Droner som samler DNA fra tretopper i en ny tilnærming til bevaringsarbeid

For å ha et sunt økosystem trenger vi biologisk mangfold, da det støtter alt liv på jorden, inkludert mennesker. Uten et mangfold av mikroorganismer, planter og dyr kan vi rett og slett ikke ha et balansert miljø.

Biologisk mangfold gir økosystemtjenester som ren luft, ferskvann og flomkontroll, som er avgjørende for menneskers velvære. Det støtter også matsikkerhet, bidrar til karbonlagring, avgifter og nedbryter avfall, øker motstandskraften hos organismer, og hjelper med å regulere sykdom. Genene i planter og dyr brukes også til å utvikle medisiner og farmasøytiske produkter.

Så det er klart at vi trenger en bedre forståelse av biologisk mangfold. Et kraftig verktøy for å studere biologisk mangfold i skoger og tretoppkroner er analysen av miljø‑DNA (eDNA). Å samle eDNA‑prøver er imidlertid ikke enkelt i så høye og komplekse miljøer.

Tradisjonelt har arbeidsintensive metoder som å rulle trær eller overflateprøvetaking blitt brukt for å utføre oppgaven. Å stole på satellittbilder eller bruke kraner for å studere områder krevde ikke bare betydelige innsats for å oppnå tilstrekkelig dekning, men manglet også presisjon.

Men ikke lenger. Droner er klare til å forandre situasjonen ved å tilby nærbilder, høyoppløselig avbildning og datainnsamlingsmuligheter.

En ny studie foreslo å bruke ubemannede luftfartøy (UAV) for å utforske biologisk mangfold i tretopper, spesielt i avsidesliggende og utilgjengelige områder. Dette betyr at droner vil utføre jobben trygt uten at folk må gå til vanskelig tilgjengelige områder som tropiske regnskoger for å samle genetisk materiale fra tretoppene, samtidig som de hjelper oss med å få en dypere forståelse av biologisk mangfold.

Innsamling av eDNA ved hjelp av droner

eDNA finnes i biologiske stoffer som slim, avføring og døde hudceller, og har blitt brukt til å undersøke biologisk mangfold i flere tiår nå. Brukt til å katalogisere og overvåke biologisk mangfold, hjelper DNA-spor forskere med å fastslå hvilke arter som er til stede i et bestemt område.

Tidlig i fjor brukte forskere fra ETH Zürichs forskningsinstitutt denne teknikken for å finne ut akkurat hvilke arter som bruker skogskronen til å bygge sine hjem.

For å bygge denne spesielle dronen som har evnen til selv å samle prøver på tregrener, samarbeidet forskere ved ETH Zürich sammen med de fra det sveitsiske føderale forskningsinstituttet WSL med selskapet SPYGEN.

Flyet ble utstyrt med klebende strimler på undersiden. UAV-en ble forsiktig senket ned på grenene, og når generisk materiale ble overført fra grenene til disse klebemidlene, ble det deretter analysert.

Men greiner varierer i tykkelse og elastisitet. Å få flyet til å nærme seg en gren og forbli stabil for å ta prøver viste seg å være en stor utfordring for forskerne.

“Landing på greiner krever kompleks kontroll.”

– Stefano Mintchev, professor i miljørobotikk ved ETH Zürich og WSL på den tiden

Derfor utstyrte teamet dronen med et kraftfølsomt bur, som tillot flyet å måle grenens fleksibilitet og bruke dette til å bevege seg. Enheten ble deretter testet på syv treslag, og prøvene viste DNA fra 21 ulike grupper av organismer, inkludert fugler, insekter og pattedyr.

Selv om dette er et enklere, raskere og tryggere alternativ til å sende biologer høyt opp i tretoppene, er ikke engang denne metoden helt risikofri.

Når dronen brukes, er det en risiko for ikke bare å skade treet, men også dronen selv i tilfelle en utilsiktet hard kollisjon. I tillegg er det en begrensning i å samle prøver kun fra greiner som dronen lander på. Så selv om resultatene har vært “oppmuntrende”, må dronen forbedres.

Et forbedret system for å studere biologisk mangfold

Nå har forskere fra ETH Zürich laget et nytt, spesialdesignet robotsystem. Denne nye tilnærmingen for UAV-er til å samle eDNA i tretoppkroner bruker en overflateprøvetakingsteknikk.

Ledet av Steffen Kirchgeorg, en robotikk PhD‑student ved ETH Zürich, utviklet studien et prøvetakingssystem med en flat stoffprobe. Stoffstykket er faktisk kuttet til en sirkel, lik en kaffefilter, og festet med glassfiberstrimler for å gi struktur.

Proben senkes ned på en line fra et løfteutstyr montert på quadcopterens underside. På denne måten holdes dronen utenfor vegetasjonen.

Dronen var også utstyrt med en sensor som hindrer probenes line i å vikle seg rundt greiner. Forskerne programmerte systemet til å automatisk endre posisjon ved å oppdage en kollisjon.

Slik det fungerer er at UAV-en svever trygt over tretoppene. Proben senkes deretter gjennom løvet hvor den berører blader og greiner. Når eDNA er samlet, kan proben fjernes for at innholdet skal analyseres etterpå.

Eksperimentet ble utført i en regnskog i Sørøst‑Asia, hvor dronen ble fjernstyrt av Kirchgeorg og kolleger via en live‑strøm fra dens innebygde kamera. Dronen ble fløyet utenfor synslinjen for å samle ti prøver fra skogskronen.

Effektiviteten av den nye tilnærmingen ble demonstrert under XPRIZE Rainforest‑semifinalene, hvor teamet avslørte at de fant eDNA fra 152 ulike arter i disse prøvene, hvorav de fleste tilhørte edderkopper og insekter.

Teamet fant til og med eDNA fra den langhalede makakapen sammen med termittarter, flere maur og gallemidgen, som er en type flue.

“Hvis vi vil at folk skal beskytte naturen, må vi fortelle dem hva vi faktisk beskytter — med vår løsning håper vi å bedre forstå livet i kronen.”

– Hovedforfatter Kirchgeorg

Dette alternativet til å studere biologisk mangfold i fjerne habitater er, ifølge teamet, kritisk for bevarings‑ og restaureringsinitiativer. I neste steg vil teamet fokusere på å undersøke hvordan penetrasjonsdybde, probens interaksjon med vegetasjon og prøvetakingsvarighet påvirker DNA‑konsentrasjonen i prøvene.

Revolusjoneringen av droner

Droner, som også er kjent som ubemannede luftfartøy (UAV) fordi de opererer uten en menneskelig pilot ombord, har vokst betydelig de siste ti årene og blir raskt en integrert del av mange industrier.

Drevet av denne etterspørselen forventes drone‑teknologimarkedet å vokse fra $33,9 milliarder i 2023 til $61,2 milliarder i 2029.

Disse flygende robotene kommer i ulike størrelser og styres enten fjernstyrt eller gjennom forhåndsprogrammerte algoritmer ved hjelp av kameraer, sensorer, GPS‑systemer og kommunikasjonslenker.

De gir kostnadseffektive løsninger til bedrifter gjennom sine varierte evner, som inkluderer sanntidsbilde‑ og videoinnsamling, overvåkning, kartlegging og leveransetjenester. Bruken av den nyeste teknologien som AI har ytterligere forbedret mange av dronenes funksjoner, og muliggjør informerte og tidsriktige beslutninger, avansert dataanalyse og autonome operasjoner.

Alle disse evnene gjør droner spesielt nyttige for å hjelpe forskere med å observere artsatferd, migrasjonsmønstre og økosystemendringer uten å forstyrre dyrelivet.

Samtidig gjør det faktum at disse flygende robotene enkelt kan navigere i tette skoger og nå tretopper som ellers er utilgjengelige, det mulig for forskere å samle data om plantearter for første gang. Ved å holde dem i drift over tid kan endringer overvåkes i flere år for å samle langsiktige data som kan hjelpe med å studere og forutsi virkningen av klimaendringer eller avskoging.

Dette er imidlertid bare ett av mange tilfeller av dronebruk. Noen av de innovative anvendelsene av droner ses i landbruket hvor disse UAV‑ene hjelper med å overvåke avlingshelse, oppdage skadedyr, styre vanning og optimalisere avkastning.

I tillegg til å revolusjonere jordbruket med presisjonslandbruksteknikker, kan droner også settes inn i katastrofeutsatte områder for søk‑ og redningsoppdrag, levere nødvendige forsyninger og vurdere skader. I nødsituasjoner som skogbranner, orkaner og jordskjelv kan disse dronene være uunnværlige på grunn av deres evne til raskt å navigere i farlige områder uten å sette liv i fare.

Andre industrier hvor droner brukes i økende grad inkluderer levering, inspeksjon av vanskelig tilgjengelig infrastruktur som broer og rørledninger, og å lage detaljerte 3D‑modeller av byggeplasser eller gruver.

Alle disse eksemplene viser utviklingen av droner fra å være en nyhet, primært brukt av hobbyister eller i militæret, til nå å gjennomsyre ulike sektorer fra helsevesen, bygg og miljøovervåkning til pizza‑ og medikamentlevering, forsyningskjeder, flyvedlikehold og mer.

Den økende bruken og populariteten til droner drives av teknologiske fremskritt. For eksempel blir AI‑ og ML‑algoritmer nå i økende grad integrert i innebygde systemer for å gjøre disse maskinene mer effektive og smartere.

Det finnes også lavstrøm, høyytelses mikrokontrollere og prosessorer, som følge av innovasjoner innen halvlederteknologi. Disse fremskrittene øker effektiviteten og holdbarheten til droner ved å gi mer datakraft samtidig som de bruker mindre energi.

Andre viktige fremskritt som hjelper med å utvide droneapplikasjoner har vært trådløse kommunikasjonsteknologier som 5G og IoT for å muliggjøre raskere og mer pålitelig datatransmisjon, samt sanntidsoperativsystemer (RTOS) for presis timing og oppgavehåndtering.

Alle disse teknologiske fremskrittene har betydelig forbedret ytelsen og kapasiteten til droner, og bidrar til å drive deres anvendelse i bredere felt.

Selskaper som utvikler droneløsninger

La oss nå se på selskaper som er i frontlinjen av utviklingen av droneteknologi.

DJI er den dominerende kraften i dronemarkedet, og tilbyr et bredt spekter av forbruker‑, profesjonelle og industrielle droneløsninger som brukes innen landbruk, kartlegging og inspeksjon av infrastruktur.

Boeing (BA ) er et annet navn for utvikling av høyutholdende droner for forsvar og kommersielle bruksområder, mens Northrop Grumman (NOC ) er involvert i utviklingen av UAV‑er som RQ‑4 Global Hawk. Lockheed Martin (LMT ) er enda et forsvars­gigant involvert i droneteknologi, mens Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) utvider seg inn i kommersielle sektorer.

Hvis vi ser på landbruksindustrien, fokuserer Draganfly (DPRO ) droneteknologi på AI‑drevne analyser, kartlegging og nødhåndteringssystemer. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) lager droneløsninger for miljøovervåkning, mens Parrot er en stor europeisk dronprodusent for bruk i presisjonslandbruk, 3D‑kartlegging og forskning på biologisk mangfold.

#1. AeroVironment, Inc.

En leder innen droneteknologi, AeroVironment (AVAV ) spesialiserer seg på UAV‑er for militære og kommersielle applikasjoner, inkludert miljøovervåkning og landbruk.

Handlet til $209 på tidspunktet for skrivingen, har prisen på AeroVironment‑aksjer steget 65 % i år, og selskapets markedsverdi er nå $5,865 milliarder. Den har en EPS for de siste tolv månedene (TTM) på 2,12, en P/E (TTM) på 98,08, og en ROE (TTM) på 8,30 %.

For Q2 2024 rapporterte selskapet $189,5 millioner i inntekter, opp 24,4 % år for år. Ikke‑GAAP‑overskuddet på $0,89 per aksje var derimot ned fra $1 per aksje i samme kvartal i fjor. Fri kontantstrøm ved kvartalets slutt var $22,92 millioner.

Den “rekordhøye inntekten i første kvartal” kommer ettersom dronprodusenten fokuserer på å bli et milliardbedrift i løpet av de neste tre til fem årene, opp fra $717 millioner i inntekter i regnskapsåret 2024.

Produktet deres, Switchblade, er sentralt i disse ambisjonene; det er en loitering‑munisjon som brukes av både russere og ukrainere. AeroVironment jobber for tiden med å overvinne jamming med de nyeste modifikasjonene, som sammen med bedre trening vil øke Switchblade sin effektivitet over 80 %.

Nylig ga den amerikanske hæren selskapet sin største kontrakt noensinne, verdt opptil $990 millioner, for å dekke Switchblade‑kjøp gjennom 2029. I mai ga Pentagon også AeroVironment en kontrakt for å bygge Switchblades til sitt Replicator‑prosjekt. Dette er ikke alt; selv Storbritannia, Litauen og Frankrike har kjøpt Switchblades. Ifølge AeroVironment søker mer enn 20 land å kjøpe dette luftfartøyet.

#2. Trimble Inc.

Trimble tilbyr geospatiale og landbruksmessige droneløsninger som hjelper med datainnsamling, arealforvaltning og 3D‑kartlegging. Deres teknologier spiller en kritisk rolle i presisjonslandbruk og byggeovervåkning. Løsningene deres inkluderer Trimble Geospatial som fokuserer på informasjonsutveksling og produktive arbeidsflyter, Trimble Agriculture som tilbyr en FAST‑app som hjelper brukere med å finne riktig kombinasjon av presisjonslandbruksprodukter for deres behov, og Trimble Reality Capture som leverer 360‑graders bilder og punktskyer.

Handlet til $62,14 på tidspunktet for skrivingen, har prisen på Trimble‑aksjer steget 16,82 % i år, noe som gir selskapets markedsverdi $15,175 milliarder. Den har en EPS for de siste tolv månedene (TTM) på 6,13, en P/E (TTM) på 10,14, og en ROE (TTM) på 30,34 %.

For Q2 2024 rapporterte selskapet $2,11 milliarder i årlig tilbakevendende inntekt (ARR), en økning på 14 %, mens bruttofortjenesten var 66,5 % og en utvidet EBITDA‑margin på 24,6 %. 75 % av Trimbles inntekter kom fra programvaretjenester, og selskapet la vekt på fokus på AI‑løsninger, industriell skala og de tidlige fasene av kommersialisering. Trimble delte også planer om å gjenoppta aksjetilbakekjøp. Samtidig møter selskapet utfordringer i de kinesiske og japanske markedene og ser langsom inntektsføring i bilmarkedet.

Denne måneden utvidet Trimble sitt langvarige joint venture med Caterpillar Inc. (CAT ) for distribusjon av grade control‑løsninger. Tidligere i år, i februar, introduserte Trimble og DroneDeploy førsteklasses posisjonsnøyaktighet for realitetsfangst fra droner, noe som vil tillate operatører å “levere svært nøyaktige kart” raskere og mer konsistent, “og gjør det mulig å bruke droner i presisjonsgeospatiale applikasjoner”.

Konklusjon

Bruken av droner for å samle eDNA i områder som praktisk talt er utilgjengelige for mennesker, markerer enda en spennende anvendelse av UAV‑er og et betydelig skritt fremover i miljøverninnsatsen. Ved å levere detaljerte data om biologisk mangfold samtidig som behovet for menneskelig tilgang til farlige steder fjernes, gjør droner det mulig å overvåke økosystemer raskere, tryggere og mer omfattende.

Allerede har teknologiske innovasjoner utvidet dronens anvendelser til et bredt spekter av industrier, inkludert logistikk, landbruk, forsvar og miljøovervåkning. Nå er den klar til å omforme forskningen på biologisk mangfold som kan hjelpe oss med å takle virkningen av klimaendringer og lede våre innsats for å beskytte planetens biologiske mangfold, som er kritisk for mennesker, miljøet og økonomien.

Klikk her for en liste over fem beste droneselskaper å investere i.