Monitoramento do estresse calórico em vacas leiteiras: automação e sensores

A perda de produção relacionada ao estresse térmico, o comprometimento do bem-estar animal e a mortalidade do gado são preocupações globais que estão aumentando no contexto das mudanças climáticas e do aquecimento global. Para manter o bem-estar e o desempenho do gado, é importante monitorar os efeitos dos extremos climáticos. 

Os sistemas de criação estão se tornando cada vez mais automatizados e o monitoramento remoto/automatizado dos animais é uma necessidade fundamental para superar as limitações da observação humana para a caracterização contínua da situação das vacas para gerenciamento da fazenda e descobertas científicas. Várias técnicas de monitoramento remoto/automatizado estão em avaliação e outras já foram validadas para monitorar o comportamento e a saúde do gado, inclusive sob estresse térmico, e estão em uso em fazendas leiteiras avançadas em todo o mundo.

O objetivo deste artigo é descrever os métodos baseados em sensores existentes para monitorar as respostas individuais do estresse calórico de bovinos, por meio de indicadores comportamentais e fisiológicos (escore de respiração ofegante e temperatura corporal central) e índices climáticos (índice de temperatura e umidade, ITU, e índice de carga térmica, ICT).

Essas tecnologias podem ajudar a identificar indivíduos ou grupos de vacas que sofrem estresse calórico, bem como encontrar animais suscetíveis ao calor para uma estratégia de mitigação isolada por meio de um sistema de sensor avançado.

Sensores nos animais

• Sensor de monitoramento da frequência respiratória

As mudanças de pressão associadas ao tônus muscular, movimento do tórax e ar expirado podem ser monitoradas de forma autônoma. A taxa de respiração registrada continuamente, usando sensores de pressão de película fina e um pequeno microcomputador alimentado por bateria, encontrou uma mudança clara em animais com acesso à sombra e sem acesso à sombra. Um sistema de sensor semelhante, com a adição de um algoritmo e filtro de dados para remover sinais não confiáveis, descobriu que os registros monitorados da taxa de respiração correspondiam à temperatura corporal e às condições térmicas ambientais (ITU).

Um sistema automatizado de monitoramento da taxa de respiração a longo prazo foi desenvolvido e validado em vacas leiteiras com alta associação com o movimento do flanco. O sistema microeletromecânico (MEMS) baseado em sensores magnéticos fornece sinais respiratórios mais precisos e maiores resoluções espaciais com menores erros de medição. Este sistema apresenta uma alternativa aos sensores de frequência respiratória existentes, com algumas modificações necessárias para bovinos em ambientes comerciais.
 

• Sensores de temperatura por radiotelemetria

Os biossensores foram desenvolvidos para registrar a temperatura corporal do gado e contabilizar a variabilidade individual na capacidade termorreguladora. No entanto, sensores de registro de temperatura sem transmissão remota de dados limitam o monitoramento em tempo real. Marcas auriculares com sensor de temperatura, bolos reticulares ruminais, dispositivos intrarretais e intravaginais e dispositivos vestíveis e implantáveis (microchips) com capacidade de transmissão remota de dados precisam de mais desenvolvimento em relação aos modelos de previsão de estresse calórico, com base na temperatura em tempo real dados.

Biossensores ingeríveis e sensores de identificação por radiofrequência (RFID) podem monitorar a temperatura interna do gado com identidade individual. Os dados do termorreceptor radiotelemétrico sugerem que o monitoramento das respostas termorregulatórias do gado requer medição contínua da temperatura corporal. No entanto, as medições telemétricas ainda são caras e só podem operar em curtas distâncias, pequenos números de animais e por curtos períodos de tempo.

A radiofrequência desviada, absorvida, interferida ou distorcida pode fornecer dados falsos na transmissão de dados em tempo real. A medição por radiotelemetria da temperatura corporal central, realizada pela implantação de um transmissor e registrador de dados na cavidade abdominal de bovinos leiteiros, mostrou que a mudança na temperatura corporal central depende das condições ambientais, ocorrendo com um atraso do aumento da temperatura ambiente de 1 a 5 h.
 

• Rastreadores de localização com sensores de temperatura e movimento

O uso de tecnologia baseada em sistema de posicionamento global (GPS) para monitorar animais ao ar livre está aumentando. Receptores de coleira GPS leves são adequados para monitorar a posição do animal em intervalos de 5 minutos. As características do comportamento animal e a utilização do pasto podem ser avaliadas importando os dados do GPS para um sistema de informações geográficas (SIG).

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O uso de colares GPS com temperatura adicional e sensores de movimento de eixo duplo (2D) em bovinos de corte manejados intensivamente revelou que as vacas passaram um tempo inativo perto de um ponto de água quando as faixas de temperatura variavam de 30°C a 35°C e começaram a pastar sequencialmente quando a temperatura começou a diminuir. Há potencial para continuar a pesquisa nesta área para estudos sequenciados de tempo de resposta comportamental ao estresse calóricos. Identificadores auriculares que integram rastreadores GPS movidos a energia solar também estão disponíveis comercialmente.

As tecnologias de cercas virtuais (VF) baseadas em GPS montadas no pescoço para gado estão surgindo e apresentam uma solução em tempo real para monitoramento de animais, controle de movimento de animais e até mesmo melhoria de calor direcionada por meio do isolamento de gado suscetível se integrado a sensores adicionais de temperatura e movimento. 

Os sistemas de localização em tempo real (RTLS) são sistemas de rastreamento que consistem em um receptor ou leitor fixo que lê informações de localização de um animal sem fio a partir de uma pequena etiqueta de identificação anexada a eles, usados principalmente em condições internas ou em uma área confinada especificada. A localização e o movimento de um animal individual nas proximidades do local de alimentação, água e resfriamento podem ser detectados e usados para desenvolver índices comportamentais.

Os dados de localização baseados em RTLS podem ser usados para desenvolver algoritmos para prever comportamentos de comer, beber, deitar e se limpar ou escovar. Esses sistemas podem identificar animais individuais que passam mais tempo perto da água, sombra ou local de resfriamento e, assim, determinar sua suscetibilidade ao calor.
 

• Sensores baseados em acelerômetro

Acelerômetros são dispositivos que medem a aceleração do movimento de uma estrutura no espaço 2D ou 3D. Eles trabalham registrando a aceleração estática e dinâmica usando sensores eletromecânicos. Esses dados de aceleração podem ser convertidos por meio de algoritmos eficazes para entender o estado de um objeto. Cada comportamento de um animal apresenta um movimento característico do corpo e momentos de inatividade.

Movimentos estáticos ou dinâmicos de animais capturados em 3D podem ser usados para classificar os principais comportamentos por meio de transformação algorítmica definida. Por exemplo, comer, beber, pastar, ruminar, deitar/descansar, ficar em pé e a atividade dos animais foram detectados por acelerômetros com boas correlações e especificidade de sensibilidade moderada a alta em comparação com observações visuais.

Acelerômetros triaxiais foram usados para medir a resposta de recuar, dar passo e chutar para avaliar estresse e desconforto em vacas leiteiras sob sistema a pasto. Além disso, a respiração ofegante foi avaliada, juntamente com outras dinâmicas respiratórias, como um indicador potencial de respiração ofegante para monitoramento baseado em acelerômetro da resposta ao estresse calórico em gado leiteiro e de corte em confinamento. 

Portanto, os dados de monitoramento de gado baseados em acelerômetros podem permitir um modelo multimodal de previsão/alerta de estresse calórico baseado em comportamento para intervenções de mitigação estratégicas iniciais e, recentemente, também no gerenciamento de fazendas leiteiras comerciais de grande escala.

Os sensores acelerômetros auriculares são os mais promissores a esse respeito, tendo sido validados sob condições moderadas a quentes para escore de respiração ofegante. No entanto, é necessário mais trabalho para validar tais sistemas durante eventos de ondas de calor, onde escores significativamente mais altos de respiração ofegante são registrados.

Os dados validados do sensor devem ser usados para determinar os limites superiores da duração da respiração ofegante, acima dos quais podem ser ativadas medidas de mitigação para o estresse calórico. Esse monitoramento fornecerá informações úteis e acionáveis no nível individual do animal, permitindo melhorias potenciais no bem-estar do gado em questões de estresse calórico, saúde e produção.

Dispositivos externos aos animais 
 

• Aplicativos para smartphones baseados em dados climáticos

Os dados climáticos podem ser obtidos continuamente de estações meteorológicas no local e processados para monitoramento automatizado e remoto das condições térmicas. Estações meteorológicas com conectividade sem fio podem retransmitir dados para uma rede acessada virtualmente de qualquer lugar.

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Aplicativos baseados em smartphones usando protocolos semelhantes foram desenvolvidos combinando informações meteorológicas atuais e projetadas com informações individuais do animal, ajudando o processo de tomada de decisão enviando alertas para reduzir o estresse calórico.

Dispositivos portáteis de coleta de dados climáticos com conectividade Bluetooth podem calcular o ITU em diferentes áreas microclimáticas em ambientes agrícolas de grande escala. No entanto, as avaliações baseadas em dados climáticos são medidas indiretas da resposta animal ao estresse calórico e um limite fixo de índices escolhidos nessas aplicações pode servir aos produtores para monitorar a "situação do rebanho", mas essa informação não pode ser igualmente aplicável para o gado individual.
 

• Imagens de profundidade, vigilância por vídeo e inteligência artificial

A vigilância por vídeo baseada em visão computacional pode ser o melhor dispositivo de monitoramento de animais no futuro. Uma câmera de vídeo (vídeo de luz vermelha à noite) foi usada para observar mudanças fisiológicas e comportamentais de gado leiteiro exposto ao clima de verão e descobriu que a taxa de respiração, a temperatura da pele e a temperatura corporal aumentaram junto com o iTU. 

Rede neural artificial, classificador de lógica fuzzy e abordagens baseadas em aprendizado de máquina, usando fisiologia animal e variáveis climáticas têm se mostrado promissoras no monitoramento do estado térmico animal sob condições experimentais. Considerando a velocidade do desenvolvimento da tecnologia, eles provavelmente serão úteis em condições práticas em um futuro próximo. O tamanho dos dados registrados pode ser um problema para armazenamento e transmissão de informações.

O desenvolvimento de métodos de compressão de dados em imagens ou vídeos que consomem menos memória (ou transformação em um sinal diferente) e métodos avançados de extração de recursos de dados transformados, preferencialmente de armazenamento em nuvem, podem ser melhorias futuras potenciais neste espaço. A capacitação para análise instantânea de dados no local pode minimizar os requisitos de transmissão e armazenamento de dados.

• Termografia infravermelha (IRT)

A termografia infravermelha (IRT) pode estimar a temperatura da superfície corporal do gado. Imagens IRT de diferentes regiões do corpo foram coletadas para medir os padrões de temperatura da superfície corporal e foram altamente correlacionadas com o ITU e as temperaturas do flanco direito, flanco esquerdo e testa. Além disso, a temperatura da testa IRT mostrou também boa correlação com a temperatura retal.

Imagens infravermelhas foram usadas para medir a taxa de respiração para avaliar o estresse e desconforto em vacas sob sistema a pasto. A taxa de respiração medida por imagem IRT contínua do fluxo de ar pelas narinas teve boa concordância com as medições baseadas em gravação de vídeo e ao vivo. Este resultado sugere que, com mais desenvolvimento, o IRT pode ser incorporado para o monitoramento remoto da resposta do gado ao calor. No entanto, imagens e vídeos IRT requerem um ambiente controlado envolvendo manejo adicional de gado para registro de dados e software sofisticado para análise. 

Por exemplo, imagens da testa, barbela e temperatura da superfície corporal baseadas em IRT variaram sob um valor de ITU semelhante e também, dados brutos de vídeo IRT foram mal correlacionados com a temperatura interna do corpo do gado e estado térmico e só poderiam ser usados após extensas manipulações.

Em conclusão, novas e sofisticadas tecnologias de "detecção e transmissão" em desenvolvimento atualmente ajudarão os produtores de leite a identificar indivíduos ou grupos de vacas que sofrem de estresse por calor e ativar meios de mitigação de calor a tempo e com eficiência, bem como encontrar animais susceptíveis ao calor para tratamentos isolados de mitigação.

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