Contar animales en extinci¨®n: robots, algoritmos y geometr¨ªa para preservar la biodiversidad

La extinci¨®n de especies forma parte de la evoluci¨®n de nuestro planeta ¡ªse estima que el 99% de los m¨¢s de cuatro mil millones de especies que han existido a lo largo de la historia de la Tierra han desaparecido¡ª. Sin embargo, el ritmo en el que est¨¢ sucediendo actualmente es muy superior a lo que podr¨ªa esperarse, lo que, seg¨²n los expertos, podr¨ªa conducirnos a una sexta gran extinci¨®n. A¨²n es posible evitarla, adoptando medidas que frenen la p¨¦rdida de biodiversidad. Para ello, un primer paso es disponer de censos de poblaciones en peligro de extinci¨®n ¡ªcomo el lince ib¨¦rico, en Espa?a, o el venado de las pampas, en Argentina¡ª a lo largo del tiempo. Esto supone retos tecnol¨®gicos y matem¨¢ticos que cient¨ªficos de todo el mundo est¨¢n tratando de resolver. Tambi¨¦n ge¨®metras, aunque pueda resultar sorprendente.

Habitualmente, para monitorizar el estado de las poblaciones, los observadores realizan conteos directos e indirectos ¡ªen el propio ecosistema, o bien sobre fotograf¨ªas a¨¦reas tomadas por drones¡ª bas¨¢ndonos en m¨¦todos estad¨ªsticamente correctos. Esto implica una importante inversi¨®n en recursos, especialmente en ¨¢reas de dif¨ªcil acceso. Por ello, cada vez m¨¢s, la generaci¨®n de los datos se complementa y aumenta con el despliegue de redes de sensores m¨®viles, localizados en diferentes tipos de veh¨ªculos aut¨®nomos. Estos dispositivos hacen menos costosa, m¨¢s efectiva y m¨¢s precisa la obtenci¨®n de informaci¨®n sobre las especies. Para manejarlos, es necesario desarrollar algoritmos de control robustos y r¨¢pidos. Un algoritmo de control monitoriza la posici¨®n y velocidad del veh¨ªculo aut¨®nomo en cada momento y las compara con los valores deseados, es decir, con los valores del recorrido o el movimiento predise?ados. Si es necesario, genera una acci¨®n ¡ªfrenado o aceleraci¨®n, por ejemplo¡ª para rectificar el sistema y adecuarse a dicho valor.

Los veh¨ªculos aut¨®nomos ¡ªque pueden ser terrestres, a¨¦reos o acu¨¢ticos¡ª se operan individualmente y quienes los manejan son los que trabajan de forma coordinada. Sin embargo, dado que cada tipo de veh¨ªculo ofrece ventajas y limitaciones ¡ªen relaci¨®n con la velocidad, su capacidad de recolectar datos del entorno o la capacidad de carga y autonom¨ªa¡ª, es interesante formar sistemas complejos, que permitan hacer uso de varias de estas plataformas rob¨®ticas de manera simult¨¢nea y coordinada. Por ejemplo, con una combinaci¨®n de veh¨ªculos a¨¦reos y acu¨¢ticos es posible detectar, directamente, especies protegidas en zonas poco accesibles, y generar as¨ª censos m¨¢s precisos.

El reto matem¨¢tico es dise?ar algoritmos de control para que un solo operador pueda coordinar un grupo de robots que realizan una tarea de manera aut¨®noma. En los ¨²ltimos a?os, se han desarrollado varios m¨¦todos de coordinaci¨®n de robots, especialmente en robots terrestres. Estos dispositivos son capaces de formar figuras geom¨¦tricas, que permiten ampliar el ¨¢rea de cobertura. En concreto, utilizan determinadas configuraciones para establecer fuerzas atractivas y repulsivas entre robots, o con relaci¨®n a obst¨¢culos, y as¨ª mantener la geometr¨ªa de la formaci¨®n deseada. Para ello, cada robot es un v¨¦rtice de la figura, que puede ser rotada y trasladada en el espacio mediante especificaciones de control.

Estos movimientos pueden realizarse simult¨¢neamente con una sola estructura matem¨¢tica, llamada cuaterni¨®n dual. Los cuaterniones duales sirven para describir la pose de un robot, es decir, su posici¨®n y orientaci¨®n en el espacio. Han sido muy populares en la comunidad rob¨®tica en los ¨²ltimos a?os, debido a su eficiencia computacional. Su forma compacta describe la pose de la formaci¨®n de robots con una sola coordenada y una secuencia de movimientos con una secuencia de operaciones entre cuaterniones.

Las coordenadas en cuaterniones duales se pueden integrar en un sistema multirrobot llamado espacio de cluster. En particular, esta metodolog¨ªa permite el control de grupos de robots por una sola persona, de manera simple. As¨ª, se pueden desplegar redes reconfigurables de sensores compuestos por varios veh¨ªculos aut¨®nomos coordinados.

Estos modelos ya han mostrado buenos resultados para el control de la coordinaci¨®n de drones y veh¨ªculos terrestres aut¨®nomos. Actualmente, se quiere extender esta metodolog¨ªa para coordinar drones y kayaks no tripulados, para realizar un censado del venado de las pampas, una especie amenazada de extinci¨®n, en humedales del Sitio Ramsar Bah¨ªa Samboromb¨®n (Buenos Aires), de dif¨ªcil acceso por medio terrestre. Este ¡ªjunto a la obtenci¨®n de datos de CO? y otros contaminantes¡ª es uno de los objetivos del proyecto del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas Wildlife Monitoring Bots (robots de monitoreo de vida salvaje, en ingl¨¦s).

El desarrollo de los modelos matem¨¢ticos, espec¨ªficos para este problema, permitir¨¢ dise?ar algoritmos de control para sistemas de m¨¢s de dos veh¨ªculos, aplicables a muchos otros retos ambientales.

Mario Beade es Intendente del Parque Nacional Campos del Tuy¨², Administraci¨®n de Parques Nacionales, Argentina.

Leonardo Colombo es cient¨ªfico titular del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC) en el Centro de Autom¨¢tica y Rob¨®tica (UPM-CSIC).

Fernando O. Mi?arro es director de Conservaci¨®n de la Fundaci¨®n Vida Silvestre Argentina.

Lorena P¨¦rez Carusi es miembro de la Direcci¨®n Nacional de Conservaci¨®n de la Administraci¨®n de Parques Nacionales, Argentina.

Pablo Preliasco es miembro de la Fundaci¨®n Vida Silvestre Argentina.

?gata Tim¨®n G Longoria es coordinadora de la Unidad de Cultura Matem¨¢tica del Instituto de Ciencias Matem¨¢ticas (CSIC-UAM-UC3M-UCM)

Caf¨¦ y Teoremas es una secci¨®n dedicada a las matem¨¢ticas y al entorno en el que se crean, coordinado por el Instituto de Ciencias Matem¨¢ticas (ICMAT), en la que los investigadores y miembros del centro describen los ¨²ltimos avances de esta disciplina, comparten puntos de encuentro entre las matem¨¢ticas y otras expresiones sociales y culturales y recuerdan a quienes marcaron su desarrollo y supieron transformar caf¨¦ en teoremas. El nombre evoca la definici¨®n del matem¨¢tico h¨²ngaro Alfred R¨¦nyi: ¡°Un matem¨¢tico es una m¨¢quina que transforma caf¨¦ en teoremas¡±.

Edici¨®n y coordinaci¨®n: ?gata A. Tim¨®n G Longoria (ICMAT).

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal.