ODTÜ'nün Geliştirdiği RoboRoyale Projesi, "Science Robotics" Dergisinin Kapağında Yer Aldı!

Gezegenimizdeki canlıların yarıdan fazlasını böcekler oluşturmaktadır. Çiçeklerden meyve ağaçlarına kadar bitkilerin çok büyük bir kısmı, doğal döngü ve tarımsal üretim için vazgeçilmez olan bu "minik" canlılara muhtaçtır. Özellikle de bal arıları, tozlaşmaya (polinasyona) katkılarıyla tüm kara ekosistemlerinin temel direklerinden biridir. Fakat bilim insanları, gezegenimizin "altıncı kitlesel yok oluş" olarak adlandırılan ve böcek türlerinin de dâhil olduğu tarihi bir biyoçeşitlilik krizinin tam ortasında olduğunu düşünüyorlar. Kuraklık, zirai ilaçlar, iklim değişimi, habitat parçalanması, tarımsal monokültürler ve parazit istilaları, bal arılarına ve sayısız diğer böceğe adeta kök söktürüyor. Son yıllarda adını daha sık duyuyor olabileceğiniz "arı kolonisi çöküş sendromu", tek başına bile ciddi bir sorun.

Hal böyleyken, bilim dünyası da çareyi yüksek teknolojide arıyor: ODTÜ Robotik ve Yapay Zeka Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi, ROMER'deki araştırmacılar (Doç.Dr. Erol Şahin, Doç.Dr. Ali Emre Turgut ve Doç. Dr. Hande Alemdar), RoboRoyale isimli AB projesi kapsamında, İngiltere, Çek Cumhuriyeti ve Avusturya'daki uluslararası ortaklarla birlikte, bal arılarının davranışlarının robotik ve yapay zeka teknolojileri kullanılarak gözlemlenip incelenmesini sağlayan, "AROBA" adını verdikleri otonom bir "robotik gözlem ve davranış analizi sistemini" geliştirdiler (projenin genel adıysa RoboRoyale olarak belirlendi). Bu sistem, bal arısı kovanının içine (daha doğrusu, kovanın dış kapaklarının yerine) yerleştirilen, bir ray mekanizması üzerinde hareket eden ve kameralarla donatılmış iki robot modülünden oluşuyor. En temel özelliği, koloninin kraliçe arısını 7/24 takip edip gözlemleyebilmesi. Dahası, kraliçe arının uzun süre istirahate çekildiği vakitlerde robot, kovandaki diğer arıların (örneğin işçi arılar) yerleşimi, sayısı ve peteklerdeki yumurtalar veya larvalar gibi kritik unsurlar hakkında veri toplayacak şekilde kendini "tarama moduna" geçirebiliyor.

İşte bu sofistike robotik sistem sayesinde kraliçe arıyı, işçi arıları ve petekteki yuvalama hücrelerindeki yavruları bilgisayarlı görü kullanarak günün her saati, sürekli olarak izlemek ve arıların temel davranışlarını belirleyebilmek mümkün hâle geldi. Bu durum, arı davranışlarına yönelik geleneksel yöntemlerle ulaşılamayan bilgiler sağlıyor. Bu çığır açan çalışma, Science Robotics dergisinin Ekim 2024 sayısında yayınlandı.

RoboRoyale Ne İşe Yarıyor?

Bu çalışmanın önemini kavramak için, öncelikle arıların ekosistemdeki kilit rolünü hatırlamak gerekiyor. Günümüzde, tarımsal üretimin yarısı bal arılarına bağımlıdır. Bunların yokluğu, sadece çilek ve elma gibi meyvelerin verimini azaltmakla kalmamakta; aynı zamanda doğadaki pek çok bitkinin döl tutma oranını, tohum üretimini, dolayısıyla yerel ekosistemin sürekliliğini de tehlikeye atmaktadır. Dolayısıyla günümüzün "polinasyon krizi", insanlığın gıda güvenliğini doğrudan tehdit etmektedir. Arılar, kendilerine has "süperorganizmalar" halinde yaşam sürmektedirler; koloninin hayatta kalması için hem kraliçe hem de onun durmaksızın ürettiği binlerce işçi arının sağlığı kritiktir. Son birkaç on yılda yapılan gözlemler, kolonilerin bir anda toplu halde çökebileceğini göstermitşir; bunun bir nedeni Varroa yıkıcısı gibi dış parazitlerken, bir diğeri neonikotinoid pestisitler veya arıların bağışıklık sistemini baskılayan başka çevresel faktörlerdir. Bu sorunların iç dinamiklerini anlamak, özellikle de kovandaki "kraliçe-işçi etkileşimi" veya "yumurta-yetişkin arı ilişkisi" gibi karmaşık olayların 7/24 gerçek zamanlı takibiyle mümkündür.

RoboRoyale projesi kapsamında geliştirilen AROBA sistemi işte tam da burada devreye giriyor. Ulrich ve ekibi, kovandaki bal arısı kraliçesini özel bir "işaretleyici" ile ("WhyCode" denilen dairesel bir itibari işaret) işaretledi Bu sayede robotun üzerindeki kızılötesi kameralar, kraliçeyi kolayca tanıyabiliyor; robot, kovana giren ışığın arıların gözünü rahatsız etmemesi için kızılötesi dalga boyunda çalışıyor. Kraliçenin her hareketi; yürüme hızı, yön, durma süreleri, hangi petek gözlerini ziyaret ettiği, etrafındaki hizmetçi arıların (kraliçenin "mahiyeti" ya da "kraliçe mahfili" olarak da bilinen "court bees") sayısı gibi aklınıza gelebilecek her şey eksiksiz kaydediliyor. Böylece sistem, "Kraliçe sabahları daha mı çok yumurta bırakıyor, akşamları mı?", "Kraliçe, en çok hangi petek gözüne yumurta bırakmayı seviyor?" gibi sorulara niteliksel değil, tamamen niceliksel yanıtlar verebiliyor.

Bu izleme sırasında, kovandaki genel popülasyonu (örneğin işçi arıların kalabalıklık derecesi) tahmin etmek, bakıcı arı veya tarlacı arı gibi farklı arı türlerini tespit etmek veya erkek arı popülasyonunu takip etmek, sistemin "tarama modu"na bağlı olarak gerçekleşiyor. Araştırmacılar, 1 aylık dönem boyunca bu sistemi çalıştırdıklarında 27,4 milyon adet görüntü aldıklarını, bunları 24 saat kesintisiz inceleyerek, arıların devasa ölçekteki mikrodünyasını ilk kez böylesine yakından gözlemlediklerini söylüyorlar. Hatta bir günde tekil olarak kraliçeyi 1,2 milyon kez yakalamayı başardıklarını vurguluyorlar! Söz konusu veri, türümüzün "klasik" yöntemlerle asla toplayamayacağı, tam bir "veri okyanusu" olarak değerlendirilebilir.

Elbette bu ölçekte bir veri seti, yapay zekâ ve görüntü işleme algoritmaları olmadan insan gözüyle analiz edilemezdi. Ekip, kraliçeyi takip etmek için bahsettiğimiz özel işaretleyiciyi, işçi arıları ise BeeYOLOv8 adını verdikleri özel bir derin öğrenme modeliyle takip ettiler. Bu model, tıpkı görüntü tanıma alanında kullanılan "obje tespiti" tekniklerinin bir uzantısı ve milimetre altı hassasiyette arıların konumunu ve yönünü tespit edebiliyor. Elde edilen verilerle, kraliçenin yumurta bırakma (ovipozisyon) sıklığını, dış çeperlerdeki bal ve polen depolama faaliyetini, larva gelişimini, hatta yumurta başarısızlık oranlarını (örneğin larvanın ölüp hücreden atılması) belirlemek mümkün.

Bu verileri kullanan araştırmacılar, oldukça ilginç modeller keşfetti. Örneğin kraliçeler kovanlarında ayda yaklaşık 1,5 kilometre yol kat ederek büyük petek yapıları boyunca hareket etme eğilimindeydi. Şaşırtıcı bir şekilde bu kraliçeler, ekim ayı gibi kovanlar için daha az aktif olduğu bilinen dönemlerde bile günde yaklaşık 187 yumurta bırakıyorlar. Durham Üniversitesi'ndeki proje koordinatörü Profesör Farshad Arvin şöyle diyor:

Robotik sistemimiz bal arısı davranışları hakkında benzeri görülmemiş miktarda veri toplamamızı sağlıyor. Elde ettiğimiz bilgiler, bu karmaşık sosyal böcekler hakkındaki bilgilerimizde devrim yaratabilir ve potansiyel olarak korunmalarına yardımcı olabilir.

Sistemin bir diğer çarpıcı bulgusu, kraliçe arının dinlenme davranışları hakkında. Örneğin ekip, kovandaki belirli kısımlarda kraliçenin "uzun süreli istirahat etmeye" meylettiğini fark ettiklerini belirtiyorlar. Bu "istirahat alanlarının" genellikle kovanın üst kısımları olduğunu ve hatta bu kısımda birkaç "favori nokta" bulunduğunu raporluyorlar. Normalde kraliçenin en sıcak petek bölgesi olan "kuluçkalık" bölgesinde bulunacağını düşünmek mümkün; ama deneyde kraliçe, "kendi konforuna ve muhtemelen düşmanlardan uzak durma alışkanlığına" bağlı olarak gün içerisinde belirli noktalarda saati bulabilen dinlenme evreleri geçirebiliyor. Bu tür ince ayrıntılar, koloninin kraliçesinin stres seviyeleri veya "süreğen hastalıklarının" tespitinde ileride işimize yarayacak bir ipucu olabilir.

Bu tür deneylerdeki bir endişe, deney düzeneğinin arı davranışlarını değiştirebileceği, dolayısıyla gerçekçi sonuçlar elde edilmiyor olabileceği korkusudur. Ekip, robotu tasarlarken kızılötesi ışık kullandıklarını ve titreşimi minimuma indirecek şekilde mekanik parçaları izole ettiklerini belirtiyorlar. Böylece arılar, bir nevi karanlık ve sessiz bir ortamdaymış gibi davranmaya devam ediyorlar. Kovan içi sıcaklık ve nem değerleri de aşırı ısınmayı veya mekanik titreşimleri engellemek için kontrol altında tutuluyor. Nitekim yayınlanan makaleye göre, 1 aylık deneyde koloni popülasyonunda bariz bir düşüş olmadığı, tam tersine popülasyonun artışa geçtiği belirtiliyor! Bu da robotik sistemin kovan için herhangi bir "rahatsızlık" yaratmadığını gösteriyor.

Çalışma Neden Önemli?

Araştırma, hem temel bilimler hem de uygulamalı ekoloji açısından çok önemli. Örneğin laboratuvar ve tarla koşullarında, bal arısı kolonisinin tüm parametrelerini gerçek zamanlı izleyerek pestisit uygulamasının, neonikotinoidlerin, varroa ilaçlarının veya aşırı sıcak bir yaz periyodunun kraliçe davranışına etkisi deneysel olarak incelenebilecek. Daha da önemlisi, ekip benzer sistemleri farklı böcek türlerine uyarlamayı planlıyor; kelebekler, yaban arıları, karıncalar, hatta termit kolonileri bile bu şekilde takip edilebilecek. Böylece koloni çöküş sendromu ve "toplu böcek ölümleri" gibi ekolojik trajediler, eskisi gibi "sezgiye dayalı" değil, devasa veri setleriyle kanıtlanabilen ve makine öğrenmesiyle yorumlanabilen konular haline gelebilir.

Sistemin eskiden hayal olan birçok fikri gerçeğe dönüştürmesi mümkün: Belki ileride, tarladaki ekinlerin en verimli tozlaşma aralıklarını anlık olarak hesaplayarak arılara "kendi dilleriyle" mini robotlarla rehberlik eden projeler göreceğiz. Nitekim RoboRoyale gibi girişimler, "kraliçe mahfili"ni robotlarla taklit etmeye çalışıyorlar. Bu çalışmada betimlenen AROBA sistemi ise henüz sadece gözlemci konumunda, yani arılara fiziksel müdahalede bulunmuyor. Ancak tüm sistem, bir "gantri mekanizması" (iki eksende hareket edebilen lineer kızaklar) ve "yakın kızılötesi kameralar" etrafına kurulu olduğu için buna görece küçük bir adım ekleyip gerekirse kraliçeyi besleyen sahte ağız aparatları eklemek bile fikren çok uzak gözükmüyor.

Elbette bütün bunların büyük bir ekolojik sorunu çözüp çözemeyeceği ayrı bir tartışma konusu. Polinasyon krizini tek seferde bitirecek sihirli bir değneğe ne yazık ki sahip değiliz. İklim değişiminin yıkıcı etkileri, devasa monokültür arazileri, ormansızlaşma ve zirai ilaç kullanımındaki kontrolsüzlük sürdükçe, robotik sistemlerin yapabilecekleri de maalesef sınırlı kalacak. Yine de bilimsel gözlem kapasitemizi arttırmak, "nelerin yanlış gittiğini" daha kesin ve hızlı tespit etmek için kritik öneme sahip. Bu da bize kraliçelerin ortalama ömrünün kısalması, koloni bağışıklık seviyesinin çöküşü veya arı popülasyonunun beklenmeyen zamanlarda hızla azalması gibi işaretleri erkenden fark etme şansı tanıyabilir.

Sonuç

Uzun lafın kısası bu çalışma, bal arılarıyla kurduğumuz ilişkiyi baştan tanımlayabilecek kadar büyük bir potansiyele sahip. Bugüne dek "Arılar ne yapıyor?", "Kraliçe neden öldü?", "Petekler niye boşaldı?" gibi kritik soruların cevaplarını çoğu zaman sadece tahmin yürüterek verirdik. Artık o tahminleri yapay zekâ destekli devasa veri kayıtlarıyla teyit etme şansımız var.

Tüm bu gelişmeler, robotik gözlem sistemlerinin böceklere bile fayda sağlayabileceğini gösteriyor. Robotlar, böcekler için daha rafine bir koruma, daha odaklı müdahale ve ekosistem çöküşüne karşı daha güçlü bir savunma hattı sunabilir. Dolayısıyla bu çalışma, dünya çapında yaşanan böcek krizi ve ekolojik çöküş bağlamında hayranlık uyandırıcı bir ilerleme. Esas soru, ne kadar hızlı yaygınlaşacağı ve henüz oldukça maliyetli olduğu belli olan bu sistemlerin ne zaman kitlesel ölçekte veya farklı laboratuvarlarda boy göstereceği. Umarız çok yakında…