ロボティクス
ドローンが樹冠からDNAを収集する新たな保全アプローチ
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健全な生態系を保つには、生物多様性が必要です。生物多様性は地球上のすべての生命、すなわち人間を含むすべてを支えています。微生物、植物、動物の多様性がなければ、バランスの取れた環境は実現できません。
生物多様性は、清浄な空気や淡水、洪水管理といった生態系サービスを提供し、人間の福祉にとって不可欠です。また、食料安全保障を支え、炭素の固定、廃棄物の解毒・分解を助け、 生物のレジリエンスを高め、疾病の調整にも寄与します。植物や動物の遺伝子は医薬品や医療品の開発にも利用されています。
したがって、生物多様性をより深く理解する必要があることは明らかです。森林や樹冠の生物多様性を研究する強力な手段として、環境DNA（eDNA）の分析があります。しかし、eDNAサンプルの採取は、こうした高く複雑な環境では容易ではありません。
従来は、樹木を転がす作業や表面拭き取りといった労働集約的な手法が用いられてきました。衛星画像に依存したりクレーンを使用して調査する方法は、十分なカバレッジを得るために多大な労力が必要なだけでなく、精度にも欠けていました。
しかし、もはやそれは過去の話です。ドローンは、クローズアップで高解像度の画像やデータ収集が可能となり、状況を一変させようとしています。
新たな研究では、無人航空機（UAV）を用いて、特に遠隔でアクセスが困難な地域の樹冠における生物多様性を調査することが提案されました。これにより、ドローンが安全に作業を行い、人が熱帯雨林のような到達困難な場所に赴いて樹冠から遺伝物質を採取する必要がなくなり、生物多様性の理解を深めることができます。
ドローンによるeDNA収集
eDNAは粘液、糞便、死んだ皮膚細胞などの生体物質に含まれ、数十年にわたり生物多様性の調査に利用されてきました。生物多様性のカタログ化やモニタリングに用いられるDNAの痕跡は、研究者が特定の地域にどの種が存在するかを判断するのに役立ちます。
昨年初め、ETHチューリッヒ研究所の科学者たちはこの技術を使用しました、森林の樹冠を住処として利用している種がどれかを調べました。
樹枝上で自律的にサンプルを収集できるこの特殊ドローンを構築するため、ETHチューリッヒの研究者はスイス連邦研究所WSLの研究者と協力し、企業SPYGENと提携しました。
航空機の底部に粘着テープが取り付けられました。UAVは枝に優しく降ろされ、枝からこの粘着テープへ一般的な物質が転写された後、分析が行われました。
しかし、枝は太さや弾性がさまざまで、航空機が枝に近づき安定してサンプルを採取することは研究者にとって大きな課題でした。
“枝に着陸するには高度な制御が必要です。”
– Stefano Mintchev, ETHチューリッヒおよびWSLの環境ロボティクス教授（当時）
そこで、チームはドローンに力覚センサー付きケージを装着し、航空機が枝の柔軟性を測定してそれに応じて動くことができるようにしました。この装置は7種の樹木でテストされ、サンプルには鳥類、昆虫、哺乳類を含む21の異なる生物群のDNAが含まれていることが確認されました。
これは生物学者が樹冠まで高所に上がるよりも簡便で迅速、かつ安全な代替手段ですが、完全にリスクがないわけではありません。
ドローンを使用する際、意図しない衝突により樹木だけでなくドローン自体が損傷するリスクがあります。また、ドローンが着陸した枝からしかサンプルを採取できないという制限もあります。そのため、結果は「期待できる」ものの、ドローンはさらなる改良が必要です。
生物多様性研究のための改良システム
現在、ETHチューリッヒの科学者たちは、独自に設計された新しいロボットシステムを開発しました。このUAVによる樹冠内でのeDNA収集の新手法は、表面拭き取り技術を使用します。
ETHチューリッヒのロボティクス博士課程学生であるSteffen Kirchgeorgが率いるこの研究では、平らな布製プローブを用いたサンプリングシステムを開発しました。フリース布の一片は円形にカットされ、コーヒーフィルターの形状に似ており、ガラス繊維ストリップで構造を補強しています。
プローブは、クアッドコプターの下部に取り付けられたリフティングギアからテザーで下げられます。これにより、ドローンは植生から離れた位置に保たれます。
ドローンには、プローブのテザーが枝に絡まるのを防止するセンサーも装備されました。研究者は衝突を検知した際に自動的に位置をシフトするようシステムをプログラムしました。
この仕組みは、UAVが樹冠上方で安全にホバリングし、プローブを葉や枝に触れながら降下させるというものです。eDNAが収集されたら、プローブは取り外され、その内容物は後で分析されます。
この実験は東南アジアの熱帯雨林で実施され、Kirchgeorgらがオンボードカメラのライブフィードを通じて遠隔操作されました。ドローンは視界外へ飛行し、森林の樹冠から10サンプルを収集しました。
新手法の有効性はXPRIZE Rainforestセミファイナルで実証され、チームはこれらのサンプルから152種のeDNAを検出したと発表しました。その多くはクモや昆虫に属していました。
チームはさらに、長尾マカクのeDNAに加えてシロアリ種、複数のアリ、そしてハエの一種であるガルミジのeDNAも検出しました。
“人々に自然を守ってもらうためには、実際に何を守っているのかを伝える必要があります。私たちのソリューションで、樹冠の生命をよりよく理解できることを期待しています。”
– 主著者 Kirchgeorg
チームによれば、遠隔地の生物多様性を研究するこの代替手段は、保全と再生の取り組みにとって重要です。次のステップでは、浸透深さ、プローブと植生の相互作用、サンプリング時間がサンプルのDNA濃度にどのように影響するかを調査する予定です。
ドローンの革命的進化
ドローンは、有人パイロットが搭乗しないため無人航空機（UAV）とも呼ばれ、過去10年間で大幅に成長し、多くの産業に不可欠な存在となりつつあります。
この需要に牽引され、ドローン技術市場は2023年の339億ドルから$61.2 bln in 2029へ成長すると予測されています。
これらの空飛ぶロボットはサイズが様々で、カメラ、センサー、GPSシステム、通信リンクを活用し、遠隔操作または事前プログラムされたアルゴリズムで制御されます。
リアルタイムの画像・動画撮影、監視、マッピング、配送サービスなど多様な機能により、企業にコスト効果の高いソリューションを提供します。AIなど最新技術の活用により、ドローンの機能はさらに拡張され、迅速な意思決定や高度なデータ分析、自律運用が可能になっています。
これらすべての機能により、ドローンは野生生物に干渉することなく、研究者が種の行動や移動パターン、エコシステムの変化を観察するのに特に有用です。
さらに、これらの空飛ぶロボットは密林を容易に航行し、通常はアクセスできない樹冠に到達できるため、科学者は初めて植物種のデータを収集できます。また、長期間にわたって展開し続けることで、数年にわたる長期データを収集し、気候変動や森林伐採の影響を研究・予測することが可能です。
しかし、これはドローン利用の一例に過ぎません。ドローンの革新的な応用例として、農業分野ではUAVが作物の健康状態を監視し、害虫を検出し、灌漑を管理し、収量を最適化することが挙げられます。
精密農業技術で農業を革命的に変えるだけでなく、ドローンは災害が頻発する地域で捜索救助や必需品の配送、被害評価にも活用できます。山火事、ハリケーン、地震などの緊急事態において、ドローンは危険地域を迅速に航行し、人命を危険にさらすことなく重要な役割を果たします。
その他、ドローンの利用が拡大している産業として、配送、橋梁やパイプラインなどのアクセスが困難なインフラ点検、建設現場や鉱山の詳細な3Dモデル作成などがあります。
これらすべての例は、ドローンが趣味や軍事用途の新奇的存在から、医療、建設、環境モニタリング、ピザや医薬品の配送、サプライチェーン、航空機整備など多岐にわたる分野へと浸透した進化を示しています。
ドローンの利用拡大と人気は技術の進歩に支えられています。例えば、AIや機械学習アルゴリズムが組み込みシステムに統合され、機械の効率と知能が向上しています。
半導体技術の革新により、低消費電力で高性能なマイクロコントローラやプロセッサも登場しています。これらの進歩により、より多くの計算能力を提供しつつエネルギー消費を抑えることで、ドローンの効率と耐久性が向上しています。
ドローン応用を拡大する重要な進歩として、5GやIoTといった無線通信技術があり、これにより高速で信頼性の高いデータ伝送や、正確なタイミングとタスク管理を可能にするリアルタイムOS（RTOS）が実現しています。
All of these technological advancements have significantly improved the performance and capabilities of drones, helping drive their application in wider fields.
ドローンソリューションを開発する企業
それでは、ドローン技術開発の最前線にいる企業を見てみましょう。
DJIはドローン業界の圧倒的なリーダーで、農業、測量、インフラ点検などで使用される幅広いコンシューマー、プロフェッショナル、産業用ドローンソリューションを提供しています。
Boeing (BA ) は防衛および商業用途向けの長時間飛行ドローンを開発している企業で、Northrop Grumman (NOC ) はRQ-4 Global HawkなどのUAV開発に関わっています。Lockheed Martin (LMT ) もドローン技術に関わる防衛大手で、Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) は商業分野への展開を拡大しています。
農業分野を見ると、Draganfly (DPRO ) のドローン技術はAI駆動の分析、マッピング、緊急対応システムに焦点を当てています。AgEagle Aerial Systems (UAVS ) は環境モニタリング向けのドローンソリューションを提供し、Parrotは精密農業、3Dマッピング、生物多様性研究に使用される欧州の主要ドローンメーカーです。
それでは、いくつかの注目企業を詳しく見てみましょう：
#1. AeroVironment, Inc.
ドローン技術のリーダーであるAeroVironment (AVAV ) は、軍事および商業用途向けのUAVを専門としており、環境モニタリングや農業にも活用されています。
AVAV 価格チャート
執筆時点で株価は209ドルで、AeroVironmentの株価は今年65％上昇し、時価総額は58.65億ドルとなっています。12か月連続（TTM）のEPSは2.12、P/E（TTM）は98.08、ROE（TTM）は8.30％です。
2024年第2四半期の売上高は1億8950万ドルで、前年同期比24.4％増でした。一方、非GAAPの1株当たり利益は0.89ドルで、前年同四半期の1ドルから減少しました。四半期末のフリーキャッシュフローは2292万ドルでした。
「過去最高の第1四半期売上高」は、同社が次の3〜5年で数十億ドル規模の企業になることに注力していることに伴うもので、2024会計年度の売上高は7億1700万ドルでした。
同社の製品であるSwitchbladeは、ロシアとウクライナの双方が使用する滞空型兵器の中心であり、AeroVironmentは最新の改良によりジャミングを克服し、より良い訓練と合わせてSwitchbladeの有効性を80％以上に向上させることを目指しています。
最近、米陸軍は同社に最大規模となる990百万ドル相当の契約を授与し、2029年までのSwitchblade購入をカバーしました。5月には、ペンタゴンもAeroVironmentにReplicatorプロジェクト用のSwitchblade製造契約を与えていました。これだけでなく、英国、リトアニア、フランスでもSwitchbladeが購入されており、AeroVironmentによれば20か国以上がこの航空機の購入を検討しています。
#2. Trimble Inc.
Trimbleは、地理空間および農業向けドローンソリューションを提供し、データ収集、土地管理、3Dマッピングを支援します。同社の技術は精密農業や建設モニタリングで重要な役割を果たしています。ソリューションには、情報交換と生産的なワークフローに焦点を当てたTrimble Geospatial、農業ニーズに合わせた最適な精密農業製品の組み合わせを見つけるFASTアプリを提供するTrimble Agriculture、360度画像と点群を提供するTrimble Reality Captureが含まれます。
TRMB 価格チャート
執筆時点で株価は62.14ドルで、Trimbleの株価は今年16.82％上昇し、時価総額は151.75億ドルとなっています。12か月連続（TTM）のEPSは6.13、P/E（TTM）は10.14、ROE（TTM）は30.34％です。
2024年第2四半期の年間継続収益（ARR）は21億ドルで、14％増加しました。粗利益率は66.5％、EBITDAマージンは24.6％に拡大しました。Trimbleの収益の75％はソフトウェアサービスから来ており、同社はAIソリューション、産業規模、収益化の初期段階に注力していることを強調しました。Trimbleは株式買戻しの再開計画も共有しました。一方で、中国および日本市場での課題に直面し、自動車市場での収益認識が遅れていることが見られます。
今月、TrimbleはCaterpillar Inc. (CAT ) との長年にわたる合弁事業を拡大し、グレードコントロールソリューションの配布を行いました。今年2月には、TrimbleとDroneDeployがドローンによるリアリティキャプチャの位置精度を向上させるプレミアムポジショニング精度を導入し、オペレーターが「高精度マップ」をより迅速かつ一貫して「提供」できるようにし、ドローンが精密な地理空間アプリケーションで使用できるようにしました。
結論
人間が実質的にアクセスできない領域でeDNAを収集するためにドローンを使用することは、UAVの新たなエキサイティングな応用であり、環境保全の取り組みにおける大きな飛躍です。また、詳細な生物多様性データを提供し、危険な場所への人間の立ち入りを不要にすることで、ドローンはエコシステムの監視をより迅速・安全・包括的に行えるようにします。
すでに、技術革新によりドローンの応用は物流、農業、防衛、環境モニタリングなど幅広い産業へと拡大しています。現在、ドローンは気候変動の影響に対処し、地球の生物多様性を保護するための取り組みを導くことができる生物多様性研究を再構築する準備が整っています。これは人類、環境、経済にとって重要です。
