Мамба: Роботизированная рука на базе дрона для сохранения исчезающих растений в условиях скал
Полное решение
Мамба, собирающая лизимахию иники
Outreach Robotics
Тропические острова являются родиной уникальной флоры, где обитает огромное количество эндемичных видов растений. Угрозы привели к значительному сокращению популяции на Гавайях, где 97 % эндемичных видов растений находятся в списке исчезающих, находящихся под критической угрозой или вымерших. Среды обитания на вертикальных скалах служат убежищем, защищающим растения от этих угроз. Однако такие места обитания особенно затрудняют работу по сохранению, вынуждая ботаников использовать рискованные и трудоемкие методы, такие как спуск с высоты, чтобы добраться до удаленных популяций растений. Мы разработали "Мамбу"- первую воздушную систему, способную собирать образцы растений на скалах. С помощью этой системы удалось собрать семена многих видов, находящихся под угрозой исчезновения, включая Hibiscadelphus woodii, а также недавно открыть новый вид: Schiedea waiahuluensis. Коллекции, собранные с помощью этого инструмента, процветают в питомниках, демонстрируя влияние на цикл сохранения организмов, находящихся в труднодоступной среде, и действия, необходимые для предотвращения вымирания растений.
Последнее обновление: 31 Oct 2025
83 Просмотров
Фотогалерея и видеогалерея
Контекст
Решаемые задачи
Вымирание растений ускоряется в связи с увеличением антропогенной нагрузки, изменением климата и проникновением инвазивных видов. Экосистемы скал обеспечивают определенную защиту от этих угроз, однако вертикальная природа этих местообитаний затрудняет документирование и сохранение биоразнообразия, которое там встречается. Многие экосистемы скал не изучены или изучены недостаточно, что оставляет ботанические "темные пятна", о которых известно очень мало. Важнейшим первым шагом в сохранении и защите экосистем являются базовые знания о среде обитания и ее компонентах. В социальном плане отсутствие знаний ограничивает вовлеченность и осведомленность населения, особенно в отдаленных или охраняемых регионах. С экономической точки зрения, неэффективные или устаревшие методы исследования этих сред обитания увеличивают затраты и снижают эффективность стратегий сохранения.
Расположение
Кауаи, Гавайи, Соединенные Штаты Америки
Реюньон
Мадейра, Португалия
Федеративные Штаты Микронезии
Восточная и Южная Африка
Западная и Южная Европа
Океания
Процесс
Краткое описание процесса
Дроны меняют подход к сохранению редких эндемичных скальных растений. Они позволяют нам эффективно исследовать и наносить на карту виды растений, находящиеся под угрозой исчезновения, а затем собирать растения для быстрой передачи в наш питомник для размножения.
Строительные блоки
Беспилотная съемка: определение местоположения, картирование и инвентаризация удаленных популяций растений
Беспилотные летательные аппараты стали первым шагом в оценке флоры скал. Используя беспилотники для получения уникальных точек обзора этих сред, мы можем составить карту распространения и численности находящихся под угрозой исчезновения эндемичных видов скал и ускорить их сохранение. Полевые исследования были проведены на Гавайях, в Республике Палау и на Мадейре (Португалия) и дали исключительно положительные результаты.
Благоприятные факторы
По мере совершенствования и развития беспилотных технологий эта методология исследования стала доступна широкому кругу специалистов по охране природы. Сенсоры камер высокого разрешения позволяют идентифицировать целый ряд растений, от крупных деревьев до мелких травянистых организмов. Благодаря увеличенной емкости аккумуляторов пилоты дронов теперь могут рассчитывать на 45 минут съемки за один полет. Улучшение удобства использования за счет доработки программного обеспечения делает дроны безопасными и эффективными для начинающих, что способствует более широкому использованию этой технологии специалистами по охране природы. Самое главное, что с ростом доступности дронов снизились сопутствующие расходы, что делает их потрясающим инструментом для решения целого ряда задач.
Извлеченный урок
Беспилотники - эффективный инструмент для определения местонахождения и инвентаризации видов, находящихся под угрозой исчезновения, особенно в труднодоступных местах, таких как скалы или навесы деревьев. Оценка местообитаний на скалах будет иметь решающее значение для сохранения видов в этих районах, поскольку базовые знания о местах обитания видов могут служить руководством для природоохранных мероприятий и помогут определить приоритеты в охране ландшафта.
Сбор растений с помощью дрона: Использование роботизированного манипулятора на базе дрона для сбора труднодоступных растений
Инструмент Mamba позволяет нам собирать растительный материал в виде семян или черенков исчезающих видов, которые мы определили и нанесли на карту в предыдущем блоке. Радиус действия этого инструмента превышает 1000 м, что делает доступными для управления даже самые труднодоступные территории.
Благоприятные факторы
Разработка этого инструмента опытными инженерами-робототехниками ускорила сохранение многих видов растений сотрудниками Национального тропического ботанического сада и партнерами Программы по предотвращению вымирания растений. Mamba оснащен системой сменных головок, которая позволяет настраивать сбор в зависимости от целевого вида и типа материала, необходимого для сохранения. Многие компоненты этого механизма изготовлены методом 3D-печати, что является экономически эффективным и гибким для ускорения процесса разработки. В конструкции "Мамбы" используются легкодоступные компоненты беспилотников, что также снижает стоимость и время создания. Разработкой этого инструмента занимались студенты, получившие степень кандидата наук, и в него интегрированы самые современные аппаратные и программные решения, специально разработанные для этого приложения.
Извлеченный урок
При реализации проекта такого рода очень важно правильно объединить опытных полевых сотрудников с профессиональными инженерами-робототехниками, поскольку обе стороны предоставляют важнейшую информацию для разработки и эффективной консервации. Стоит отметить, что процесс разработки был итеративным, оставляя возможность для тестирования и пересмотра дизайна, что в конечном итоге позволило развернуть хорошо функционирующий и очень полезный инструмент.
Размножение растений: повышение эффективности благодаря улучшенным методам сбора
После сбора растений они передаются в наш питомник для размножения или в семенную лабораторию для проверки жизнеспособности и хранения. Мы наблюдаем рост эффективности этих методов: свежесобранные семена и черенки быстро попадают к нашим сотрудникам. Поскольку многие из этих отдельных растений ранее не были известны, эти действия увеличивают генетическое разнообразие коллекций ex-situ, обеспечивая безопасное место в условиях деградации окружающей среды.
Благоприятные факторы
Раньше ботаникам приходилось преодолевать удаленные скалы, где встречаются эти виды, что затрудняло сбор коллекций для сохранения и отнимало много времени на их передачу сотрудникам питомника для размножения. С помощью механизма Mamba коллекции быстро собираются и передаются в питомник.
Извлеченный урок
Свежие черенки и семена имеют более высокий процент успеха при размножении.
Воздействие
За последние семь лет использования беспилотников для документирования и сохранения таксонов скал нам удалось значительно увеличить известные популяции по меньшей мере 30 видов растений, находящихся под угрозой исчезновения. В некоторых случаях мы картировали множество отдельных растений, что привело к десятикратному увеличению известных популяций этих видов. В паре с недавно разработанным манипулятором для отбора проб Mamba мы собрали 17 видов, находящихся под угрозой исчезновения, чтобы помочь в их сохранении. Кроме того, мы описали один новый вид (возможно, первый вид, описанный по образцам, собранным с помощью беспилотника) и задокументировали ряд других ботанических аномалий (расширение ареала, островные рекорды и неописанные виды).
Бенефициары
На сегодняшний день сотрудники природоохранных служб и виды, с которыми мы работаем, получили огромную пользу от этого партнерства и развития технологий. Эта система повысила природоохранный статус многих видов, что привело к пересмотру приоритетности видов.
Кроме того, объясните потенциал масштабируемости вашего решения. Можно ли его тиражировать или распространить на другие регионы или экосистемы?
Несмотря на то, что эта технология была эффективно применена на нескольких островных цепочках по всему миру, у мирового сообщества есть гораздо более широкие возможности для того, чтобы подхватить ее и внедрить в интересующих их регионах. Эта система удобна в использовании и проста в освоении для начинающих пилотов дронов. Будущие разработки программного обеспечения нацелены на дальнейшую рационализацию процесса сохранения с автоматическим определением местонахождения или сбора растений. Этот инструмент можно будет применять везде, где есть обрывистая среда. Кроме того, такие труднодоступные места обитания, как экосистемы под пологом, густые тропические леса, прибрежные островки или нежные альпийские местообитания, могут выиграть от использования этих инструментов.
Глобальная рамочная программа по биоразнообразию (ГРП)
Задача 1 ГБФ - планирование и управление всеми территориями для сокращения потерь биоразнообразия
Задача 4 ГБФ - остановить вымирание видов, сохранить генетическое разнообразие и урегулировать конфликты между человеком и дикой природой
Задача 8 ГБФ - Минимизация воздействия изменения климата на биоразнообразие и повышение устойчивости
Задача 9 ГБФ - Устойчивое управление дикими видами в интересах людей
Задача 14 ГБФ - Интегрировать биоразнообразие в процесс принятия решений на каждом уровне
Задача 20 ГБФ - Усилить создание потенциала, передачу технологий и научно-техническое сотрудничество в области биоразнообразия
Задача 21 ГБФ - Обеспечить наличие и доступность знаний для руководства действиями по сохранению биоразнообразия
Цели устойчивого развития
ЦУР 9 - Промышленность, инновации и инфраструктура
ЦУР 13 - Действия в области климата
ЦУР 15 - Жизнь на земле
ЦУР 17 - Партнерство для достижения целей
История
Коллекции Hibiscadelphus woodii доставляются ботаникам
Ben Nyberg
Эндемичный вид деревьев Hibiscadelphus woodii был обнаружен и описан в 1992 году и известен только по четырем отдельным растениям. Вскоре после этого оползень уничтожил три особи, оставив единственное дерево этого вида. В течение 18 лет предпринималось множество мер по сохранению вида: обрезка, прививка и даже перекрестное опыление в попытке сохранить дерево ex situ. Размножить вид так и не удалось, и когда в 2009 году погибло последнее дерево, мы решили, что вид вымер.
В 2019 году в рамках проекта по исследованию труднодоступных скал с помощью беспилотных летательных аппаратов в соседних районах удалось вновь обнаружить этот вид! К сожалению, две особи, которые мы нашли растущими в центре 500-метрового утеса, были совершенно недоступны для ботаников на веревке. Это была захватывающая находка, однако мы были беспомощны в сохранении вида.
Когда специалисты по робототехнике из Outreach Robotics узнали об этом открытии, мы быстро заключили партнерство по проекту, чтобы разработать беспилотный инструмент для сбора черенков с вертикальных скал. В течение последних четырех лет мы совместно разрабатывали, итерировали новые конструкции и проводили полевые испытания механизмов, необходимых для выполнения этой работы. Хотя пандемия COVID-19 замедлила наши полевые испытания, это позволило нам больше времени уделять лабораторным работам, а также создать высокотехнологичный инструмент, стабильный, эффективный и готовый к выполнению миссии.
В апреле 2024 года наша команда добралась до отдаленного района Кауаи на вертолете, доставив туда механизмы дрона и полевой персонал для проведения сбора. Дрон и "Мамба" подлетели на 300 м к растениям и смогли успешно собрать черенки с обеих известных особей. Затем эти черенки были доставлены вручную на вертолете, а затем на самолете на другой остров со специализированными камерами для размножения в попытке укоренить эти растения в питомнике. Мы рады сообщить, что черенки укоренились и теперь впервые в истории благополучно растут ex situ.
Мы нашли, собрали и вырастили Hibiscadelphus woodii с помощью современных технологий и надеемся, что нам удалось предотвратить исчезновение этого вида.
Такое сочетание ботанического опыта, беспилотных технологий и передовой техники изменило наши представления о работе в этих удаленных, труднодоступных, вертикальных экосистемах.
Связь с соавторами
Другие вкладчики
Гийом Шаррон
Просветительская робототехника
Национальный тропический ботанический сад
Национальный тропический ботанический сад
Скотт Хайнцман
Программа по предотвращению вымирания растений