GAIA i³ 접근 방식: 생태계 교란을 위한 AI 기반 조기 경보 시스템 구축

독수리는 중요한 생태계 서비스를 제공하는 고도로 지능적인 조류 그룹입니다. 하지만 인위적인 요인으로 인해 지난 수십 년 동안 구세계 독수리의 개체 수가 급격히 감소했습니다. 무차별적인 독극물 중독이나 고갈된 먹이원과 같은 심각한 위협에 대처하는 효율적인 보존 전략을 개발해야 합니다. 동시에 사회적 상호 작용을 포함한 그들의 행동은 아직 제대로 이해되지 않고 있습니다. 첨단 추적 장비와 AI 기반 분석 도구를 기반으로 하는 GAIA는 독수리가 어떻게 소통하고, 상호 작용하고, 협력하며, 먹이를 찾고, 번식하고, 새끼를 양육하는지 더 잘 이해하는 것을 목표로 합니다. 또한 GAIA 과학자들은 흰등 독수리의 사회적 먹이 사냥 전략과 육식-포식자 공동체 내 정보 전달에 대해서도 연구합니다. 동물의 왕국에서는 모든 분류군에 걸쳐 먹이를 찾을 때 개인뿐만 아니라 무리를 지어 이동하는 것이 일반적입니다. 동물들은 먹이를 찾기 위해 함께 먹이를 찾거나 다른 개체의 지식에 의존합니다. 이러한 사회적 먹이 찾기는 발견되는 먹이의 양, 사냥할 수 있는 먹이의 크기 또는 먹이에 접근하는 데 필요한 시간 등의 이점을 가져다주는 것으로 추정됩니다. GAIA는 행동과 의사소통의 종별 메커니즘과 개체에 대한 인센티브, 혜택 및 가능한 불이익을 조사합니다.

이러한 종 내적, 종 간 연결과 상호작용을 더 깊이 이해함으로써 GAIA는 인간과 야생동물의 갈등(종종 육식동물 행동과 관련이 있음)의 근원과 종 관리에 대한 이해를 높이는 데도 기여하고 있습니다. 예를 들어 나미비아에서는 사자 군집에 대한 연구를 통해 사자의 공간적 행동을 이해하고 지역 주민(예: 소 사육자)과의 접촉을 완화하여 인간과 야생동물의 갈등을 관리(GBF 목표 4)하는 데 도움이 됩니다. 이러한 지식은 또한 지역 사자 개체군을 지속 가능하게 관찰하고 관리하여 사람들에게 혜택을 주고(GBF 목표 9), 갈등 완화와 관광업의 균형을 맞추는 데 활용됩니다.

인공위성과 항공기는 원거리에서 환경 데이터를 수집하여 기후와 생태계를 더 잘 이해하는 데 중요한 역할을 합니다. 항공기, 풍선 또는 인공위성을 이용한 원격 센싱을 통해 넓은 지역과 외딴 지역을 장기간에 걸쳐 모니터링할 수 있습니다. 이러한 '하늘의 눈'은 지상 관측을 보완하는 귀중한 역할을 하며 해류와 기류, 토지 피복의 변화, 기후 변화를 이해하는 데 도움을 줍니다. 그러나 동물은 또한 놀라운 감각과 서식지의 변화를 감지하는 독특한 능력을 가지고 있습니다. GAIA는 동물의 능력과 원격 감지 기술을 결합하여 지구를 모니터링하고 이해하는 능력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 동물은 뛰어난 감각 능력과 행동 전략을 가지고 있어 생태계의 미묘하고 극적인 변화를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 중요한 사건을 감지할 수 있습니다. 예를 들어 독수리는 '감시자 종'의 역할을 하며 원격 감지 개념을 새로운 차원으로 끌어올릴 수 있습니다. 독수리는 먹이를 찾아 광활한 지역을 정기적으로 순찰하며 배기가스 배출이나 추가 자원, 수리 없이 활동합니다. 또한, 이들의 순찰은 뛰어난 시야와 사체를 찾아야 한다는 사명에 따라 이루어집니다. 순찰 방식, 수색 대상, 그리고 그들이 발견하는 사건은 특정 환경 변화 및 생태학적 사건과 관련이 있을 수 있습니다.

독수리를 이용한 원격 센싱의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 GAIA는 두 가지 필수적인 측면에 중점을 둡니다. 첫째, 독수리에 강력한 추적 장치를 부착하여 독수리의 움직임과 행동을 상세한 시간적, 공간적 규모로 모니터링합니다. 둘째, 독수리의 관찰과 행동을 더 잘 이해하기 위한 새로운 기술 솔루션이 개발되고 있습니다. 여기에는 카메라가 통합된 새로 개발된 카메라 태그, 행동 감지 및 이미지 인식을 위한 인공 지능 알고리즘, 원격 지역의 실시간 커버리지를 위한 위성 업링크가 포함됩니다. 이러한 도구를 통해 동물은 위성 이미지보다 더 높은 해상도와 구체성으로 이미지를 캡처하고 주변 환경에 대한 데이터를 더 빠르게 제공할 수 있습니다. 이 혁신적인 접근 방식을 통해 우리는 동물의 눈으로 자연을 볼 수 있습니다.

GAIA는 낭비를 최소화하는 전략을 채택했습니다: 꼭 필요한 기술 장비만 사용하고 개발합니다. 목걸이와 태그는 장기간(예: 독수리) 남아 있거나(예: 사자) 데이터를 추출하기 위해 정기적으로 수집됩니다(예: 사자). 경관에 송신기가 남아 있지 않음: 송신기가 떨어지거나 태그를 부착한 동물이 죽으면 그 위치를 파악하여 경관에서 제거합니다. 이러한 방식으로 GAIA 시스템은 "흔적을 남기지 않는" 시스템으로 생태계에 상당한 이점을 제공합니다.

생태학 연구와 GAIA 활용 사례를 위해서는 외딴 야생 지역에서 오랜 기간 동안 다양한 동물 종의 행동을 안정적이고 정확하게 인식하는 것이 필요합니다. 이를 위해 GAIA 과학자들은 GPS 및 가속도 데이터로부터 행동 분류를 수행하고, 예를 들어 동물 태그를 장착한 흰등 독수리가 특정 시간과 장소에서 무엇을 하는지 정확히 알려줄 수 있는 인공지능(AI)을 개발하고 훈련시켰습니다. 이 AI는 결국 GAIA 동물 태그에서 직접 실행되어 센서 데이터로부터 행동 정보를 생성할 것입니다. 두 번째 단계로, 과학자들은 이렇게 분류된 행동을 태그의 GPS 데이터와 결합합니다. 공간 클러스터링 알고리즘을 사용하여 특정 행동이 더 자주 발생하는 위치를 파악했습니다. 이러한 방식으로 독수리가 먹이를 먹는 위치를 공간적, 시간적으로 세밀하게 파악할 수 있었습니다. 마지막으로, GAIA는 새로운 태그 시스템의 통합 카메라로 촬영한 사진을 분석할 이미지 인식용 AI를 개발하고 있습니다. 이러한 모든 알고리즘은 태그에서 직접 실행되며 효율적인 임베디드 데이터 처리를 수행할 수 있습니다. 또한 이미지 인식 AI는 소량의 데이터로 매우 제한적으로 작동해야 하기 때문에 매우 특별한 요구 사항이 있습니다. 이를 위해 GAIA 팀은 희소 AI를 위한 적절한 전략과 모델을 개발하고 있습니다.

이 새로운 사체 감지 파이프라인은 종의 멸종을 막고 인간과 야생동물의 충돌을 관리하는 데 있어 핵심적인 자산이며, 따라서 GBF 목표 4와도 일치합니다. 이 파이프라인을 통해 독수리의 죽음이나 독수리가 먹이로 삼고 있는 동물의 죽음을 신속하게 감지할 수 있습니다. 두 가지 상황 모두 종의 멸종을 막는 것과 관련이 있습니다: 독수리 사체의 중독은 많은 독수리 종의 개체 수 감소에 크게 기여합니다. 독수리는 먹이를 찾을 때 사회적 전략을 사용하기 때문에 독극물에 중독된 사체 한 마리가 수백 마리의 새를 죽일 수 있습니다. GAIA 이니셔티브의 과학자들은 독수리에 태그를 부착하면 독수리의 죽음을 조기에 발견하고 사체를 제거할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 독수리에게 태그를 부착하고 여기에 설명된 AI 파이프라인을 사용하면 추가 사망자를 크게 줄일 수 있습니다. 둘째, 멸종위기종의 밀렵 사건을 조기에 발견하면 밀렵을 지역적으로 완전히 막을 수 있고 멸종 방지에 크게 기여할 수 있습니다.

환경 변화에 대한 첨단 조기 경보 시스템을 개발하고 실행에 옮긴다는 GAIA 이니셔티브의 목표를 달성하기 위해서는 차세대 동물 태그가 핵심 요소입니다. GAIA 팀은 저전력 센서 기술과 카메라 및 이미지 처리 기능을 갖춘 소형 동물 태그의 하드웨어 및 소프트웨어 개발을 위해 노력하고 있습니다. 이 태그는 에너지 자립형이며 독수리의 해부학적 구조에 최적으로 적용될 것이며, 행동 감지 및 이미지 인식을 위한 온보드 인공 지능과 위성 기반 IoT 통신 시스템과 같이 개발 중인 추가 기술 기능의 기반이 될 것입니다.

또한 GAIA는 분산형 인공 지능과 마이크로 프로세서 네트워크, 즉 군집처럼 작동하는 동물 태그의 개념을 개발하고 있습니다. 자연 군집 지능과 유사하게, GAIA 이니셔티브는 마이크로프로세서의 임시 네트워크에 디지털 군집 지능을 매핑하고 있습니다. 이렇게 자발적으로 형성되는 네트워크는 대량의 데이터에 대한 분산 및 센서 기반 분석의 기반이 됩니다. 이 경로를 따라가면 예를 들어 먹이 주기 이벤트 중에 같은 위치에 있는 독수리 태그가 인공 지능 분석 및 데이터 전송과 같은 작업을 연결하고 공유할 수 있습니다.

환경 변화 연구에서 관심의 대상이 되는 관련 생태학적 과정과 사건은 일반적으로 지상 통신 인프라가 닿지 않는 외딴 지역에서 발생합니다. 이러한 지역에서 동물 태그를 사용하여 현장에서 생성된 데이터는 수일 또는 수주가 지연된 후에야 전송되는 경우가 많습니다. 이러한 지연을 극복하고 조기 경보 시스템의 지연을 방지하기 위해 GAIA는 태그용 위성 통신 모듈과 저지구궤도(LEO)에서 작동하는 나노위성을 개발했습니다: 수집된 데이터와 정보를 전송 노드에서 저지구궤도(LEO) 위성으로 직접 전송할 수 있도록 고성능 위성 IoT 무선 모듈이 새로운 태그에 통합됩니다. 이를 통해 추출된 데이터의 즉각적이고 안전하며 에너지 효율적인 전송을 보장합니다. 통신 시스템은 지상파 mioty® 기술을 기반으로 하며, 프로젝트에 사용되는 L- 및 S-밴드와 같은 위성의 일반적인 주파수 대역에 맞게 조정될 예정입니다. IoT 분야에서 가끔 사용되는 일반적인 통신 프로토콜은 일반적으로 작은 패킷 크기에 맞게 설계됩니다. 따라서 mioty® 시스템의 추가 개발은 이미지 전송과 같은 애플리케이션 시나리오를 가능하게 하기 위해 데이터 속도와 메시지 크기를 늘리는 것을 목표로 할 것입니다.

위성 IoT 시스템은 지연 없는 통신과 조기 경보 시스템의 핵심이 될 것입니다. 이는 GBF 목표 4 "멸종 방지, 유전적 다양성 보호, 인간과 야생동물의 갈등 관리"를 달성하는 데 있어 GAIA 시스템에 크게 기여할 것입니다.

전 세계의 현대 동물원 및 수족관은 동물 관리, 종 보존, 공공 교육에 전문성을 기여함으로써 특별한 기회를 제공하고, 현대 보존 및 과학 연구의 강력한 기반을 형성합니다. GAIA 이니셔티브는 이러한 기관과 긴밀히 협력하고 이들이 생성하는 데이터와 인사이트를 활용함으로써 현장과 현장 외 보존 노력 간의 격차를 해소하는 것을 목표로 합니다. 인간의 보살핌을 받는 동물은 종의 생물학, 행동, 환경 변화에 대한 반응을 이해하는 데 귀중한 모델이 될 수 있습니다. 또한, 동물원의 통제된 환경은 야생에 배치하기 전에 보다 예측 가능하고 접근 가능한 환경에서 동물 매개 센서 및 AI 시스템과 같은 첨단 기술을 개발하고 테스트할 수 있게 해줍니다.

이 빌딩 블록의 주요 중점 영역은 다음과 같습니다:

• 센서 데이터에 대한 AI 파이프라인 개발을 위한 참조 및 학습 데이터 생성. 대형 조류 사육장에서 사육 중인 독수리에게 태그를 부착하고 동시에 독수리의 행동을 기록함으로써 AI 학습을 위한 쌍으로 구성된 데이터 세트를 만들 수 있었습니다. 학습된 AI를 사용하면 먹이 주기 등 관련 행동을 감지하기 위해 동물을 관찰할 필요가 없으며, AI는 센서 데이터로부터 매우 안정적으로 행동을 예측하여 대상 동물의 일생 동안의 행동에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
• 교육 및 대중 참여: 베를린 동물원은 GAIA의 연구 결과를 교육 프로그램에 통합하고 미디어 관계 및 대중 홍보에 협력하여 생물 다양성 보존과 기술 혁신에 대한 대중의 인식과 참여를 촉진하고 있습니다. 방문객들은 최첨단 도구와 그 도구가 야생동물 보호에 미치는 영향을 소개받습니다.

개별 동물에게 꼭 필요한 최소한의 영향만 미치는 것이 GAIA 이니셔티브의 핵심 목표입니다. 사자와 독수리 모두 베를린 동물원과 베를린 티어파크에서 독일의 동물 실험 및 동물 복지 시스템 내에서 광범위한 테스트 절차가 진행되었습니다. 동물원 동물과 야생동물 모두를 위해 수의학 전문가들에 의해 개발되고 테스트된 기술은 엄격한 동물복지 고려사항에 부합하고 안전한 것으로 간주됩니다. 또한, GAIA와 다른 연구 그룹 모두 해당 종에 대한 태그와 목걸이 착용의 효과에 대한 장기간의 경험과 데이터를 보유하고 있습니다. 예를 들어, 독수리에게 인식표를 부착하는 것이 새의 복지, 건강 또는 번식에 해로운 영향을 미치지 않는다는 것이 입증되었습니다. 독수리는 태그를 부착한 채로 수년 동안 살며, 비슷한 움직임과 먹이 활동을 하고, 새끼를 낳는 것으로 밝혀졌습니다.

GAIA와 베를린 동물원의 파트너십은 GBF 목표 21 "생물다양성 행동을 안내하기 위한 지식의 이용 및 접근성 보장"의 의미에서 이니셔티브의 커뮤니케이션 및 지식 이전 목표를 강조합니다. 이 활동 분야는 생물다양성 보전과 기술 혁신에 대한 인식 제고를 위해 더 많은 대중을 대상으로 할 뿐만 아니라 국내 및 국제적 차원의 정치적 의사 결정권자를 대상으로 합니다. 예를 들어, GAIA는 독일과 나미비아의 정치 이해관계자들과 활발히 협의하고 벨기에 브뤼헤에서 열린 2024년 IUCN 지역보전포럼에 참가했습니다.

GAIA 이니셔티브는 나미비아, 모잠비크, 우간다 등 여러 아프리카 국가의 지역 공원 및 당국과 함께 개발된 조기 경보 시스템을 실행하는 과정에서 중요한 역량 강화 조치를 수행합니다. 공원 직원, 관련 당국 및 부처의 공무원들은 시스템을 구현하는 동안 교육을 받습니다. 여기에는 지역 사회가 GAIA 시스템으로 목걸이, 태그, 추적을 수행하고 지정된 프론트엔드를 사용하여 조기 경보 파이프라인을 구현할 수 있도록 권한을 부여하는 것이 포함됩니다.

또한, GAIA 직원들은 다양한 분야와 연구 분야의 학생들을 적극적으로 교육하여 보존과 생명과학을 위한 새로운 기술을 지원하고 있습니다. 지난 6년 동안 250명 이상의 학생들이 나미비아 대학교에서 인간과 야생동물의 갈등, 동물 추적, 독수리, 사자, 하이에나의 행동 등에 중점을 두고 수의학 및 야생동물 생물학에 대한 GAIA 직원의 강의에 성공적으로 참여했습니다.

전문 역량 강화와 학생 교육은 모두 지역 커뮤니티를 직접 대상으로 하며, 지역 지식과 자원만으로 GAIA 조기 경보 시스템을 운영할 수 있도록 지원합니다. 이 빌딩 블록은 GBF 목표 20 "생물다양성을 위한 역량 강화, 기술 이전, 과학 및 기술 협력 강화"가 이니셔티브의 연구 개발 부분에 대한 부록이 아니라 처음부터 핵심적인 활동 분야이기 때문에 GAIA 이니셔티브의 핵심에 위치합니다.