Valaiden viestintä ja tekoäly: vuoden 2023 tutkimuskatsaus

Ensimmäiset valaat ilmestyivät muodossa, joka poikkesi nykyisestä lähes 50 miljoonaa vuotta sitten. Sen sijaan nopeat edistysaskeleet tekoälyn kehityksessä ovat ominaisia nykyajalle. Vanhojen eläinryhmien tutkimuksen ja uuden teknologian yhdistäminen kertoo tieteen edistymisestä. Tässä vuoden 2023 katsauksessa tarkastellaan, mitä tutkimustulokset todella osoittavat.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken tekoälyyn sijoittamisesta.

Valaat ja ei-inhimillisen älykkyyden viestintä

Ryhmä tutkijoita SETI-instituutista, Kalifornian yliopiston Davisin kampukselta ja Alaska Whale Foundationista on tutkinut ryhävalaiden viestintää. Työ voi auttaa kehittämään menetelmiä myös mahdollisten tuntemattomien älykkäiden signaalien etsimiseen.

Marraskuussa 2023 julkaistussa tutkimuksessa kuvattiin elokuussa 2021 tapahtunut kohtaaminen Twain-nimisen naarasryhävalaan kanssa. Tutkijat soittivat tallennettua yhteydenpitoääntä vedenalaisesta kaiuttimesta. Twain lähestyi venettä ja osallistui noin kaksikymmentä minuuttia kestäneeseen äänten vuorotteluun. Vastausvälien analyysi viittasi ajalliseen yhteensovittamiseen erityisesti vuorovaikutuksen ensimmäisessä vaiheessa.

Tutkimuksen merkitys

Pääkirjoittaja Brenda McCowan UC Davisista kuvasi tapahtumaa ensimmäiseksi tällaiseksi ihmisten ja ryhävalaiden väliseksi viestinvaihdoksi ryhävalaiden kielellä. Kuvaus koski tätä erityistä vuorovaikutustapaa, ei kaikkea ihmisten ja eläinten välistä viestintää.

Tutkimuksen toinen kirjoittaja, tohtori Fred Sharpe, totesi:

“Ryhävalaat ovat erittäin älykkäitä, niillä on monimutkaiset sosiaaliset järjestelmät, ne tekevät työkaluja – kuplaverkkoja kalojen pyydystämiseen – ja viestivät laajasti sekä lauluilla että sosiaalisilla kutsuilla.” 

Kyse oli harvinaisesta, tilaisuuden tullen havaitusta vuorovaikutuksesta yhden valaan kanssa. Tutkimus osoittaa, kuinka mukautettuja äänentoistokokeita voidaan käyttää viestinnän tutkimiseen. Se ei purkanut valaan kieltä eikä kouluttanut tekoälyä kääntämään äänten merkitystä.

Tutkimusartikkeli käsitteli ryhävalaiden viestinnän ominaisuuksia, joista voi olla hyötyä muun kuin ihmisen älykkyyden tutkimisessa ja tuntemattomien signaalien analyysimenetelmien kehittämisessä.

• Ryhävalaan aivoissa on suuri kuuloaivokuori ja spindelisoluklustereita.
• Kirjoittajat arvioivat, että kehittyneet kognitiiviset kyvyt voivat tukea ryhävalaiden akustisia taitoja.
• Ryhävalaan akustiset saavutukset eivät rajoitu satunnaisiin ääniin ja kutsuihin. Ne sisältävät pitkiä, rytmisiä ja jatkuvasti kehittyviä lauluja. 
• Ryhävalaiden laulu sisältää rytmisiä jaksoja, erilaisia ääniä ja taukoja eripituisten ääntelyjen välillä. Se tarjoaa vertailuaineistoa viestinnän tutkimukselle, mutta ei sellaisenaan osoita laulun olevan ihmiskielen kaltainen kieli.

Nämä ominaisuudet saivat tutkijat uskomaan, että valaan tuottamien signaalien monimuotoisuus oli keskeinen indikaattori niiden käyttäytymisjoustavuudesta ja – siten – tarjoaisi erinomaisen mahdollisuuden testata teknologioita vuorovaikutukseen mahdollisen ei-inhimillisen älykkyyden kanssa. 

Ensimmäisten kontaktien luominen on aina ollut tutkijoiden suurta kiinnostusta herättävä asia. National Geographic määrittelee ensikosketuksen “alkuperäiseksi kohtaamiseksi kulttuurien välillä, jotka eivät aiemmin olleet tietoisia toisistaan.” 

Ihmiskunnan historiaan kuuluu monia eri kieliä ja tapoja edustavien yhteisöjen kohtaamisia. Amerikkojen historiassa ensikohtaamisella tarkoitetaan usein alkuperäiskansojen ja eurooppalaisten ensimmäisiä tapaamisia eri paikoissa ja eri aikoina. Maailma ei koostunut yhdestä alkuperäisestä kulttuurista, eivätkä kohtaamiset aina olleet rauhanomaisia.

Ensimmäisen kontaktin luominen on tähän mennessä ollut aikaa vievää ja työlästä, sillä se edellyttää uusien merkkien – puhe-, fyysisten ja kirjallisten – oppimista. Näiden signaalien tai viestintämallien oppiminen sisältää myös niiden dokumentoinnin, mallien löytämisen, niiden uudelleen tuottamisen, jotta vieras ryhmä voi ymmärtää ja tulkita ne, ja paljon muuta. 

Tiedemiehet ovat aina olleet kiinnostuneita tekniikan käyttämisestä viestintään tuntemattoman kanssa, ja tekoäly on viimeisin lisäys tähän pyrkimykseen.

Tekoälyn käyttö puhumiseen ei-inhimillisten kanssa

Karen Bakker, joka oli British Columbian yliopiston professori ja Radcliffe-tutkija vuosina 2022–2023, korosti:

“Meidän on ymmärrettävä ei-inhimillinen viestintä sen omilla ehdoilla.”

Digitaalinen bioakustiikka hyödyntää antureita, äänitallenteita ja esimerkiksi tekoälyyn perustuvia analyysimenetelmiä eläinten äänten ja niiden käyttäytymisyhteyksien tutkimiseen. Myös kasvien ääniä tutkitaan; tämä ei tarkoita, että niillä olisi jo tulkittu kieli.

Karen Bakkerin haastattelu Scientific Americanissa käsitteli teknologian mahdollisuuksia mehiläisten viestinnän tutkimuksessa.

Viestintä hunajamehiläisten kanssa

Tim Landgraf Freie Universität Berlinistä tutki kollegoineen mehiläisten viestintää. Konenäkö ja seurantamenetelmät auttavat tutkimaan yksittäisiä mehiläisiä, niiden liikkeitä ja vuorovaikutusta pesässä.

Mehiläisten tanssi välittää tietoa ravinnon suunnasta ja etäisyydestä. Käyttäytymisen tallentaminen ja robotiikka auttavat testaamaan, mihin signaaleihin muut mehiläiset reagoivat. Kyse ei ole yleiskäyttöisestä mehiläiskielen kääntäjästä.

Landgraf ja kollegat kehittivät RoboBee-robotin jäljittelemään useita mehiläisten heilutustanssin signaaleja. Julkaistuissa kokeissa mehiläiset seurasivat tanssia, ja tutkaseuranta osoitti joidenkin lähteneiden mehiläisten muuttaneen lentoaan robotin antamien suuntatietojen perusteella. Tulos koskee lentosuunnan ja etäisyyden välittämistä, ei mielivaltaisten ihmiskäskyjen tottelemista.

Tällaisia ponnistuksia, jotka mallintavat tekoälyn käyttöä ei-inhimillisen viestinnän mahdollistamiseksi, on toteutettu myös muualla maailmassa. Esimerkiksi Earth Species Project on voittoa tavoittelematon organisaatio, joka on omistautunut tekoälyn käyttöön ei-inhimillisen viestinnän purkamisessa.

1. Earth Species Project

Earth Species Project pyrkii hyödyntämään koneoppimista eläinten viestinnän rakenteiden ja merkitysten tutkimiseen. Muiden lajien viestinnän ymmärtäminen on tutkimustavoite, ei jo saavutettu kyky keskustella niiden kanssa vapaasti.

Crow Vocal Repertoire -hankkeessa kartoitettiin havaijinvariksen ja nokivariksen (carrion crow) ääntelyä. Tarkoitus oli selvittää akustisen viestinnän yhteyttä ryhmän koordinointiin. Kulttuuristen ja käyttäytymiseen liittyvien erojen ymmärtäminen voi auttaa lajien suojelussa; kyse ei ole valmiista keskustelumenetelmistä.

Toisessa hankkeessa kehitetään itseohjautuvan oppimisen menetelmiä etogrammien eli eläinten käyttäytymisluetteloiden löytämiseen. Aineisto saadaan eläimiin kiinnitetyistä biologgereista, jotka voivat tallentaa esimerkiksi liikettä ja ääntä. Tallentuvan aineiston laji riippuu laitteesta. Etogrammi ei tarkoita etnografiaa.

Myös monet suuret organisaatiot tutkivat bioakustiikkaa. Microsoft (MSFT ) on yksi tällainen esimerkki. 

2. Microsoft Research tutkii bioakustiikkaa

Microsoft Researchin bioakustiikkapyrkimykset hyödyntävät tekoälyä eri eläinlajien äänitallenteiden käsittelyssä. Tutkimus kattaa äänen tuoton, etenemisen ja vastaanottamisen.

Yhdessä hankkeessa Microsoft Research kehittää itseohjautuvaa oppimista eläinten äänten ryhmittelyyn. Ryhmät voivat edustaa eri lajeja tai saman lajin eri äännähdystyyppejä. Kyse ei ole puheluista eikä ihmisiin liitetyistä stereotypioista.

Microsoft Research on kehittänyt myös Akoustos-paketin bioakustisten aineistojen automaattiseen analysointiin. Se tukee äänten luokittelua kahteen tai useampaan luokkaan. Tällaiset työkalut voivat auttaa tutkijoita ja suojelujärjestöjä äänten merkitsemisessä ja analysoinnissa; käytettävät ominaisuudet riippuvat toteutuksesta.

Toisessa hankkeessa, jossa tutkitaan bioakustiikkaan perustuvaa monilajiluokittelua, Microsoft Research arvioi syviä konvoluutioneuroverkkoja 24 lintu- ja sammakkoeläinlajin äänten tunnistamisessa.

Microsoftin tilikaudella 2022 liikevaihto oli noin 198 miljardia dollaria ja liiketulos 83 miljardia. Microsoft Cloudin vuositasolle muunnettu liikevaihtovauhti ylitti 100 miljardia dollaria, mutta koko tilikauden toteutunut pilviliikevaihto oli 91,2 miljardia dollaria.

Vuonna 2022 Microsoft antoi 3,2 miljardia USD lahjoitettua ja alennettua teknologiaa 302 000 voittoa tavoittelemattomalle organisaatiolle, jotka palvelevat yli 1,2 miljardia ihmistä maailmanlaajuisesti. 

3. Google AI for Social Good

Google kuvasi huhtikuussa 2021 aiemmin kehitettyä koneoppimismallia, jolla voidaan havaita ryhävalaiden ääniä tallenteista. Se kehitettiin yhteistyössä Yhdysvaltain National Oceanic and Atmospheric Administrationin (NOAA) kanssa. Malli auttaa tutkimaan valaiden käyttäytymistä, esiintymistä, populaatioita ja ihmiskontakteja; se ei käännä kaikkien valasäänten merkitystä.

Projekti on kehitetty Googlen tekoälyperiaatteiden mukaisesti, jotka “tunnistavat, että kehittyvät teknologiat voivat nostaa esiin tärkeitä haasteita, jotka on käsiteltävä selkeästi, harkiten ja myönteisesti.”

Googlen Pattern Radio -palvelussa käyttäjät voivat tutkia tekoälyn avulla tuhansia tunteja ryhävalaiden laulua ja tehdä omia havaintojaan.

Alphabet (GOOG ), Googlen emoyhtiö, rekisteröi liikevaihdon 76,69 miljardia USD neljännekselle, joka päättyi 30. syyskuuta 2023. Sen nettotulos neljänneksellä oli lähes 20 miljardia USD, ja laimennettu osakekohtainen tulos (EPS) oli 1,55 USD. 

4. Rainforest Connectionin Arbimon

Luonnonsuojeluteknologiaan keskittyvä voittoa tavoittelematon Rainforest Connection on kehittänyt verkkopohjaisen Arbimon-äänianalyysialustan. Sen tavoitteena on helpottaa bioakustisen aineiston analysointia ja tuoda se useampien käyttäjien saataville.

Arbimon on maksuton verkkoalusta, johon tutkijat ja ekologit voivat ladata ääniaineistoa analysoitavaksi. Työkalut tukevat äänten havaitsemista ja ryhmittelyä esimerkiksi ajallisten ominaisuuksien ja taajuuden perusteella.

Vuoden 2023 haastattelussa kerrottiin, että Arbimonilla voitiin tietyissä analyysitehtävissä käsitellä 10 000 tiedostoa muutamassa sekunnissa. Nopeus riippuu aineistosta ja käsittelytehtävästä. Rainforest Connectionin silloinen toimitusjohtaja Bourhan Yassin sanoi:

“Alusta on suunniteltu erityisesti täyttämään tutkimuksen ja suojelun välinen kuilu, jotta voimme päästä pisteeseen, jossa voimme ohjata suojelutoimia käytännössä.” 

Saman haastattelun mukaan Arbimoniin lisättiin tuolloin kahdesta kolmeen miljoonaa tallennetta muutaman päivän välein. Suuret aineistot voivat tukea laaja-alaista biodiversiteetin tutkimusta, mutta tiedonkeruuvauhti vaihtelee hankkeittain.

Vuoden 2023 tietojen mukaan alustalle oli ladattu yli 114 miljoonaa tallennetta ja sitä oli käyttänyt noin 3 000 tutkijaa. Nämä ovat historiallisia lukuja, eivät ajantasainen laskuri.

Yhdysvaltalainen, tuolloin Texasin Katyssa toiminut Rainforest Connection on voittoa tavoittelematon organisaatio. Patrick J. McGovern -säätiö ilmoitti 20. joulukuuta 2023 sille kahdesta avustuksesta: 300 000 dollaria avoimen bioakustisen analyysialustan vahvistamiseen ja 200 000 dollaria Wildlife Insightsin ja Arbimonin yhdistämiseen.

5. Bioacoustic AI Consortium

Vuonna 2023 alkanut Bioacoustic AI -konsortio kokosi toimijoita kahdeksasta maasta ja kattoi kymmenen väitöskirjahanketta. Mukana oli 23 kokenutta tutkijaa, yhdeksän yliopistoa tai tutkimuslaitosta, kaksi museota, viisi pk-yritystä, kolme kansalaisjärjestöä ja yksi valtiollinen organisaatio.

Konsortion visio tai tarkoitus on “ymmärtää eläinten äänet tekoälyn avulla.” Toiminnallisella tasolla konsortion tutkimusohjelma kehittää uusia tekoälymenetelmiä äänelle suoraan sovelletussa kontekstissa, jossa monitoroidaan akustisesti villieläimiä. Projekti uskoo, että eläinten parempi ymmärtäminen auttaisi suojelemaan biodiversiteettiä, ja tekoäly voi auttaa monien lajien monitoroinnissa. 

Konsortio kehittää tekoälymenetelmiä, jotka sopivat luonnonvaraisten eläinten akustisen seurannan erityisrajoitteisiin, kuten vaikeasti havaittavien lintujen ja nisäkkäiden tutkimiseen Euroopan ja tropiikin äänimaisemissa. Menetelmillä pyritään yhdistämään eläinten äänet niiden sosiaaliseen elämään ja käyttäytymiseen.

Tekoälypohjainen ensikosketus hyvän tarkoituksen puolesta

Tuntemattomien signaalien tutkiminen voi lisätä tietoa eläimistä ja niiden ympäristöstä. Tekoäly auttaa jäsentämään suuria aineistoja ja löytämään niistä säännönmukaisuuksia, joiden merkitys on testattava käyttäytymistutkimuksella. Viestinnän parempi ymmärtäminen voi tukea luonnonsuojelua. Nämä hankkeet ovat tutkimusaskelia, eivät osoitus vapaasta keskustelusta kaikkien eläinten tai avaruusolentojen kanssa.