A abordagem GAIA i³: Criação de um sistema de alerta antecipado baseado em IA para interrupções no ecossistema

Os abutres são um grupo de aves altamente inteligentes que prestam importantes serviços ao ecossistema. No entanto, as populações de abutres do velho mundo diminuíram drasticamente nas últimas décadas devido a fatores antropogênicos. É necessário desenvolver estratégias de conservação eficientes que abordem ameaças críticas, como envenenamento indiscriminado ou fontes de alimentos esgotadas. Ao mesmo tempo, seu comportamento, incluindo as interações sociais, ainda é pouco compreendido. Com base em equipamentos de rastreamento de alta tecnologia e ferramentas analíticas baseadas em IA, o GAIA tem como objetivo compreender melhor como os abutres se comunicam, interagem e cooperam, forrageiam, reproduzem e criam seus filhotes. Além disso, os cientistas do GAIA pesquisam as estratégias de forrageamento social dos abutres de dorso branco e a transferência de informações dentro das comunidades de carnívoros e necrófagos. No reino animal, é comum em todos os táxons que a busca por alimentos seja realizada não apenas individualmente, mas em um grupo. Os animais forrageiam juntos ou dependem do conhecimento de outros indivíduos para encontrar alimentos. Esse chamado forrageamento social provavelmente traz benefícios, por exemplo, em relação à quantidade de alimento encontrado, ao tamanho da presa que pode ser caçada ou ao tempo necessário para acessar o alimento. O GAIA investiga os mecanismos específicos de cada espécie no comportamento e na comunicação, bem como os incentivos, benefícios e possíveis desvantagens para os indivíduos.

Ao compreender melhor essas conexões e interações intra e interespecíficas, o GAIA também contribui para uma melhor compreensão das raízes dos conflitos entre humanos e animais selvagens (que geralmente estão ligados ao comportamento dos carnívoros) e para o gerenciamento de espécies. Na Namíbia, por exemplo, a pesquisa sobre as comunidades de leões ajuda a entender seu comportamento espacial e a atenuar os contatos com a população local (por exemplo, criadores de gado) para gerenciar os conflitos entre humanos e animais selvagens (meta 4 da GBF). Esse conhecimento também é utilizado para observar e gerenciar populações locais de leões de forma sustentável para beneficiar as pessoas (meta 9 do GBF), equilibrando a mitigação de conflitos e o turismo.

Os satélites e as aeronaves desempenham um papel fundamental na coleta de dados ambientais à distância, ajudando-nos a entender melhor nosso clima e ecossistemas. O sensoriamento remoto, geralmente realizado a partir de aeronaves, balões ou satélites, nos permite monitorar grandes áreas e regiões remotas por longos períodos. Esses "olhos no céu" são complementos valiosos para as observações terrestres, ajudando-nos a entender as correntes marítimas e aéreas, as mudanças na cobertura da terra e as mudanças climáticas. Entretanto, os animais também possuem sentidos extraordinários e uma capacidade única de detectar mudanças em seus habitats. Ao combinar as capacidades dos animais com as tecnologias de sensoriamento remoto, o GAIA visa aprimorar nossa capacidade de monitorar e compreender nosso planeta. Os animais têm habilidades sensoriais superiores e estratégias comportamentais que lhes permitem perceber mudanças sutis e dramáticas em seus ecossistemas, bem como detectar incidentes críticos. Os abutres, por exemplo, atuam como "espécies sentinelas" e podem elevar o conceito de sensoriamento remoto a novos patamares. Eles patrulham regularmente vastas áreas em busca de alimentos, operando sem emissões, recursos adicionais ou reparos. Além disso, suas patrulhas são guiadas por sua visão excepcional e pela missão de encontrar carcaças. A maneira como patrulham, o que procuram e os incidentes aos quais nos levam podem estar ligados a mudanças ambientais e eventos ecológicos específicos.

Para explorar totalmente o potencial do sensoriamento remoto de abutres, o GAIA se concentra em dois aspectos essenciais. Em primeiro lugar, poderosos dispositivos de rastreamento são acoplados aos abutres para monitorar seus movimentos e comportamento em escalas temporais e espaciais detalhadas. Em segundo lugar, novas soluções tecnológicas estão sendo desenvolvidas para entender melhor o que os animais observam e fazem. Isso inclui uma etiqueta de câmera recém-desenvolvida com uma câmera integrada, algoritmos de inteligência artificial para detecção de comportamento e reconhecimento de imagens e uplink de satélite para cobertura em tempo real em regiões remotas. Com essas ferramentas, os animais podem capturar imagens e fornecer dados de seus arredores mais rapidamente, com maior resolução e especificidade do que as imagens de satélite. Essa abordagem inovadora nos permite ver a natureza pelos olhos dos animais.

O GAIA adotou uma estratégia de desperdício mínimo: Somente os equipamentos técnicos absolutamente essenciais são usados e desenvolvidos. Coleiras e etiquetas permanecem por longos períodos de tempo (por exemplo, abutres) ou são coletadas rotineiramente (por exemplo, leões) para extrair dados. Nenhum transmissor permanece na paisagem: se um transmissor cai ou o animal que carrega a etiqueta morre, ele é localizado e removido da paisagem. Dessa forma, o sistema GAIA é um sistema "sem deixar rastros" com benefícios significativos para os ecossistemas.

Para a pesquisa ecológica e para os casos de uso da GAIA, é necessário reconhecer de forma confiável e precisa o comportamento de diferentes espécies de animais durante um longo período de tempo em regiões remotas e selvagens. Para isso, os cientistas do GAIA desenvolveram e treinaram uma inteligência artificial (IA) que pode realizar a classificação comportamental a partir de dados de GPS e aceleração e nos dizer exatamente o que, por exemplo, os abutres de dorso branco equipados com etiquetas de animais estão fazendo em um determinado momento e local. Por fim, essa IA será executada diretamente nas etiquetas de animais GAIA e gerará informações comportamentais a partir de dados de sensores. Em uma segunda etapa, os cientistas combinaram o comportamento assim classificado com os dados de GPS das etiquetas. Usando algoritmos para agrupamento espacial, eles identificaram locais onde determinados comportamentos ocorriam com mais frequência. Dessa forma, eles obtiveram locais espacial e temporalmente bem resolvidos onde os abutres se alimentavam. Por último, mas não menos importante, o GAIA está desenvolvendo uma IA para reconhecimento de imagens que analisará as fotos tiradas pela câmera integrada do novo sistema de etiquetas. Todos esses algoritmos serão executados diretamente na etiqueta e poderão realizar um processamento eficiente de dados incorporados. Isso também impõe exigências muito especiais à IA de reconhecimento de imagens, que deve operar com moderação e com pequenas quantidades de dados. Para isso, as equipes do GAIA estão desenvolvendo estratégias e modelos apropriados para IA esparsa.

Esse novo pipeline de detecção de carcaças é um recurso fundamental para interromper a extinção de espécies e gerenciar conflitos entre humanos e animais selvagens e, portanto, está alinhado com a meta 4 da GBF. O pipeline permite a detecção rápida da morte de abutres ou da morte do animal do qual os abutres estão se alimentando. Ambos os cenários são relevantes para interromper a extinção de espécies: O envenenamento de carcaças contribui significativamente para o declínio das populações de muitas espécies de abutres. Como os abutres usam estratégias sociais em sua busca por alimento, uma carcaça envenenada pode matar centenas de aves. Os cientistas da Iniciativa GAIA demonstraram que a marcação de abutres permite a detecção precoce de mortes e a remoção da carcaça. A marcação de abutres e o uso dos pipelines de IA descritos aqui podem reduzir substancialmente outras mortes. Em segundo lugar, a detecção antecipada de incidentes de caça ilegal de espécies ameaçadas pode pôr um fim total à caça ilegal no local e contribuir significativamente para o combate à extinção.

Para atingir a meta da Iniciativa GAIA de desenvolver e colocar em prática um sistema de alerta antecipado de alta tecnologia para mudanças ambientais, uma nova geração de etiquetas para animais é um componente fundamental. As equipes da GAIA estão trabalhando no desenvolvimento de hardware e software de etiquetas miniaturizadas para animais com tecnologia de sensor de menor consumo de energia, com câmera e processamento de imagens. As etiquetas serão autônomas em termos de energia, adaptadas de forma ideal à anatomia dos abutres e são a base para outros recursos tecnológicos em desenvolvimento, como inteligências artificiais integradas para detecção de comportamento e reconhecimento de imagem, bem como um sistema de comunicação IoT baseado em satélite.

Além disso, a GAIA está desenvolvendo conceitos de inteligência artificial distribuída e redes de microprocessadores - etiquetas de animais que agem como um enxame. Análoga à inteligência de enxame natural, a iniciativa GAIA está mapeando a inteligência de enxame digital em uma rede ad hoc de microprocessadores. Essas redes que se formam espontaneamente são a base para a análise distribuída e baseada em sensores de grandes quantidades de dados. Seguir esse caminho possibilitará que as etiquetas de abutres, por exemplo, que estão presentes no mesmo local durante eventos de alimentação, se conectem e compartilhem tarefas como análises de inteligência artificial e transmissão de dados.

Os processos e incidentes ecológicos relevantes que são de interesse na pesquisa de mudanças ambientais geralmente ocorrem em áreas remotas, fora do alcance das infraestruturas de comunicação terrestre. Os dados gerados em campo usando etiquetas de animais nessas regiões geralmente só podem ser transmitidos com um atraso de dias ou até semanas. Para superar esse atraso e garantir que não haja atraso no sistema de alerta precoce, a GAIA desenvolve um módulo de comunicação via satélite para as etiquetas, bem como um nanossatélite que opera em órbita terrestre baixa (LEO): Para poder transmitir os dados e as informações coletadas diretamente do nó transmissor para o satélite LEO (Low Earth Orbit), um módulo de rádio IoT via satélite de alto desempenho será integrado às novas tags. Isso garante uma transmissão imediata, segura e eficiente em termos de energia dos dados extraídos. O sistema de comunicação é baseado na tecnologia mioty® terrestre e será adaptado às bandas de frequência típicas de satélite, como as bandas L e S, para o projeto. Os protocolos de comunicação típicos, que às vezes são usados no setor de IoT, geralmente são projetados para pacotes de tamanho pequeno. Portanto, o desenvolvimento futuro do sistema mioty® também terá como objetivo aumentar a taxa de dados e o tamanho da mensagem para permitir cenários de aplicativos, como transmissões de imagens.

O sistema de IoT via satélite será fundamental para uma comunicação sem atrasos e, portanto, para um sistema de alerta precoce. Ele contribui muito para que o sistema GAIA atinja a meta 4 do GBF "Deter a extinção, proteger a diversidade genética e gerenciar os conflitos entre humanos e animais selvagens".

Os modernos jardins zoológicos e aquários em todo o mundo oferecem oportunidades únicas ao contribuir com a experiência em cuidados com os animais, conservação de espécies e educação pública, formando uma base sólida para a conservação moderna e a pesquisa científica. Ao trabalhar em estreita colaboração com essas instituições e utilizar os dados e as percepções que elas geram, a Iniciativa GAIA visa preencher a lacuna entre os esforços de conservação in-situ e ex-situ. Os animais sob cuidados humanos podem servir como modelos valiosos para compreender a biologia, o comportamento e as respostas das espécies às mudanças ambientais. Além disso, as condições controladas dos jardins zoológicos permitem o desenvolvimento e o teste de tecnologias avançadas, como sensores de origem animal e sistemas de IA, em ambientes mais previsíveis e acessíveis antes da implantação na natureza.

As principais áreas de foco desse bloco de construção incluem:

• Geração de dados de referência e treinamento para o desenvolvimento do pipeline de IA para os dados do sensor. Ao implantar as etiquetas em abutres em cativeiro em um grande aviário e recodificar seu comportamento simultaneamente, conseguimos criar um conjunto de dados emparelhados para o treinamento da IA. Com a IA treinada, não há mais necessidade de observar os animais para detectar comportamentos relevantes, por exemplo, alimentação; a IA pode prever de forma muito confiável o comportamento a partir dos dados do sensor, o que nos dá insights sobre o comportamento dos animais-alvo ao longo de sua vida.
• Educação e engajamento público: O Zoo Berlin integra as descobertas do GAIA em seus programas educacionais e colabora com as relações com a mídia e com o alcance público, promovendo a conscientização e a participação do público na conservação da biodiversidade e nas inovações tecnológicas. Os visitantes são apresentados a ferramentas de ponta e ao seu impacto na conservação da vida selvagem.

O impacto mínimo e estritamente necessário sobre cada animal é um dos principais objetivos da Iniciativa GAIA. Tanto para os leões quanto para os abutres, foram realizados extensos procedimentos de teste (dentro do sistema alemão de Testes em Animais e Bem-Estar Animal) no Zoológico de Berlim e no Berlin Tierpark. As técnicas foram desenvolvidas e testadas por especialistas veterinários tanto para animais de zoológico quanto para animais selvagens e são consideradas seguras e compatíveis com considerações rigorosas de bem-estar animal. Além disso, tanto no GAIA quanto em outros grupos de pesquisa, há experiência e dados de longo prazo sobre os efeitos da marcação e da colocação de coleiras nas respectivas espécies. Foi comprovado, por exemplo, que a marcação de abutres não tem nenhum efeito prejudicial sobre o bem-estar, a saúde ou a reprodução das aves. Descobriu-se que os abutres vivem muitos anos com as marcas, têm movimentos e comportamento de forrageamento semelhantes e têm filhotes.

A parceria do GAIA com o Zoológico de Berlim também enfatiza os objetivos de comunicação e transferência de conhecimento da Iniciativa no sentido da meta 21 do GBF "Assegurar que o conhecimento esteja disponível e acessível para orientar a ação em prol da biodiversidade". Esse campo de atividade não visa apenas o público em geral para aumentar a conscientização sobre a conservação da biodiversidade e as inovações tecnológicas, mas também os tomadores de decisões políticas em nível nacional e internacional. A GAIA tem sido muito ativa na consultoria com as partes interessadas políticas na Alemanha e na Namíbia, por exemplo, além de participar do IUCN Regional Conservation Forum 2024 em Bruges, na Bélgica.

A Iniciativa GAIA realiza importantes medidas de capacitação à medida que o sistema de alerta antecipado desenvolvido é colocado em prática em conjunto com parques e autoridades locais em muitos países africanos, como Namíbia, Moçambique e Uganda. A equipe do parque, os funcionários das autoridades relevantes e dos ministérios são treinados durante a implementação do sistema. Isso inclui capacitar as comunidades locais para realizar a coleta, a marcação e o rastreamento com o sistema GAIA, bem como implementar o pipeline de alerta precoce usando o front-end designado.

Além disso, a equipe do GAIA está educando ativamente os alunos em várias disciplinas e campos de pesquisa para apoiar novas tecnologias para conservação e ciências da vida. Nos últimos seis anos, mais de 250 alunos participaram com sucesso de cursos conduzidos pela equipe do GAIA na Universidade da Namíbia em ciências veterinárias e biologia da vida selvagem, com foco especial, por exemplo, em conflitos entre humanos e animais selvagens, rastreamento de animais e comportamento de abutres, leões e hienas.

Tanto o desenvolvimento da capacidade profissional quanto o treinamento dos alunos visam diretamente às comunidades locais para que elas possam administrar o sistema de alerta precoce GAIA, em grande parte, apenas com o conhecimento e os recursos locais. Esse bloco de construção coloca a meta 20 da GBF "Fortalecer a capacitação, a transferência de tecnologia e a cooperação científica e técnica para a biodiversidade" no centro da Iniciativa GAIA, pois esse bloco não é um adendo à parte de pesquisa e desenvolvimento da Iniciativa, mas um campo de ação fundamental desde o início.