Drones die DNA van boomtoppen verzamelen in een nieuwe benadering van natuurbeschermingsinspanningen

Om een gezond ecosysteem te hebben, hebben we biodiversiteit nodig, omdat het al het leven op aarde ondersteunt, inclusief mensen. Zonder een verscheidenheid aan micro‑organismen, planten en dieren kunnen we simpelweg geen evenwichtig milieu hebben.

Biodiversiteit levert ecosysteemdiensten zoals schone lucht, zoet water en overstromingsbeheer, die cruciaal zijn voor het menselijk welzijn. Het ondersteunt ook voedselzekerheid, helpt bij koolstofvastlegging, ontgift en afbreekt afval, vergroot de veerkracht van organismen en helpt ziektes te reguleren. De genen in planten en dieren worden zelfs gebruikt om medicijnen en farmaceutische producten te ontwikkelen.

Dus het is duidelijk dat we een beter begrip van biodiversiteit nodig hebben. Een krachtig instrument om biodiversiteit in bossen en boomkruinen te bestuderen is de analyse van omgevings‑DNA (eDNA). Het verzamelen van eDNA‑monsters is echter niet eenvoudig in zulke hoge en complexe omgevingen.

Traditioneel zijn arbeidsintensieve methoden zoals boomrollen of oppervlaktwrijven gebruikt om de taak uit te voeren. Vertrouwen op satellietbeelden of kranen om gebieden te bestuderen vereiste niet alleen aanzienlijke inspanningen om voldoende dekking te bereiken, maar miste ook precisie.

Maar dat is nu niet meer het geval. Drones staan klaar om de situatie te transformeren door close‑up, hoge‑resolutie beelden en gegevensverzamelingsmogelijkheden te bieden.

Een nieuwe studie stelde voor om onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) te gebruiken om biodiversiteit in boomtoppen te verkennen, specifiek in afgelegen en ontoegankelijke gebieden. Dit betekent dat drones het werk veilig uitvoeren zonder dat mensen naar moeilijk bereikbare gebieden zoals tropische regenwouden moeten gaan om genetisch materiaal van boomtoppen te verzamelen, terwijl ze ons helpen een dieper begrip van biodiversiteit te krijgen.

eDNA verzamelen met drones

eDNA wordt aangetroffen in biologische stoffen zoals slijm, ontlasting en dode huidcellen en wordt al tientallen jaren gebruikt om biodiversiteit te onderzoeken. Gebruikt om biodiversiteit te catalogiseren en te monitoren, helpen DNA‑sporen onderzoekers te bepalen welke soorten in een bepaald gebied aanwezig zijn.

Begin vorig jaar gebruikten wetenschappers van het ETH Zurich onderzoeksinstituut deze techniek om precies te achterhalen welke soorten de boskruin gebruiken om hun huizen te bouwen.

Om deze speciale drone te bouwen die zelfstandig monsters van boomtakken kan verzamelen, werkten onderzoekers van ETH Zurich samen met die van het Zwitserse Federale Onderzoeksinstituut WSL en de firma SPYGEN.

Het vliegtuig werd voorzien van kleefstrips aan de onderkant. De UAV werd voorzichtig op takken neergelaten en zodra generiek materiaal van de takken op deze kleefstrips werd overgebracht, werd het geanalyseerd.

Maar takken variëren in hun dikte en elasticiteit. Het laten naderen van een tak door het vliegtuig en stabiel blijven om monsters te nemen, bleek een grote uitdaging voor de onderzoekers.

“Landing op takken vereist complexe controle.”

– Stefano Mintchev, professor in milieurobotica aan ETH Zurich en WSL destijds

Dus heeft het team de drone uitgerust met een kracht‑sensorische kooi, waardoor het vliegtuig de flexibiliteit van de tak kon meten en die kon gebruiken om te bewegen. Het apparaat werd vervolgens getest op zeven boomsoorten, en de monsters bevatten DNA van 21 verschillende groepen organismen, waaronder vogels, insecten en zoogdieren.

Hoewel dit een gemakkelijkere, snellere en veiligere alternatieve is voor het sturen van biologen hoog in de boomkruin, is zelfs deze methode niet volledig risicovrij.

Bij het gebruik van de drone bestaat er een risico niet alleen de boom te beschadigen, maar ook de drone zelf in geval van een onbedoelde harde botsing. Daarnaast is er de beperking dat monsters alleen kunnen worden verzameld van takken waarop de drone landt. Dus, hoewel de resultaten “bemoedigend” waren, moet de drone nog verbeteren.

Een verbeterd systeem om biodiversiteit te bestuderen

Nu hebben wetenschappers van ETH Zurich een nieuw, op maat ontworpen robotsysteem gecreëerd. Deze nieuwe benadering voor UAV’s om eDNA in boomkruinen te verzamelen maakt gebruik van een oppervlaktwrijftechniek.

Onder leiding van Steffen Kirchgeorg, een robotica‑PhD‑student aan ETH Zurich, ontwikkelde de studie een bemonsteringssysteem met een platte stoffen sonde. Het stuk fleece wordt eigenlijk in een cirkel gesneden, vergelijkbaar met de vorm van een koffiefilter, en bevestigd met glasvezelstrips om structuur te bieden.

De sonde wordt via een koord naar beneden bewogen vanaf een hijsmechanisme dat onder de quadcopter is gemonteerd. Op deze manier blijft de drone buiten de vegetatie.

De drone was ook uitgerust met een sensor die voorkomt dat het koord van de sonde verstrikt raakt in takken. De onderzoekers programmeerden het systeem om automatisch van positie te veranderen bij het detecteren van een impact.

Het werkt zo dat de UAV veilig boven de boomtoppen zweeft. De sonde wordt vervolgens door de bladeren naar beneden gebracht, waar deze tegen bladeren en takken wrijft. Zodra eDNA is verzameld, kan de sonde worden verwijderd zodat de inhoud later kan worden geanalyseerd.

Het experiment werd uitgevoerd in een regenwoud in Zuidoost‑Azië, waar de drone op afstand werd bestuurd door Kirchgeorg en collega’s via een live feed van de ingebouwde camera. De drone werd buiten het zichtgebied gevlogen om tien monsters van de boskruin te verzamelen.

De effectiviteit van de nieuwe benadering werd aangetoond tijdens de XPRIZE Rainforest halve finales, waar het team onthulde dat ze eDNA van 152 verschillende soorten vonden in deze monsters, waarvan de meeste tot spinnen en insecten behoorden.

Het team vond zelfs het eDNA van de langstaartige makakenaap, samen met termietsoorten, meerdere mieren en de gallmid, een type vlieg.

“Als we willen dat mensen de natuur beschermen, moeten we hen vertellen wat we eigenlijk beschermen — met onze oplossing hopen we het leven in de kruin beter te begrijpen.”

– Hoofdautor Kirchgeorg

Deze alternatieve manier om biodiversiteit in afgelegen habitats te bestuderen, is volgens het team cruciaal voor conservatie‑ en herstelinitiatieven. In de volgende stap zal het team zich richten op het onderzoeken hoe de penetratiediepte, de interacties van de sonde met vegetatie en de bemonsteringsduur de DNA‑concentratie van de monsters beïnvloeden.

De revolutie van drones

Drones, ook wel bekend als onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) omdat ze opereren zonder een menselijke piloot aan boord, zijn de afgelopen tien jaar aanzienlijk gegroeid en worden snel een integraal onderdeel van vele industrieën.

Gedreven door deze vraag, wordt verwacht dat de markt voor drone‑technologie zal groeien van $33,9 miljard in 2023 tot $61,2 miljard in 2029.

Deze vliegende robots komen in verschillende maten en worden ofwel op afstand bestuurd of via vooraf geprogrammeerde algoritmen, dankzij het gebruik van camera’s, sensoren, GPS‑systemen en communicatielinks.

Ze bieden kosteneffectieve oplossingen voor bedrijven dankzij hun uiteenlopende mogelijkheden, waaronder realtime beeld‑ en video‑opname, bewaking, in kaart brengen en bezorgdiensten. Het gebruik van de nieuwste technologieën zoals AI heeft de vele functionaliteiten van drones verder vergroot, waardoor geïnformeerde en tijdige besluitvorming, geavanceerde data‑analyse en autonome operaties mogelijk zijn.

Al deze mogelijkheden van drones maken ze bijzonder nuttig voor onderzoekers om gedrag van soorten, migratiepatronen en veranderingen in ecosystemen te observeren zonder de fauna te verstoren.

Tegelijkertijd maakt het feit dat deze vliegende robots gemakkelijk dichte bossen kunnen doorkruisen en boomtoppen kunnen bereiken die anders ontoegankelijk zijn, het mogelijk voor wetenschappers om voor het eerst gegevens over plantensoorten te verzamelen. En door ze over een langere periode in te zetten, kunnen veranderingen jarenlang worden gemonitord om langetermijngegevens te verzamelen die kunnen helpen bij het bestuderen en voorspellen van de impact van klimaatverandering of ontbossing.

Dit is echter slechts één van de vele toepassingen van drones. Enkele van de innovatieve toepassingen van drones zijn te zien in de landbouw, waar deze UAV’s helpen bij het monitoren van de gewasgezondheid, plagen detecteren, irrigatie beheren en opbrengsten optimaliseren.

Naast het revolutioneren van de landbouw met precisielandbouwtechnieken, kunnen drones ook worden ingezet in rampgevoelige gebieden voor zoek‑ en reddingsmissies, het leveren van essentiële voorraden en het beoordelen van schade. In noodsituaties zoals bosbranden, orkanen en aardbevingen kunnen deze drones onmisbaar zijn vanwege hun vermogen om snel gevaarlijke gebieden te doorkruisen zonder levens in gevaar te brengen.

Andere sectoren waar drones steeds vaker worden gebruikt, omvatten het doen van leveringen, het inspecteren van moeilijk bereikbare infrastructuur zoals bruggen en pijpleidingen, en het maken van gedetailleerde 3D‑modellen van bouwplaatsen of mijnen.

Al deze voorbeelden tonen de evolutie van drones, van een nieuwigheid die voornamelijk door hobbyisten of in het leger werd gebruikt, tot nu een alomtegenwoordige technologie in diverse sectoren, variërend van gezondheidszorg, bouw en milieumonitoring tot pizza‑ en medicijnafgifte, toeleveringsketen, vliegtuigonderhoud en meer.

Het groeiende gebruik en de populariteit van drones worden aangedreven door technologische vooruitgang. Bijvoorbeeld, AI‑ en ML‑algoritmen worden nu steeds vaker geïntegreerd in embedded systemen om deze machines efficiënter en slimmer te maken.

Er zijn ook laag‑energie, hoog‑presterende microcontrollers en processoren, voortkomend uit innovaties in halfgeleidertechnologie. Deze vooruitgang verhoogt de efficiëntie en duurzaamheid van drones door meer rekenkracht te bieden terwijl minder energie wordt verbruikt.

Andere belangrijke ontwikkelingen die de toepassing van drones uitbreiden, zijn draadloze communicatietechnologieën zoals 5G en IoT, die snellere en betrouwbaardere datatransmissie mogelijk maken, en real‑time besturingssystemen (RTOS) voor nauwkeurige timing en taakbeheer.

Al deze technologische vooruitgangen hebben de prestaties en mogelijkheden van drones aanzienlijk verbeterd, waardoor hun toepassing in bredere vakgebieden wordt gestimuleerd.

Bedrijven die drone‑oplossingen ontwikkelen

Laten we nu kijken naar bedrijven die voorop lopen in de ontwikkeling van drone‑technologie.

DJI is de dominante kracht in de drone‑industrie en biedt een breed scala aan consumenten-, professionele en industriële drone‑oplossingen die worden gebruikt in landbouw, landmeten en infrastructuurinspectie.

Boeing (BA ) is een andere naam voor de ontwikkeling van drones met hoge uithoudingsvermogen voor defensie‑ en commerciële toepassingen, terwijl Northrop Grumman (NOC ) betrokken is bij de ontwikkeling van UAV’s zoals de RQ‑4 Global Hawk. Lockheed Martin (LMT ) is nog een defensiegigant die betrokken is bij drone‑technologie, terwijl Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) zich uitbreidt naar commerciële sectoren.

Als we naar de landbouwsector kijken, richt de drone‑technologie van Draganfly (DPRO ) zich op AI‑gedreven analyses, in kaart brengen en noodresponsystemen. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) ontwikkelt drone‑gebaseerde oplossingen voor milieumonitoring, terwijl Parrot een grote Europese drone‑fabrikant is voor gebruik in precisielandbouw, 3D‑in kaart brengen en biodiversiteitsonderzoek.

#1. AeroVironment, Inc.

Een leider in drone‑technologie, AeroVironment (AVAV ) is gespecialiseerd in UAV’s voor militaire en commerciële toepassingen, waaronder milieumonitoring en landbouw.

Met een koers van $209 op het moment van schrijven, is de prijs van AeroVironment‑aandelen dit jaar met 65 % gestegen, waardoor de marktkapitalisatie van het bedrijf $5,865 miljard bedraagt. Het heeft een EPS van de afgelopen twaalf maanden (TTM) van 2,12, een P/E (TTM) van 98,08 en een ROE (TTM) van 8,30 %.

Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf $189,5 miljoen aan omzet, een stijging van 24,4 % jaar‑op‑jaar. De non‑GAAP winst van $0,89 per aandeel was ondertussen lager dan $1 per aandeel in hetzelfde kwartaal vorig jaar. De vrije kasstroom aan het einde van het kwartaal bedroeg $22,92 miljoen.

De “recordomzet in het eerste kwartaal” komt terwijl de drone‑fabrikant zich richt op het worden van een multimiljard‑dollar bedrijf in de komende drie tot vijf jaar, een stijging ten opzichte van $717 miljoen omzet in het fiscale jaar 2024.

Het product Switchblade staat centraal in deze ambities; het is een loiter‑munitie die zowel door de Russen als de Oekraïners wordt gebruikt. AeroVironment werkt momenteel aan het overwinnen van storingen met de nieuwste modificaties, die samen met betere training de effectiviteitsratio van Switchblade zullen verhogen tot meer dan 80 %.

Recentelijk heeft het Amerikaanse leger het bedrijf zijn grootste contract ooit toegekend, ter waarde van maximaal $990 miljoen, om Switchblade‑aankopen tot 2029 te dekken. In mei gaf het Pentagon AeroVironment ook een contract om Switchblades te bouwen voor het Replicator‑project. Ook dat is niet alles; zelfs het VK, Litouwen en Frankrijk hebben Switchblades gekocht. Volgens AeroVironment zoeken meer dan 20 landen dit vliegtuig te kopen.

#2. Trimble Inc.

Trimble biedt geospatiale en agrarische drone‑oplossingen die helpen bij gegevensverzameling, landbeheer en 3D‑in kaart brengen. Hun technologieën spelen een cruciale rol in precisielandbouw en bouwmonitoring. Hun oplossingen omvatten Trimble Geospatial, dat zich richt op informatie‑uitwisseling en productieve workflows, Trimble Agriculture, dat een FAST‑app biedt die gebruikers helpt de juiste precisielandbouwproductcombinatie voor hun landbouwbehoeften te vinden, en Trimble Reality Capture, dat 360‑graden beelden en point clouds levert.

Met een koers van $62,14 op het moment van schrijven, is de prijs van Trimble‑aandelen dit jaar met 16,82 % gestegen, waardoor de marktkapitalisatie van het bedrijf $15,175 miljard bedraagt. Het heeft een EPS van de afgelopen twaalf maanden (TTM) van 6,13, een P/E (TTM) van 10,14 en een ROE (TTM) van 30,34 %.

Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf $2,11 miljard aan jaarlijkse terugkerende omzet (ARR), een stijging van 14 %, terwijl de brutomarges 66,5 % waren en de EBITDA‑marge uitgroeide tot 24,6 %. 75 % van Trimble’s omzet kwam uit software‑diensten, en het bedrijf benadrukte de focus op AI‑oplossingen, schaal in de industrie en de vroege fasen van monetisatie. Trimble deelde ook plannen om de aandeleninkoop te hervatten. Ondertussen ondervindt het bedrijf uitdagingen op de Chinese en Japanse markten en ziet het een trage omzetherkenning in de automobielmarkt.

Deze maand heeft Trimble zijn langdurige joint venture met Caterpillar Inc. (CAT ) uitgebreid voor de distributie van grade‑control oplossingen. Eerder dit jaar, in februari, introduceerden Trimble en DroneDeploy een eersteklas positioneringsnauwkeurigheid voor reality capture vanuit drones, waardoor operators “hoog nauwkeurige kaarten” sneller en consistenter kunnen leveren, “en drones kunnen worden gebruikt in precisiegeospatiale toepassingen”.

Conclusie

Het gebruik van drones om eDNA te verzamelen in gebieden die praktisch ontoegankelijk zijn voor mensen, vormt een nieuwe spannende toepassing van UAV’s en een belangrijke stap vooruit in milieubeschermingsinspanningen. Bovendien, door gedetailleerde biodiversiteitsgegevens te leveren en de noodzaak van menselijke toegang tot gevaarlijke locaties weg te nemen, maken drones sneller, veiliger en meer uitgebreide monitoring van ecosystemen mogelijk.

Al hebben technologische innovaties de toepassingen van drones uitgebreid naar een breed scala aan sectoren, waaronder logistiek, landbouw, defensie en milieumonitoring. Nu is het klaar om het biodiversiteitsonderzoek te hervormen, wat ons kan helpen de impact van klimaatverandering aan te pakken en onze inspanningen te sturen om de biodiversiteit van de planeet te beschermen, wat cruciaal is voor mensen, het milieu en de economie.

Klik hier voor een lijst van de vijf beste drone‑bedrijven om in te investeren.