Un sensor identifica insectos según la frecuencia del movimiento de sus alas

El dispositivo desarrollado en la USP de São Carlos detecta en forma más rápida, barata y precisa mosquitos transmisores del dengue y de la fiebre amarilla, aparte de plagas agrícolas

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Los servicios de monitoreo sanitario de países como Brasil podrán contar en algunos años más con una tecnología destinada a identificar focos de mosquitos transmisores de enfermedades tales como el dengue, el paludismo y la fiebre amarilla de manera más rápida, barata y precisa.

Un grupo de científicos del Laboratorio de Inteligencia Computacional del Instituto de Ciencias Matemáticas y de la Computación (ICMC) de la Universidad de São Paulo (USP), campus de São Carlos, desarrolló –en colaboración con colegas del Bourns College of Engineering de la University of California Riverside (UCR) y de la filial estadounidense de la empresa brasileña Isca Tecnologias– un sensor capaz de identificar y cuantificar automáticamente distintas especies de insectos voladores causantes de enfermedades o plagas agrícolas.

Este sensor, producto de un proyecto realizado con apoyo de la FAPESP, de la Fundación Bill & Melinda Gates y de la Vodafone Americas Foundation, apareció descrito en un artículo publicado en la edición de junio del Journal of Insect Behavior.

“El sensor permite monitorizar poblaciones de insectos nocivos para la salud humana o que ocasionan daños a la agricultura y al medio ambiente de una manera mucho más rápida, más precisa y más inteligente”, declaró Gustavo Enrique de Almeida Prado Alves Batista, docente del ICMC y coordinador del proyecto, a Agência FAPESP.

“En lugar de fumigar insecticida sobre toda una región donde se estima que una determinada especie de insecto volador nocivo para la salud o para los cultivos se encuentra presente, es posible aplicarlo solamente en las áreas identificadas como focos del insecto con el sensor”, sostuvo.

Este aparato empezó a desarrollarse en 2010, cuando Batista inició su posdoctorado en la UCR con beca de la FAPESP, y también puso en marcha una colaboración con el grupo de Eamonn John Keogh, docente de Ciencia de la Computación de la universidad estadounidense, y con Agenor Mafra-Neto, investigador principal de Isca Tecnologias.

En ese entonces, Keogh estaba interesado en desarrollar un sistema de clasificación automática de insectos basado en técnicas de reconocimiento de voz y aprendizaje de máquina, un área de la inteligencia artificial orientada al desarrollo de algoritmos (secuencias de mandos) y técnicas que le permiten a la computadora perfeccionar su desempeño en la ejecución de tareas.

La solución que Batista desarrolló en colaboración con el grupo de Keogh fue un sensor de láser basado en el análisis de la frecuencia sonora del movimiento de las alas de los insectos durante el vuelo.

“Los insectos voladores aletean a distintas velocidades, de acuerdo con su tamaño y con otras características morfológicas, y en frecuencias sonoras que varían comúnmente entre los 100 y los 1.500 Hertz”, explicó Batista.

“Nuestra idea consistió en desarrollar un sistema que identificase la frecuencia sonora en que diferentes insectos voladores mueven sus alas para clasificarlos, aparte de otros datos”, dijo.

El funcionamiento del sensor

El sensor que desarrollaron los investigadores está compuesto por un haz de láser de baja potencia orientado hacia una matriz con una serie de fototransistores, como un puntero láser apuntando hacia una pared.

Al volar entre el haz de láser y la matriz con fototransistores, las alas de un insecto volador efectúan un bloqueo parcial y provocan pequeñas variaciones en la luz.

Las oscilaciones de luz provocadas por las alas del insecto volador son capturadas por la matriz con fototransistores como señales similares a las de audio, como las que captura un micrófono convencional, con la diferencia de que no son producto de una variación en las ondas sonoras, sino de la variación de la luz.

Las señales que extraen el sensor se filtran y se amplifican por medio de una plaqueta de circuitos electrónicos. Con un grabador de sonido digital conectado a la salida de la plaqueta es posible registrar las señales en archivos de audio y trasladarlos a una computadora con el fin de analizarlos.

“Cada especie de insecto volador produce una señal ligeramente diferente a la otra. Esto permite comparar computacionalmente las señales de cada una de las distintas especies”, dijo Batista.

Los datos para la calibración y para la clasificación de especies con el sensor se recabaron colocando insectos en cajas de acrílico que contenían sensores acoplados y con luminosidad, temperatura y humedad controladas.

Cada una de las cajas con sensores contenía decenas de insectos voladores preclasificados como pertenecientes a una misma especie. Entre éstas, los mosquitos Aedes aegypti (transmisor del dengue y de la fiebre amarilla), Anopheles gambiae (vector del paludismo), Culex quinquefasciatus (vector de la filariasis linfática) y Culex tarsalis (vector de la encefalitis de Saint Louis y de la encefalitis equina occidental), aparte de las especies de mosca Drosophila melanogaster (conocida popularmente como mosca de la fruta), la Musca domestica, la Psychodidae dipteros (conocida como mosca del baño), el escarabajo Cotinis mutabilis y la abeja Apis mellifera.

Al cabo de 15 días de recabado de datos, los investigadores registraron las señales generadas por el simple paso de los insectos por el haz de láser del sensor dentro de las cajas acrílicas, descartando cualquier ruido de fondo. Las señales obtenidas con los sensores en las distintas cajas con insectos se grabaron mezcladas en un mismo archivo.

Al someter el archivo de audio al análisis mediante un software con un algoritmo de clasificación, que también desarrollaron los investigadores, el sistema informático fue capaz de diferenciar e identificar a las especies de insectos con un porcentaje de acierto que varió entre el 98% y el 99%.

“Actualmente estamos explorando únicamente la frecuencia de movimiento de las alas y otros atributos inherentes a la señal del sensor”, dijo Batista. “Hay otras variables que pueden agregarse para mejorar más aún el índice de éxito del sensor en la identificación de especies de insectos.”

Entre dichas variables se encuentra el momento del día en que los insectos vuelan, aparte de la temperatura, la presión y la humedad del are ambiente, los tres factores meteorológicos que tienen más efectos sobre la actividad de los insectos.

Se estima que la elevación de la temperatura provoca cambios en el metabolismo y aumenta la frecuencia del aleteo de los insectos, comentó Batista.

En el marco de una investigación realizada por el doctorando Vinícius Mourão Alves de Souza, también con beca de la FAPESP, los científicos estudian de qué modo la señal que se obtiene con el sensor varía según las condiciones ambientales en que se encuentran los insectos. “Pretendemos evaluar de qué modo funciona el sensor bajo diferentes condiciones de temperatura, humedad y presión del aire”, dijo Batista.

En tanto, por medio de una investigación a cargo de Diego Furtado Silva, también con beca de la FAPESP, los científicos extrajeron otros datos (atributos) de las señales que pueden suministrar más información, además de la frecuencia de movimiento de las alas.

“Estamos utilizando una serie de técnicas basadas fundamentalmente en el reconocimiento de voz para extraer mejores atributos y no solamente la frecuencia del movimiento de las alas”, comentó Batista.

Una trampa inteligente

El sensor de láser se utilizó en un prototipo de trampa inteligente que desarrollaron los investigadores del ICMC en colaboración con la filial de Isca Tecnologias en Riverside.

Este dispositivo es capaz de identificar insectos voladores en tiempo real a través del sensor de láser, capturar especies blancos, tales como las transmisoras de enfermedades o plagas agrícolas, y permitir que otros insectos no nocivos, tales como abejas y otros polinizadores o fuentes de alimentos de otros animales puedan ser lanzados nuevamente al medio ambiente.

“Desde que empezamos a desarrollar el sensor teníamos la idea de utilizarlo en una aplicación práctica, como una trampa inteligente de insectos”, dijo Batista.

La trampa tiene un formato cilíndrico y está compuesta por un tubo de ABS con el sensor de láser acoplado en su entrada y con una bolsa colectora en su salida, al igual que una aspiradora.

El aparato cuenta con una válvula en la entrada que libera dióxido de carbono, una sustancia capaz de atraer a las hembras de muchas especies de mosquitos.

Al volar delante de la entrada de la trampa, el insecto es aspirado por un flujo de aire generado por un ventilador similar al de una computadora en dirección a una cámara donde se encuentra ubicado el sensor de láser destinado a su clasificación.

Si se lo identifica como especie no nociva, una puerta de salida se abre y el insecto es empujado hacia fuera de la trampa mediante la inversión de la dirección del flujo de aire.

En tanto, de identificárselo como una especie nociva, el insecto es empujado por el flujo de aire hacia la bolsa colectora, donde permanece retenido en un papel adhesivo similar al que se utiliza en las trampas adhesivas convencionales que no son selectivas, es decir, que capturan a todas las especies de insectos, incluso a las no nocivas.

“Esta trampa permite detectar y cuantificar con mayor facilidad y precisión la presencia de insectos indeseables en una determinada área”, evaluó Batista.

“De este modo, es posible monitorizar en tiempo real la población de insectos nocivos en una determinada región y reportar esos datos mediante redes inalámbricas a los servicios de control sanitario”, afirmó.

Bajo costo

Los investigadores estiman que el sensor cuenta con potencial para una amplia utilización en razón de su bajo costo de producción –menos de 30 reales– y porque se alimenta con energía solar o con una batería.

En el área de salud, una de las principales aplicaciones puede estar en el combate contra los mosquitos del género Anopheles, vectores de la malaria, y del género Aedes, transmisores del dengue y de la fiebre amarilla.

Una de las principales estrategias en el combate contra el dengue, según Batista, consiste en el seguimiento de los casos de notificación de la enfermedad para estimar los posibles focos del mosquito transmisor y, posteriormente, la realización de acciones de fumigación con insecticidas y la conscientización de la población. El problema, a su juicio, es que el tiempo que va entre el destinado a la notificación de la enfermedad y la implementación de la campaña es muy largo.

“Ese lapso de tiempo existente entre la notificación de la enfermedad y el comienzo de la campaña de fumigación puede ser de dos o tres semanas, o más. Esto representa más que el tiempo de vida de un mosquito adulto”, afirmó.

“La ventaja del sensor que desarrollamos consiste en que permite detectar dónde se encuentra presente el insecto y estimar la población del mismo en tiempo real”, evaluó.

Los suscriptores del Journal of Insect Behavior pueden leer el artículo intitulado “Flying insect classification with inexpensive sensors” (doi: 10.1007/s10905-014-9454-4), de Batista y otros, en la siguiente dirección: http://link.springer.com/article/10.1007/s10905-014-9454-4.