Zwitserse onderzoekers ontwikkelen drone die monsters kan nemen van boomtakken

Onderzoekers van ETH Zürich en het Zwitserse federale onderzoeksinstituut WSL hebben een drone ontwikkeld die autonoom op boomtakken kan landen om monsters te nemen. Dit opent nieuwe mogelijkheden als het gaat om onderzoek op het gebied van biodiversiteit. Het bleek echter een hele uitdaging om de drone stabiel neer te zetten op takken die doorbuigen tijdens het landen.

Biodiversiteit in kaart brengen

Ecologen maken steeds vaker gebruik van sporen van genetisch materiaal dat is achtergelaten door levende organismen in het milieu, het zogenaamde environment DNA (eDNA), om de biodiversiteit in kaart te brengen en te monitoren. Aan de hand van deze DNA-sporen kunnen onderzoekers bepalen welke soorten in een bepaald gebied voorkomen.

Het verkrijgen van monsters uit water of bodem is eenvoudig, maar andere habitats – zoals het bladerdak – zijn moeilijk toegankelijk voor onderzoekers. Als gevolg hiervan blijven veel soorten onopgemerkt in gebieden die oppervlakkig worden onderzocht. Dat was aanleiding voor onderzoekers van ETH Zürich en het Zwitserse Federale Instituut voor Bos-, Sneeuw- en Landschapsonderzoek WSL om in samenwerking met het bedrijf SPYGEN een speciale drone te ontwikkelen die autonoom monsters kan verzamelen op boomtakken.

DNA-materiaal verzamelen

De drone is voorzien van plakstrips. Wanneer het toestel op een tak landt, kleeft materiaal van de tak aan deze stroken. Onderzoekers kunnen vervolgens in het laboratorium DNA extraheren, analyseren en genetische overeenkomsten van de verschillende organismen herkennen met behulp van databasevergelijkingen.

Maar niet alle takken zijn hetzelfde: ze variëren qua dikte en elasticiteit. Takken buigen door en veren terug wanneer een drone erop landt. De drone zo programmeren dat deze autonoom een tak kan naderen en er lang genoeg stabiel op kan blijven staan om monsters te nemen, was een grote uitdaging voor de robotici.

“Het landen op takken vereist een complexe besturing”, legt Stefano Mintchev, hoogleraar milieurobotica aan de ETH Zürich en WSL, uit. “Aanvankelijk weet de drone niet hoe flexibel een tak is, dus hebben we hem voorzien van een krachtgevoelige kooi. Hierdoor kan de drone deze factor ter plekke meten en hierop anticiperen in zijn landingsmanoeuvre.”

Testen

Onderzoekers hebben hun nieuwe apparaat getest op zeven boomsoorten. In de monsters vonden ze DNA van 21 verschillende groepen organismen, of taxa, waaronder vogels, zoogdieren en insecten. „Dit is bemoedigend, omdat het aantoont dat de verzameltechniek werkt”, zegt Mintchev, die co-auteur is van het onderzoek dat zojuist is verschenen in het tijdschrift Science Robotics.

De onderzoekers willen hun drone nu verder verbeteren om hem klaar te maken voor een wedstrijd waarin het doel is om in 24 uur tijd zoveel mogelijk verschillende soorten te detecteren in 100 hectare regenwoud in Singapore.

Om de efficiëntie van de drone te testen onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die tijdens de wedstrijd, werken Mintchev en zijn team momenteel in het Masoala-regenwoud van de dierentuin van Zürich. “Hier hebben we het voordeel dat we weten welke soorten aanwezig zijn, wat ons zal helpen om beter te beoordelen hoe grondig we zijn in het vastleggen van alle eDNA-sporen met deze techniek of dat we iets missen”, zegt Mintchev.

Voor dit evenement moet het verzamelapparaat echter efficiënter worden en sneller mobiliseren. Bij de tests in Zwitserland verzamelde de drone in drie dagen materiaal van zeven bomen; in Singapore moet het in staat zijn om op één dag naar tien keer zoveel bomen te vliegen en monsters te nemen.

Het verzamelen van monsters in een natuurlijk regenwoud stelt de onderzoekers echter voor nog grotere uitdagingen. Frequente regen spoelt eDNA van oppervlakken, terwijl wind en wolken de werking van de drone belemmeren. „We zijn dan ook heel benieuwd of onze bemonsteringsmethode zich ook onder extreme omstandigheden in de tropen gaat bewijzen”, zegt Mintchev.

(bron: ETH Zurich)