Vliegende robots onderzoeken biodiversiteit en klimaat in tropisch regenwoud

In het broeierige en vochtige tropische regenwoud floreert een levendig ecosysteem. Paradijsvogels, apen, vleermuizen en insecten bewegen door het bladerdak, met allemaal hun eigen kenmerkende geluiden. Maar dan arriveert er een nieuwkomer: een kleine quadcopter drone zweeft door het gebladerte, op zoek naar een tak om op te landen. De dieren worden stil. Behendig daalt de drone af en grijpt zich op subtiele wijze vast aan een tak. De luide motoren worden stilgezet en aandachtig begint het te luisteren naar de wereld eromheen, die langzaam weer tot leven komt.

Onderzoeker aan de TU Delft, Salua Hamaza, heeft samen met haar studenten Liming Zheng en Seamus McGinley een innovatief onderzoeksplatform ontwikkeld voor bio-akoestisch onderzoek op de lange termijn: een lichtgewicht drone die kan neerstrijken op boomtakken, met aan boord een speciaal ontwikkelde audiosensor van slechts 2 gram waarmee een breed scala aan geluiden opgenomen kan worden. Van vogels die overdag actief zijn, tot nachtelijke vleermuizen.

Samen met onderzoekers van ETH Zurich en Aarhus University is een team robots ontwikkeld dat 100 hectare regenwoud kan onderzoeken in minder dan een etmaal. In dezelfde samenstelling, bestaande uit ingenieurs en ecologen, is ook deelgenomen aan de halve finale van de wereldwijde XPRIZE Rainforest wedstrijd die op 9 juni in Singapore werd gehouden. Het team wacht momenteel in spanning af of ze met hun lightweight drone een plek hebben bemachtigd in de finale in Borneo. Zo ja, dan strijden ze mee om een prijs van maar liefst 10 miljoen dollar.

Vloot van robots

ETHBioDivX is een multidisciplinair team dat inzet op de samenwerking van experts op het gebied van robotica en ecologie van over de hele wereld. Met als opdracht gegevens en monsters van het regenwoud te verzamelen, zodat nieuwe inzichten ons kunnen helpen bij het verlengen van de levensduur van onze planeet. Met een vloot van robots en instrumenten zijn inmiddels al visuele, audio- en omgevingsdata verzameld, waarmee verschillende taxonomieën zijn geclassificeerd van het dieren- en plantenrijk van in de natte regenwouden.

Nieuw drone-concept voor bio-akoestiek

Het monitoren van bio-akoestiek is een riskante en tijdrovende bezigheid. Biologen klimmen in bomen van meer dan 50 meter hoog, om daar dagenlang in het bladerdak hun akoestische instrumenten te bedienen. Om deze taak te automatiseren kan robottechnologie gebruikt worden, bijvoorbeeld met behulp van wendbare drones met meerdere kleine rotoren die zich behendig tussen de boomtakken kunnen manoeuvreren. De luid ronddraaiende propellers van de drones maken het echter onmogelijk om kwalitatief goede geluidopnames te maken tijdens de vlucht.

Ook hiervoor bedacht het team een oplossing; een nieuw droneconcept waarbij de drone op boomtakken kan landen én zijn propellers kan uitschakelen. Zo kan gedurende langere tijd geluid opgenomen worden, zonder de dieren te storen. Door zelf te landen, registreert de drone niet alleen bosgeluiden hoog in de bomen - waar de hoogste concentratie vogels rust – ook gaat door het uitschakelen van de motoren de batterij langer waardoor de missie wordt verlengd.

Complexe omgevingen

De bio-akoestische drone is slim ontworpen en kan zich snel vastgrijpen aan boomtakken in het bladerdak met behulp van een flexibel bi-stable mechanisme. Bovendien zorgt real-time besturing en detectie ervoor dat de drone zich betrouwbaar gedraagt wanneer hij in aanraking komt met onbekende objecten en niet verstrikt raakt in de dichte vegetatie van het regenwoud. Maar software en besturing alleen is niet genoeg om de grenzen te verleggen van de mogelijkheden van drones in complexe omgevingen. Nieuwe ontwerpen zijn nodig, zodat drones op een natuurlijke manier kunnen interageren met hun omgeving, precies zoals dieren dat doen. Ook ligt er een uitdaging op het gebied van accutechnologie en radiolink communicatie wanneer de multirotor drones buitenshuis opereren.

Klimaatverandering

Onze planeet wordt geconfronteerd met een grote klimaat- en ecologische crisis. Door onze bossen te beschermen, behouden we niet alleen een zelfvoorzienende manier om emissies op te vangen, maar voeden we ook een belangrijke buffer tegen klimaatverandering. Om bossen te helpen bloeien, verzamelen wetenschappers ecologische inzichten met betrekking tot biodiversiteit en klimaat in bossen op micro- en macroschaal, om zo maatregelen te stimuleren.

Impact op een betere samenleving

Door innovatieve technologieën op het gebied van engineering en ecologie te combineren, wil het team ETHBioDivX biodiversiteit kwantificeren en meten, de kennis van academici, ondernemers en lokale gemeenschappen integreren en uiteindelijk beleidsmakers over de hele wereld adviseren over wat en waar ze maatregelen moeten nemen. De TU Delft sluit zich aan bij deze missie om de impact voor een betere planeet en samenleving te vergroten.

Volgende stappen

De onderzoeksgroep van het BioMorphic Intelligence Lab onder leiding van Salua Hamaza richt zich op het verbeteren van de autonomie van drones door nieuwe morfologieën te onderzoeken die meer mobiliteit en veelzijdigheid mogelijk maken. Denk aan drones met ledematen die in bomen kunnen klimmen, nesten kunnen bouwen, bosbodems kunnen schoonmaken of monsters van bladeren, schors, water en grond kunnen verzamelen.