211service.com
Machine Vision decodeert honingbij waggeldansen
De moderne samenleving is afhankelijk van een veilige, betrouwbare voedselvoorziening. Deze levering is een complex systeem dat zelf afhankelijk is van een groot aantal andere systemen, van landbouwpraktijken tot distributienetwerken. Er wordt veel werk verzet om deze systemen robuust te houden.
Maar in 2007 deed zich een onverwachte bedreiging voor de voedselvoorziening voor. Tot 70 procent van de Europese honingbijkolonies in Noord-Amerika stierf plotseling. Honingbijen bestuiven een breed scala aan eetbare planten en hun ondergang zou de voedselproductiviteit snel en ernstig kunnen verminderen. Biologen hebben zich afgevraagd wat de mogelijke oorzaken zijn, zoals pesticiden die neonicotinoïden worden genoemd en een ziekte die wordt veroorzaakt door het Israëlische acute verlammingsvirus. Maar hoe honingbijenkolonies in de toekomst precies kunnen worden beschermd, is niet duidelijk.
Eén ding is echter zeker. Biologen hebben betere manieren nodig om deze wezens en de manier waarop ze planten in hun buurt bestuiven, te bestuderen. Het blijkt dat bijen goed kunnen communiceren waar ze zijn geweest. Hun beroemde kwispeldans codeert de richting en afstand van voedselbronnen, zodat andere bijen ook van deze bronnen kunnen profiteren.
Een van de grote doorbraken in het gedrag van dieren was het decoderen van deze dans in de jaren twintig door de Duitse bioloog Karl von Frisch, die voor zijn inspanningen een Nobelprijs won. Maar dit decoderingsproces vereist een mens om de oriëntatie en de duur van de dans te meten.
En hoewel video-opnametechnieken dit gemakkelijker hebben gemaakt, is het nog steeds een tijdrovende taak die slechts voor een paar bijen op kleine schaal kan worden gedaan. Dus biologen zouden dolgraag een betere manier hebben om kwispeldansen van honingbijen te ontcijferen.
Voer Tim Landgraf en vrienden van de Vrije Universiteit van Berlijn in Duitsland in. Deze jongens hebben een neuraal netwerk ontwikkeld dat automatisch kwispeldansen van honingbijen kan decoderen. We hebben een systeem ontwikkeld dat automatisch communicatiedansen in realtime kan detecteren, decoderen en in kaart brengen, zeggen ze. De nieuwe methode heeft het potentieel een revolutie teweeg te brengen in de studie van het foerageren van honingbijen.
Het waggle dance-decoderingssysteem is in principe eenvoudig. Het bestaat uit een videocamera die de beweging van bijen op een honingraat vastlegt. Dit lijkt misschien een ziedende massa van willekeurige beweging, maar er is hier een aanzienlijke orde.
De kwispeldansen zelf zijn zeer geordend. Een honingbij begint zijn dans door zijn lichaam heen en weer te bewegen met een snelheid van ongeveer 13 Hz, terwijl hij in een rechte lijn vooruit beweegt. Dit wordt gevolgd door een terugkeerfase waarin de bij terug cirkelt naar zijn startpunt. De oriëntatie van deze dans ten opzichte van de zon codeert de richting van de voedselbron, terwijl de lengte van de dans de afstand codeert.
De waggle dance decoder is een machine vision systeem dat eerst in de videobeelden zoekt naar de karakteristieke 13 Hz waggels. Zodra deze zijn gevonden, isoleert een neuraal netwerk de bij en zijn dans. Andere algoritmen berekenen vervolgens de dansoriëntatie en -duur en bepalen uiteindelijk de positie van de voedselbron.
In tests met bijen die getraind zijn om een bekende voedselbron te bezoeken op zo'n 300 meter van een bijenkorf, zeggen Landgraf en co dat hun systeem de positie van de voedselbron meer dan 90 procent van de tijd nauwkeurig identificeerde. Dat is net zo goed als menselijke waarnemers. Maar cruciaal is dat het machine-vison-systeem op veel grotere groepen bijen kan werken over veel langere tijdschalen.
Landgraf en co zeggen dat ze een aantal verbeteringen aan hun systeem willen aanbrengen, zoals het nog nauwkeuriger en gebruiksvriendelijker maken. Deze moeten eenvoudig zijn.
Verder is het niet moeilijk in te zien hoe een dergelijk systeem tegen relatief lage kosten op grote schaal kan worden ingezet. Daardoor kunnen biologen het gedrag van bijen veel gedetailleerder en op veel grotere schaal bestuderen dan ooit tevoren. Het kan zelfs haalbaar zijn voor boeren om in realtime te zien hoe hun gewassen worden bestoven en dus inspanningen leveren om te helpen wanneer dingen niet volgens plan gaan.
Dat zou kunnen helpen om de problemen van de kolonie-instortingsstoornis aan te pakken en de voedselvoorziening te beschermen waar we allemaal op vertrouwen.
Referentie: arxiv.org/abs/1708.06590 : Automatische detectie en decodering van kwispelende honingbijen