La visione artificiale decodifica le danze Waggle dell'ape

La società moderna dipende da un approvvigionamento alimentare sicuro e affidabile. Questa fornitura è un sistema complesso che dipende a sua volta da un'ampia gamma di altri sistemi, dalle pratiche agricole alle reti di distribuzione. Molto lavoro è necessario per mantenere questi sistemi robusti.

Ma nel 2007 è emersa una minaccia inaspettata per l'approvvigionamento alimentare. Fino al 70 per cento delle colonie di api europee in Nord America è morto improvvisamente. Le api impollinano una vasta gamma di piante commestibili e la loro scomparsa potrebbe ridurre rapidamente e gravemente la produttività alimentare. I biologi si sono interrogati sulle possibili cause, come i pesticidi chiamati neonicotinoidi e una malattia innescata dal virus della paralisi acuta israeliana. Ma non è chiaro come proteggere le colonie di api in futuro.

Una cosa è certa, comunque. I biologi hanno bisogno di modi migliori per studiare queste creature e il modo in cui impollinano le piante nelle loro vicinanze. Si scopre che le api sono brave a comunicare esattamente dove sono state. La loro famosa danza oscillante codifica la direzione e la distanza delle fonti di cibo in modo che anche altre api possano trarre vantaggio da queste fonti.

Una delle grandi scoperte nel comportamento animale è stata la decodifica di questa danza negli anni '20 dal biologo tedesco Karl von Frisch, che ha vinto un premio Nobel per i suoi sforzi. Ma questo processo di decodifica richiede che un essere umano misuri l'orientamento e la durata della danza.

E mentre le tecniche di registrazione video lo hanno reso più facile, è comunque un compito che richiede tempo e che può essere svolto solo su piccola scala per poche api. Quindi i biologi apprezzerebbero moltissimo avere un modo migliore per decodificare le danze ondeggianti delle api.

Entrano Tim Landgraf e amici della Libera Università di Berlino in Germania. Questi ragazzi hanno sviluppato una rete neurale in grado di decodificare automaticamente i balli waggle delle api. Abbiamo sviluppato un sistema in grado di rilevare, decodificare e mappare automaticamente i balli di comunicazione in tempo reale, dicono. Il nuovo metodo ha il potenziale per rivoluzionare lo studio del foraggiamento delle api.

Il sistema di decodifica della danza waggle è in linea di principio semplice. È costituito da una videocamera che registra il movimento delle api su un nido d'ape. Può sembrare una massa ribollente di movimento casuale, ma qui c'è un ordine considerevole.

Le stesse danze waggle sono molto ordinate. Un'ape inizia la sua danza agitando il corpo da un lato all'altro a una velocità di circa 13 Hz mentre si muove in avanti in linea retta. Segue una fase di ritorno in cui l'ape torna al punto di partenza. L'orientamento di questa danza rispetto al sole codifica la direzione della fonte di cibo mentre la lunghezza della danza codifica la distanza.

Il decoder waggle dance è un sistema di visione artificiale che prima ricerca le immagini video per i caratteristici waggles a 13 Hz. Una volta che questi sono stati trovati, una rete neurale isola l'ape e la sua danza. Altri algoritmi calcolano quindi l'orientamento e la durata della danza e infine elaborano la posizione della fonte di cibo.

Nei test su api addestrate a visitare una fonte di cibo nota a circa 300 metri da un alveare, Landgraf e colleghi affermano che il loro sistema ha identificato accuratamente la posizione della fonte di cibo oltre il 90% delle volte. È altrettanto buono degli osservatori umani. Ma soprattutto il sistema di visione artificiale può funzionare su gruppi di api molto più grandi su scale temporali molto più lunghe.

Landgraf e colleghi affermano di voler apportare alcuni miglioramenti al loro sistema, come renderlo ancora più accurato e più facile da usare. Questi dovrebbero essere semplici.

Oltre a ciò, non è difficile vedere come un tale sistema possa essere implementato su larga scala a costi relativamente bassi. Ciò consentirà ai biologi di studiare il comportamento delle api in modo molto più dettagliato e su scale molto più ampie che mai. Potrebbe anche essere possibile per gli agricoltori guardare in tempo reale mentre i loro raccolti vengono impollinati e quindi fare sforzi per aiutare quando le cose non stanno andando secondo i piani.

Ciò potrebbe aiutare ad affrontare i problemi del disordine da collasso delle colonie nel momento in cui si verifica e aiutare a salvaguardare le scorte di cibo su cui tutti facciamo affidamento.

Rif: arxiv.org/abs/1708.06590 : Rilevamento e decodifica automatici delle danze oscillanti delle api

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