Drohnen werden die Biodiversitätsforschung revolutionieren, indem sie Nahaufnahmen, hochauflösende Bildgebung und Datenerfassungsfunktionen bieten

Für ein gesundes Ökosystem brauchen wir die biologische Vielfalt, denn sie unterstützt alles Leben auf der Erde, auch den Menschen. Ohne eine Vielfalt an Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren können wir einfach keine ausgeglichene Umwelt haben.

To maintain a healthy ecosystem, we need biodiversity, as it supports all life on Earth, including humans. Without a variety of microorganisms, plants, and animals, we simply can't have a balanced environment.

Um ein gesundes Ökosystem zu erhalten, brauchen wir die Artenvielfalt, denn sie unterstützt alles Leben auf der Erde, auch den Menschen. Ohne eine Vielfalt an Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren können wir einfach keine ausgeglichene Umwelt haben.

Biodiversity provides ecosystem services such as clean air, freshwater, and flood management, which are crucial to human well-being. It also supports food security, helps in carbon sequestration, detoxifies and decomposes waste, enhances resilience in organisms, and helps regulate disease. The genes in plants and animals are even used to develop medicines and pharmaceuticals.

Die biologische Vielfalt stellt Ökosystemleistungen wie saubere Luft, Süßwasser und Hochwassermanagement bereit, die für das menschliche Wohlergehen von entscheidender Bedeutung sind. Es unterstützt auch die Ernährungssicherheit, hilft bei der Kohlenstoffbindung, entgiftet und zersetzt Abfälle, erhöht die Widerstandsfähigkeit von Organismen und hilft bei der Regulierung von Krankheiten. Die Gene von Pflanzen und Tieren werden sogar zur Entwicklung von Medikamenten und Pharmazeutika genutzt.

So, it's clear that we need a better understanding of biodiversity. A powerful tool to study biodiversity in forests and tree canopies is the analysis of environmental DNA (eDNA). However, collecting the samples of eDNA isn't easy in such high and complex environments.

Es ist also klar, dass wir ein besseres Verständnis der biologischen Vielfalt brauchen. Ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Artenvielfalt in Wäldern und Baumkronen ist die Analyse der Umwelt-DNA (eDNA). Allerdings ist das Sammeln von eDNA-Proben in so hohen und komplexen Umgebungen nicht einfach.

Traditionally, labor-intensive approaches like tree rolling or surface swabbing have been used to achieve the task. Relying on satellite imagery or using cranes to study regions not only required significant efforts to reach sufficient coverage but also lacked precision.

Traditionell wurden zur Lösung dieser Aufgabe arbeitsintensive Ansätze wie Baumwalzen oder Oberflächenabwischen eingesetzt. Sich auf Satellitenbilder zu verlassen oder Kräne zur Untersuchung von Regionen zu verwenden, erforderte nicht nur erhebliche Anstrengungen, um eine ausreichende Abdeckung zu erreichen, sondern es mangelte auch an Präzision.

But not anymore. Drones are all set to transform the situation by providing close-up, high-resolution imaging and data collection capabilities.

Aber nicht mehr. Drohnen sind bereit, die Situation zu verändern, indem sie Nahaufnahmen, hochauflösende Bilder und Datenerfassungsfunktionen bieten.

A new study proposed using unmanned aerial vehicles (UAVs) to explore biodiversity in treetops, specifically in remote and inaccessible areas. This means drones will perform the job safely without requiring people to go to hard-to-reach areas like tropical rainforests to collect genetic material from treetops while helping us get a deeper understanding of biodiversity.

In einer neuen Studie wurde vorgeschlagen, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) zur Erforschung der Artenvielfalt in Baumwipfeln einzusetzen, insbesondere in abgelegenen und unzugänglichen Gebieten. Das bedeutet, dass Drohnen ihre Arbeit sicher erledigen, ohne dass Menschen in schwer zugängliche Gebiete wie tropische Regenwälder gehen müssen, um genetisches Material aus Baumwipfeln zu sammeln, und uns dabei helfen, ein tieferes Verständnis der Artenvielfalt zu erlangen.

Gathering eDNA Using Drones

Sammeln von eDNA mit Drohnen

eDNA is found in biological substances such as mucus, feces, and dead skin cells and has been used to examine biodiversity for several decades now. Used to catalog and monitor biodiversity, the DNA traces help researchers determine which species are present in a particular area.

eDNA kommt in biologischen Substanzen wie Schleim, Kot und abgestorbenen Hautzellen vor und wird bereits seit mehreren Jahrzehnten zur Untersuchung der Biodiversität eingesetzt. Die DNA-Spuren werden zur Katalogisierung und Überwachung der Artenvielfalt verwendet und helfen Forschern dabei, festzustellen, welche Arten in einem bestimmten Gebiet vorkommen.

Early last year, scientists from ETH Zurich research institute used this technique to find out just which species use forest canopy to build their homes.

Anfang letzten Jahres nutzten Wissenschaftler des Forschungsinstituts der ETH Zürich diese Technik, um herauszufinden, welche Arten das Blätterdach des Waldes zum Bau ihrer Häuser nutzen.

To build this special drone that has the ability to gather samples on tree branches on its own, researchers at ETH Zurich along with those from the Swiss Federal Research Institute WSL partnered with the company SPYGEN.

Um diese spezielle Drohne zu bauen, die in der Lage ist, selbstständig Proben auf Ästen zu sammeln, haben sich Forscher der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL mit der Firma SPYGEN zusammengetan.

The aircraft was installed with adhesive strips on the bottom of it. The UAV was gently brought down on branches and once generic material was transferred from branches to these adhesives, it was then analyzed.

Das Flugzeug wurde mit Klebestreifen an der Unterseite befestigt. Das UAV wurde vorsichtig auf Äste herabgelassen und sobald generisches Material von den Ästen auf diese Klebstoffe übertragen wurde, wurde es analysiert.

But ranches vary in their thickness and elasticity. And having the aircraft approach a branch and remain stable to take samples successfully proved to be a big challenge for the researchers.

Aber Ranches unterscheiden sich in ihrer Dicke und Elastizität. Und es erwies sich für die Forscher als große Herausforderung, dafür zu sorgen, dass sich das Flugzeug einer Abzweigung näherte und stabil blieb, um erfolgreich Proben entnehmen zu können.

“Landing on branches requires complex control.”

„Die Landung auf Ästen erfordert eine komplexe Steuerung.“

– Stefano Mintchev, Professor of Environmental Robotics at ETH Zurich and WSL at the time

– Stefano Mintchev, damaliger Professor für Umweltrobotik an der ETH Zürich und der WSL

So, the team fitted the drone with a force-sensing cage, which allowed the aircraft to measure the flexibility of the branch and use that to move. The device was then tested on seven tree species, and the samples were found to contain DNA from 21 distinct groups of organisms, including birds, insects, and mammals.

Deshalb stattete das Team die Drohne mit einem kraftempfindlichen Käfig aus, der es dem Flugzeug ermöglichte, die Flexibilität des Zweigs zu messen und diese für die Bewegung zu nutzen. Das Gerät wurde dann an sieben Baumarten getestet und es wurde festgestellt, dass die Proben DNA von 21 verschiedenen Organismengruppen enthielten, darunter Vögel, Insekten und Säugetiere.

While this is an easier, faster, and safer alternative to sending biologists high up into the treetops, even this method isn't completely risk-free.

Dies ist zwar eine einfachere, schnellere und sicherere Alternative, als Biologen hoch in die Baumwipfel zu schicken, aber auch diese Methode ist nicht völlig risikofrei.

When using the drone, there is a risk of not only damaging the tree but also the drone itself in case there's an unintentional hard collision. Then, there's the limitation of gathering samples only from branches on which the drone lands. So, while the results have been “encouraging,” the drone had to improve.

Beim Einsatz der Drohne besteht die Gefahr, dass bei einem unbeabsichtigten harten Zusammenstoß nicht nur der Baum, sondern auch die Drohne selbst beschädigt wird. Hinzu kommt die Einschränkung, dass Proben nur von Ästen gesammelt werden dürfen, auf denen die Drohne landet. Obwohl die Ergebnisse „ermutigend“ waren, musste die Drohne verbessert werden.

An Improved System to Study Biodiversity

Ein verbessertes System zur Untersuchung der Biodiversität

Now, scientists from ETH Zurich have created a novel, custom-designed robotic system. This new approach for UAVs to collect eDNA within tree canopies uses a surface swabbing technique.

Nun haben Wissenschaftler der ETH Zürich ein neuartiges, maßgeschneidertes Robotersystem entwickelt. Dieser neue Ansatz für UAVs zum Sammeln von eDNA in Baumkronen verwendet eine Oberflächenabstrichtechnik.

Led by Steffen Kirchgeorg, a robotics PhD student at ETH Zurich, the study developed a sampling system with a flat fabric probe. The piece of fleece cloth is actually cut into a circle, much like how a coffee filter is shaped, and attached with fiberglass strips to provide structure.

Unter der Leitung von Steffen Kirchgeorg, einem Robotik-Doktoranden an der ETH Zürich, entwickelte die Studie ein Probenahmesystem mit einer flachen Stoffsonde. Das Stück Vliesstoff wird tatsächlich in einen Kreis geschnitten, ähnlich wie ein Kaffeefilter geformt wird, und mit Glasfaserstreifen befestigt, um für Struktur zu sorgen.

The probe is moved down on a tether from a lifting gear mounted on the quadcopter's underside. This way, the drone is kept out of the vegetation.

Die Sonde wird an einem Halteseil von einem an der Unterseite des Quadcopters montierten Hebezeug nach unten bewegt. Auf diese Weise wird die Drohne von der Vegetation ferngehalten.

The drone was also equipped with a sensor that prevents the tether of the probe from tangling on branches. The researchers programmed the system to shift position automatically when detecting an impact.

Die Drohne wurde außerdem mit einem Sensor ausgestattet, der verhindert, dass sich die Sondenleine an Ästen verheddert. Die Forscher programmierten das System so, dass es seine Position automatisch ändert, wenn ein Aufprall erkannt wird.

The way it works is that the UAV hovers safely above the treetops. The probe is then lowered through the foliage where it brushes against leaves and branches. And once eDNA has been gathered, the probe can be removed for its content to be subsequently analyzed.

Die Funktionsweise besteht darin, dass das UAV sicher über den Baumwipfeln schwebt. Anschließend wird die Sonde durch das Blattwerk abgesenkt, wo sie Blätter und Zweige streift. Und sobald die eDNA gesammelt wurde, kann die Sonde entfernt werden, um ihren Inhalt anschließend zu analysieren.

The experiment was performed in a rainforest in Southeast Asia, where the drone was remotely controlled by Kirchgeorg and colleagues through a live feed from its onboard camera. The drone was flown out of the line of sight to collect ten samples from the forest canopy.

Das Experiment wurde in einem Regenwald in Südostasien durchgeführt, wo die Drohne von Kirchgeorg und Kollegen über einen Live-Feed der Bordkamera ferngesteuert wurde. Die Drohne wurde außer Sichtweite geflogen, um zehn Proben aus dem Blätterdach des Waldes zu sammeln.

The effectiveness of the new approach was demonstrated during the XPRIZE Rainforest Semi-Finals, where the team revealed they found the eDNA of 152 different species from these

Die Wirksamkeit des neuen Ansatzes wurde während des XPRIZE Rainforest Semi-Finals demonstriert, wo das Team bekannt gab, dass es die eDNA von 152 verschiedenen Arten davon gefunden hatte