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Uma aventura: contar pinguins na Antártica com drones

Um sistema multidrone de Stanford mapeia colônias de 1 milhão de pinguins-de-adélia.


Pinguins-de-adélia no Cabo Crozier | Foto: Amélie Lescroël/Universidade Stanford

Mac Schwager, pesquisador da Universidade Stanford, entrou no mundo da contagem de pinguins por meio de um encontro casual no casamento de sua cunhada em junho de 2016.


Lá, ele soube que Annie Schmidt, uma bióloga da organização Point Blue Conservation Science, estava procurando uma maneira melhor de criar imagens de uma grande colônia de pinguins na Antártica.


Schwager, que é professor de aeronáutica e astronáutica, viu uma oportunidade de colaborar, dado seu trabalho no controle de enxames de robôs voadores autônomos.


Foi assim que, três anos e meio depois, um aluno de graduação de Schwager, Kunal Shah, se encontrou na famosa Estação McMurdo, pronto para o primeiro voo de teste na Antártida de seu novo sistema de imagem multidrone, que coordena o voo de múltiplos drones autônomos de última geração - mas também pode funcionar com drones de passatempo.


O projeto não teve um início promissor. “Minhas mãos estavam congelando. As baterias do drone estavam frias demais para funcionar. O controle remoto do drone estava muito frio. Meu telefone estava muito frio e exibia alarmes ”, lembrou Shah. “Eu apenas pensei: 'Vou ficar aqui dois meses e meio e este é o primeiro dia.' ”


Sem desanimar, Shah e seus colegas rapidamente adaptaram seu sistema. Produziram repetidamente pesquisas visuais detalhadas de aproximadamente 300.000 pares de aninhamento de pinguins-de-adélia em uma área de 2 quilômetros quadrados no Cabo Crozier - equivalente ao tamanho de Mônaco - e de outra colônia menor, de cerca de 3.000 pares, em Cabo Royds.


O trabalho foi relatado num estudo publicado no jornal Science Robotics.


Drone na Antártica: trabalho em dupla ou em quatro para contagem das aves | Foto: Parker Levinson/Universidade Stanford

As pesquisas anteriores com drones pilotados por humanos na colônia do Cabo Crozier levavam dois dias. Cada rodada da nova pesquisa foi concluída em cerca de duas horas e meia, graças a um algoritmo de planejamento de rota que coordenou de dois a quatro drones autônomos e priorizou a cobertura eficiente das colônias.


A nova pesquisa foi feita em colaboração com a Fundação Nacional da Ciência (NSF) e o Programa Antártico dos Estados Unidos (USAP).


“Apenas mover todo esse equipamento para um local remoto e ser capaz de prepará-lo, colocá-lo em campo e implantá-lo com nada além de tendas e uma pequena cabana de aquecimento à sua disposição, isso é realmente fenomenal”, disse Schwager, que é um autor sênior do estudo, mas não participou da equipe de campo. “Isso realmente mostra como os sistemas robóticos autônomos podem ser práticos em ambientes remotos.”

Velocidade é essencial


Levantamentos aéreos de colônias de pinguins já foram realizados antes, geralmente com helicópteros ou um único drone. O método do helicóptero produz ótima qualidade de imagem, mas é caro, não é eficiente em termos de combustível e pode incomodar as aves.


Pesquisa com um único drone é demorada e difícil de tocar, já que os drones devem ser lançados de uma distância segura, a cerca de cinco quilômetros da colônia de pinlguins.


Outra deficiência dos drones é que eles devem voar de volta para a colônia com apenas 12 a 15 minutos de duração da bateria. A ameaça contínua de mudanças repentinas nas condições de voo aumenta ainda mais a importância de um levantamento rápido.


O uso de vários drones contorna esses desafios, e isso foi possível por um algoritmo de planejamento de rota exclusivo desenvolvido pelos pesquisadores de Stanford.


Dado um espaço de pesquisa, o algoritmo particionou o espaço, atribuiu pontos de destino a cada drone e descobriu como mover os drones por esses pontos da maneira mais eficiente, limitando retrocesso e viagens redundantes.


Um requisito adicional crucial era que cada drone saísse do espaço no mesmo lugar por onde entrou, o que economiza um precioso tempo de voo. O algoritmo também manteve uma distância segura e constante do solo, apesar das mudanças na elevação, e tinha uma porcentagem de sobreposição de imagem ajustável para garantir um levantamento completo.


Ao contrário da ação de vaivém de um vácuo robótico, Schwager descreveu os caminhos do algoritmo como "orgânicos, no estilo das aranhas".


“O processo foi rápido. O que eram apenas rabiscos do algoritmo em uma tela no dia anterior se transformou em uma imagem massiva de todos os pinguins nas colônias ”, disse Shah, que é o principal autor do estudo.


“Pudemos ver as pessoas andando ao redor das colônias e todos os pássaros individuais que estavam fazendo ninhos e indo para o oceano. Foi incrível", completou.


A visão dos drones na Antártica | Foto: Kunal Shah/Universidade Stanford

Olhos no céu


Os pesquisadores vislumbram outros usos para seu sistema multidrone, como monitoramento de tráfego e rastreamento de incêndios florestais. Eles já realizaram testes em alguns ambientes variados.


Sobrevoaram uma grande fazenda em Marin, Califórnia, para avaliar a vegetação disponível para o pastoreio do gado.


Eles também levaram seus drones para o lago Mono, perto da fronteira Califórnia-Nevada para pesquisar a população de gaivotas da Califórnia que vive perto da Ilha Paoha no centro do lago.


Assim como a Antártica, o teste do lago Mono teve seus próprios desafios - os pássaros eram menores, os pesquisadores tinham que navegar até o local antes de soltar os drones e havia o risco de perder drones na água (o que, felizmente, não aconteceu) .


Por sua vez, os biólogos de pinguins continuam focados em medir o tamanho da população, as taxas de natalidade e a densidade de aninhamento dos pinguins-de-adélia na Antártica.


Farão uma segunda rodada de observação das aves este ano. Devido à pandemia, no entanto, a equipe da Point Blue Conservation Science estará por conta própria desta vez.


Pensando no quadro geral - no sentido figurado - os pesquisadores esperam que seu sistema seja uma evidência do potencial positivo de robôs e sistemas autônomos.


“Os humanos nunca poderiam saltar para o céu e contar 300.000 pinguins ou rastrear um incêndio florestal”, disse Schwager. “Acho que equipes de robôs autônomos podem ser realmente poderosas para nos ajudar a gerenciar nosso mundo em mudança, nosso ambiente em mudança, em uma escala que nunca poderíamos antes.”


A rota dos drones para contar os pinguins do cabo Crozier | Imagem: Kunal Shah/Universidade Stanford

☛ Este artigo, de Taylor Kubota, foi fornecido pela Universidade Stanford. Leia o original em inglês.


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