ドローンは、クローズアップ、高解像度の画像処理およびデータ収集機能を提供することで生物多様性研究に革命を起こす予定です

健全な生態系を維持するには、人間を含む地球上のすべての生命を支える生物多様性が必要です。さまざまな微生物、植物、動物がなければ、バランスの取れた環境を維持することはできません。

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.

健全な生態系を維持するには、人間を含む地球上のすべての生命を支える生物多様性が必要です。さまざまな微生物、植物、動物がなければ、バランスの取れた環境を維持することはできません。

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.

生物多様性は、人間の幸福にとって極めて重要な、きれいな空気、淡水、洪水管理などの生態系サービスを提供します。また、食料安全保障をサポートし、炭素隔離、老廃物の解毒と分解を助け、生物の回復力を高め、病気の制御にも役立ちます。動植物の遺伝子は医薬品の開発にも利用されています。

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.

したがって、生物多様性をより深く理解する必要があることは明らかです。森林や樹冠の生物多様性を研究するための強力なツールは、環境 DNA (eDNA) の分析です。ただし、このような高度で複雑な環境では、eDNA のサンプルを収集するのは簡単ではありません。

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.

従来、この作業を達成するには、木の転がりや表面の拭き取りなどの労働集約的なアプローチが使用されてきました。衛星画像に頼ったり、クレーンを使用して地域を調査したりするには、十分な範囲をカバーするために多大な労力が必要なだけでなく、精度も不足していました。

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

しかし、もうそうではありません。ドローンは、クローズアップ、高解像度の画像処理およびデータ収集機能を提供することで、状況を変革する準備が整っています。

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.

新しい研究では、無人航空機（UAV）を使用して、特に遠隔地やアクセスできない地域の樹上の生物多様性を調査することが提案されています。これは、ドローンが樹上から遺伝物質を収集するために熱帯雨林のような到達困難な地域に人を必要とせずに安全に作業を実行できると同時に、生物多様性についてのより深い理解を助けることを意味します。

Gathering eDNA Using Drones

ドローンを使用した eDNA の収集

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 は粘液、糞便、死んだ皮膚細胞などの生物学的物質に含まれており、数十年にわたり生物多様性を調べるために使用されてきました。 DNA 追跡は生物多様性のカタログ化と監視に使用され、研究者が特定の地域にどの種が存在するかを判断するのに役立ちます。

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.

昨年初め、ETHチューリッヒ研究所の科学者らはこの技術を利用して、どの種が森林の天蓋を利用して住居を建てているかを調べた。

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.

木の枝にあるサンプルを自力で収集できるこの特別なドローンを構築するために、チューリッヒ工科大学の研究者はスイス連邦研究所 WSL の研究者とともに SPYGEN 社と提携しました。

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.

航空機は底部に粘着ストリップを使用して取り付けられていました。 UAV は枝の上に静かに降ろされ、一般的な物質が枝からこれらの接着剤に移された後、分析されました。

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.

しかし、牧場によってその厚さや弾力性は異なります。そして、航空機を枝に接近させて安定させてサンプルを正常に採取することが、研究者にとって大きな課題であることが判明しました。

“Landing on branches requires complex control.”

「枝に着地するには複雑な制御が必要です。」

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

– ステファノ・ミンチェフ、チューリッヒ工科大学および当時の WSL 環境ロボット工学教授

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.

そこでチームはドローンに力を感知するケージを取り付け、航空機が枝の柔軟性を測定し、それを利用して移動できるようにした。その後、この装置を 7 つの樹種でテストしたところ、サンプルには鳥、昆虫、哺乳類を含む 21 の異なるグループの生物由来の DNA が含まれていることが判明しました。

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.

これは生物学者を木のてっぺんに送り込むよりも簡単、迅速、安全な代替手段ですが、この方法でも完全にリスクがないわけではありません。

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.

ドローンを使用する場合、意図せず激しく衝突した場合、樹木だけでなくドローン自体も損傷するリスクがあります。さらに、ドローンが着陸した枝からのみサンプルを収集できるという制限があります。したがって、結果は「心強い」ものでしたが、ドローンは改善する必要がありました。

An Improved System to Study Biodiversity

生物多様性を研究するための改良されたシステム

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.

現在、チューリッヒ工科大学の科学者たちは、斬新なカスタム設計のロボット システムを作成しました。 UAV が樹冠内で eDNA を収集するこの新しいアプローチでは、表面拭き取り技術が使用されます。

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.

チューリッヒ工科大学のロボット工学博士課程の学生であるシュテフェン・キルヒゲオルク氏が主導したこの研究では、平らな布製プローブを備えたサンプリングシステムが開発されました。フリース生地は実際には、コーヒーフィルターの形状と同じように円形にカットされ、構造を提供するためにグラスファイバーのストリップが取り付けられています。

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.

プローブは、クアッドコプターの下側に取り付けられた昇降装置からテザーで下降します。このようにして、ドローンは植生から遠ざけられます。

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.

ドローンには、探査機のテザーが枝に絡まるのを防ぐセンサーも装備されていた。研究者らは、衝撃を検知すると自動的に位置を移動するようにシステムをプログラムした。

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.

その仕組みは、UAV が木のてっぺんの上で安全にホバリングすることです。次に、プローブは葉の間を通って降下され、そこで葉や枝にブラシが当たります。 eDNA が収集されたら、プローブを取り外してその内容を後で分析することができます。

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.

実験は東南アジアの熱帯雨林で行われ、キルヒゲオルグ氏らは搭載カメラからのライブ映像を通じてドローンを遠隔操作した。ドローンは目視外に飛行し、森林の樹冠から 10 個のサンプルを収集しました。

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

新しいアプローチの有効性はXPRIZE熱帯雨林準決勝で実証され、チームはこれらの熱帯雨林から152種の異なるeDNAを発見したことを明らかにした。