ИИ может идентифицировать насекомых по взмаху их крыльев

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что радар может идентифицировать живых насекомых, таких как пчелы, шмели и осы, считывая мельчайшие изменения сигнала, вызванные взмахами их крыльев. Полученные данные демонстрируют новый способ мониторинга опылителей без необходимости их закрепления, отлова или умерщвления для более детального изучения. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS Nexus.

В ходе испытаний 2023 года в Тринити-колледже в Дублине живые насекомые перемещались в небольших пластиковых контейнерах над радиолокационной антенной. Сопоставив отраженные сигналы с движением крыльев, Адам Нарбудович из Технического университета Дании (DTU) продемонстрировал, что радар может сортировать насекомых по ритму их крыльев. Каждый взмах крыла изменял возвращающийся сигнал по отчетливой схеме, предоставляя модели данные, которые не видны невооруженным глазом и обычным камерам.

Данное исследование по-прежнему зависит от измерений на близком расстоянии, но оно открывает путь, выходящий за рамки ручного подсчета насекомых, необходимого для многих исследований опылителей.

Насекомые-опылители помогают сельскохозяйственным и дикорастущим растениям образовывать семена, перенося пыльцу между цветками во время кормления и гнездования. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) заявляет, что три четверти наиболее продуктивных сельскохозяйственных культур в мире частично зависят от опылителей.

Анализ данных, проведенный за 27 лет в охраняемых районах Германии, показал сезонное снижение общего веса пойманных летающих насекомых на 76%. Улучшение мониторинга не решит эту проблему, но оно позволяет выявлять изменения достаточно рано для защиты среды обитания и проведения целенаправленных исследований до того, как ухудшение ситуации ухудшится.

Исследователи использовали радар миллиметрового диапазона (mmWave), систему радиосвязи с короткой длиной волны, чтобы посылать маломощный сигнал в сторону каждого насекомого, не касаясь его. Сигнал работал на частоте 30 гигагерц, что означает, что его волны повторялись 30 миллиардов раз в секунду и могли регистрировать мельчайшие движения. Каждый взмах крыла изменял время и силу эха, оставляя частотные следы, отражающие движение, а не цвет или форму.

Поскольку для работы радара не требуется четкое изображение, он может быть эффективен там, где камерам сложно работать в темноте, при бликах, дожде, помехах или при густой растительности. Сложную задачу выполнило программное обеспечение после того, как радар зафиксировал движение крыльев медоносных пчел, трех видов шмелей и обычных ос.

Команда обучила программное обеспечение для машинного обучения, которое учится на примерах, более чем 70 параметрам времени, энергии и ритма. Для обеспечения объективности теста данные по одному и тому же насекомому никогда не использовались одновременно в обучающей и тестовой группах.

Путем пошагового сравнения моделей модель перешла от общих обозначений семейств к обозначениям родов, а затем и видов. В целом, компьютерный сортировщик разделил пчел и ос с точностью 96% по результатам тестовых записей.

При дальнейшем углублении в область распознавания, система позволила различить группы медоносных пчел и шмелей с совокупной точностью 93%. В пяти видах окончательная точность достигла 85%, что означает, что некоторые близкие родственники по-прежнему вносили путаницу в систему, несмотря на четкое общее разделение.

Эти цифры делают метод многообещающим, но для маркировки видов по-прежнему необходимы данные, полученные в ходе экспертной подготовки, и тщательная проверка.

Более длинные записи взмахов крыльев дали компьютеру больше подсказок, поскольку повторяющиеся движения дополнили закономерность. При двух секундах сигнала точность определения вида достигла 85%, что соответствует наилучшему из ранее зарегистрированных результатов. На отметке 0,1 секунды точность упала до 75%, поскольку сигнал не улавливал достаточно подробностей взмахов крыльев.

Полевые устройства должны удерживать насекомых в зоне обнаружения достаточно долгое время, поскольку все показания зависят от близкого расстояния. Анализ важности функций, то есть ранжирование используемых программным обеспечением подсказок, показал, что скорости недостаточно.

Некоторые эхосигналы в миллиметровом диапазоне волн показали, как быстро менялась форма сигнала при ускорении, паузе или стабилизации крыльев. Другие признаки отслеживали частотные диапазоны, диапазоны частоты сигнала, а также распределение энергии в зависимости от различных паттернов взмахов крыльев. Более подробный профиль помог модели различать виды, которые при беглом визуальном осмотре могли бы выглядеть похожими.

В небольших контейнерах каждое насекомое содержалось рядом с усиками, что облегчало сбор лабораторных сигналов.

Естественный полет будет учитывать изменения расстояния, ветер, фоновые отражения и кратковременные пролеты через радиолокационный луч среди листьев и стеблей. Кроме того, обучающие данные охватывали всего пять видов, поэтому для широкого применения необходимо расширить библиотеку радиолокационных данных.

«В отличие от визуальных образов, подобных баз данных пока не существует», — написали Нарбудович и его коллеги.

В будущем устройства смогут направлять насекомых по короткому маршруту обнаружения и выпускать их невредимыми после записи. Региональные данные помогли бы моделям изучить местных пчел, ос, вредителей и инвазивных насекомых.

Существующее коммуникационное оборудование может помочь, поскольку в новых телефонных сетях уже используется технология миллиметровых волн (mmWave) для передачи данных на короткие расстояния.

Реальная ценность проявится, когда данные радара позволят связать видовую принадлежность с изменениями местоположения, времени года и поведения. Радарная идентификация по взмахам крыльев позволяет связать движение живого насекомого с его названием, не превращая при этом насекомое в экземпляр.

Следующим испытанием станет масштабируемость, поскольку полевым системам необходимо обрабатывать больше видов, более суровые условия и локальные обучающие данные, прежде чем руководители смогут доверять оповещениям.