Как биоакустика и нейросети помогают в борьбе с изменением климата

Биоакустика в борьбе с изменением климата

Распознавание чувств — настоящий вызов для искусственного интеллекта. Речь ведь не только о простых улыбке или слезах, но и о случаях, когда уловить на лице эмоцию — сложнейшая задача (даже для человека). Сложно, но возможно, и это доказали ученые из University of the West of Scotland . Они создали портативное устройство, которое способно нас чувствовать.

Появление автономных записывающих устройств изменило ситуацию. В течение нескольких недель весной оборудование включается с 5 до 10 утра и с 7 до половины 9 вечера, чтобы записать пение птиц. Слушая повседневную деятельность птиц в нескольких местах, сотрудники узнают, как различные виды реагируют на вырубку лесов или адаптируются к меняющемуся ландшафту. В настоящее время эксперты следят за 80 видами птиц, а также за волками в национальном Йосемитском парке. Этот проект позволит ученым отслеживать реакции различных популяций животных на последствия температурных и погодных колебаний.

Первыми, чьи чувства стал оценивать ИИ, стали покупатели в супермаркетах. Предпринимателю важно понимать эмоциональный отклик клиента, чтобы эффективнее с ним взаимодействовать. Но есть те, кому это еще важнее. Например, врачи, которые общаются с особенными пациентами. Существуют болезни и психические расстройства, лишающие человека возможности выражать эмоции привычным путем.

Американский биолог Кристи Хэнд на протяжении многих лет изучает жизнь одного из самых редких подвидов птиц — eastern black rail (L. j. jamaicensis, с англ. — восточный черный погоныш). L. j. jamaicensis принадлежит к отряду журавлеобразных и семейству пастушковых. В основном они встречаются в восточной части Северной Америки, Карибского бассейна и Центральной Америки.

Сначала ученые записали и оценили эмоции на звуковые и визуальные стимулы группы подопытных — реакцию фиксировали на видео, а также с помощью переносных датчиков ЭЭГ и ЭКГ. Все это было нужно для того, чтобы обучить нейросеть. Полученную модель установили в портативное устройство, которое при помощи мультисенсоров способно распознавать то, что мы чувствуем.

« Распознавание эмоций — одна из наиболее актуальных задач, стоящих перед когнитивной наукой. Оценка психоэмоционального статуса важна и с междисциплинарной точки зрения. Это позволяет получать информацию об истинном отношении человека к переживаемым событиям. При этом понимание термина „эмоциональный ответ“ существенно шире, чем регистрация подвижности мимической мускулатуры. Это и изменения психофизиологического состояния, а та кже биохимического гомеостаза , и отложе нные поведенческие реакции, и та или иная стратегия принятия решений. Возможность идентификации эмоций, тем более предвидение эмоционального ответа еще больше приблизит алгоритмы функционирования ИИ к интеллекту человека », — рассказал «Сириус(Журналу» генеральный директор компании «Нейроиконика Ассистив» кандидат медицинских наук Константин Шелепин.

Нейробиологи из Massachusetts Institute of Technology пошли дальше и разработали модель ИИ, которой под силу предсказать то, что почувствует человек. Для ее обучения использовали такие факторы, как желание человека и его ожидания. Сегодня эта нейросеть умеет предугадывать радость, благодарность, замешательство, сожаление и смущение. Погрешность небольшая, ИИ чаще попадает в цель, чем ошибается.

Подобное устройство способно помочь тем, кто испытывает трудности с выражением эмоций. Ведь зачастую окружающие люди негативно воспринимают отсутствующую реакцию собеседника. Разработка наверняка пригодится врачам, пациентам, а также тем, кто за ними ухаживает.

Когда ученые начали записывать звуки

Помимо исследовательской работы центр занимается и просветительской работой. Сотрудники Корнеллской лаборатории орнитологии делится своим опытом с другими организациями в Азии, Центральной Америке и Африке. Например, в тропическом лесу Центральной Африки живут лесные слоны, находящиеся под угрозой исчезновения из-за деятельности браконьеров. В рамках проекта The Elephant Listening Project исследователи отслеживают звуки крупных наземных животных. Результатом исследования стало создание карт, показывающих, где слоны находятся в лесу, и как браконьеры их находят.

Биоакустика вносит свой неоценимый вклад и в борьбе с изменением климата. Чтобы отслеживать и управлять последствиями глобального потепления, ученые уделяют внимание не только мониторингу качества воды и правильной работы экосистемы, но и присутствию птиц в изучаемых лесных массивах. Работа в этом направлении ведется орнитологами во всем мире. Ученым Института географии РАН, к примеру, удалось выяснить, что белолобые гуси сильно расширили ареал гнездования. Теплолюбивые виды стали возвращаться из мест зимовок раньше обычного — так арктические птицы адаптируются к изменениям климата.

Темой распознавания эмоций компании занимаются уже давно, бум начался еще десять лет назад. Все технологические гиганты пытаются научить искусственный интеллект видеть людей буквально насквозь. Например, Google уже несколько лет встраивает систему распознавания лиц и эмоций на основе ИИ в «умные» платы для робототехники Raspberry Pi. Microsoft научила искусственный интеллект отличать эмоциональную окраску текста. Однако, главный вызов для ученых и разработчиков сейчас — суметь увязать все элементы системы в единое целое.

В начале исследования эксперт столкнулась с двумя основными проблемами. Первая — у птиц нет какого-то определенного графика, то есть у ученых нет возможности предугадать, где и во сколько можно услышать их пение. Вторая — L. j. jamaicensis часто перемещается из одной среды обитания в другую. Снижение цен на автономные записывающие устройства (ARU) в 2018 году позволило Хэнд закупить их в нужном количестве и открыло новые возможности. Оставляя сразу несколько ARU в изучаемой местности, Хэнд получала записи всего, что происходило на заданном участке в течение определенного времени. После она прослушивала запись в поисках пения L. j. jamaicensis. Чтобы облегчить процесс распознавания, команда Хэнд попробовала несколько компьютеризированных систем звукового анализа. Они должны были выделить зов L. j. jamaicensis среди других. Первый распознаватель в испытаниях дал много ложных срабатываний. Исследователям пришлось дважды проверять результаты вручную, прослушивая записи. Хэнд начала искать более эффективный звуковой идентификатор. В конце 2020 года она узнала о приложении для распознавания звуков под названием BirdNET. Стартап создал программист Стефан Каль из Корнеллской лаборатории орнитологии. Исследовательский проект использует искусственный интеллект и нейронные сети для обучения компьютеров идентификации более 3 тыс. звуков наиболее распространенных видов птиц во всем мире. Чтобы воспользоваться приложением для своих целей, Кристи Хэнд представила разработчикам существующие записи L. j. jamaicensis. Создатели идентификатора обучили нейросеть распознавать их. Раз в месяц данные с пассивных акустических мониторов, расположенных на территориях обитания L. j. jamaicensis, отправляются в BirdNET для изучения. Приложение помогает ученым получить более подробную информацию об этом подвиде птиц: от процесса размножения до продолжительности жизни.

Примером того, как искусственный интеллект может стать опорой для человека, лишившегося возможности проявлять эмоции, стала история английского писателя Питера Скотт-Моргана. В 2017 году в возрасте 59 лет ему поставили смертельный диагноз «боковой амиотрофический склероз» (БАС). Это дегенеративная болезнь центральной нервной системы, при которой постепенно наступает паралич, а затем и атрофия всех мышц тела.

Один из самых известных людей, страдавших этим недугом, — британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Несмотря на тяжелую болезнь, он прожил долгую и активную жизнь. Помимо самой современной инвалидной коляски, специально для него разработали прибор с синтезатором речи, которым парализованный ученый мог управлять, двигая лишь одной мимической мышцей щеки.

Благодаря работе ученых этого центра удалось внести ясность и в другие вопросы. Исследователи много лет пытались понять, действительно ли полосатые совы представляют угрозу для пятнистой неясыти, которая населяет хвойные леса от Британской Колумбии до Северной Калифорнии. К концу XX века площадь подходящих для этого подвида местообитаний уменьшилась из-за неконтролируемых вырубок, а с 1990 года пятнистые неясыти находятся под защитой государства. Привычным местом обитания полосатых сов считался восток Северной Америки. Однако со временем они переселились на запад и начали отвоевывать территорию у неясытей. Эксперименты по изучению двух популяций прошли в горном массиве на юге Пиренейского полуострова — Сьерра-Неваде. Выяснилось, что популяция пятнистой неясыти в Калифорнии неуклонно сокращалась. Чтобы изменить ситуацию, Лесная служба и частные лесозаготовительные организации США занялись вывозом полосатых сов с новых мест обитания. Однако окончательная точка в этой истории еще не поставлена. Полосатые совы могут возвращаться в районы, откуда их вывезли, и в долгосрочной перспективе скорее всего потребуются новые меры для охраны неясытей.

Увлеченный робототехникой Питер Скотт-Морган повторил подвиг Стивена Хокинга, используя современные технологии. Писатель решил, что раз прожить долгую жизнь в реальном мире ему не суждено, он будет жить в виртуальном. Для этого мужчина оцифровал свою личность: создал образ лица для визуального выражения эмоций, записал все модуляции голоса и обучил ИИ предсказывать свою реакцию на других людей и их поведение. Кроме того, он перенес операции, чтобы приспособить свое угасающее тело к новой жизни. Например, получил возможность управлять компьютером с помощью одних лишь глаз.