Neuartige Tiersender mit Kamera und KI

… sind Frühwarnsystem für Umweltveränderungen – Jungfernflug im Tierpark Berlin.

Wie kann ein Geier im Berliner Tierpark seinen Artgenossen und deren Lebensräumen in Namibia helfen? Als Modell und Pate für eine neue Generation von Tiersendern: Im Tierpark Berlin feierte heute der Prototyp eines vom Leibniz-IZW und Fraunhofer IIS entwickelten innovativen Tiersender-Systems seinen Jungfernflug auf einem Geier. Die Sender werden über sensornahe Künstliche Intelligenz (KI), eine Kamera, energieeffiziente Elektronik und satelliten­gestützte Kommunikationstechnik verfügen, was völlig neue Einblicke in die Welt der Tiere und ihre Lebensräume ermöglicht: Sie erkennen und übermitteln Tierverhalten in Echtzeit und sind damit ein Frühwarnsystem für ökologische Veränderungen.

Klimawandel, Artensterben, Pandemien – durch den Einfluss des Menschen wandelt sich unser Planet schneller, als wir ihn verstehen und schützen können. Um mit dem zunehmenden Tempo des Umweltwandels Schritt zu halten, müssen Forschung und Naturschutz neue Wege gehen und das Potenzial neuester technologischer Entwicklungen nutzbar machen.Das Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung und das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen arbeiten daher seit Beginn des Jahres 2022 in zwei großen, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekten zusammen: In GAIA-Sat-IoT (Guardian of the wild using Artifical Intelligence Applications and Satellite-based IoT Networks) und SyNaKI (Synergie natürlicher und Künstlicher Intelligenz im Schwarm) haben sie sich zum Ziel gesetzt, eine neue Generation von Tiersendern zu entwickeln, die erheblich schnellere und genauere Einblicke in Ökosysteme erlauben.

Dazu werden die Sender über wesentliche Neuerungen verfügen: Zum einen sind sie in zwei Teile geteilt, wovon einer auf dem Rücken der Geier angebracht ist und unter anderem Positions- und Beschleunigungsdaten aufnimmt, während das andere Modul über eine Kamera verfügt und daher vorne auf der Brust der Vögel sitzt. Beide Teile sind verbunden und arbeiten Hand in Hand. Möglich macht dies eine zweite Innovation: Eine Künstliche Intelligenz direkt auf dem Sender erkennt in den Daten bestimmte Verhaltensmuster der Tiere, klassifiziert ihr Verhalten und erzeugt auf diese Weise direkt auf dem Sender wertvolle Informationen. Die Kamera nimmt dann in entscheidenden Momenten Fotos auf, die wiederum mittels KI ausgewertet werden. Nicht zuletzt wird eine neue, satelliten-gestützte Kommunikations-Verbindung sicherstellen, dass auch in den entlegensten Ökosystemen die Informationen direkt vom Sender zum Satelliten und zu den Wissenschaftler:innen übertragen werden können.

„Wir gehen diesen Weg, weil wir auf diese Weise erheblich genauer und schneller erkennen können, was in einem Ökosystem vor sich geht“, sagt Dr. Jörg Melzheimer, GAIA-Projektleiter im Leibniz-IZW. „Unsere Sender entwickeln wir exemplarisch für den Einsatz an Geiern im südlichen Afrika. Diese Aasfresser verfügen über erstaunliche Sinnesleistungen und Intelligenz, jeder Vogel für sich und gemeinsam im Schwarm. Sie finden Aas mit enormer Präzision und Geschwindigkeit, was sie zu idealen Verbündeten für uns macht.“ Das Vorkommen von Aas ist einerseits ein völlig natürlicher Umstand, dennoch lassen sich aus Unregelmäßigkeiten im Aas-Vorkommen auch kritische Veränderungen im Ökosystem erkennen, beispielsweise der Ausbruch von Wildtierkrankheiten. Durch die Sender wird es möglich, fast in Echtzeit solche lokalen ökologischen Krisenherde zu erkennen. „Wir haben die GAIA-Projekte konzipiert als Netzwerk aus tierischer, menschlicher und Künstlicher Intelligenz. Wir nutzen Hightech und die evolutionäre Intelligenz der Tiere, um drängende Umweltprobleme zu erkennen und zu lösen“, sagt Melzheimer.

Die Konzeption und Entwicklung des GAIA-Tiersender-Systems erfolgt in enger Zusammenarbeit von Spezialist:innen für Wildtierbiologie und -ökologie, Künstliche Intelligenz, Kommunikationstechnologie und Sensortechnik am Leibniz-IZW und Fraunhofer IIS. „Die Verarbeitung der Daten durch eine KI direkt auf dem Sender ist ein Schlüsselfeature, da damit in Echtzeit entschieden werden kann, welche der Daten relevant genug sind, um sie zum Satelliten zu schicken“, sagt Dipl.-Inf. Nina Holzer, Gruppenleiterin Multimodal Human Sensing und Projektleiterin von GAIA-Sat-IoT am Fraunhofer IIS. „Alle erhobenen Daten in Echtzeit zu versenden, ist quasi unmöglich, das gibt eine Satellitenverbindung nicht her und würde zu viel Strom verbrauchen“, ergänzt Holzer. Zudem ist das geteilte Senderdesign eine Novität mit ganz eigenen technischen Anforderungen, berichtet Dipl.-Ing. Jürgen Ernst, Chief Engineer am Fraunhofer IIS und leitender Ingenieur von GAIA-Sat-IoT. „Das Kameramodul sitzt vorne auf der Brust des Geiers. Alle weiteren Sensoren sowie die KI-Prozessoren und die Stromversorgung mittels Solarzellen sind im Sender auf dem Rücken untergebracht. Beide Teile müssen elektronisch reibungslos zusammenarbeiten und zudem an die Anatomie der Tiere angepasst sein, damit sie im Einklang mit Tierwohlaspekten zum Einsatz gebracht werden können.“

Unverzichtbarer Kooperationspartner des Konsortiums ist der Tierpark Berlin. In einer frühen Projektphase legten GAIA-Wissenschaftler:innen und Tierpark-Tierpfleger:innen in der Geier-Voliere im Tierpark zwei Weißrückengeiern marktübliche Tiersender an, die neben GPS-Daten auch Beschleunigungsdaten (ACC) aufzeichnen. ACC-Daten geben einen sehr genauen Einblick in Bewegungen des Senders und der Tiere. Gleichzeitig sammelten die Forschenden mit einer Videokamera Aufnahmen von typischem Verhalten der Geier. Die Kombination aus ACC-Daten und Videoaufnahmen ermöglichten das Training der Künstlichen Intelligenz. „Wir können in den Videos sekundengenau identifizieren, wann der Vogel welches typische Verhalten zeigt und können diese Stellen somit als Muster in den ACC-Daten erkennen“, erklärt Wanja Rast, KI-Spezialist am Leibniz-IZW. „Diese Trainingsdaten sind die Grundlage der Künstlichen Intelligenz, die künftig sehr energieeffizient und genau die automatisierte Verhaltensklassifikation direkt auf dem Sender vornehmen wird.“

Die KI ist auf dem derzeitigen Prototyp noch nicht implementiert und wird derzeit noch desktopbasiert mit heruntergeladenen Daten entwickelt, sie wird aber im Laufe des Projekts zum zentralen Alleinstellungsmerkmal der neuen Tiersender. „Im Projekt SyNaKI werden wir zudem eine natürliche Schwarmintelligenz in einem Schwarm von Mikroprozessoren abbilden“, ergänzt Felix Kreyß, Leiter des SyNaKI-Projekts vom Fraunhofer IIS. „Dadurch ermöglichen wir eine auf die Geier verteilte und KI-basierte Datenanalyse direkt im Feld. Um dies zu erreichen, vereinen wir die natürliche mit der Künstlichen Intelligenz auf den Tiersendern sowie mit Ansätzen aus dem Extreme Edge Computing.“

Eine weitere große Herausforderung bei der Entwicklung der Sender ist die effiziente und zuverlässige Übertragung der Daten vom Tier zum Anwender, also beispielsweise den Wissenschaftlerinnen oder Umwelt- und Artenschützern. „Da der Sender frühzeitig im Projekt zum Einsatz kommen soll, um Trainingsdaten zu sammeln, ist die Funkübertragung derzeit (noch) begrenzt. Im nächsten Schritt entwickeln wir den Sender weiter und integrieren die Elektronik der KI-Signalverarbeitung“, sagt Florian Leschka, Gruppenleiter System Design am Fraunhofer IIS. „Ein weiterer wesentlicher Arbeitsschritt ist die Einbindung eines leistungsfähigen Satelliten-IoT-Funkmoduls in den Sender, um die spätere Übertragung der extrahierten Informationen zu garantieren.“

Insbesondere in Gebieten außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastrukturen ist die Unterstützung satellitengestützter Netze erforderlich. Um eine Direktübertragung vom Senderknoten auf den Satelliten zu ermöglichen, entwickeln die Fraunhofer-Expert:innen ein Kommunikationssystem, welches auf der terrestrischen mioty®-Technologie basiert. Als Ergebnis der Entwicklungen von Leibniz-IZW und Fraunhofer IIS entsteht ein kleiner Tiersender, welcher intelligent Daten vorverarbeitet und kombiniert sowie ausschließlich relevante Umgebungsinformationen über eine Kommunikationsstrecke versendet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW)
im Forschungsverbund Berlin e.V.
Alfred-Kowalke-Str. 17, 10315 Berlin

> Dr. Jörg Melzheimer
Wissenschaftler in der Abteilung für Evolutionäre Ökologie
Tel: +49 (0)30 5168462
E-Mail: melzheimer@izw-berlin.de

> Dr. Ortwin Aschenborn (Dr. Universität Pretoria)
Wissenschaftler in der Abteilung für Evolutionäre Ökologie
Email: aschenborn@izw-berlin.de

> Wanja Rast
Wissenschaftler in der Abteilung für Evolutionäre Ökologie
E-Mail: rast@izw-berlin.de

http://www.izw-berlin.de/de/