Machine Vision afkoder Honeybee Waggle Dances

Det moderne samfund afhænger af en sikker og pålidelig fødevareforsyning. Denne forsyning er et komplekst system, der i sig selv afhænger af en lang række andre systemer, fra landbrugspraksis til distributionsnetværk. Der går meget arbejde i at holde disse systemer robuste.

Men i 2007 dukkede en uventet trussel mod fødevareforsyningen op. Op mod 70 procent af de europæiske honningbikolonier i Nordamerika døde pludseligt. Honningbier bestøver en lang række spiselige planter, og deres død kan hurtigt og alvorligt reducere fødevareproduktiviteten. Biologer har undret sig over mulige årsager, såsom pesticider kaldet neonikotinoider og en sygdom udløst af den israelske akutte lammelsesvirus. Men præcis hvordan honningbikolonier kan beskyttes i fremtiden er ikke klart.

En ting er dog sikkert. Biologer har brug for bedre måder at studere disse skabninger og den måde, de bestøver planter i deres nabolag på. Det viser sig, at bier er gode til at kommunikere præcis, hvor de har været. Deres berømte waggle-dans koder for fødekildernes retning og afstand, så andre bier også kan drage fordel af disse kilder.

Et af de store gennembrud inden for dyreadfærd var afkodningen af ​​denne dans i 1920'erne af den tyske biolog Karl von Frisch, som vandt en Nobelpris for sin indsats. Men denne afkodningsproces kræver, at et menneske måler orienteringen og varigheden af ​​dansen.

Og selvom videooptagelsesteknikker har gjort dette nemmere, er det stadig en tidskrævende opgave, der kun kan udføres i lille skala for blot nogle få bier. Så biologer ville elske at have en bedre måde at afkode honningbiernes logrende danse på.

Indtast Tim Landgraf og venner på det frie universitet i Berlin i Tyskland. Disse fyre har udviklet et neuralt netværk, der automatisk kan afkode honningbiernes logrende danse. Vi har udviklet et system, der er i stand til automatisk at detektere, afkode og kortlægge kommunikationsdanse i realtid, siger de. Den nye metode har potentialet til at revolutionere studiet af honningbiernes fouragering.

Waggle dance-afkodningssystemet er i princippet enkelt. Den består af et videokamera, der optager biers bevægelse på en honningkage. Dette kan ligne en sydende masse af tilfældig bevægelse, men der er betydelig orden her.

Selve logrende danse er meget velordnede. En honningbi begynder sin dans ved at logre med kroppen fra side til side med en hastighed på omkring 13 Hz, mens den bevæger sig fremad i en lige linje. Dette efterfølges af en returfase, hvor bien cirkler tilbage til sit udgangspunkt. Orienteringen af ​​denne dans i forhold til solen koder for fødekildens retning, mens længden af ​​dansen koder for afstanden.

Waggle dance-dekoderen er et maskinsynssystem, der først søger i videobillederne for de karakteristiske 13 Hz waggles. Når først disse er fundet, isolerer et neuralt netværk bien og dens dans. Andre algoritmer beregner derefter dansens orientering og varighed og beregner til sidst fødekildens position.

I test på bier, der er trænet til at besøge en kendt fødekilde omkring 300 meter fra en bikube, siger Landgraf og co, at deres system nøjagtigt identificerede fødekildens position over 90 procent af tiden. Det er lige så godt som menneskelige iagttagere. Men altafgørende kan maskinvisonsystemet arbejde på meget større grupper af bier over meget længere tidsskalaer.

Landgraf og co siger, at de ønsker at lave nogle forbedringer af deres system, såsom at gøre det endnu mere præcist og gøre det mere brugervenligt. Disse bør være ligetil.

Ud over det er det ikke svært at se, hvordan et sådant system kunne implementeres i stor skala til relativt lave omkostninger. Det vil give biologer mulighed for at studere biers adfærd meget mere detaljeret og i meget større skalaer end nogensinde før. Det kan endda være muligt for landmænd at se i realtid, når deres afgrøder bliver bestøvet, og derfor gøre en indsats for at hjælpe, når tingene ikke vil planlægge.

Det kunne hjælpe med at tackle problemerne med kolonisammenbrudsforstyrrelser, mens det sker, og hjælpe med at sikre de fødevareforsyninger, vi alle er afhængige af.

Ref: arxiv.org/abs/1708.06590 : Automatisk detektion og afkodning af honningbi-waggle-danse

skjule