Дрон приспособили для сбора ДНК животных в кронах деревьев

Швейцарские инженеры разработали дрон для мониторинга биоразнообразия — он способен собирать с ветвей животных образцы ДНК животных. Квадрокоптер массой 1,2 килограмм умеет автономно садиться на ветви различной жесткости, собирая образцы с их поверхности с помощью липкой ленты. Разработчики протестировали дрон в природе на ветвях семи деревьев и кустарников, обнаружив в собранных образцах 21 таксон, включая насекомых и позвоночных. Статья опубликована в журнале ScienceRobotics.

Согласно недавно опубликованному докладу Межправительственной группы экспертов по биоразнообразию и экосистемным услугам (IPBES), вымирание растений и животных ускоряется и под угрозой исчезновения находится около миллиона видов. Если существующая тенденция сохранится, то уже к 2030 году начнется катастрофическая утрата биоразнообразия в тропиках, которая к 2050 году достигнет умеренных широт. Для наблюдения за текущей ситуацией и регистрации происходящих изменений ученым необходимо иметь актуальную информацию о распространенности видов на той или иной территории.

Для мониторинга биоразнообразия необязательно подсчитывать живые организмы вручную. Здесь на помощь приходят современные методы генетики, которые позволяют секвенировать все ДНК, полученные из одного образца окружающей среды (eDNA, environmental DNA). Генетический материал животных — клетки кожи, шерсти, выделения, остатки покровов членистоногих — можно обнаружить в образцах почвы, воды, воздуха, на листьях растений, коре деревьев и в любых других местах, где присутствуют живые организмы.

Однако здесь возникает другая проблема – не все места, которые интересны с точки зрения отбора проб, легкодоступны. К примеру, добраться до ветвей, расположенных высоко в кроне деревьев, может быть довольно сложно даже для человека, обладающего соответствующими навыками. В связи с чем ручной сбор образцов может оказаться излишне трудным и отнимать чересчур много времени. Поэтому кроны деревьев могут оставаться недостаточно изученными в процессе исследований.

Исправить эту ситуацию решили инженеры из Швейцарии под руководством Стефано Минтчева (Stefano Mintchev) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Они разработали беспилотник eDrone, способный в полуавтоматическом режиме подлетать и садиться на ветви деревьев для сбора образцов ДНК, необходимых для проведения метабаркодирования.

Аппарат массой 1,2 килограмм представляет собой квадрокоптер, к которому снизу прикреплено устройство для сбора образцов ДНК. Оно выглядит как полусферический каркас из четырех перпендикулярных друг другу лепестков, которые присоединены к шестиосному датчику нагрузки, измеряющему силы, возникающие между дроном и веткой. По периметру дрона располагается кольцевой стеклопластиковый бампер для защиты пропеллеров от веток при полетах в кронах деревьев.

Данные с датчика нагрузки используются бортовым компьютером для вычисления наиболее эффективной траектории спуска к ветке. Алгоритм автоматически подстраивает наклон корпуса дрона и тягу его двигателей в зависимости от жесткости ветки, поддерживая устойчивый режим висения, даже если ветка сильно прогибается под весом аппарата. Благодаря этому дрон может брать пробы с веток с жесткостью в диапазоне от единицы до тысячи Ньютонов на метр. Для снижения вероятности соскальзывания по периметру дуг размещены стержни в которые упирается ветка при касании.

Каждая дуга клетки содержит механизм для сбора ДНК, который представляет собой тонкие стекловолоконные лепестки, на поверхности которых крепится полоса клейкого материала (скотч или смоченная в сахарном растворе марля). При посадке на ветку липкая лента прижимается к ней, собирая генетический материал с коры.

Типичный алгоритм работы выглядит следующим образом. Дрон под управлением оператора подлетает к выбранной ветви, после чего в автоматическом режиме опускается до устойчивого касания поверхности липкой лентой, контролируемого по данным датчика нагрузки. Такое положение сохраняется в течение 10 секунд, после чего дрон плавно возвращается в режим висения и под управлением оператора возвращается для сохранения собранных образцов и замены клейкой ленты для следующего полета.

Чтобы проверить работу дрона в реальных условиях, eDrone использовали для тестового сбора образцов с ветвей семи деревьев и кустарников, среди которых были кизил, ель и орех. Инженеры испытывали два варианта материала для отбора проб – клейкую ленту и влажную марлю, смоченную в сахарном растворе. Дрон подлетал к каждой ветви дважды, собрав в общей сложности 14 образцов. При этом в каждом полете производилось по два касания с поворотом дрона на 90 градусов вокруг вертикальной оси, после чего дрон возвращался к исследователям для сохранения собранного материала.

После анализа отобранных проб с помощью секвенирования, ученым удалось идентифицировать 21 таксон, в числе которых было преобладающее количество насекомых, но также обнаружилось и несколько позвоночных – млекопитающих, птиц и амфибий.

Возможность садиться на ветки деревьев может оказаться полезной не только для сбора образцов, но и для того чтобы дрон мог сэкономить энергию. Ранее мы рассказывали о прототипе дрона, который инженеры из Нидерландов оснастили ногами с конструкцией, повторяющей устройство ног птиц. У них есть сухожилия, а срабатывают они за счет механической энергии от контакта с предметом на который садиться дрон. А команда инженеров из Испании и Швейцарии научила садиться на ветки орнитоптер — беспилотник, летающий за счет взмаха крыльев, подобно птицам.