Drohnen sammeln DNA von Baumkronen – ein neuer Ansatz für Naturschutzbemühungen

Um ein gesundes Ökosystem zu haben, benötigen wir Biodiversität, da sie das gesamte Leben auf der Erde, einschließlich der Menschen, unterstützt. Ohne eine Vielfalt von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren können wir einfach kein ausgewogenes Umfeld haben.

Biodiversität liefert Ökosystemleistungen wie saubere Luft, Süßwasser und Hochwasserschutz, die für das menschliche Wohlbefinden entscheidend sind. Sie unterstützt zudem die Ernährungssicherheit, hilft bei der Kohlenstoffbindung, entgiftet und zersetzt Abfälle, erhöht die Resilienz von Organismen und trägt zur Krankheitsregulierung bei. Die Gene von Pflanzen und Tieren werden sogar zur Entwicklung von Medikamenten und Pharmazeutika verwendet.

Es ist also klar, dass wir ein besseres Verständnis der Biodiversität benötigen. Ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der Biodiversität in Wäldern und Baumkronen ist die Analyse von Umweltdna (eDNA). Das Sammeln von eDNA-Proben ist jedoch in solch hohen und komplexen Umgebungen nicht einfach.

Traditionell wurden arbeitsintensive Methoden wie das Rollen von Bäumen oder das Abwischen von Oberflächen eingesetzt, um die Aufgabe zu erfüllen. Das Verlassen auf Satellitenbilder oder der Einsatz von Kränen zur Untersuchung von Regionen erforderte nicht nur erhebliche Anstrengungen, um ausreichende Abdeckung zu erreichen, sondern mangelte auch an Präzision.

Doch das ist jetzt Vergangenheit. Drohnen sind bereit, die Situation zu verändern, indem sie Nahaufnahmen in hoher Auflösung und Daten­erfassungs‑Fähigkeiten bieten.

Eine neue Studie schlug vor, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) zu nutzen, um die Biodiversität in Baumkronen zu erforschen, insbesondere in abgelegenen und unzugänglichen Gebieten. Das bedeutet, dass Drohnen die Arbeit sicher ausführen, ohne dass Menschen in schwer zugängliche Bereiche wie tropische Regenwälder gehen müssen, um genetisches Material von Baumkronen zu sammeln, und uns gleichzeitig ein tieferes Verständnis der Biodiversität ermöglichen.

eDNA sammeln mit Drohnen

eDNA ist in biologischen Substanzen wie Schleim, Kot und abgestorbenen Hautzellen zu finden und wird seit mehreren Jahrzehnten zur Untersuchung der Biodiversität verwendet. Als Mittel zur Katalogisierung und Überwachung der Biodiversität helfen DNA‑Spuren Forschern zu bestimmen, welche Arten in einem bestimmten Gebiet vorkommen.

Anfang letzten Jahres nutzten Wissenschaftler des ETH Zürich Forschungsinstituts diese Technik, um herauszufinden, welche Arten das Waldkronendach zum Bau ihrer Nester nutzen.

Um diese spezielle Drohne zu bauen, die eigenständig Proben an Baumzweigen sammeln kann, arbeiteten Forscher der ETH Zürich zusammen mit denen des Schweizerischen Bundesforschungsinstituts WSL und dem Unternehmen SPYGEN zusammen.

Das Fluggerät wurde mit Klebestreifen an seiner Unterseite ausgestattet. Die UAV wurde vorsichtig auf Zweige herabgelassen und sobald generisches Material von den Zweigen auf diese Klebestreifen übertragen wurde, wurde es analysiert.

Aber Äste variieren in ihrer Dicke und Elastizität. Und das Fluggerät dazu zu bringen, sich einem Ast zu nähern und stabil zu bleiben, um erfolgreich Proben zu entnehmen, stellte für die Forscher eine große Herausforderung dar.

“Das Landen auf Ästen erfordert komplexe Steuerung.”

– Stefano Mintchev, Professor für Umweltrobotik an der ETH Zürich und WSL zu dieser Zeit

Das Team stattete die Drohne daher mit einem kraftempfindlichen Käfig aus, der es dem Fluggerät ermöglichte, die Flexibilität des Astes zu messen und diese Information für die Bewegung zu nutzen. Das Gerät wurde anschließend an sieben Baumarten getestet, und die Proben enthielten DNA von 21 verschiedenen Organismengruppen, darunter Vögel, Insekten und Säugetiere.

Obwohl dies eine einfachere, schnellere und sicherere Alternative zum Hochsenden von Biologen in die Baumkronen darstellt, ist diese Methode dennoch nicht völlig risikofrei.

Beim Einsatz der Drohne besteht das Risiko, nicht nur den Baum, sondern auch die Drohne selbst bei einer unbeabsichtigten harten Kollision zu beschädigen. Zudem ist die Probenentnahme auf Äste beschränkt, auf denen die Drohne landet. Daher, obwohl die Ergebnisse „ermutigend“ waren, muss die Drohne noch verbessert werden.

Ein verbessertes System zur Untersuchung der Biodiversität

Jetzt haben Wissenschaftler der ETH Zürich ein neuartiges, maßgeschneidertes Robotersystem entwickelt. Dieser neue Ansatz für UAVs, eDNA in Baumkronen zu sammeln, verwendet eine Oberflächenabstrich‑Methode.

Unter der Leitung von Steffen Kirchgeorg, einem Doktoranden der Robotik an der ETH Zürich, entwickelte die Studie ein Probensystem mit einer flachen Stoffsonde. Das Stück Fleecefaser wird tatsächlich zu einem Kreis geschnitten, ähnlich wie ein Kaffeefilter, und mit Glasfaserstreifen befestigt, um Struktur zu geben.

Die Sonde wird über ein Seil von einer Hebevorrichtung, die an der Unterseite des Quadcopters montiert ist, nach unten bewegt. Auf diese Weise bleibt die Drohne außerhalb der Vegetation.

Die Drohne war zudem mit einem Sensor ausgestattet, der verhindert, dass das Seil der Sonde an Ästen verklemmt. Die Forscher programmierten das System so, dass es bei Erkennung eines Aufpralls automatisch die Position wechselt.

So funktioniert es: Die UAV schwebt sicher über den Baumkronen. Die Sonde wird dann durch das Laub gesenkt, wo sie an Blättern und Ästen entlangstreift. Sobald eDNA gesammelt wurde, kann die Sonde entfernt werden, um ihren Inhalt anschließend zu analysieren.

Das Experiment wurde in einem Regenwald in Südostasien durchgeführt, wobei die Drohne von Kirchgeorg und Kollegen über einen Live‑Feed der Bordkamera ferngesteuert wurde. Die Drohne wurde außerhalb der Sichtweite geflogen, um zehn Proben aus der Waldkrone zu sammeln.

Die Wirksamkeit des neuen Ansatzes wurde während der XPRIZE Rainforest Halbfinals demonstriert, wo das Team offenbarte, dass sie eDNA von 152 verschiedenen Arten aus diesen Proben gefunden haben, wobei die meisten Spinnen und Insekten waren.

Das Team fand sogar die eDNA des Langschwanz-Makaken zusammen mit Termitenarten, mehreren Ameisen und der Gallenfliege, einer Fliegenart.

“Wenn wir wollen, dass Menschen die Natur schützen, müssen wir ihnen sagen, was wir tatsächlich schützen – mit unserer Lösung hoffen wir, das Leben in der Krone besser zu verstehen.”

– Leitender Autor Kirchgeorg

Diese Alternative zur Untersuchung der Biodiversität in abgelegenen Lebensräumen ist laut Team entscheidend für Naturschutz‑ und Wiederherstellungsinitiativen. Im nächsten Schritt wird das Team untersuchen, wie die Eindringtiefe, die Interaktion der Sonde mit der Vegetation und die Probenahmedauer die DNA‑Konzentration der Proben beeinflussen.

Die Revolutionierung von Drohnen

Drohnen, die auch als Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) bezeichnet werden, weil sie ohne menschlichen Piloten an Bord operieren, haben sich im letzten Jahrzehnt stark entwickelt und werden schnell zu einem integralen Bestandteil vieler Branchen.

Angetrieben durch diese Nachfrage wird erwartet, dass der Drohnentechnologiemarkt von 33,9 Milliarden $ im Jahr 2023 auf 61,2 Milliarden $ im Jahr 2029 wächst.

Diese fliegenden Roboter gibt es in unterschiedlichen Größen und sie werden entweder ferngesteuert oder über vorprogrammierte Algorithmen gesteuert, dank des Einsatzes von Kameras, Sensoren, GPS‑Systemen und Kommunikationsverbindungen.

Sie bieten Unternehmen kostengünstige Lösungen durch ihre vielfältigen Fähigkeiten, zu denen Echtzeit‑Bild‑ und Videoaufnahmen, Überwachung, Kartierung und Lieferdienste gehören. Der Einsatz neuester Technologien wie KI hat die vielen Funktionen von Drohnen weiter erweitert, wodurch fundierte und zeitnahe Entscheidungen, fortschrittliche Datenanalysen und autonome Operationen ermöglicht werden.

All diese Fähigkeiten von Drohnen machen sie besonders nützlich, um Forschern zu helfen, das Verhalten von Arten, Migrationsmuster und Veränderungen im Ökosystem zu beobachten, ohne die Tierwelt zu stören.

Gleichzeitig ermöglicht die Tatsache, dass diese fliegenden Roboter dichte Wälder leicht durchqueren und Baumkronen erreichen können, die sonst unzugänglich sind, Wissenschaftlern erstmals Daten über Pflanzenarten zu sammeln. Durch den langfristigen Einsatz können Veränderungen über Jahre hinweg überwacht werden, um Langzeitdaten zu sammeln, die helfen, die Auswirkungen des Klimawandels oder der Abholzung zu untersuchen und vorherzusagen.

Dies ist jedoch nur einer von vielen Anwendungsfällen für Drohnen. Einige der innovativen Anwendungen von Drohnen finden sich in der Landwirtschaft, wo diese UAVs helfen, die Gesundheit von Nutzpflanzen zu überwachen, Schädlinge zu erkennen, die Bewässerung zu steuern und Erträge zu optimieren.

Neben der Revolutionierung der Landwirtschaft mit Präzisionslandwirtschaftstechniken können Drohnen auch in katastrophengefährdeten Gebieten für Such‑ und Rettungsmissionen, die Lieferung wichtiger Vorräte und die Schadensbewertung eingesetzt werden. In Notfällen wie Waldbränden, Hurrikans und Erdbeben können diese Drohnen unverzichtbar sein, da sie schnell gefährliche Gebiete durchqueren können, ohne Menschenleben zu gefährden.

Weitere Branchen, in denen Drohnen zunehmend eingesetzt werden, umfassen die Auslieferung von Waren, die Inspektion schwer zugänglicher Infrastruktur wie Brücken und Pipelines sowie die Erstellung detaillierter 3D‑Modelle von Baustellen oder Bergwerken.

All diese Beispiele zeigen die Entwicklung von Drohnen von einer Neuheit, die hauptsächlich von Hobbyisten oder im Militär genutzt wurde, hin zu einer Technologie, die nun verschiedene Sektoren durchdringt, von Gesundheitswesen, Bauwesen und Umweltüberwachung bis hin zu Pizza‑ und Medikamentenlieferungen, Lieferketten, Flugzeugwartung und mehr.

Die wachsende Nutzung und Beliebtheit von Drohnen wird durch technologische Fortschritte angetrieben. Beispielsweise werden KI‑ und ML‑Algorithmen zunehmend in eingebettete Systeme integriert, um diese Maschinen effizienter und intelligenter zu machen.

Es gibt zudem stromsparende, leistungsstarke Mikrocontroller und Prozessoren, die aus Innovationen in der Halbleitertechnologie resultieren. Diese Fortschritte steigern die Effizienz und Haltbarkeit von Drohnen, indem sie mehr Rechenleistung bei geringerem Energieverbrauch bereitstellen.

Weitere wichtige Fortschritte, die die Anwendung von Drohnen erweitern, sind drahtlose Kommunikationstechnologien wie 5G und IoT, die schnellere und zuverlässigere Datenübertragung ermöglichen, sowie Echtzeit‑Betriebssysteme (RTOS) für präzises Timing und Aufgabenmanagement.

All diese technologischen Fortschritte haben die Leistung und Fähigkeiten von Drohnen erheblich verbessert und tragen dazu bei, ihre Anwendung in immer mehr Bereichen voranzutreiben.

Unternehmen, die Drohnenlösungen entwickeln

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die an der Spitze der Drohnentechnologieentwicklung stehen.

DJI ist die dominierende Kraft in der Drohnenbranche und bietet ein breites Spektrum an Verbraucher‑, Profi‑ und Industrie‑Drohnenlösungen, die in der Landwirtschaft, Vermessung und Infrastrukturinspektion eingesetzt werden.

Boeing (BA ) ist ein weiterer Name für die Entwicklung von Hochausdauer‑Drohnen für Verteidigungs‑ und kommerzielle Anwendungen, während Northrop Grumman (NOC ) an der Entwicklung von UAVs wie dem RQ‑4 Global Hawk beteiligt ist. Lockheed Martin (LMT ) ist ein weiterer Verteidigungsriese, der in der Drohnentechnologie tätig ist, während Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) in den kommerziellen Sektor expandiert.

Betrachten wir die Agrarindustrie, konzentriert sich die Drohnentechnologie von Draganfly (DPRO ) auf KI‑gesteuerte Analysen, Kartierung und Notfall‑Reaktionssysteme. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) entwickelt drohnenbasierte Lösungen für die Umweltüberwachung, während Parrot ein bedeutender europäischer Drohnenhersteller für den Einsatz in der Präzisionslandwirtschaft, 3D‑Kartierung und Biodiversitätsforschung ist.

Zeit, einen tieferen Einblick in ein paar prominente Namen zu nehmen:

#1. AeroVironment, Inc.

Ein führendes Unternehmen in der Drohnentechnologie, AeroVironment (AVAV ), spezialisiert sich auf UAVs für militärische und kommerzielle Anwendungen, einschließlich Umweltüberwachung und Landwirtschaft.

Bei einem Kurs von 209 $ zum Zeitpunkt der Erstellung ist der Aktienkurs von AeroVironment in diesem Jahr um 65 % gestiegen, wodurch die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 5,865 Milliarden $ steigt. Das Unternehmen weist ein EPS der letzten zwölf Monate (TTM) von 2,12, ein KGV (TTM) von 98,08 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 8,30 % auf.

Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 189,5 Millionen $, ein Plus von 24,4 % gegenüber dem Vorjahr. Der nicht‑GAAP‑Gewinn von 0,89 $ pro Aktie lag hingegen unter dem Wert von 1 $ pro Aktie im gleichen Quartal des Vorjahres. Der freie Cashflow am Quartalsende betrug 22,92 Millionen $.

Der „rekordverdächtige Umsatz im ersten Quartal“ kommt, da der Drohnenhersteller darauf abzielt, in den nächsten drei bis fünf Jahren ein Unternehmen im Milliarden‑Dollar‑Bereich zu werden, nach einem Umsatz von 717 Millionen $ im Geschäftsjahr 2024.

Sein Produkt Switchblade ist zentral für diese Ambitionen; es handelt sich um eine Lauer‑Munition, die sowohl von Russen als auch von Ukrainern eingesetzt wird. AeroVironment arbeitet derzeit daran, Störsignale mit den neuesten Modifikationen zu überwinden, was zusammen mit besserem Training die Wirksamkeitsrate von Switchblade auf über 80 % steigern wird.

Kürzlich hat die US-Armee dem Unternehmen den bisher größten Vertrag im Wert von bis zu 990 Millionen $ übergeben, um Switchblade‑Käufe bis 2029 abzudecken. Bereits im Mai hatte das Pentagon AeroVironment ebenfalls einen Auftrag erteilt, Switchblades für sein Replicator‑Projekt zu bauen. Auch das ist nicht alles; selbst das Vereinigte Königreich, Litauen und Frankreich haben Switchblades gekauft. Laut AeroVironment suchen mehr als 20 Länder nach dem Kauf dieses Fluggeräts.

#2. Trimble Inc.

Trimble bietet geospatiale und landwirtschaftliche Drohnenlösungen, die bei der Datenerfassung, dem Flächenmanagement und der 3D‑Kartierung unterstützen. Ihre Technologien spielen eine entscheidende Rolle in der Präzisionslandwirtschaft und der Bauüberwachung. Zu den Lösungen gehören Trimble Geospatial, das sich auf den Informationsaustausch und produktive Arbeitsabläufe konzentriert, Trimble Agriculture, das die FAST‑App bereitstellt, die Nutzern hilft, die richtige Kombination von Präzisions‑Landwirtschaftsprodukten für ihre Bedürfnisse zu finden, sowie Trimble Reality Capture, das 360‑Grad‑Bilder und Punktwolken liefert.

Bei einem Kurs von 62,14 $ zum Zeitpunkt der Erstellung ist der Aktienkurs von Trimble in diesem Jahr um 16,82 % gestiegen, wodurch die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 15,175 Milliarden $ steigt. Das Unternehmen weist ein EPS der letzten zwölf Monate (TTM) von 6,13, ein KGV (TTM) von 10,14 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 30,34 % auf.

Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Jahres‑Recurring‑Revenue (ARR) von 2,11 Milliarden $, ein Plus von 14 %, während die Bruttomargen 66,5 % und die erweiterte EBITDA‑Marge 24,6 % betrugen. 75 % des Trimble‑Umsatzes stammen aus Software‑Dienstleistungen, und das Unternehmen betonte den Fokus auf KI‑Lösungen, Branchengröße und die frühen Phasen der Monetarisierung. Trimble teilte zudem Pläne mit, den Aktienrückkauf wieder aufzunehmen. Gleichzeitig steht das Unternehmen vor Herausforderungen in den chinesischen und japanischen Märkten und verzeichnet eine langsame Umsatzrealisierung im Automobilsektor.

Diesen Monat hat Trimble seine langjährige Joint‑Venture mit Caterpillar Inc. (CAT ) für die Verteilung von Grade‑Control‑Lösungen erweitert. Anfang dieses Jahres, im Februar, haben Trimble und DroneDeploy eine erstklassige Positionsgenauigkeit für die Realitätserfassung von Drohnen eingeführt, die es Betreibern ermöglicht, „hochpräzise Karten“ schneller und konsistenter zu liefern, „und Drohnen in präzisen geospatiale Anwendungen einsetzbar zu machen.“

Fazit

Der Einsatz von Drohnen zur Sammlung von eDNA in Bereichen, die für Menschen praktisch unzugänglich sind, stellt eine weitere spannende Anwendung von UAVs und einen bedeutenden Fortschritt im Umweltschutz dar. Durch die Bereitstellung detaillierter Biodiversitätsdaten und die Eliminierung der Notwendigkeit menschlichen Zugangs zu gefährlichen Orten ermöglichen Drohnen eine schnellere, sicherere und umfassendere Überwachung von Ökosystemen.

Bereits haben technologische Innovationen die Anwendung von Drohnen auf ein breites Spektrum von Branchen ausgeweitet, darunter Logistik, Landwirtschaft, Verteidigung und Umweltüberwachung. Jetzt ist sie bereit, die Biodiversitätsforschung neu zu gestalten, die uns helfen kann, die Auswirkungen des Klimawandels zu bewältigen und unsere Bemühungen zum Schutz der Biodiversität des Planeten zu leiten, die für Menschen, die Umwelt und die Wirtschaft von entscheidender Bedeutung ist.

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