ICARUS

La Internet de animales inicia operaciones

abr. 21, 2021

ICARUS, el ambicioso proyecto de observación animal a gran escala con base en la Estación Espacial Internacional (EEI o ISS, por sus siglas en inglés), ha culminado con gran éxito su fase de prueba, permitiendo que comiencen los proyectos iniciales.

El proyecto de investigación se está llevando a cabo bajo el liderazgo del instituto Max Planck de Comportamiento Animal (MPIAB) en su instalación en Radolfzell en el Lago de Constanza, Alemania, en cooperación con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y Roscosmos, la organización espacial de la Federación de Rusia. Rohde & Schwarz está contribuyendo con los sistemas de radiocomunicación para los transmisores conectados a los animales.

Los mirlos son algunos de los animales que el Instituto Max Planck observará con la ayuda de ICARUS.
Los mirlos son algunos de los animales que el Instituto Max Planck observará con la ayuda de ICARUS.

¿Adónde vuelan?

Equipar animales con pequeños transmisores ha sido posible desde hace tiempo gracias a la miniaturización de sistemas electrónicos y sensores. Esto permite observar cómodamente el comportamiento del animal sin invadir su espacio vital. No obstante, los transmisores utilizados ofrecían un alcance muy limitado porque empleaban tecnología de comunicaciones móviles o métodos sencillos de radio analógica. En contraste, el sistema ICARUS de observación con base espacial tiene alcance global. Permite seguir, sin ningún problema, los desplazamientos de aves y otros animales migratorios con gran resolución dondequiera que vayan, incluso cruzando continentes. Aunque conocemos el número de especies que migran y cuáles son sus destinos, los investigadores no tenían hasta ahora acceso a información sobre sus rutas exactas, su comportamiento y las condiciones medioambientales que afrontaban durante sus desplazamientos. ICARUS ofrece respuestas elegantes y actualizadas a estas preguntas.

Mission ICARUS
Misión ICARUS: tecnología satelital en beneficio de la biología.

Tecnología satelital en beneficio de la biología

El concentrador del sistema ICARUS es la estación espacial internacional (ISS). Viaja en una órbita prácticamente circular, pasando sobre más del 90 por ciento de la superficie de la Tierra todos los días. Gracias a su escasa altura orbital de apenas 400 km, resulta muy accesible para los radiotransmisores de poca potencia. Esto hizo plantearse a los participantes del proyecto ICARUS la idea de utilizar la ISS como estación remota para observar a los animales.

Sin embargo, los sistemas de radiocomunicación adecuados no estaban disponibles en el mercado. INRADIOS, una pequeña empresa especializada en radio satelital y ahora subsidiaria de Rohde & Schwarz, se ofreció a solucionar este problema. Junto con el sistema de observación global ICARUS (I-GOS) derivado de MPIAB, SpaceTech y el DLR, INRADIOS desarrolló los sistemas de radiocomunicación, los transmisores para animales, el módulo de procesamiento para la ISS, y las estaciones terrestres que pueden recibir señales en el lugar de la ISS.

Además del transmisor estándar se están desarrollando versiones para criaturas marinas y animales de gran tamaño.
El transmisor para los animales (placa transmisora) fue desarrollado en cooperación con el Instituto Max Planck de Ornitología e I GOS. Además del transmisor estándar, se están desarrollando versiones especiales para criaturas marinas y animales de gran tamaño como elefantes.

Una placa transmisora para cada animal

El transmisor para los animales (placa transmisora) fabricado por |Rohde & Schwarz roza los límites de la miniaturización. Es tan compacto (2 cm2) y ligero (< 5 g) que incluso los animales pequeños pueden portarlo con facilidad. Contiene un procesador y memoria, un receptor GPS, un módulo radioeléctrico, una batería recargable, una célula solar y varios sensores para captar datos medioambientales y de movimiento. Esto provee información sobre la ubicación de los animales, sus movimientos, temperatura corporal y condiciones ambientales como son la humedad y presión.

La versión marítima de la placa transmisora será además impermeable, resistente a la compresión y flotante para poder colocarla en animales marinos. Su accesorio se diseñará para liberar la placa transmisora después de un tiempo, permitiendo que flote hacia la superficie y que establezca un radioenlace con la ISS.

Actualización de órbita de la ISS
Paso 1: la placa transmisora está en modo de reposo y ahorro de energía, a la espera de que el temporizador interno la active a la hora que se espera el sobrevuelo de la ISS. Paso 2: una vez activada, la placa transmisora verifica a breves intervalos de tiempo si se está recibiendo la señal de descarga de la ISS. Paso 3: al recibir la señal, la placa transmisora extrae los datos de efemérides actuales y los usa junto con su propia posición de GPS para calcular la hora del siguiente lapso de transmisión. Después vuelve al modo de reposo si no tiene pendiente registrar datos.
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Cigüeña a ISS: responda

La ISS actúa como colector de datos y recibe los datos de los animales dotados de la placa cuando pasa por encima de ellos. La transmisión de datos a la ISS se produce en intervalos de tiempo muy breves. Los animales están dentro del alcance de radio durante solo 15 segundos al día. Estos intervalos de tiempo se deben anticipar con precisión. Utilizando los datos de efemérides que la ISS le envía de forma regular, la placa transmisora calcula los intervalos de tiempo y se prepara para transmitir y recibir en el momento justo. Pasa la mayor parte del tiempo en modo de inactividad y baja energía, y solo se activa mediante un temporizador cuando es necesario recibir datos o establecer contacto por radio según el programa.

Transmisión de los datos del sensor
Paso 1: cuando se aproxima el intervalo para una posible transmisión de la ISS, la placa transmisora se reactiva del modo de reposo. La subida de datos, que toma aproximadamente 3 s, comienza aleatoriamente dentro del breve intervalo de transmisión de aproximadamente 15 s, a fin de que no todos los datos de las placas transmisoras adyacentes sean enviados en simultáneo. Paso 2: luego de subir los datos, la placa adopta brevemente el modo de recepción en caso hayan algunos controles de comando subsecuentes para la placa transmisora. La ISS solo envía datos a la placa transmisora cuando sabe, por una transmisión reciente, que la placa transmisora se encuentra dentro del alcance. Paso 3: antes de volver al modo de reposo, la placa transmisora calcula la siguiente hora de contacto. El temporizador es uno de los componentes clave de la placa transmisora. Es lo que permite activar la placa transmisora solo cuando hay algo que hacer, es decir, registrar datos de los sensores o prepararse para una transmisión.
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Los datos que se van a recopilar y transmitir, y los intervalos de recogida y transmisión se pueden definir de forma individual para cada placa transmisora. Como con todos los objetos del Internet de las cosas, ICARUS permite dirigirse de forma individual a cada animal en el Internet de los animales. Para simplificar las cosas y, como las comunidades de animales a etiquetarse son generalmente grandes, las placas transmisoras pueden organizarse en grupos y abordarse colectivamente.

La computadora a bordo de la ISS acumula los datos recibidos y envía conjuntos agrupados de datos a la estación terrestre ICARUS operada por Roscosmos. La estación terrestre reenvía los datos al centro de control de operaciones en Alemania, donde se suben a la base de datos central en www.movebank.org, que es accesible a nivel global a través de Internet.

El prof. Dr. Martin Wikelski, director del proyecto ICARUS, investiga los desplazamientos de murciélagos frugívoros.
El prof. Dr. Martin Wikelski, director del proyecto ICARUS, investiga los desplazamientos de murciélagos frugívoros.
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Grandes expectativas, fuerte demanda

Las oportunidades únicas de investigación que ICARUS abre para los biólogos ya han llevado a científicos alrededor del mundo a enviar cientos de consultas al MPIAB. El MPIAB otorgará a los solicitantes aprobados la cantidad necesaria de placas transmisoras y el uso exclusivo de los datos recolectados por un periodo de tres años, después del cual los datos serán de acceso general. Por supuesto, el MPIAB tiene algunos proyectos planificados. Por ejemplo, el actual proyecto de investigación sobre los mirlos pasará a un nuevo nivel con ICARUS. Los murciélagos frugívoros en África, que han recibido bastante atención durante un tiempo porque distribuyen semillas y sirven como «perros rastreadores» para fuentes de infección de ébola, se pueden seguir con precisión gracias a ICARUS. En Sicilia, se están llevando a cabo investigaciones con respecto a si los animales realmente tienen un sexto sentido para las catástrofes naturales y pueden presentir las erupciones volcánicas (Monte Etna). Los sensores serán colocados en cabras monteses para este proyecto. ICARUS da alas a la imaginación de los biólogos.

Servicio regular previsto para el cuarto trimestre

Las actividades de investigación han comenzado

Puesto que al principio no estaba disponible la estación remota ISS, las placas transmisoras se probaron en combinación con radios terrestres, también de Rohde & Schwarz. Este modo de operación está planificado también como alternativa. Su ventaja consiste en que permite alcanzar velocidades de datos considerablemente mayores y la transmisión de datos se realiza con mucha más frecuencia que con el registro de las placas a través de la ISS. Los científicos pueden llevar a cabo cómodamente observaciones a pequeña escala, p. ej., en el área de cría de una colonia de aves.

La primera prueba del sistema que se programó con la ISS en julio de 2019 falló debido a problemas de ventilación en la computadora a bordo. El proyecto se retrasó por unos meses debido a la necesidad de obtener piezas de repuesto. El inicio de la pandemia del coronavirus generó incluso mayores retrasos. A pesar de todo, fue posible llevar a cabo extensas evaluaciones en 2020 que el sistema pasó de forma impecable. Es más, el desempeño de los equipos radioeléctricos superó con creces las expectativas. El primer proyecto intercontinental para observar el comportamiento migratorio de mirlos y zorzales está en marcha desde septiembre de 2020. Si bien el proyecto se acelera, INRADIOS continúa su trabajo en las placas radiotransmisoras en conjunto con MPIAB. El objetivo es lograr aun mayor miniaturización mientras que simultáneamente se potencia la vida de la batería. Algún día las placas transmisoras serán lo suficientemente pequeñas como para colocarlas en insectos.

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