Droner som samlar DNA från trädtoppar i ett nytt tillvägagångssätt för bevarandeinsatser

För att ha ett hälsosamt ekosystem behöver vi biologisk mångfald, eftersom den stödjer allt liv på jorden, inklusive människor. Utan en variation av mikroorganismer, växter och djur kan vi helt enkelt inte ha en balanserad miljö.

Biologisk mångfald tillhandahåller ekosystemtjänster såsom ren luft, färskvatten och översvämningshantering, vilka är avgörande för människors välbefinnande. Den stödjer också livsmedelssäkerhet, hjälper till med koldioxidlagring, avgiftar och bryter ner avfall, ökar organismers motståndskraft och hjälper till att reglera sjukdomar. Generna i växter och djur används dessutom för att utveckla läkemedel och farmaceutiska produkter.

Så det är tydligt att vi behöver en bättre förståelse av biologisk mångfald. Ett kraftfullt verktyg för att studera biologisk mångfald i skogar och trädtoppar är analysen av miljö‑DNA (eDNA). Att samla in eDNA‑prov är dock inte enkelt i så höga och komplexa miljöer.

Traditionellt har arbetsintensiva metoder som trädrullning eller ytvättning använts för att utföra uppgiften. Att förlita sig på satellitbilder eller använda kranar för att studera områden krävde inte bara betydande ansträngningar för att uppnå tillräcklig täckning utan saknade också precision.

Men inte längre. Droner är redo att förändra situationen genom att erbjuda närbilder, högupplösta bilder och datainsamlingsmöjligheter.

En ny studie föreslog att använda obemannade luftfarkoster (UAV) för att utforska biologisk mångfald i trädtoppar, särskilt i avlägsna och otillgängliga områden. Detta innebär att droner utför jobbet säkert utan att människor behöver gå till svåråtkomliga områden som tropiska regnskogar för att samla in genetiskt material från trädtoppar, samtidigt som de hjälper oss att få en djupare förståelse av biologisk mångfald.

Gathering eDNA Using Drones

eDNA finns i biologiska ämnen såsom slem, avföring och döda hudceller och har använts för att undersöka biologisk mångfald i flera decennier. Använd för att katalogisera och övervaka biologisk mångfald hjälper DNA-spåren forskare att avgöra vilka arter som finns i ett specifikt område.

Tidigt förra året använde forskare från ETH Zürich forskningsinstitut denna teknik för att ta reda på exakt vilka arter som använder skogens lövverk för att bygga sina hem.

För att bygga denna speciella drönare som kan samla in prover på trädgrenar på egen hand samarbetade forskare vid ETH Zürich tillsammans med de från det schweiziska federala forskningsinstitutet WSL med företaget SPYGEN.

Flygplanet utrustades med självhäftande remsor på undersidan. UAV:n sänktes försiktigt ner på grenarna och när generellt material överfördes från grenarna till dessa klister, analyserades det.

Men grenarna varierar i tjocklek och elasticitet. Att låta flygplanet närma sig en gren och förbli stabil för att framgångsrikt ta prover visade sig vara en stor utmaning för forskarna.

“Att landa på grenar kräver komplex kontroll.”

– Stefano Mintchev, professor i miljörobotik vid ETH Zürich och WSL vid den tiden

Så monterade teamet ett kraftkänsligt bur på drönaren, vilket gjorde att flygplanet kunde mäta grenens flexibilitet och använda det för att röra sig. Enheten testades sedan på sju trädarter, och proverna visade DNA från 21 olika organismgrupper, inklusive fåglar, insekter och däggdjur.

Även om detta är ett enklare, snabbare och säkrare alternativ till att skicka biologer högt upp i trädtopparna, är inte ens denna metod helt riskfri.

När drönaren används finns risken att inte bara skada trädet utan även drönaren själv vid en oavsiktlig hård kollision. Dessutom är insamlingen begränsad till endast de grenar där drönaren landar. Så även om resultaten har varit “uppmuntrande” måste drönaren förbättras.

An Improved System to Study Biodiversity

Nu har forskare från ETH Zürich skapat ett nytt, specialdesignat robotsystem. Detta nya tillvägagångssätt för UAV:er att samla in eDNA i trädens lövverk använder en ytvättningsteknik.

Under ledning av Steffen Kirchgeorg, en doktorand i robotik vid ETH Zürich, utvecklade studien ett provtagningssystem med en platt tygprobe. Fleeceklädet är faktiskt skuret till en cirkel, likt en kaffefilter, och fästs med glasfiberspår för att ge struktur.

Proben sänks ner på ett linfäste från en lyftanordning monterad på quadcopterens undersida. På så sätt hålls drönaren borta från vegetationen.

Drönaren utrustades också med en sensor som förhindrar att probens linfäste trasslar sig i grenar. Forskarnas programmerade systemet att automatiskt ändra position vid upptäckt av en kollision.

Så fungerar det: UAV:n svävar säkert ovanför trädtopparna. Proben sänks sedan genom lövverket där den gnider mot blad och grenar. När eDNA har samlats in kan proben tas bort för att dess innehåll därefter analyseras.

Experimentet utfördes i en regnskog i Sydostasien, där drönaren fjärrstyrdes av Kirchgeorg och kollegor via en live‑feed från dess ombordskamera. Drönaren flög utom synhåll för att samla in tio prover från skogens lövverk.

Effektiviteten av det nya tillvägagångssättet demonstrerades under XPRIZE Rainforest Semi-Finals, där teamet avslöjade att de fann eDNA från 152 olika arter i dessa prover, varav de flesta tillhörde spindlar och insekter.

Teamet fann till och med eDNA från den långsvansade makakapanen tillsammans med termitarter, flera myror och gallmidgen, som är en typ av fluga.

“Om vi vill att människor ska skydda naturen måste vi berätta vad vi faktiskt skyddar — med vår lösning hoppas vi bättre förstå livet i lövverket.”

– Huvudförfattare Kirchgeorg

Detta alternativ för att studera biologisk mångfald i avlägsna livsmiljöer är enligt teamet avgörande för bevarande- och återställningsinitiativ. I nästa steg kommer teamet att fokusera på att undersöka hur penetrationsdjup, probens interaktion med vegetation och provtagningslängd påverkar provens DNA‑koncentration.

Dronernas revolution

Droner, som också kallas obemannade luftfarkoster (UAV) eftersom de opererar utan en mänsklig pilot ombord, har vuxit avsevärt under det senaste decenniet och blir snabbt en integrerad del av många industrier.

Drivet av denna efterfrågan förväntas drönarmarknaden växa från 33,9 miljarder dollar 2023 till $61,2 miljarder år 2029.

Dessa flygande robotar finns i olika storlekar och styrs antingen på distans eller via förprogrammerade algoritmer tack vare användning av kameror, sensorer, GPS-system och kommunikationslänkar.

De erbjuder kostnadseffektiva lösningar till företag genom sina varierande funktioner, som inkluderar realtidsbild- och videoinspelning, övervakning, kartläggning och leveranstjänster. Användningen av den senaste tekniken som AI har ytterligare förstärkt drönarnas många funktioner, vilket möjliggör informerade och snabba beslutsfattanden, avancerad dataanalys och autonoma operationer.

Alla dessa drönarfunktioner gör dem särskilt fördelaktiga för att hjälpa forskare att observera artbeteenden, migrationsmönster och ekosystemförändringar utan att störa djurlivet.

Samtidigt gör det faktum att dessa flygande robotar enkelt kan navigera i täta skogar och nå trädtoppar som annars är oåtkomliga, det möjligt för forskare att samla in data om växtarter för första gången. Genom att hålla dem i drift över tid kan förändringar övervakas i åratal för att samla in långsiktiga data som kan hjälpa till att studera och förutsäga effekterna av klimatförändringar eller avskogning.

Detta är dock bara ett av många exempel på drönaranvändning. Några av de innovativa tillämpningarna av droner ses inom jordbruk där dessa UAV:er hjälper till att övervaka grödors hälsa, upptäcker skadedjur, hanterar bevattning och optimerar avkastning.

Förutom att revolutionera jordbruket med precisionsjordbrukstekniker kan droner också användas i katastrofriskområden för sök- och räddningsuppdrag, leverans av nödvändiga förnödenheter och bedömning av skador. Vid nödsituationer som skogsbränder, orkaner och jordbävningar kan dessa droner vara ovärderliga tack vare deras förmåga att snabbt navigera i farliga områden utan att riskera liv.

Andra industrier där droner används alltmer inkluderar leveranser, inspektion av svårtillgänglig infrastruktur såsom broar och pipelines samt skapande av detaljerade 3D-modeller av byggarbetsplatser eller gruvor.

Alla dessa exempel visar drönarnas utveckling från att vara en nyhet, främst använd av hobbyister eller i militären, till att nu genomsyra olika sektorer från hälso- och sjukvård, byggnation och miljöövervakning till pizza- och medicinleveranser, leveranskedjor, flygplansunderhåll och mer.

Den ökande användningen och populariteten för droner drivs av tekniska framsteg. Till exempel integreras AI‑ och ML‑algoritmer i allt högre grad i inbyggda system för att göra dessa maskiner mer effektiva och smartare.

Det finns också lågströms, högpresterande mikrokontroller och processorer, resultatet av innovationer inom halvledarteknik. Dessa framsteg ökar drönarnas effektivitet och hållbarhet genom att erbjuda mer beräkningskraft samtidigt som de förbrukar mindre energi.

Andra viktiga framsteg som hjälper till att expandera drönaranvändning har varit trådlösa kommunikationsteknologier som 5G och IoT för att möjliggöra snabbare och mer pålitlig datatransmission samt realtidsoperativsystem (RTOS) för exakt timing och uppgiftshantering.

Alla dessa teknologiska framsteg har avsevärt förbättrat drönarnas prestanda och kapacitet, vilket hjälper till att driva deras tillämpning inom bredare områden.

Företag som utvecklar drönarlösningar

Låt oss nu titta på företag som ligger i framkant av drönarteknikutvecklingen.

DJI är den dominerande kraften i drönarindustrin och erbjuder ett brett sortiment av konsument-, professionella och industriella drönarlösningar som används inom jordbruk, kartläggning och infrastruktursinspektion.

Boeing (BA ) är ett annat namn för att utveckla drönare med hög uthållighet för försvars- och kommersiella användningar, medan Northrop Grumman (NOC ) är involverade i utvecklingen av UAV:er som RQ-4 Global Hawk. Lockheed Martin (LMT ) är ytterligare en försvarsjätte som är involverad i drönarteknik medan Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) expanderar till kommersiella sektorer.

Om vi ser på jordbruksindustrin fokuserar Draganfly (DPRO ) drönarteknik på AI‑driven analys, kartläggning och nödsystem. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) skapar drönarbaserade lösningar för miljöövervakning medan Parrot är en stor europeisk drönartillverkare för användning i precisionsjordbruk, 3D‑kartläggning och forskning om biologisk mångfald.

Dags att gå djupare in på ett par framstående namn:

#1. AeroVironment, Inc.

En ledare inom drönarteknik, AeroVironment (AVAV ) specialiserar sig på UAV:er för militära och kommersiella tillämpningar, inklusive miljöövervakning och jordbruk.

Handlas till $209 vid skrivande stund, har priset på AeroVironments aktier stigit 65 % i år, vilket ger företagets börsvärde $5,865 miljarder. Det har en EPS för de senaste tolv månaderna (TTM) på 2,12, ett P/E‑tal (TTM) på 98,08 och ett ROE (TTM) på 8,30 %.

För Q2 2024 rapporterade företaget $189,5 miljoner i intäkter, upp 24,4 % år för år. Den icke‑GAAP‑vinsten på $0,89 per aktie var samtidigt lägre än $1 per aktie samma kvartal förra året. Dess fria kassaflöde i slutet av kvartalet var $22,92 miljoner.

Den “rekordhöga intäkten för första kvartalet” kommer när drönartillverkaren fokuserar på att bli ett multibiljardföretag inom de kommande tre till fem åren, upp från $717 miljoner i intäkter under räkenskapsåret 2024.

Dess produkt, Switchblade, är central för dessa ambitioner; det är en loiterande ammunition som används av både ryssarna och ukrainarna. AeroVironment arbetar för närvarande med att övervinna störningar med de senaste modifieringarna, vilket tillsammans med bättre utbildning kommer att öka Switchblades effektivitet över 80 %.

Nyligen gav den amerikanska armén företaget dess största kontrakt någonsin, värt upp till $990 miljoner, för att täcka Switchblade‑inköp fram till 2029. I maj gav Pentagon också AeroVironment ett kontrakt för att bygga Switchblades för sitt Replicator‑projekt. Det är inte allt, även Storbritannien, Litauen och Frankrike har köpt Switchblades. Enligt AeroVironment söker mer än 20 länder att köpa detta flygplan.

#2. Trimble Inc.

Trimble erbjuder geospatiala och jordbruksmässiga drönarlösningar som hjälper till med datainsamling, markförvaltning och 3D‑kartläggning. Deras teknik spelar en avgörande roll i precisionsjordbruk och byggnadsövervakning. Deras lösningar inkluderar Trimble Geospatial som fokuserar på informationsutbyte och produktiva arbetsflöden, Trimble Agriculture som erbjuder en FAST‑app som hjälper användare att hitta rätt kombination av precisionsjordbruksprodukter för deras odlingsbehov, samt Trimble Reality Capture som erbjuder 360‑graders bilder och punktmoln.

Handlas till $62,14, vid skrivande stund har priset på Trimble‑aktier stigit 16,82 % i år, vilket ger företagets börsvärde $15,175 miljarder. Det har en EPS för de senaste tolv månaderna (TTM) på 6,13, ett P/E‑tal (TTM) på 10,14 och ett ROE (TTM) på 30,34 %.

För Q2 2024 rapporterade företaget $2,11 miljarder i årlig återkommande intäkt (ARR), en ökning med 14 %, medan bruttomarginalerna var 66,5 % och en utökad EBITDA‑marginal på 24,6 %. 75 % av Trimbles intäkter kom från mjukvarutjänster, och företaget betonade fokus på AI‑lösningar, industriskala och de tidiga stegen i intäktsgenerering. Trimble delade också planer på att återuppta återköp av aktier. Samtidigt står företaget inför utmaningar på de kinesiska och japanska marknaderna och ser en långsam intäktsredovisning inom bilindustrin.

Denna månad förlängde Trimble sitt långvariga joint venture med Caterpillar Inc. (CAT ) för distribution av grade‑kontrolllösningar. Tidigare i år, i februari, introducerade Trimble och DroneDeploy förstklassig positionsnoggrannhet för verklighetsfångst från drönare, vilket gör att operatörer kan “leverera mycket exakta kartor” snabbare och mer konsekvent, “möjliggör att drönare används i precisionsgeospatiala tillämpningar”.

Slutsats

Användningen av drönare för att samla in eDNA i områden som praktiskt taget är oåtkomliga för människor markerar ännu ett spännande tillämpningsområde för UAV:er och ett betydande steg framåt i miljöskyddsinsatser. Genom att tillhandahålla detaljerade data om biologisk mångfald samtidigt som behovet av mänsklig åtkomst till farliga platser elimineras, möjliggör drönare snabbare, säkrare och mer omfattande övervakning av ekosystem.

Redan har tekniska innovationer utökat drönaranvändningen till en mängd olika industrier, inklusive logistik, jordbruk, försvar och miljöövervakning. Nu är de redo att omforma forskningen om biologisk mångfald som kan hjälpa oss att bemöta klimatförändringarnas effekter och leda våra ansträngningar att skydda planetens biologiska mångfald, vilket är avgörande för människor, miljön och ekonomin.

Klicka här för en lista över fem bästa drönarföretag att investera i.