteriori caratteristiche tecnologiche in fase di sviluppo, come le intelligenze artificiali di bordo per il rilevamento del comportamento e il riconoscimento delle immagini, nonché un sistema di comunicazione IoT basato su satellite.

Inoltre, GAIA sta sviluppando concetti di intelligenza artificiale distribuita e reti di microprocessori - tag animali che agiscono proprio come uno sciame. Analogamente all'intelligenza naturale degli sciami, l'iniziativa GAIA sta mappando l'intelligenza digitale degli sciami in una rete ad hoc di microprocessori. Queste reti che si formano spontaneamente sono la base per l'analisi distribuita e basata su sensori di grandi quantità di dati. Seguendo questa strada sarà possibile, ad esempio, per i tag degli avvoltoi, presenti nello stesso luogo durante gli eventi di alimentazione, collegarsi e condividere compiti come le analisi di intelligenza artificiale e la trasmissione dei dati.

I processi ecologici rilevanti e gli incidenti di interesse per la ricerca sui cambiamenti ambientali si verificano tipicamente in aree remote, al di fuori della portata delle infrastrutture di comunicazione terrestri. In queste regioni, i dati generati sul campo utilizzando le targhette degli animali possono spesso essere trasmessi solo con un ritardo di giorni o addirittura di settimane. Per superare questo ritardo e garantire l'assenza di ritardi nel sistema di allerta precoce, GAIA ha sviluppato un modulo di comunicazione satellitare per i tag e un nanosatellite che opera in orbita terrestre bassa (LEO): Per poter trasmettere i dati e le informazioni raccolte direttamente dal nodo trasmittente al satellite LEO (Low Earth Orbit), nei nuovi tag sarà integrato un modulo radio IoT satellitare ad alte prestazioni. Questo garantisce una trasmissione immediata, sicura ed efficiente dal punto di vista energetico dei dati estratti. Il sistema di comunicazione si basa sulla tecnologia terrestre mioty® e sarà adattato alle bande di frequenza tipiche dei satelliti, come la banda L e S, per il progetto. I protocolli di comunicazione tipici, talvolta utilizzati nel settore IoT, sono solitamente progettati per pacchetti di piccole dimensioni. L'ulteriore sviluppo del sistema mioty® mirerà quindi ad aumentare la velocità dei dati e la dimensione dei messaggi per consentire scenari applicativi come la trasmissione di immagini.

Il sistema IoT satellitare sarà fondamentale per una comunicazione senza ritardi e quindi per un sistema di allerta precoce. Contribuisce notevolmente al sistema GAIA nel raggiungimento dell'obiettivo 4 del GBF "Arrestare l'estinzione, proteggere la diversità genetica e gestire i conflitti tra uomo e fauna selvatica".

I moderni giardini zoologici e gli acquari di tutto il mondo offrono opportunità uniche contribuendo con la loro esperienza alla cura degli animali, alla conservazione delle specie e all'educazione del pubblico, costituendo una solida base per la conservazione moderna e la ricerca scientifica. Lavorando a stretto contatto con queste istituzioni e utilizzando i dati e le conoscenze da esse generate, l'Iniziativa GAIA mira a colmare il divario tra gli sforzi di conservazione in situ ed ex situ. Gli animali sotto la tutela dell'uomo possono servire come modelli preziosi per comprendere la biologia, il comportamento e le risposte delle specie ai cambiamenti ambientali. Inoltre, le condizioni controllate dei giardini zoologici consentono di sviluppare e testare tecnologie avanzate, come sensori e sistemi di intelligenza artificiale trasportati dagli animali, in contesti più prevedibili e accessibili prima dell'impiego in natura.

Le principali aree di interesse di questo blocco includono:

• Generare dati di riferimento e di addestramento per lo sviluppo della pipeline di IA per i dati dei sensori. Distribuendo i tag sugli avvoltoi in cattività in una grande voliera e ricodificando il loro comportamento simultaneamente, siamo stati in grado di creare un set di dati accoppiati per l'addestramento dell'IA. Con l'IA addestrata non è più necessario osservare gli animali per rilevare i comportamenti rilevanti, ad esempio l'alimentazione; l'IA è in grado di prevedere in modo molto affidabile il comportamento dai dati del sensore, fornendoci approfondimenti sul comportamento degli animali bersaglio durante la loro vita.
• Educazione e coinvolgimento del pubblico: Lo Zoo di Berlino integra i risultati di GAIA nei suoi programmi educativi e collabora alle relazioni con i media e alla sensibilizzazione del pubblico, promuovendo la consapevolezza e la partecipazione del pubblico alla conservazione della biodiversità e alle innovazioni tecnologiche. Ai visitatori vengono presentati strumenti all'avanguardia e il loro impatto sulla conservazione della fauna selvatica.

Avere un impatto minimo e solo strettamente necessario sui singoli animali è un obiettivo chiave dell'Iniziativa GAIA. Sia per i leoni che per gli avvoltoi sono state condotte ampie procedure di sperimentazione (nell'ambito del sistema tedesco di sperimentazione e benessere degli animali) nello zoo di Berlino e nel Tierpark di Berlino. Le tecniche sono state sviluppate e testate da esperti veterinari sia per gli animali da zoo che per quelli selvatici e sono considerate sicure e compatibili con le rigorose considerazioni sul benessere degli animali. Inoltre, sia all'interno di GAIA che da parte di altri gruppi di ricerca, esistono esperienze e dati a lungo termine sugli effetti della marcatura e del collare delle rispettive specie. È stato dimostrato, ad esempio, che la marcatura degli avvoltoi non ha alcun effetto negativo sul benessere, la salute o la riproduzione degli uccelli. È stato riscontrato che gli avvoltoi vivono per molti anni con i tag, hanno un comportamento di movimento e di foraggiamento simile e hanno una prole.

La partnership di GAIA con lo Zoo di Berlino sottolinea anche gli obiettivi di comunicazione e di trasferimento delle conoscenze dell'Iniziativa, nel senso dell'obiettivo 21 del GBF "Garantire che la conoscenza sia disponibile e accessibile per guidare l'azione a favore della biodiversità". Questo campo di attività non si rivolge solo al grande pubblico per sensibilizzarlo alla conservazione della biodiversità e alle innovazioni tecnologiche, ma mira anche ai decisori politici a livello nazionale e internazionale. GAIA è stato molto attivo nel consultare gli stakeholder politici in Germania e Namibia, ad esempio, e ha partecipato al Forum regionale sulla conservazione 2024 dell'IUCN a Bruges, in Belgio.

L'Iniziativa GAIA conduce importanti misure di sviluppo delle capacità, in quanto il sistema di allerta precoce sviluppato viene messo in pratica insieme ai parchi e alle autorità locali in molti Paesi africani, come Namibia, Mozambico e Uganda. Il personale dei parchi, i funzionari delle autorità competenti e dei ministeri vengono formati durante l'implementazione del sistema. Ciò include il potenziamento delle comunità locali per effettuare collisioni, marcature e tracciamenti con il sistema GAIA, nonché l'implementazione della pipeline di allerta precoce utilizzando il frontend designato.

Inoltre, lo staff di GAIA sta formando attivamente gli studenti in varie discipline e campi di ricerca per sostenere le nuove tecnologie per la conservazione e le scienze della vita. Negli ultimi 6 anni, più di 250 studenti hanno partecipato con successo ai corsi condotti dal personale di GAIA presso l'Università della Namibia in scienze veterinarie e biologia della fauna selvatica, con particolare attenzione, ad esempio, ai conflitti tra uomo e fauna selvatica, al tracking degli animali e al comportamento di avvoltoi, leoni e iene.

Sia il rafforzamento delle capacità professionali che la formazione degli studenti si rivolgono direttamente alle comunità locali, per consentire loro di gestire il sistema di allerta precoce GAIA con le sole conoscenze e risorse locali. Questo blocco pone l'obiettivo 20 del GBF "Rafforzare la creazione di capacità, il trasferimento tecnologico e la cooperazione scientifica e tecnica per la biodiversità" al centro dell'Iniziativa GAIA, in quanto non si tratta di un'aggiunta alla parte di ricerca e sviluppo dell'Iniziativa, ma di un campo d'azione chiave fin dall'inizio.