نحوه صحبت کردن با نهنگ: هوش مصنوعی از هشت تا ده کلیک برای پیش بینی شیرجه نهنگ های اسپرم استفاده می کند.

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

جووانی پتری، استاد مؤسسه علوم شبکه در دانشگاه نورث ایسترن لندن، گفت که ورود برای اولین بار به جزیره دومینیکا در دریای کارائیب «کمی شبیه قدم گذاشتن به پارک ژوراسیک است».

دومینیکا که به عنوان جزیره طبیعت شناخته می شود دارای جنگل های بارانی انبوه، کوه های آتشفشانی با آبشارهای چشمگیر و صخره های مرجانی پر جنب و جوش است که به آب های آبی عمیق می ریزند. اما هنگامی که پتری در آگوست 2022 به اینجا آمد، او نیامد تا روی تیرانوسوروس رکس منقرض شده، بلکه بزرگترین شکارچی که امروز روی سیاره ما زندگی می‌کند - نهنگ اسپرم (اسپرم) را مطالعه کند.

این پستانداران دریایی عظیم که می توانند تا 60 فوت (18 متر) رشد کنند و وزن آنها به 57 تن (52 تن متریک) می رسد، می توانند در سراسر اقیانوس های جهان، از استوا تا اقیانوس های سرد اطراف دو قطب، پیدا شوند. اما دومینیکا یکی از معدود مکان‌هایی است که آنها در طول سال در آن زندگی می‌کنند و فرصتی برای مشاهده فعالیت‌های آنها و گوش دادن به مکالمات آنها فراهم می‌کند.

این مهم است زیرا پتری یکی از محققین اصلی پروژه CETI است، یک ابتکار علمی غیرانتفاعی که هدف آن استفاده از هوش مصنوعی پیشرفته، یادگیری ماشینی و روباتیک نهنگ پسند برای ضبط و در نهایت رمزگشایی ارتباطات صوتی نهنگ‌های اسپرم است.

پروژه CETI که در سال 2020 تأسیس شد، بزرگترین تلاش در زمینه ارتباطات بین گونه ای در تاریخ است که بیش از 50 محقق در موسسات تحقیقاتی پیشرو در ایالات متحده و سراسر جهان را شامل می شود. در دومینیکا، محققان آن یک پلت فرم تحقیقاتی جامع ساخته‌اند که در آن نهنگ‌ها را مشاهده می‌کنند، دستگاه‌های شنود مهندسی می‌کنند و راه‌های جدیدی برای تجزیه و تحلیل داده‌ها ایجاد می‌کنند.

پتری گفت: «ما سه قایق، پهپادهای حامل برچسب، هیدروفون در آب و خطوط لوله کل تجزیه و تحلیل داریم که در تلاش برای یافتن ساختار در داده‌ها هستند.

پتری به Northeastern Global News توضیح داد که چگونه می توان صداهای مرموز نهنگ را به زبانی قابل فهم تبدیل کرد.

هر روز، یک نهنگ اسپرم برای زنده ماندن نیاز به خوردن 3 تا 4 درصد از وزن بدن خود دارد - و برای گونه‌ای که می‌تواند تا 57 تن (52 تن متریک) وزن داشته باشد، این به معنای مقدار شگفت‌انگیز غذا است. بر اساس برخی تخمین ها، یک نهنگ کاملا رشد یافته می تواند بیش از یک تن (0.9 تن متریک) غذا در 24 ساعت بخورد.

جامعه سراسر سال دومینیکا این فرصت را به شما می دهد که دقیقا نحوه مدیریت این موضوع را مشاهده کنید. پروژه CETI از قایق‌ها برای جمع‌آوری ویدئوهای منحصربه‌فرد استفاده می‌کند و روشی را برای اتصال حسگرهای پیچیده به بدن غول‌پیکر نهنگ‌ها توسعه داده است. محققان پهپادهای کوادکوپتر را به پرواز در می‌آورند که دستگاه‌های پیشرفته ردیابی حیات وحش را مستقیما روی پهلوی نهنگ می‌چسبانند. این دستگاه‌های بیولوژیک با مکنده‌های غیر مضر متصل می‌شوند و حاوی ردیاب‌های GPS با حسگرهای عمق، ردیاب‌های حرکتی، مانیتورهای ضربان قلب و غیره هستند.

پتری توضیح داد که نهنگ‌های ساکن در عمق 700 متری (2300 فوتی)، 45 دقیقه تا یک ساعت از آب‌های گرم نور خورشید در اطراف دومینیکا به سمت فشار شدید و تقریبا تاریکی کامل فرود می‌آیند.

او گفت: «وقتی دوباره ظاهر می‌شوند، حدود 15،20 دقیقه را صرف تنفس می‌کنند و پس از شیرجه‌های طولانی دوباره اکسیژن می‌گیرند. این روال اساسی است که با برخی از نهنگ ها که غواصی عمیق خود را هماهنگ می کنند، بارها و بارها انجام می شود.

در دومینیکا، پروژه CETI از میکروفون‌های زیر آب به نام هیدروفون استفاده می‌کند و در حال توسعه «گلایدر» نیمه‌خودران دریایی است که می‌تواند برای هفته‌ها نهنگ‌ها را بدون راننده انسان دنبال کند. اینها با هم می توانند صداهای نهنگ های اسپرم را تشخیص دهند. آنها نشان می‌دهند که نهنگ‌ها مجموعه‌ای ریتمیک از کلیک‌های کوتاه را منتشر می‌کنند که محققان آن را کدا می‌نامند. پتری گفت، محققان بر این باورند که این کدها "مانند کلمات کوچک" هستند.

پتری توضیح داد: "بیشتر اجتماعی شدنی که ما از آن می دانیم در سطح اتفاق می افتد." او گفت: "بنابراین وقتی آنها بالا می آیند، اغلب آنچه می بینید این است که حیواناتی که چند صد متر از هم فاصله دارند شروع به حرکت به سمت یکدیگر می کنند و پس از نزدیک شدن به یکدیگر و در یک طول بدن به سرعت شروع به تولید کودا می کنند. سپس شروع به چت کردن زیادی می کنند."

این فعل و انفعالات منظم باعث ایجاد مجموعه ای از سوالاتی می شود که تحقیقات فعلی را هدایت می کند: آیا آنها غواصی هماهنگ خود را هماهنگ می کنند؟ آیا برخی از نهنگ ها پیشرو هستند و برخی دیگر از آنها پیروی می کنند؟ و چه اطلاعات دیگری ممکن است منتقل کنند؟

پتری توضیح داد که در دومینیکا، همه این داده‌ها - از بیولوژیگرها، هیدروفون‌ها و گلایدرها - به یک "حفظه داده" عظیم منتقل می‌شوند. سپس یکی از سخت‌ترین بخش‌ها می‌آید: حاشیه‌نویسی داده‌های صوتی به طوری که توسط دانشمندان داده قابل تجزیه و تحلیل باشد.

ابتدا، این سیستم کلیک‌ها را تشخیص می‌دهد و تشخیص می‌دهد که آیا این کلیک‌ها از انواع کلیک‌های پینگ معمولی هستند که نهنگ‌های اسپرم در اقیانوس تاریک و عمیق برای پژواک استفاده می‌کنند یا کلیک‌های ریتمیکی که هنگام معاشرت انجام می‌دهند.

پتری گفت: «سپس می‌خواهید بفهمید کدام کلیک‌ها در یک کد با هم هستند. او گفت، این می تواند مانند تلاش برای گوش دادن به یک مهمانی شلوغ باشد، "زیرا ممکن است چندین حیوان به طور همزمان صحبت کنند، یا ممکن است سر و صدا داشته باشید، بنابراین ممکن است برخی از کلیک ها از دست رفته باشد، و بنابراین شما باید استنباط کنید."

فرآیند جداسازی منبع مشخص می کند که کدام یک از نهنگ های ساکن - که تیم نام برده است - در حال صحبت کردن است.

یکی از نهنگ های نامبرده، او گفت: "پس می خواهید بگویید، خوب، این کودا از Pinchy می آید." "این کدای دیگر در واقع دیجیت صحبت می کند."

در نهایت، این هدف ترجمه صدا به داده های قابل استفاده است. پتری گفت: بخش بزرگی از این با استفاده از سیستم‌های تشخیص الگوی هوش مصنوعی به صورت خودکار انجام می‌شود و تیم در حال کار بر روی موثرتر کردن آن است، "اما ما همچنان انسان‌هایی را در این حلقه داریم، از جمله تیم زیست‌شناسی پروژه CETI که برای کمک به نظارت و بررسی اینکه حاشیه‌نویسی خودکار واقعا منطقی است، آموزش دیده‌اند."

پتری گفت: «اکنون، هنگامی که داده‌های صوتی مشروح تمیز را دارید، می‌توانید آن را با داده‌های رفتاری، به عنوان مثال، شتاب‌سنج‌ها، حسگرهای عمق، و غیره و غیره جفت کنید.

این یک جاه طلبی محرک کار پروژه CETI در دومینیکا بوده است: توسعه نظارت پایدار که می تواند صدا و عمل را جفت کند. محققان امیدوارند این داده های جفت شده بتواند چیزی شبیه به سنگ روزتا برای زبان نهنگ ارائه دهد که نشان می دهد کدهای مکرر با رویدادهای کلیدی مرتبط هستند.

پتری توضیح داد که در حال حاضر، صرفا با وارد کردن ضبط‌های گفتگوی نهنگ‌ها در مدل‌های یادگیری ماشینی، تیم پروژه CETI دریافته است که حدود هشت تا 10 کدا می‌توانند پیش‌بینی کنند که آیا نهنگ‌ها به غواصی علوفه‌جویی عمیق می‌روند یا خیر.

اما این به دور از زبان وال است. هدف تیم CETI درک واحدهای اساسی زبان است. فرضیه کاری فعلی این است که نهنگ ها دارای مجموعه ای اساسی از نمادها هستند - نوعی الفبای آوایی اساسی - که با استفاده از شبکه های عصبی شناسایی شده اند که ویژگی های قابل اندازه گیری را از صدا استخراج می کنند.

با بررسی زمان، ریتم و شکل طیفی کداها، محققان دو صدای مصوت مانند را شناسایی کرده‌اند و تحقیقات اخیر نشان داده است که نهنگ‌ها ممکن است این صداها را مانند صداهای زبان ماندارین برای بیان حواس مختلف تعدیل کنند. پتری گفت، اما معنای آنها هنوز مشخص نیست.

پتری یک فیزیکدان نظری است که پایان نامه خود را در CERN، سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای، جایی که دانشمندان ساختار بنیادی جهان را بررسی می کنند، نوشت. اما در ابتدا از او دعوت شد تا به پروژه CETI بپیوندد، به عنوان یک متخصص در تجزیه و تحلیل داده های توپولوژیکی، که به نقاط داده به عنوان یک شبکه متصل نگاه می کند و از اشکال ریاضی برای یافتن الگوهای پنهان در اطلاعات پیچیده استفاده می کند.

تیم او از ابزارهای آماری، شبکه و یادگیری ماشین برای شناسایی الگوها و روابط تکرار شونده استفاده می‌کند، که در نهایت می‌تواند به روشن کردن معنای کدا کمک کند.

پتری گفت: «هوش مصنوعی برای ما اساسی است، از هماهنگی ناوگان پروازی پهپادها گرفته تا پیدا کردن قوانین به زبانی که آنها دارند.

در مقاله قبلی در ژورنال Science، پتری از همان ابزارهای علوم شبکه ای استفاده کرد که همکارانش در مؤسسات Northeastern NetSI برای ردیابی چگونگی انتشار عفونت های ویروسی در بیمارستان ها یا انتشار اطلاعات نادرست از طریق تعامل اجتماعی استفاده می کنند.

این برای اولین بار نشان داد که چگونه دو واحد مختلف خانواده برای کمک به نفس کشیدن یک گوساله تازه متولد شده در اولین ساعات پس از تولد، در حالی که هنوز شناور می شد و شنا یاد می گرفت، همکاری کردند. این تجزیه و تحلیل به آنها اجازه داد تا ببینند که هر فرد به کدام نهنگ ها توجه می کند و توجه از مادر قبل از تولد به بعد از زایمان گوساله تغییر می کند.

برای درک بیشتر در مورد غواصی های جستجوگر، آنها قصد دارند از این سیستم ها استفاده کنند تا دریابند که آیا نهنگ های تأثیرگذار خاصی شروع به غواصی عمیق می کنند یا خیر.

"آیا رهبری روشنی در این جامعه وجود دارد - آیا زنان مسن‌تر معمولا شروع به غواصی می‌کنند یا نه؟ آیا گوساله‌ها کسانی هستند که اساسا با رفتن به اطراف و گپ زدن با همه، ارتباط را هدایت می‌کنند؟" پتری گفت.

از اینجا، باید مشخص شود که آیا کدا خاصی وجود دارد - کلمه نهنگ - که باعث شیرجه می شود.

پتری دو نهنگ را به یاد می‌آورد که در هماهنگی کامل با هم، با زیست‌شناسان متصل شده‌اند، و به تیم اجازه می‌دهد تا "هم از نظر صوتی و هم از نظر رفتاری" نحوه انجام این هماهنگی را ضبط کند. پتری توضیح داد که با گذشت زمان، نهنگ دیگری به نام هلو نزدیکتر شد و به روند یویوینگ تغذیه و استراحت پیوست.

او گفت: "بنابراین برای چند غواصی آخر، در واقع هر سه نفر با هم در حال بالا و پایین رفتن در مجاورت بسیار نزدیک هستند."

تیم پتری از شبکه‌های مجاورت و آنالیز صوتی برای بررسی چگونگی جمع‌آوری آن‌ها استفاده می‌کند. هدف آنها این است که بفهمند آیا اکولوکاسیون نقشی دارد یا خیر.

همانطور که نهنگ‌های اسپرم در اعماق سیاه جوهر فرو می‌روند، بینایی آنها از بین می‌رود و از کلیک برای حس کردن ماهی مرکب استفاده می‌کنند. پروژه CETI این فرضیه را مطرح کرده است که در تاریکی، آنها ممکن است صدای کلیک های یکدیگر را استراق سمع کنند تا بفهمند که گروه های بزرگ ماهی مرکب کجا هستند - مانند دو نفر در شب در یک جنگل که "از انعکاس چراغ قوه یکدیگر برای پیدا کردن راه خود در تاریکی استفاده می کنند."

اگر نهنگ‌ها از کلیک‌های یکدیگر برای یافتن طعمه استفاده کنند، صداها می‌توانند همزمان هم به عنوان ارتباط و هم به عنوان درک عمل کنند.

پتری گفت: «چنین رویدادهای پیچیده محدودیت‌هایی را که ما می‌توانیم امیدواریم ترجمه کنیم را بررسی می‌کنند.

پراتیوشا شارما، پراتیوشاشارما/sw-combinatoriality: sw-combinatoriality، Zenodo (2024). DOI: 10.5281/zenodo.10817697

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →

این داستان با حسن نیت ارائه شده توسط Northeastern Global News.northeastern.edu بازنشر شده است.