Mothbox and Mothbot: automated light trap and data processing system for scalable insect monitoring

De auteurs presenteren het open-source Mothbox-systeem en de bijbehorende Mothbot-software als een betaalbare, schaalbare oplossing voor geautomatiseerde insectenmonitoring die door niet-specialisten kan worden ingezet om biodiversiteitsverlies te detecteren en conservatiemaatregelen te sturen.

De kern

Stel je voor dat insecten de onzichtbare bewoners van onze wereld zijn. Ze zijn er in ontelbare soorten en maten, net als sterren aan de hemel, maar we weten vaak niet eens hoeveel er zijn of waar ze zich bevinden. Dit is een groot probleem, want als we niet weten wat er leeft, kunnen we ze ook niet beschermen.

In dit artikel presenteren de auteurs twee nieuwe 'helden' om dit probleem op te lossen: Mothbox en Mothbot.

De Mothbox: De slimme, goedkope val

De Mothbox is als een slimme, onverslaanbare nachtwacht voor insecten.

• Wat het doet: Het is een automatische val die 's nachts een lichtje aan doet, net zoals een lantaarnpaal die muggen en vlinders aantrekt.
• Het verschil: Oude vallen waren vaak duur, zwaar en moeilijk te bedienen. De Mothbox is daarentegen licht, goedkoop en zo simpel dat bijna iedereen het kan gebruiken, zelfs zonder dat je een expert in insecten bent.
• De prestatie: Het team heeft deze 'nachtwacht' al meer dan 185 keer in het veld geplaatst, gedurende meer dan 450 nachten op honderden verschillende plekken. Het is net als het hebben van een leger van duizenden kleine waarnemers die overal tegelijkertijd kijken.

De Mothbot: De digitale detective

Nu de Mothbox duizenden foto's maakt van de insecten die erin vliegen, heb je iemand nodig die die foto's bekijkt. Dat is waar de Mothbot komt kijken.

• Wat het doet: De Mothbot is een computerprogramma (kunstmatige intelligentie) dat de foto's automatisch analyseert en probeert te raden welk insect het is.
• De menselijke touch: Computers maken soms fouten, net als wij. Daarom is de Mothbot niet alleen een robot, maar ook een hulpmiddel voor mensen. Het werkt als een 'mens-in-de-lus' systeem: de computer doet het zware werk, maar een mens kijkt mee om de antwoorden te controleren en te leren. Zo wordt de computer steeds slimmer en ontstaat er een soort digitale fotoboek met insecten die iedereen kan gebruiken.

Waarom is dit belangrijk?

De auteurs hebben getest of dit systeem echt werkt. Ze keken naar twee dingen:

1. Tijd: Verandert het soort insecten dat er vliegt als de nacht vordert? (Net zoals de muziek op een feestje verandert naarmate de avond vordert).
2. Habitat: Zijn er andere insecten in een bos dan in een weiland?

Het antwoord is ja! De combinatie van de Mothbox en Mothbot kan deze patronen heel nauwkeurig in kaart brengen.

De grote droom

Stel je voor dat we overal ter wereld duizenden van deze 'slimme nachtwachten' hebben staan. Dan krijgen we voor het eerst een echt helder beeld van hoe het ervoor staat met de insectenpopulatie.

• Het helpt wetenschappers om veranderingen in de natuur te zien die ze anders nooit hadden opgemerkt.
• Het geeft ons de kracht om tijdig in te grijpen als soorten verdwijnen.

Kortom: Mothbox en Mothbot zijn als een sleutel die de deur opent naar een wereld die we vaak over het hoofd zien. Ze maken het mogelijk om de gezondheid van onze planeet te meten, zodat we de natuur beter kunnen beschermen.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Insecten vormen de meest diverse groep organismen op aarde en omvatten het merendeel van de bekende soorten. Desondanks worden ze zelden adequaat opgenomen in grootschalige systemen voor biodiversiteitsmonitoring en in de planning van natuurbehoud. De huidige uitdagingen liggen in de schaalbaarheid, de kosten en de noodzaak van specialistische kennis om insectenpopulaties effectief te monitoren. Er is een dringende behoefte aan systemen die toegankelijk zijn voor niet-specialisten, maar toch wetenschappelijk robuust genoeg zijn voor conservatiedoeleinden.

Methodologie

Het paper introduceert een geïntegreerd systeem bestaande uit twee hoofdcomponenten:

1. Mothbox (Hardware):

   • Een open-source, geautomatiseerde lichtenval die is ontworpen om toegankelijk, draagbaar, duurzaam en kosteneffectief te zijn.
   • Het apparaat is specifiek ontwikkeld om insectenmonitoring te vergemakkelijken voor een breed scala aan gebruikers, inclusief burgers en niet-entomologen.
   • Het systeem is getest onder uiteenlopende veldomstandigheden.

2. Mothbot (Software & AI):

   • Een machine learning-tool en gebruikersinterface voor het verwerken van data die door de Mothbox wordt verzameld.
   • Human-in-the-loop: Een cruciaal aspect van de methodologie is de integratie van menselijke validatie in het proces. Mothbot prioriteert menselijke controle op de output van de computer vision-algoritmen. Dit dient twee doelen: het waarborgen van hoge datakwaliteit en het helpen bij het ontwikkelen van aangepaste referentiebibliotheken voor afbeeldingen.

Validatie en Testomgeving:
Het systeem is uitgebreid getest met meer dan 185 deployeringen, wat resulteerde in meer dan 450 nachten aan dataverzameling op meer dan 100 verschillende steekproeflocaties.

Belangrijkste Bijdragen

• Open Source Ecosysteem: De beschikbaarheid van zowel de hardware (Mothbox) als de software (Mothbot) als open-source projecten, wat de drempel voor adoptie verlaagt.
• Schaalbaarheid: Het systeem maakt het mogelijk om insectenmonitoring te schalen van lokale projecten naar landschapsbrede en zelfs globale initiatieven.
• Kwaliteitsborging: De unieke "human-in-the-loop" benadering van Mothbot lost het veelvoorkomende probleem op van fouten in geautomatiseerde classificatie, waardoor de betrouwbaarheid van de data voor wetenschappelijk gebruik wordt gegarandeerd.
• Toegankelijkheid: Het biedt een betaalbare instapmogelijkheid voor diverse stakeholders, van professionele entomologen tot burgerwetenschappers.

Resultaten

Het paper presenteert bewijsconcepten (proof-of-concept) die aantonen dat het systeem in staat is om complexe ecologische patronen te detecteren:

• Tijdsvariatie: Het systeem kan verschuivingen in insectenactiviteit en -rijkdom binnen een enkele locatie over verschillende tijdsintervallen gedurende de nacht succesvol vastleggen.
• Habitatverschillen: Het systeem is in staat om verschillen in insectenpopulaties tussen verschillende habitattypes te onderscheiden.
• Datakwaliteit: De combinatie van de robuuste hardware en de menselijk-gevalideerde software levert betrouwbare datasets op die geschikt zijn voor systematische monitoring.

Beteekenis en Impact

De introductie van Mothbox en Mothbot markeert een belangrijke stap in de evolutie van geautomatiseerde insectenmonitoring:

• Hoge Temporele Resolutie: Het stelt entomologen in staat om nieuwe onderzoeksvragen te beantwoorden door veranderingen in insectenactiviteit met een zeer hoge tijdsresolutie te volgen.
• Conservatie en Detectie: Door de mogelijkheid tot autonome steekproeven op grote schaal, verbetert het systeem de capaciteit om biodiversiteitsverlies vroegtijdig te detecteren.
• Globale Capaciteitsopbouw: Het systeem draagt bij aan het opbouwen van wereldwijde monitoringcapaciteit, wat essentieel is voor het leiden van effectieve natuurbehoudsacties en het beschermen van de insectenpopulaties die cruciaal zijn voor ecosystemen.