맘바: 절벽 환경에서 멸종 위기에 처한 식물을 보존하는 드론 기반 로봇 팔
열대 섬은 독특한 식물 군락의 본거지이며 수많은 고유 식물종이 서식하고 있습니다. 하와이에서는 이러한 위협으로 인해 고유 식물 종의 97%가 멸종 위기, 심각한 멸종 위기 또는 멸종 위기에 처한 것으로 분류되어 개체 수가 크게 감소하고 있습니다. 수직 절벽 서식지는 이러한 위협으로부터 식물을 보호하는 피난처 역할을 합니다. 그러나 이러한 서식지는 식물 보호 작업을 특히 어렵게 만들어 식물학자들이 외딴 식물 집단에 접근하기 위해 하강과 같이 위험하고 시간이 많이 소요되는 방법을 사용해야 합니다. 저희는 절벽에서 식물을 샘플링할 수 있는 최초의 항공 시스템인 맘바를 개발했습니다. 이 시스템을 통해 히비스카델푸스 우디(Hibiscadelphus woodii) 등 멸종 위기에 처한 많은 종의 씨앗을 수집할 수 있었으며, 최근에는 새로운 종인 스키데아 와이아울루엔시스를 발견하기도 했습니다. 이 도구로 수집한 종자는 양묘장에서 번성하고 있으며, 접근하기 어려운 환경에 위치한 생물의 보존 주기에 미치는 영향과 식물 멸종을 방지하는 데 필요한 조치를 입증하고 있습니다.
컨텍스트
해결 과제
인간의 압력 증가, 기후 변화, 침입 외래종의 침입으로 인해 식물 멸종이 가속화되고 있습니다. 절벽 생태계는 이러한 위협으로부터 어느 정도 보호를 제공하지만, 이러한 서식지의 수직적 특성으로 인해 그곳에서 발생하는 생물 다양성을 기록하고 보존하기가 어렵습니다. 많은 절벽 생태계는 아직 탐사되지 않았거나 탐사가 미진하여 알려진 것이 거의 없는 식물학적 암흑지대로 남아 있습니다. 생태계를 보존하고 보호하는 데 있어 중요한 첫 단계는 서식지와 그 구성 요소에 대한 기초 지식입니다. 사회적으로, 지식의 부족은 특히 외딴 지역이나 보호 지역에서 지역사회의 참여와 인식을 제한합니다. 경제적으로는 이러한 서식지를 조사하는 비효율적이거나 오래된 방법은 비용을 증가시키고 보존 전략의 효과를 떨어뜨립니다.
위치
프로세스
프로세스 요약
드론은 희귀한 고유 절벽 식물을 보존하는 방식을 바꾸고 있습니다. 드론을 통해 멸종 위기에 처한 식물 종을 효과적으로 조사하고 지도를 만든 다음, 식물을 수집하여 보존 양묘장으로 신속하게 옮겨 번식시킬 수 있습니다.
빌딩 블록
드론 측량: 원격 식물 개체군의 위치, 매핑 및 재고 파악
드론은 절벽 식물상 평가의 첫 단계로 중요한 역할을 해왔습니다. 드론을 사용하여 이러한 환경에 대한 독특한 관점을 확보함으로써 멸종 위기에 처한 절벽 고유종의 분포와 개체 수를 파악하고 보존을 가속화할 수 있게 되었습니다. 하와이, 팔라우 공화국, 마데이라(포르투갈)에서 현장 조사가 진행되었으며 매우 긍정적인 결과를 얻었습니다.
활성화 요인
드론 기술이 개선되고 발전함에 따라 이 조사 방법론은 다양한 환경 보호 실무자들이 이용할 수 있게 되었습니다. 고해상도 카메라 센서를 사용하면 큰 나무부터 작은 초본 생물까지 다양한 식물을 식별할 수 있습니다. 드론 조종사는 이제 배터리 용량이 증가하여 한 번의 비행으로 최대 45분까지 측량을 수행할 수 있습니다. 소프트웨어 개선을 통한 사용성 향상으로 초보자도 안전하고 효율적으로 드론을 사용할 수 있게 되어 환경 보호 전문가들의 드론 기술 활용도가 높아졌습니다. 무엇보다도 드론이 널리 보급되면서 관련 비용이 절감되어 다양한 분야에 활용할 수 있는 놀라운 도구가 되었다는 점이 가장 큰 장점입니다.
교훈
드론은 특히 절벽이나 나무 덮개와 같이 접근하기 어려운 환경에서 멸종 위기에 처한 종의 위치를 파악하고 목록을 작성하는 데 효과적인 도구입니다. 절벽 서식지에 대한 평가는 해당 종의 서식지에 대한 기초 지식이 보존 조치를 안내하고 경관 보호의 우선순위를 정하는 데 도움이 될 수 있으므로 이러한 지역의 생물종 보존에 매우 중요합니다.
드론 수집: 드론 기반 로봇 팔을 사용하여 접근하기 어려운 식물을 수집하기
맘바 도구를 사용하면 이전 빌딩 블록에서 식별하고 매핑한 멸종 위기 종의 씨앗이나 절단을 통해 식물 자료를 수집할 수 있습니다. 이 도구의 유효 범위는 1000m가 훨씬 넘기 때문에 접근하기 어려운 지역에서도 관리 조치를 취할 수 있습니다.
활성화 요인
숙련된 로봇 공학 엔지니어들이 이 도구를 개발한 덕분에 국립열대식물원의 현장 직원과 식물 멸종 방지 프로그램의 파트너들이 많은 종을 신속하게 보존할 수 있었습니다. 맘바는 교체 가능한 헤드 시스템을 갖추고 있어 대상 종과 보존에 필요한 재료의 종류에 따라 맞춤형 수집이 가능합니다. 이 메커니즘의 많은 구성 요소는 3D 프린팅으로 제작되어 비용 효율적이고 유연하게 개발 프로세스를 신속하게 진행할 수 있습니다. 맘바는 쉽게 구할 수 있는 드론 부품으로 제작되어 비용과 제작 시간도 단축할 수 있습니다. 이 도구의 개발은 박사과정 학생들이 수행했으며, 이 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 최첨단 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션이 통합되어 있습니다.
교훈
이러한 유형의 프로젝트를 수행할 때는 경험이 풍부한 현장 직원과 전문 로봇 공학 엔지니어를 적절히 조합하는 것이 중요한데, 양측 모두 개발과 효과적인 보존 고려 사항 모두를 안내하는 중요한 정보를 제공하기 때문입니다. 개발 프로세스가 반복적이어서 설계를 테스트하고 수정할 수 있는 여지를 남겨두고 궁극적으로 잘 작동하고 매우 유용한 도구를 배포할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
식물 번식: 향상된 수집 기술로 효율성 향상
식물을 채집한 후에는 번식을 위해 보존 양묘장으로 옮기거나 생존력 테스트 및 보관을 위해 종자 실험실로 옮깁니다. 갓 채집한 씨앗과 꺾꽂이를 직원들에게 신속하게 전달함으로써 이러한 방법의 효율성이 높아지고 있습니다. 이러한 개별 식물 중 상당수는 이전에는 알려지지 않았기 때문에 이러한 조치는 현장 수집의 유전적 다양성을 높여 환경 파괴에 맞서 안전한 장소를 제공합니다.
활성화 요인
이전에는 식물학자들이 이러한 종들이 서식하는 외딴 절벽 환경을 직접 찾아가야 했기 때문에 보존을 위해 수집한 표본을 채집하고 다시 양묘장 직원에게 전달해 번식시키는 데 많은 시간과 노력이 필요했습니다. 하지만 맘바 메커니즘을 사용하면 수집한 식물을 신속하게 수집하여 양묘장으로 옮길 수 있습니다.
교훈
신선한 절단과 씨앗은 번식 성공률이 더 높습니다.
영향
지난 7년간 절벽 식물 분류군의 기록과 보존을 위해 드론을 배치한 결과, 최소 30종의 멸종 위기에 처한 식물 종의 개체수가 크게 증가했습니다. 어떤 경우에는 수많은 개별 식물을 매핑하여 이들 종의 알려진 개체 수를 10배나 증가시켰습니다. 새로 개발된 맘바 샘플링 장비와 함께, 저희는 멸종 위기에 처한 17종의 식물을 수집하여 이들의 보전을 지원했습니다. 또한, 드론으로 수집한 표본에서 최초로 기술된 신종 1종을 기술하고 다양한 식물 이상 현상(범위 확장, 섬 기록, 미기록 종)을 문서화했습니다.
수혜자
지금까지 이 파트너십과 기술 개발을 통해 보호 담당 직원과 함께 일하는 종들은 큰 혜택을 받았습니다. 이 시스템을 통해 많은 종의 보존 상태가 개선되었고, 종의 우선순위가 수정되었습니다.
또한 솔루션의 확장 가능성에 대해서도 설명하세요. 다른 지역이나 에코시스템으로 복제하거나 확장할 수 있나요?
이 기술은 전 세계 몇몇 섬 체인에 효과적으로 배치되었지만, 전 세계 커뮤니티 전체가 이 기술을 도입하여 관심 지역에 배치할 수 있는 훨씬 더 넓은 기회가 있습니다. 이 시스템은 사용자 친화적이며 초보 드론 파일럿도 쉽게 배울 수 있습니다. 향후 소프트웨어 개발은 자동화된 식물 위치 파악 또는 수집을 통해 보존 프로세스를 더욱 간소화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 절벽 환경이 있는 곳이라면 어디든 이 도구를 적용할 수 있습니다. 또한 캐노피 생태계, 울창한 열대림, 연안 섬 또는 섬세한 고산 서식지와 같이 접근하기 어려운 서식지에도 이 도구의 도움을 받을 수 있습니다.
글로벌 생물다양성 프레임워크(GBF)
지속 가능한 개발 목표
스토리
고유종인 히비스카델푸스 우디는 1992년에 처음 발견되어 설명되었으며, 지금까지 단 네 그루의 식물에서만 알려져 있습니다. 얼마 지나지 않아 산사태로 세 개체가 죽고 이 나무는 단 한 그루만 남게 되었습니다. 18년 동안 이 나무를 현장에서 보존하기 위해 절단, 접목, 심지어 교차 수분까지 다양한 보존 조치가 시도되었습니다. 하지만 번식에 성공하지 못했고 2009년 마지막 나무가 죽었을 때 우리는 이 나무가 멸종한 것으로 생각했습니다.
2019년, 드론 기술을 활용하여 접근이 어려운 인근 지역의 절벽 환경을 조사하는 프로젝트를 통해 이 나무를 다시 발견할 수 있었습니다! 안타깝게도 500m 절벽 한가운데서 자라고 있는 두 개체는 밧줄을 타고 있는 식물학자들의 손이 닿지 않는 곳에 있었습니다. 흥미로운 발견이었지만, 이 종을 보호하는 데는 무력할 수밖에 없었습니다.
아웃리치 로보틱스의 로봇 공학 전문가들이 이 발견을 알게 된 후, 우리는 곧바로 수직 절벽 서식지에서 절단을 수집하는 데 도움이 되는 드론 기반 도구를 개발하는 프로젝트에 협력했습니다. 지난 4년 동안 우리는 이 작업을 가능하게 하는 데 필요한 메커니즘을 공동 개발하고 새로운 디자인을 반복하며 현장 테스트를 해왔습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 현장 테스트가 늦어지긴 했지만, 실험실 작업에 더 집중할 수 있었고, 안정적이고 효율적이며 임무에 적합한 고도로 정제된 도구를 개발할 수 있었습니다.
2024년 4월, 우리 팀은 헬리콥터를 통해 카우아이의 외딴 지역에 접근하여 드론 메커니즘과 현장 직원을 태우고 채집 작업을 진행했습니다. 드론과 맘바는 식물까지 300m를 비행하여 알려진 두 개체 모두에서 성공적으로 절단을 수집할 수 있었습니다. 이렇게 채취한 식물은 헬리콥터로 직접 운반한 다음 비행기로 특수 번식실이 있는 다른 섬으로 옮겨져 묘목장에 심어졌습니다. 그 결과, 절단된 묘목이 뿌리를 내리고 사상 처음으로 현장에서 안전하게 자라고 있다는 소식을 전하게 되어 매우 기쁩니다.
우리는 현대 기술로 히비스카델푸스 우디를 찾아 수집하고 재배했으며, 이 종의 멸종을 막았다는 희망을 갖고 있습니다.
드론 기술 및 최첨단 엔지니어링과 결합된 식물 전문 지식은 외딴 곳의 험준한 수직 생태계에서 일하는 방식을 변화시켰습니다.