Droni che raccolgono DNA dalle cime degli alberi in un nuovo approccio verso gli sforzi di conservazione

Per avere un ecosistema sano, abbiamo bisogno della biodiversità, poiché sostiene tutta la vita sulla Terra, compresi gli esseri umani. Senza una varietà di microrganismi, piante e animali, non possiamo avere un ambiente equilibrato.

Biodiversità fornisce servizi ecosistemici come aria pulita, acqua dolce e gestione delle inondazioni, fondamentali per il benessere umano. Supporta anche la sicurezza alimentare, aiuta nella sequestro del carbonio, detoxifica e decompone i rifiuti, aumenta la resilienza degli organismi e contribuisce a regolare le malattie. I geni di piante e animali sono persino utilizzati per sviluppare medicinali e prodotti farmaceutici.

Quindi, è chiaro che abbiamo bisogno di una migliore comprensione della biodiversità. Uno strumento potente per studiare la biodiversità nelle foreste e nelle chiome degli alberi è l’analisi del DNA ambientale (eDNA). Tuttavia, raccogliere i campioni di eDNA non è facile in ambienti così alti e complessi.

Tradizionalmente, sono stati utilizzati approcci laboriosi come il rotolamento degli alberi o lo striscio superficiale per svolgere il compito. Affidarsi alle immagini satellitari o utilizzare gru per studiare le regioni non solo richiedeva notevoli sforzi per ottenere una copertura sufficiente, ma mancava anche di precisione.

Ma non più. I droni sono pronti a trasformare la situazione fornendo immagini ravvicinate ad alta risoluzione e capacità di raccolta dati.

Un nuovo studio ha proposto l’uso di veicoli aerei senza pilota (UAV) per esplorare la biodiversità nelle cime degli alberi, in particolare in aree remote e inaccessibili. Ciò significa che i droni svolgeranno il lavoro in sicurezza senza richiedere alle persone di recarsi in zone difficili da raggiungere, come le foreste pluviali tropicali, per raccogliere materiale genetico dalle cime, aiutandoci a ottenere una comprensione più profonda della biodiversità.

Raccolta di eDNA con i Droni

l’eDNA si trova in sostanze biologiche come muco, feci e cellule della pelle morta ed è stato utilizzato per esaminare la biodiversità per diversi decenni. Utilizzate per catalogare e monitorare la biodiversità, le tracce di DNA aiutano i ricercatori a determinare quali specie sono presenti in una determinata area.

All’inizio dello scorso anno, gli scienziati dell’istituto di ricerca ETH Zurich hanno utilizzato questa tecnica per scoprire quali specie utilizzano la chioma della foresta per costruire le loro case.

Per costruire questo drone speciale in grado di raccogliere campioni sui rami degli alberi autonomamente, i ricercatori dell’ETH Zurich insieme a quelli del Swiss Federal Research Institute WSL hanno collaborato con l’azienda SPYGEN.

L’aeromobile è stato dotato di strisce adesive sul fondo. Il UAV è stato delicatamente posizionato sui rami e, una volta che il materiale generico è stato trasferito dai rami a queste adesivi, è stato poi analizzato.

Tuttavia, i rami variano per spessore ed elasticità. Far avvicinare l’aeromobile a un ramo e mantenerlo stabile per prelevare campioni con successo si è rivelato una grande sfida per i ricercatori.

“Atterrare sui rami richiede un controllo complesso.”

– Stefano Mintchev, Professore di Robotica Ambientale presso ETH Zurich e WSL all’epoca

Quindi, il team ha dotato il drone di una gabbia sensibile alla forza, che ha permesso all’aeromobile di misurare la flessibilità del ramo e usarla per muoversi. Il dispositivo è stato poi testato su sette specie di alberi, e i campioni hanno mostrato DNA di 21 gruppi distinti di organismi, tra cui uccelli, insetti e mammiferi.

Anche se questa è un’alternativa più facile, veloce e sicura rispetto all’invio di biologi in alto nelle chiome, questo metodo non è completamente privo di rischi.

Quando si utilizza il drone, c’è il rischio non solo di danneggiare l’albero ma anche il drone stesso in caso di collisione dura non intenzionale. Inoltre, c’è la limitazione di raccogliere campioni solo dai rami su cui il drone atterra. Quindi, sebbene i risultati siano stati “incoraggianti”, il drone doveva migliorare.

Un Sistema Migliorato per Studiare la Biodiversità

Ora, gli scienziati dell’ETH Zurich hanno creato un nuovo sistema robotico progettato su misura. Questo nuovo approccio per i UAV per raccogliere eDNA all’interno delle chiome degli alberi utilizza una tecnica di striscio superficiale.

Guidato da Steffen Kirchgeorg, dottorando in robotica presso ETH Zurich, lo studio ha sviluppato un sistema di campionamento con una sonda di tessuto piatta. Il pezzo di tessuto in pile è effettivamente tagliato a forma di cerchio, simile a un filtro da caffè, e fissato con strisce in fibra di vetro per fornire struttura.

La sonda viene abbassata su un cavo da un meccanismo di sollevamento montato sulla parte inferiore del quadricottero. In questo modo, il drone rimane fuori dalla vegetazione.

Il drone è stato inoltre dotato di un sensore che impedisce al cavo della sonda di impigliarsi nei rami. I ricercatori hanno programmato il sistema per spostare automaticamente la posizione al rilevamento di un impatto.

Il funzionamento prevede che il UAV si mantenga in volo stabile sopra le chiome. La sonda viene poi abbassata attraverso il fogliame dove sfrega contro foglie e rami. Una volta raccolto l’eDNA, la sonda può essere rimossa per analizzare successivamente il suo contenuto.

L’esperimento è stato condotto in una foresta pluviale del Sud‑Est asiatico, dove il drone è stato controllato a distanza da Kirchgeorg e colleghi tramite un flusso video in tempo reale dalla sua telecamera a bordo. Il drone è stato fatto volare fuori dalla linea di vista per raccogliere dieci campioni dalla chioma della foresta.

L’efficacia del nuovo approccio è stata dimostrata durante le semifinali XPRIZE Rainforest, dove il team ha rivelato di aver trovato l’eDNA di 152 specie diverse da questi campioni, la maggior parte delle quali apparteneva a ragni e insetti.

Il team ha persino trovato l’eDNA del macaco dalla coda lunga insieme a specie di termiti, diverse formiche e alla mosca galloide, un tipo di mosca.

“Se vogliamo che le persone proteggano la natura, dobbiamo dire loro cosa stiamo realmente proteggendo — con la nostra soluzione, speriamo di comprendere meglio la vita nella chioma.”

– Autore principale Kirchgeorg

Questa alternativa allo studio della biodiversità in habitat remoti, secondo il team, è fondamentale per le iniziative di conservazione e restauro. Nel prossimo passo, il team si concentrerà sull’indagare come la profondità di penetrazione, le interazioni della sonda con la vegetazione e la durata del campionamento influenzino la concentrazione di DNA nei campioni.

La Rivoluzione dei Droni

I droni, noti anche come Veicoli Aerei senza Pilota (UAV) perché operano senza un pilota umano a bordo, sono cresciuti notevolmente nell’ultimo decennio e stanno rapidamente diventando una parte integrante di molte industrie.

Spinto da questa domanda, il mercato della tecnologia dei droni dovrebbe crescere da 33,9 miliardi di dollari nel 2023 a $61,2 miliardi di dollari nel 2029.

Questi robot volanti hanno dimensioni variabili e sono controllati a distanza o tramite algoritmi preprogrammati grazie all’uso di telecamere, sensori, sistemi GPS e collegamenti di comunicazione.

Offrono soluzioni convenienti alle imprese grazie alle loro capacità diversificate, che includono acquisizione di immagini e video in tempo reale, sorveglianza, mappatura e servizi di consegna. L’uso delle più recenthe tecnologie come l’IA ha ulteriormente potenziato le numerose funzionalità dei droni, consentendo decisioni informate e tempestive, analisi avanzate dei dati e operazioni autonome.

Tutte queste capacità dei droni li rendono particolarmente utili per aiutare i ricercatori a osservare i comportamenti delle specie, i modelli di migrazione e i cambiamenti dell’ecosistema senza disturbare la fauna selvatica.

Nel frattempo, il fatto che questi robot volanti possano navigare facilmente nelle foreste dense e raggiungere le cime degli alberi altrimenti inaccessibili, consente agli scienziati di raccogliere dati sulle specie vegetali per la prima volta. Mantenendoli operativi nel tempo, i cambiamenti possono essere monitorati per anni per raccogliere dati a lungo termine che possono aiutare a studiare e prevedere l’impatto del cambiamento climatico o della deforestazione.

Tuttavia, questo è solo uno dei tanti casi di utilizzo dei droni. Alcune delle applicazioni innovative dei droni si vedono in agricoltura, dove questi UAV aiutano a monitorare la salute delle colture, rilevano i parassiti, gestiscono l’irrigazione e ottimizzano i rendimenti.

Oltre a rivoluzionare l’agricoltura con tecniche di agricoltura di precisione, i droni possono essere impiegati in aree soggette a catastrofi per missioni di ricerca e soccorso, consegna di forniture essenziali e valutazione dei danni. In emergenze come incendi boschivi, uragani e terremoti, questi droni possono essere indispensabili per la loro capacità di navigare rapidamente in aree pericolose senza mettere a rischio vite umane.

Altri settori in cui i droni sono sempre più utilizzati includono le consegne, l’ispezione di infrastrutture difficili da raggiungere come ponti e condutture, e la creazione di modelli 3D dettagliati di cantieri o miniere.

Tutti questi esempi mostrano l’evoluzione dei droni, da novità utilizzata principalmente da hobbisti o in ambito militare, a ora permeare vari settori che vanno dalla sanità, costruzione e monitoraggio ambientale alla consegna di pizza e medicinali, catena di approvvigionamento, manutenzione di aeromobili e altro ancora.

L’uso crescente e la popolarità dei droni sono guidati dai progressi tecnologici. Ad esempio, gli algoritmi di IA e ML sono ora sempre più integrati nei sistemi embedded per rendere queste macchine più efficienti e intelligenti.

Ci sono anche microcontrollori e processori a bassa potenza e alte prestazioni, risultato delle innovazioni nella tecnologia dei semiconduttori. Questi progressi aumentano l’efficienza e la durata dei droni fornendo più potenza di calcolo consumando meno energia.

Altri importanti progressi che aiutano a espandere le applicazioni dei droni sono le tecnologie di comunicazione wireless come 5G e IoT, che consentono trasmissioni dati più rapide e affidabili, e i sistemi operativi in tempo reale (RTOS) per una gestione precisa del tempo e dei compiti.

Tutti questi progressi tecnologici hanno migliorato significativamente le prestazioni e le capacità dei droni, contribuendo a espandere la loro applicazione in campi più ampi.

Aziende che Sviluppano Soluzioni per Droni

Ora, diamo un’occhiata alle aziende che sono in prima linea nello sviluppo della tecnologia dei droni.

DJI è la forza dominante nell’industria dei droni, offrendo un’ampia gamma di soluzioni per droni consumer, professionali e industriali utilizzate in agricoltura, rilievo e ispezione delle infrastrutture.

Boeing (BA ) è un altro nome per lo sviluppo di droni ad alta resistenza per usi difensivi e commerciali, mentre Northrop Grumman (NOC ) è coinvolta nello sviluppo di UAV come il RQ‑4 Global Hawk. Lockheed Martin (LMT ) è un altro gigante della difesa coinvolto nella tecnologia dei droni, mentre Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) sta espandendo la sua attività nei settori commerciali.

Se guardiamo all’industria agricola, la tecnologia dei droni Draganfly si concentra su analisi guidate dall’IA, mappatura e sistemi di risposta alle emergenze. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) crea soluzioni basate su droni per il monitoraggio ambientale, mentre Parrot è un importante produttore europeo di droni per l’uso in agricoltura di precisione, mappatura 3D e ricerca sulla biodiversità.

È il momento di approfondire un paio di nomi di spicco:

#1. AeroVironment, Inc.

Un leader nella tecnologia dei droni, AeroVironment (AVAV ) è specializzata in UAV per applicazioni militari e commerciali, inclusi il monitoraggio ambientale e l’agricoltura.

Con un prezzo di $209 al momento della stesura, il valore delle azioni AeroVironment è aumentato del 65% quest’anno, portando la capitalizzazione di mercato dell’azienda a $5,865 miliardi. Presenta un EPS degli ultimi dodici mesi (TTM) di 2,12, un P/E (TTM) di 98,08 e un ROE (TTM) dell’8,30%.

Per il Q2 2024, l’azienda ha registrato un fatturato di $189,5 milioni, in crescita del 24,4% rispetto all’anno precedente. Il profitto non GAAP di $0,89 per azione è invece diminuito rispetto a $1 per azione nello stesso trimestre dell’anno scorso. Il flusso di cassa libero alla fine del trimestre è stato di $22,92 milioni.

Il “record di fatturato del primo trimestre” arriva mentre il produttore di droni si concentra nel diventare un’azienda multimiliardaria nei prossimi tre‑cinque anni, rispetto ai $717 milioni di fatturato nel 2024 fiscale.

Il suo prodotto, Switchblade, è centrale per queste ambizioni; si tratta di una munizione di sorvolo utilizzata sia da russi che ucraini. AeroVironment sta attualmente lavorando per superare il jamming con le ultime modifiche, che insieme a una migliore formazione aumenteranno il tasso di efficacia di Switchblade sopra l’80%.

Recentemente, l’esercito degli Stati Uniti ha assegnato all’azienda il suo più grande contratto di sempre, del valore fino a $990 milioni, per coprire gli acquisti di Switchblade fino al 2029. A maggio, il Pentagono aveva anche concesso ad AeroVironment un contratto per costruire Switchblade per il suo progetto Replicator. Non è tutto: anche Regno Unito, Lituania e Francia hanno acquistato Switchblade. Secondo AeroVironment, più di 20 paesi stanno cercando di acquistare questo velivolo.

#2. Trimble Inc.

Trimble offre soluzioni di droni geospaziali e agricoli che aiutano nella raccolta dati, nella gestione del territorio e nella mappatura 3D. Le loro tecnologie svolgono un ruolo fondamentale nell’agricoltura di precisione e nel monitoraggio delle costruzioni. Le sue soluzioni includono Trimble Geospatial, che si concentra sullo scambio di informazioni e flussi di lavoro produttivi, Trimble Agriculture, che offre l’app FAST per aiutare gli utenti a trovare la combinazione giusta di prodotti per l’agricoltura di precisione per le loro esigenze, e Trimble Reality Capture, che fornisce immagini a 360 gradi e nuvole di punti.

Con un prezzo di $62,14 al momento della stesura, il valore delle azioni Trimble è aumentato del 16,82% quest’anno, portando la capitalizzazione di mercato dell’azienda a $15,175 miliardi. Presenta un EPS degli ultimi dodici mesi (TTM) di 6,13, un P/E (TTM) di 10,14 e un ROE (TTM) del 30,34%.

Per il Q2 2024, l’azienda ha registrato $2,11 miliardi di Entrate Ricorrenti Annuali (ARR), con un aumento del 14%, mentre i margini lordi erano del 66,5% e il margine EBITDA ampliato del 24,6%. Il 75% delle entrate di Trimble proveniva da servizi software, e l’azienda ha sottolineato l’attenzione alle soluzioni IA, alla scala industriale e alle prime fasi di monetizzazione. Trimble ha anche condiviso piani per riprendere il riacquisto di azioni. Nel frattempo, l’azienda sta affrontando sfide nei mercati cinese e giapponese e osserva una lenta riconoscimento dei ricavi nel mercato automobilistico.

Questo mese, Trimble ha esteso la sua joint venture di lunga data con Caterpillar Inc. (CAT ) per la distribuzione di soluzioni di controllo di grado. All’inizio di quest’anno, a febbraio, Trimble e DroneDeploy hanno introdotto una precisione di posizionamento di prim’ordine per la cattura della realtà da droni, che consentirà agli operatori di “fornire mappe altamente accurate” più rapidamente e in modo coerente, “permettendo ai droni di essere utilizzati in applicazioni geospaziali di precisione”.

Conclusione

L’uso dei droni per raccogliere eDNA in aree praticamente inaccessibili agli esseri umani rappresenta un’altra entusiasmante applicazione dei UAV e un significativo passo avanti negli sforzi di conservazione ambientale. Inoltre, fornendo dati dettagliati sulla biodiversità eliminando la necessità di accesso umano a luoghi pericolosi, i droni consentono un monitoraggio più rapido, sicuro e completo degli ecosistemi.

Già, le innovazioni tecnologiche hanno ampliato le applicazioni dei droni a una vasta gamma di settori, tra cui logistica, agricoltura, difesa e monitoraggio ambientale. Ora, sono pronte a rimodellare la ricerca sulla biodiversità che può aiutarci ad affrontare gli impatti del cambiamento climatico e guidare i nostri sforzi per salvaguardare la biodiversità del pianeta, fondamentale per gli esseri umani, l’ambiente e l’economia.

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