Từ Vạn vật kết nối Internet (Internet of Things) cho đến Động vật kết nối Internet (Internet of Animals), các nhà khoa học trong khi nỗ lực bảo tồn các loài động vật đã tìm ra cách thức để hiểu biết hơn về thế giới tự nhiên phục vụ cho cuộc sống. Họ đang sử dụng thẻ điện tử và vệ tinh để theo dõi động vật hoang dã và xây dựng một mạng lưới dữ liệu, cho phép con người hiểu biết sâu hơn về Trái Đất, từ việc theo dõi những thay đổi về môi trường cho đến dự báo về những thảm họa thiên nhiên như động đất.
Các quần thể động vật hoang dã trên thế giới đang đối mặt với khủng hoảng. Một phân tích gần đây của Quỹ Quốc tế Bảo vệ Thiên nhiên (WWF) ước tính rằng trong 50 năm qua, quần thể động vật hoang dã đã giảm 73%.
Trước tình trạng suy giảm chưa từng có này, việc các nhà khoa học hiểu rõ những thách thức mà động vật đang phải đối mặt và cách chúng phản ứng với một hành tinh đang thay đổi trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Điều này đòi hỏi việc thu thập dữ liệu trên quy mô chưa từng được thử nghiệm – theo dõi cuộc sống của động vật ở mức độ toàn cầu – và các nhà khoa học đang nhờ đến công nghệ để biến nhiệm vụ khổng lồ (mammoth task) này thành hiện thực.
Sự phát triển của công nghệ theo dõi bằng sóng vô tuyến đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới (new research avenues) cho các nhà khoa học quan tâm đến hành vi động vật, nhưng các nghiên cứu này bị giới hạn bởi kích thước lớn của các thiết bị theo dõi và yêu cầu phải theo sát động vật bằng thiết bị thu sóng hoặc phải thu hồi thẻ để truy cập dữ liệu.
Trong ngành công nghiệp, các tiến bộ công nghệ mới như cảm biến và thiết bị liên lạc thu nhỏ đã cho phép phát triển các mạng kỹ thuật số không dây quy mô lớn để theo dõi vị trí và trạng thái của các vật thể, từ container vận chuyển đến thiết bị nhà máy – được gọi là “Internet vạn vật” hay “Vạn vật kết nối Internet” (IoT).
Gắn thẻ cho mục tiêu “Động vật kết nối Internet”
ICARUS – tổ chức Hợp tác Quốc tế Nghiên cứu Động vật bằng Không gian – đặt mục tiêu tận dụng công nghệ này để tạo ra một mạng lưới quan sát động vật toàn cầu nhằm theo dõi và giám sát động vật hoang dã ở quy mô chưa từng có.
Hệ thống này sử dụng các bộ phát nhỏ tiên tiến để truyền dữ liệu về chuyển động, hoạt động và thậm chí sức khỏe của động vật đến các ăng-ten thu sóng trên không gian, cho phép các nhà khoa học truy cập kho dữ liệu nghiên cứu phong phú qua máy tính.
“Chúng ta sắp có Động vật kết nối Internet (internet of animals) và điều đó thực sự thú vị,” Giáo sư Martin Wikelski, Giám đốc Khoa Di cư tại Viện Hành vi Động vật Max Planck và là người sáng lập Sáng kiến ICARUS, cho biết.
Dữ liệu ICARUS đang được sử dụng để trả lời các câu hỏi khoa học lâu đời về việc di chuyển, học hỏi, văn hóa và giao tiếp của động vật, cũng như hỗ trợ ra việc quyết định bảo tồn trong thời gian thực.
Họ cũng hy vọng áp dụng dữ liệu theo dõi động vật vào các vấn đề thực tế, khai thác “giác quan thứ sáu” của động vật để phát triển các hệ thống cảnh báo sớm về dịch bệnh động vật hoang dã, thậm chí cả động đất và các thảm họa tự nhiên khác.
“Giờ đây, chúng ta có thể suy nghĩ khác đi và thực hiện các thí nghiệm trên quy mô toàn cầu mà trước đây chưa bao giờ làm được,” Wikelski nói.
Những thẻ ICARUS đầu tiên, được sản xuất vào năm 2017, nặng khoảng 4g và truyền tọa độ GPS cùng thông tin về việc động vật còn sống hay đã chết, kèm theo dữ liệu môi trường như nhiệt độ và độ ẩm.
Kể từ đó, các thẻ đã được cải tiến, nhỏ hơn, bổ sung khả năng cảm biến mới và tích hợp công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI) tích hợp để tinh giản quá trình xử lý dữ liệu. Điều này cũng khiến giá thành giảm; hiện nay, mỗi thẻ có giá khoảng 50–100 euro, giúp việc gắn thẻ trên quy mô lớn trở nên khả thi hơn.
Nhóm nghiên cứu hiện đang phát triển thế hệ thẻ tiếp theo, chỉ nặng khoảng 1g và có thể truyền thông tin chi tiết về chuyển động của động vật trong môi trường sống của chúng.
Di cư của chim sáo đen
Những động vật đầu tiên được gắn thẻ ICARUS là chim sáo đen, trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn về sự di cư của các loài chim hót. Các nhà nghiên cứu đã gắn thẻ cho gần 700 con sáo đen trên khắp châu Âu, từ Phần Lan đến Tây Ban Nha, và đang theo dõi hành trình của chúng ở cấp độ toàn châu lục.
“Có thể theo dõi từng cá thể động vật thuộc các quần thể khác nhau trên toàn châu lục, đó là một cuộc phiêu lưu rất thú vị và cực kỳ tích cực,” Tiến sĩ Jesko Partecke từ Viện Hành vi Động vật Max Planck cho biết.
Dự án này đã cung cấp những hiểu biết mới về hành vi của sáo đen ở châu Âu. Ví dụ, trong phạm vi sinh sống của chúng ở châu Âu, sáo đen có những chiến lược trú đông (wintering strategies) khác nhau tùy thuộc vào nơi chúng sinh sống.
Những con sống ở Bắc Âu di cư về phía nam để trú đông tại Tây Ban Nha và miền nam nước Pháp, nơi chúng nhập đàn với các con sáo đen cư trú ở những vùng khí hậu ấm áp này quanh năm.
Dữ liệu từ 118 con sáo đen được gắn thẻ, được thu thập qua các ăng-ten gắn trên mặt đất và trên máy bay, cho thấy chúng chuẩn bị cho hành trình di cư dài bằng cách giảm nhịp tim và nhiệt độ cơ thể trong khoảng một tháng trước khi khởi hành.
Chiến lược này giúp sáo đen di cư có mức tiêu hao năng lượng tương đương với sáo đen cư trú, mặc dù việc bay đường dài đòi hỏi một lượng năng lượng rất lớn.
Thẻ ICARUS có sẵn trong nhiều thiết kế khác nhau, bao gồm thẻ gắn tai cho các loài động vật có vú như tê giác, báo săn và hươu cao cổ; vòng chân cho chim; và thẻ kiểu ba lô cho dơi và các loài côn trùng lớn. Loại thẻ sau cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện việc theo dõi liên tục dài nhất đối với các loài côn trùng di cư. Họ đã gắn thẻ lên 14 con bướm đầu lâu (death’s-head hawkmoths) di cư và sử dụng ăng-ten gắn trên máy bay nhẹ để theo dõi hành trình bay của chúng trong 80 km trên đường tới khu vực sinh sản mùa đông ở Địa Trung Hải.
Họ phát hiện ra rằng các loài côn trùng này có thể duy trì đường bay thẳng trong khoảng cách dài – ngay cả trong điều kiện gió mạnh, cung cấp cho các nhà khoa học một cái nhìn về hệ thống định hướng nội tại tinh vi của loài này.
Thiết lập mạng lưới toàn cầu
Từ khi ra đời vào năm 2012, dự án ICARUS đã gặp phải nhiều trở ngại, từ kỹ thuật, hậu cần cho đến địa chính trị.
Ăng-ten ICARUS được lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) vào tháng 8 năm 2018, và dự kiến hệ thống sẽ bắt đầu thử nghiệm vào mùa hè năm kế tiếp. Tuy nhiên, một lỗi trong nguồn cung cấp năng lượng trên ISS đã khiến bước này bị trì hoãn, và hệ thống quan sát ICARUS chỉ được kích hoạt vào tháng 3 năm 2020.
Các dự án nghiên cứu đầu tiên sử dụng hệ thống này bắt đầu vào tháng 9 cùng năm, với thẻ ICARUS được triển khai trên 15 loài động vật trên toàn thế giới.
Sau đó, khi Nga tấn công Ukraine vào tháng 2 năm 2022, sự hợp tác trong dự án ICARUS đã tạm dừng hoạt động. Thật tình cờ (Fortuitously), nhóm nghiên cứu trước đó đã bắt đầu phát triển một hệ thống thu sóng vệ tinh để thay thế ăng-ten trên ISS.
CubeSats là những vệ tinh nhỏ, được cấu thành từ các khối lập phương tùy chỉnh 10cm thực hiện nhiều thí nghiệm trong quỹ đạo. Hiện tại, ICARUS đang chuẩn bị phóng vệ tinh CubeSat đầu tiên vào mùa thu năm 2025. Hệ thống này sẽ cho phép gửi và nhận dữ liệu từ các thẻ ICARUS trên toàn cầu.
Đây chỉ là khởi đầu – nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ bổ sung thêm nhiều CubeSats, tạo thành một chòm sao vệ tinh có thể thu thập dữ liệu gần thời gian thực trên toàn thế giới.
Trong thời gian chờ đợi, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mạng lưới ăng-ten trên mặt đất để liên lạc với các thẻ ICARUS đã được triển khai. Hệ thống này cho phép Tiến sĩ Partecke theo dõi chuyển động của các loài chim hót trên khắp châu Âu.
“Chúng tôi nhận được tin nhắn tức thì từ các con sáo đen gửi đến máy tính của mình, và chúng tôi biết chúng đang làm gì ở quy mô toàn châu Âu,” ông chia sẻ. “Đối với chúng tôi, điều đó thực sự ngoạn mục.”
Việc theo dõi chim hót ở cấp độ châu lục đã mang lại câu trả lời cho những câu hỏi lâu đời về hành vi, lịch sử sống và công tác bảo tồn của chúng, nhưng với việc phóng vệ tinh CubeSat ICARUS vào năm tới, Partecke hy vọng sẽ trả lời được những câu hỏi lớn hơn về sự di cư của loài chim. “Chúng ta phải nghĩ đến tầm vóc toàn cầu,” ông nói.
Nhóm ICARUS mong muốn dữ liệu được thu thập bởi các thẻ của họ sẽ có sẵn cho các nhà khoa học, nhà quản lý bảo tồn, nhân viên kiểm lâm và các nhà khoa học công dân ở khắp mọi nơi.
Dữ liệu từ các động vật được gắn thẻ trên toàn thế giới được ghi lại trong một cơ sở dữ liệu miễn phí có tên là Movebank, mà Giáo sư Wikelski mô tả như một “bảo tàng kỹ thuật số vĩnh cửu” về dữ liệu động vật.
Movebank hiện chứa dữ liệu về chuyển động và hành vi của hơn 260.000 động vật từ hơn 1.400 loài. Mỗi con vật được gắn thẻ đều có một mã định danh duy nhất trong Movebank, tiêu chuẩn hóa cách lưu trữ dữ liệu động vật và đơn giản hóa quy trình phân tích dữ liệu.
Lấp đầy những khoảng trống kiến thức
Năm 2021, nhóm ICARUS đã ra mắt MoveApps – một nền tảng miễn phí gồm các công cụ phân tích để giúp các nhà khoa học giải mã khối lượng dữ liệu khổng lồ. Hệ thống này cho phép các lập trình viên phát triển các công cụ phân tích dữ liệu mà các nhà khoa học có thể áp dụng vào dữ liệu theo dõi động vật được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Movebank.
“Chúng tôi muốn phổ biến việc tiếp cận thông tin, để một người nông dân ở Niger hoặc một ngư dân ở Galapagos có thể sở hữu cùng loại thông tin như một nhà khoa học ở châu Âu,” Giáo sư Wikelski nói.
Dữ liệu này có thể giúp các nhà nghiên cứu giải quyết các khoảng trống lớn trong kiến thức khoa học và bảo tồn, từ cách động vật tổ chức các cuộc di cư quy mô lớn, đến các nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm quần thể. Wikelski nhấn mạnh rằng sự hiểu biết chi tiết về cách động vật cảm nhận và tương tác với môi trường sẽ giúp con người gắn bó hơn với thế giới tự nhiên: “Kết nối cảm xúc thúc đẩy bảo tồn.”
Việc theo dõi rùa biển trên đại dương là một trong những cách mà công nghệ này được áp dụng. Một bí ẩn lâu đời trong sinh học bảo tồn là điều gì xảy ra với rùa biển trong giai đoạn từ khi chúng nở trên các bãi biển khắp thế giới, đến khi trở lại vùng ven biển dưới hình dạng những con rùa đang tuổi lớn có kích thước bằng chiếc đĩa ăn.
Giai đoạn này, được gọi là “những năm mất tích” của rùa biển, diễn ra trên đại dương và đã gây khó khăn rất lớn cho các nhà nghiên cứu trong việc tìm hiểu.
Một số loài rùa, chẳng hạn như rùa mai da, có thể di chuyển hơn 16.000km trong một hành trình di cư duy nhất.
“Những giai đoạn đầu đời là nền tảng cho cả cuộc sống còn lại của chúng,” Tiến sĩ Kate Mansfield, giáo sư sinh học bảo tồn tại Đại học Central Florida, nói. Bà đang hợp tác với ICARUS trong một dự án theo dõi sự di chuyển của rùa biển trên đại dương.
“Nếu bạn đang nghiên cứu các loài được bảo vệ hoặc các loài được quan tâm bảo tồn, bạn cần biết mọi thứ có thể về chúng ở tất cả các giai đoạn của vòng đời,” Mansfield chia sẻ. Hiện tại, “giai đoạn phân tán đầu tiên liên quan đến ‘những năm mất tích’ của rùa biển chính là khoảng trống dữ liệu lớn nhất” trong sinh học rùa biển, bà giải thích.
Trong những năm gần đây, công nghệ theo dõi vệ tinh đã giúp Mansfield bắt đầu nghiên cứu chi tiết hơn về giai đoạn sống quan trọng này. Các nghiên cứu ban đầu đã tiết lộ rằng rùa biển non không chỉ đơn thuần trôi theo các dòng hải lưu như lâu nay vẫn giả định, mà đôi khi chúng chủ động bơi. Dữ liệu này cực kỳ quan trọng trong việc giúp các nhà bảo tồn yêu cầu bảo vệ pháp lý cho các môi trường sống thiết yếu của rùa biển.
Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn bị giới hạn bởi các thách thức kỹ thuật. Ví dụ, các thẻ theo dõi hiện có vẫn quá lớn và nặng để gắn vào những con rùa non mới nở (hatchlings).
“Khi gắn thẻ vệ tinh cho một loài vật, bạn cần có một thẻ không gây khó chịu cho chúng, và càng nhỏ càng tốt, không làm thay đổi hành vi của chúng hoặc khiến chúng tiêu tốn nhiều năng lượng hơn khi di chuyển trong môi trường sống,” Mansfield cho biết.
Ngoài ra, hầu hết các thẻ hiện tại không cung cấp dữ liệu định vị toàn cầu (GPS) chính xác và đáng tin cậy, hoặc thông tin chi tiết về sự di chuyển của rùa trong môi trường sống của chúng – loại dữ liệu có thể tạo ra bước ngoặt lớn cho các nhà nghiên cứu như Mansfield.
Cộng đồng bảo tồn cần “những thẻ nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn, [và] thẻ có cảm biến cho phép chúng ta thu thập được thông tin chi tiết hơn về sự di chuyển của các loài vật,” bà nói.
Thế hệ thẻ vệ tinh mới của ICARUS, với thiết kế nhỏ gọn, nhẹ và tích hợp nhiều cảm biến, hứa hẹn sẽ giải quyết các thách thức này, tiết lộ thêm nhiều chi tiết về “những năm mất tích” của rùa biển.
Theo dõi Trái Đất thông qua động vật
Nhưng tiềm năng ứng dụng của ICARUS không dừng lại ở đó. Động vật cảm nhận và phản ứng với môi trường xung quanh chúng, vì vậy “động vật kết nối internet” có thể mang lại những hiểu biết mới về các thành phần vô tri của thế giới tự nhiên.
“Động vật cung cấp cho chúng ta thông tin không định kiến (unbiased information) về môi trường,” Giáo sư Wikelski nói, và thông tin này có thể được kết hợp với các hệ thống giám sát Trái Đất truyền thống hơn, chẳng hạn như hình ảnh vệ tinh.
Ví dụ, nhóm ICARUS hy vọng sử dụng dữ liệu di chuyển của động vật hoang dã để dự đoán động đất. Các câu chuyện dân gian từ lâu đã kể về việc động vật có hành vi kỳ lạ vài giờ trước khi động đất xảy ra, trong khi công nghệ hiện tại chỉ có thể cảnh báo vài giây hoặc vài phút trước thảm họa.
Wikelski tin rằng dữ liệu theo dõi động vật ở quy mô lớn có thể là chìa khóa để cải thiện điều này, và dữ liệu ban đầu cho thấy ông có thể đúng.
Các nhà nghiên cứu đã gắn cảm biến chuyển động lên bò, cừu và chó trong một khu vực dễ xảy ra động đất ở miền Bắc nước Ý. Vài tháng sau, họ quay lại để tháo thẻ và thu thập dữ liệu trên đó. Kết quả cho thấy các loài động vật trở nên bồn chồn bất thường (unusually restless) trong vài giờ trước khi xảy ra động đất, cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên rằng động vật thực sự có thể cảm nhận được thảm họa tự nhiên này từ trước.
“Chúng tôi hiện đang bắt đầu hiểu được ‘giác quan thứ sáu’ của động vật,” Wikelski nói.
Ông giải thích rằng điều này không phải là một khả năng siêu nhiên mà được sinh ra từ các nguyên lý vật lý tự nhiên: “Khi bạn có các cảm biến thông minh tương tác với nhau, bạn sẽ có các thuộc tính mới, nổi bật – đó chính là ‘giác quan thứ sáu’ của động vật.”
Bằng cách theo dõi động vật hoang dã trên quy mô lớn, các nhà khoa học có thể khai thác giác quan nổi bật này để hiểu rõ hơn và dự đoán về thế giới.
ICARUS là dự án theo dõi động vật hoang dã tham vọng nhất từng được thử nghiệm, và với các nhà nghiên cứu đã dành hơn một thập kỷ để biến nó thành hiện thực, các ứng dụng tiềm năng của dự án gần như không giới hạn.
Với một mạng lưới toàn cầu kết nối động vật, các nhà khoa học và những người làm công tác bảo tồn ở khắp nơi sẽ có quyền tiếp cận đến cuộc sống của động vật hoang dã với mức độ chi tiết chưa từng có. Những bí mật nào về thế giới tự nhiên sẽ được khám phá, chỉ có thời gian mới trả lời được (time will tell).
Bản đồ toàn cầu về các loài động vật được theo dõi, ghi nhận từ ngày 11-3-2021 đến ngày 3-11-2021 bởi ICARUS. Ảnh: ICARUS
Một con vẹt đuôi dài đang được gắn thẻ trong khuôn khổ dự án ICARUS. Ảnh: ICARUS
Rùa con thường dài từ 5 đến 7,6cm và nặng khoảng 14 gram. Ảnh: Getty
