Comment un vautour dans un zoo de Berlin peut-il aider ses congénères et leurs habitats en Namibie ? Peut-être qu’il peut servir de modèle et de mécène pour une nouvelle génération d’étiquettes pour animaux.
Le prototype d’un système innovant d’étiquettes pour animaux développé par l’Institut Leibniz pour la recherche sur les zoos et la faune (Leibniz-IZW) et l’Institut Fraunhofer pour les circuits intégrés (Fraunhofer IIS) a effectué aujourd’hui son vol inaugural sur un vautour au Tierpark Berlin. Les balises seront équipées d’une intelligence artificielle (IA) basée sur des capteurs, d’une caméra, d’une électronique économe en énergie et d’une technologie de communication par satellite. Cela permettra d’avoir un aperçu entièrement nouveau du monde des animaux et de leurs habitats. Les balises détectent et transmettent le comportement des animaux en temps réel et constituent ainsi un système d’alerte précoce des changements écologiques.
Changement climatique, extinction d’espèces, pandémies – en raison de l’influence humaine, notre planète change plus vite que nous ne pouvons la comprendre et la protéger. Pour suivre le rythme accéléré des changements environnementaux, la recherche et la conservation de l’environnement doivent innover et exploiter le potentiel des derniers développements technologiques. Leibniz-IZW et Fraunhofer IIS travaillent donc ensemble depuis le début de 2022 dans deux grands projets de recherche et développement. Dans les projets GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) et SyNaKI (Synergy of natural and artificial intelligence in the swarm), ils ont développé une nouvelle génération de balises pour animaux qui permet de manière significative des informations plus rapides et plus précises sur les écosystèmes.
Pour cela, les balises seront dotées d’innovations importantes : Premièrement, elles sont divisées en deux parties, dont l’une est fixée sur le dos des vautours et enregistre, entre autres, les données de position et d’accélération. Le deuxième module dispose d’une caméra et repose donc sur la poitrine des oiseaux à l’avant. Les deux parties sont liées et fonctionnent main dans la main. Ceci est rendu possible par une seconde innovation : l’IA embarquée directement sur la balise reconnaît certains schémas comportementaux des animaux dans les données, classe leur comportement et génère ainsi des informations précieuses directement sur la balise. L’appareil photo prend ensuite des photos à des moments cruciaux, qui sont à leur tour évalués par un autre système d’IA. Enfin, une nouvelle liaison de communication par satellite garantira que les informations peuvent être transmises directement de la balise à un satellite et aux scientifiques, même dans les écosystèmes les plus reculés.
« Nous suivons cette voie car elle nous permet de voir beaucoup plus précisément et rapidement ce qui se passe dans un écosystème », explique le Dr Jörg Melzheimer, chef de projet GAIA chez Leibniz-IZW. « Nous développons nos balises de manière exemplaire pour une utilisation sur les vautours en Afrique australe. Ces charognards ont des capacités sensorielles et une intelligence étonnantes, chaque oiseau seul et ensemble dans un sillage. Ils trouvent les charognes avec une précision et une rapidité incroyables, ce qui en fait des alliés idéaux pour nous. . »
D’une part, la présence de charognes est une circonstance tout à fait naturelle, mais des changements critiques dans l’écosystème peuvent également être détectés à partir d’irrégularités dans la présence de charognes, par exemple l’apparition de maladies de la faune. Les balises permettent de détecter ces points chauds écologiques locaux presque en temps réel. « Nous avons conçu les projets GAIA comme un réseau d’intelligence animale, humaine et artificielle. Nous utilisons la haute technologie et l’intelligence évolutive des animaux pour identifier et résoudre les problèmes environnementaux urgents », explique Melzheimer.
La conception et le développement du système d’étiquettes pour animaux GAIA sont réalisés en étroite collaboration entre des spécialistes de la biologie et de l’écologie de la faune, de l’intelligence artificielle, des technologies de communication et de la technologie des capteurs de Leibniz-IZW et Fraunhofer IIS. « Le traitement des données par une IA directement sur la balise est une caractéristique clé, car il peut être utilisé pour décider en temps réel quelles données collectées sont suffisamment pertinentes pour être envoyées au satellite », explique Dipl.-Inf. Nina Holzer, Group Leader Multimodal Human Sensing et chef de projet GAIA-Sat-IoT chez Fraunhofer IIS. « Envoyer toutes les données collectées en temps réel est pratiquement impossible, une connexion par satellite ne le permet pas et consommerait trop d’énergie. »
De plus, la conception de l’étiquette fendue est une nouveauté avec ses propres exigences techniques, rapporte Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, ingénieur en chef chez Fraunhofer IIS et ingénieur principal de GAIA-Sat-IoT. « Le module de caméra se trouve sur le devant de la poitrine du vautour. Tous les autres capteurs ainsi que les processeurs AI et l’alimentation solaire sont logés dans l’étiquette à l’arrière. Les deux composants électroniques doivent fonctionner ensemble sans heurts et l’ensemble du système a également besoin être parfaitement adapté à l’anatomie des animaux afin de pouvoir être utilisé dans le respect des aspects de bien-être animal. »
Le Tierpark Berlin, l’un des deux zoos de la capitale allemande, est un partenaire de coopération indispensable du consortium. Dans une première phase du projet, les scientifiques de GAIA et les gardiens du zoo ont marqué deux vautours à dos blanc dans la volière du Tierpark avec des balises disponibles dans le commerce, qui enregistrent les données d’accélération (ACC) et les positions GPS. Les données ACC fournissent un aperçu très précis des mouvements des balises et des animaux. Dans le même temps, les scientifiques ont enregistré des images du comportement typique des vautours avec une caméra vidéo. La combinaison des données ACC et des enregistrements vidéo a permis de former l’intelligence artificielle.
« Dans les vidéos, nous pouvons identifier exactement à la seconde près quand l’oiseau montre quel comportement typique et pouvons ainsi identifier les modèles correspondants dans les données ACC », explique Wanja Rast, spécialiste de l’IA chez Leibniz-IZW. « Ces données d’entraînement sont à la base de l’IA, qui à l’avenir effectuera une classification automatisée des comportements directement sur l’étiquette de manière très efficace et précise. » L’IA n’est pas encore implémentée sur le prototype actuel et est actuellement en cours de développement sur ordinateur avec des données téléchargées, mais elle deviendra un argument de vente unique des nouvelles étiquettes pour animaux au cours des projets.
« Dans le projet SyNaKI, nous cartographierons également virtuellement l’intelligence naturelle de l’essaim dans un essaim de microprocesseurs », ajoute le chef du projet SyNaKI, Felix Kreyß de Fraunhofer IIS. « Ce faisant, nous permettons une analyse de données distribuée et basée sur l’IA directement sur le terrain, dans un sillage de vautours. Pour y parvenir, nous combinons l’intelligence naturelle avec l’intelligence artificielle sur les étiquettes des animaux ainsi qu’avec des approches issues de l’informatique de pointe extrême. »
Un autre défi majeur dans le développement des étiquettes est la transmission efficace et fiable des données de l’animal à l’utilisateur, par exemple les scientifiques ou les écologistes.
« Étant donné que le tag doit être utilisé au début du projet pour collecter des données d’entraînement, la fonction de transmission est actuellement (encore) limitée. Dans la prochaine étape, nous développerons davantage l’émetteur et intégrerons l’électronique de traitement du signal AI », déclare Florian Leschka. , chef de groupe conception de systèmes chez Fraunhofer IIS. « Une autre étape de travail essentielle est l’intégration d’un puissant module radio satellite IoT dans l’émetteur pour garantir la transmission ultérieure des informations extraites. »
En particulier dans les zones hors de portée des infrastructures de communication terrestres, le support des réseaux satellitaires est nécessaire. Pour permettre une transmission directe du nœud émetteur au satellite, les experts de Fraunhofer développent un système de communication basé sur une technologie Mioty terrestre. À la suite des développements de Leibniz-IZW et Fraunhofer IIS, une petite étiquette pour animaux est en cours de création qui prétraite et combine intelligemment les données et envoie uniquement les informations environnementales pertinentes via une liaison de communication par satellite.
Fourni par l’Institut Leibniz pour la recherche sur les zoos et la faune (IZW)