C'è un eDrone innovativo che raccoglie DNA ambientale sugli alberi

Sviluppato in Svizzera da ETH, WSL e da Spygen il robot volante che atterra sui rami anche più ostici per prelevare campioni biologici

eDrone: l'eDrone si avvicina a un ramo per il campionamento di DNA ambientale — L’eDrone si avvicina a un ramo per il campionamento di DNA ambientale (Foto: Gottardo Pestalozzi/WSL)

I ricercatori del Politecnico Federale di Zurigo e dell’Istituto Federale di Ricerca per la Foresta, la Neve e il Paesaggio hanno sviluppato un dispositivo volante che può atterrare sui rami degli alberi per prelevare campioni.
Si apre così una nuova dimensione di studio per gli scienziati, che finora era riservata agli arrampicatori più spericolati.

Un nuovissimo drone per transizioni ultrarapide tra aria e acqua

eDrone: l'infografica numero 1 della operatività dell'eDrone per la ricerca di eDNA realizzato da ETH e WSL — L’infografica numero 1 dell’indagine sulla biodiversità realizzata con un robot volante per la raccolta di eDNA. L’eDrone è teleguidato sopra un ramo in precedenza individuato; atterra autonomamente sullo stesso e stabilisce un contatto stabile per raccogliere l’eDNA; dopo il campionamento, l’eDrone può essere teleguidato alla stazione base e i campioni possono essere recuperati, conservati e spediti al laboratorio indicato per l’analisi dell’eDNA. L’eDNA è estratto, amplificato con primer universali e sequenziato. I risultati vengono generati confrontando le sequenze ambientali campionate con un database per l’identificazione delle specie. L’illustrazione descrive come le specie raccolte (la loro classe e famiglia) siano state identificate dai 14 campioni raccolti con l’eDrone in questo studio proof-of-concept o prova di fattibilità. Per ogni specie sono riportati il numero di letture di DNA (Nb) nonché il metodo di campionamento che l’ha identificata
(Illustrazione: Laboratorio di Robotica Ambientale del WSL)

L’eDNA, o “environmental DNA”, è il materiale genetico nell’ambiente

Gli ecologi utilizzano sempre più spesso le tracce di materiale genetico lasciate dagli organismi viventi nell’ambiente, chiamate DNA ambientale (eDNA, da “environmental DNA”), per catalogare e monitorare la biodiversità.
Sulla base di queste tracce di DNA, i ricercatori possono determinare quali specie sono presenti in una certa area.
Ottenere campioni dall’acqua o dal suolo è facile, ma altri habitat, come le chiome delle foreste, sono di difficile accesso.
Di conseguenza, molte specie rimangono non rintracciate in aree poco esplorate.
I ricercatori dell’ETH Zürich, del WSL e l’azienda Spygen di Le Bourget-du-Lac, in Francia hanno collaborato per sviluppare un drone in grado di raccogliere autonomamente campioni sui rami degli alberi.
L’ente è un istituto di ricerca della Confederazione Elvetica, fa parte del Settore dei Politecnici Federali e occupa circa 500 dipendenti.
Oltre alle sue sedi principali a Birmensdorf (Zurigo) e Davos (Istituto WSL per lo studio della Neve e delle Valanghe, in sigla SLF, nei Grigioni), esso vanta una presenza regionale anche a Losanna (Vaud), Cadenazzo (Ticino) e Sion (Vallese).

Sciami di droni per la stampa 3D utili a costruzioni e riparazioni

eDrone: la superficie adesiva dell'eDrone tocca un ramo per raccogliere eDNA — La superficie adesiva dell’eDrone tocca un ramo per raccogliere eDNA (Foto: Gottardo Pestalozzi/WSL)

Strisce adesive per la raccolta dei campioni, con attenzione all’appoggio

Il drone è dotato di strisce adesive. Quando il velivolo atterra su un ramo, il materiale del ramo si attacca a queste strisce.
I ricercatori possono in seguito estrarre il DNA in laboratorio, analizzarlo e assegnarlo alle corrispondenze genetiche dei vari organismi utilizzando dati comparativi disponibili in database scientifici.
Ma non tutti i rami sono uguali: variano in termini di spessore ed elasticità. Inoltre, i rami si piegano e rimbalzano quando un drone vi atterra sopra.
Programmare il velivolo in modo che possa avvicinarsi autonomamente a un ramo e rimanere stabile su di esso per un tempo sufficiente a prelevare campioni è stata una sfida per i tecnici.
“Atterrare sui rami richiede un controllo complesso”, spiega Stefano Mintchev, Professore di Robotica Ambientale al Politecnico Federale di Zurigo e all’Istituto Federale di Ricerca per la Foresta, la Neve e il Paesaggio.
Inizialmente, il drone non sa quanto sia flessibile un ramo, quindi i ricercatori lo hanno dotato di una gabbia capace di rilevare la forza esercitata.
Il drone misura questo fattore e ne tiene conto per sua manovra di volo.

C’è un drone che si “arrampica” sugli alberi per proteggerli

eDrone: l'infografica numero 2 della operatività dell'eDrone per la ricerca di eDNA realizzato da ETH e WSL — L’infografica numero 2 dell’indagine sulla biodiversità realizzata con un robot volante per la raccolta di eDNA. L’eDrone è teleguidato sopra un ramo in precedenza individuato; atterra autonomamente sullo stesso e stabilisce un contatto stabile per raccogliere l’eDNA; dopo il campionamento, l’eDrone può essere teleguidato alla stazione base e i campioni possono essere recuperati, conservati e spediti al laboratorio indicato per l’analisi dell’eDNA. L’eDNA è estratto, amplificato con primer universali e sequenziato. I risultati vengono generati confrontando le sequenze ambientali campionate con un database per l’identificazione delle specie. L’illustrazione descrive come le specie raccolte (la loro classe e famiglia) siano state identificate dai 14 campioni raccolti con l’eDrone in questo studio proof-of-concept o prova di fattibilità. Per ogni specie sono riportati il numero di letture di DNA (Nb) nonché il metodo di campionamento che l’ha identificata
(Illustrazione: Laboratorio di Robotica Ambientale del WSL)

Preparazione con 21 tipi di organismi nella foresta dello… zoo di Zurigo

I ricercatori hanno testato il loro nuovo dispositivo su sette specie arboree.
Nei campioni hanno trovato il DNA di 21 gruppi distinti di organismi, o taxa, tra cui uccelli, mammiferi e insetti.
“È un dato incoraggiante, perché dimostra che la tecnica di raccolta funziona”, afferma Mintchev, coautore dello studio appena pubblicato sulla rivista “Science Robotics”.
I ricercatori vogliono ora migliorare ulteriormente il loro drone per prepararlo a una competizione in cui l’obiettivo è individuare il maggior numero possibile di specie diverse in 100 ettari di foresta pluviale a Singapore in 24 ore.
Per testare l’efficienza del drone in condizioni simili a quelle che sperimenterà alla competizione, Mintchev e il suo team stanno attualmente lavorando nella foresta pluviale Masoala dello Zoo di Zurigo.
“Qui abbiamo il vantaggio di sapere quali specie sono presenti, il che ci aiuterà a valutare meglio quanto siamo accurati nel raccogliere tracce di eDNA con questa tecnica o se ci manca qualcosa”, dice Mintchev.

Catturato in Vallese lo… stress invisibile di una foresta

eDrone: gli studiosi Emanuele Aucone e Christian Geckeler al lavoro sull'eDrone — Gli studiosi Emanuele Aucone e Christian Geckeler al lavoro sull’eDrone (Foto: Gottardo Pestalozzi/WSL)

Sfida a Singapore: in un giorno un numero di piante 10 volte superiore

Per questo evento, tuttavia, il dispositivo di raccolta deve diventare più efficiente e muoversi più velocemente.
Nei test condotti in Svizzera, il drone ha raccolto materiale da sette alberi in tre giorni; a Singapore, deve essere in grado di volare e raccogliere campioni da un numero di alberi dieci volte superiore in un solo giorno.
La raccolta di campioni in una foresta pluviale naturale, tuttavia, presenta ai ricercatori sfide ancora più maggiori.
Le piogge frequenti lavano via l’eDNA dalle superfici, mentre il vento e le nuvole impediscono il funzionamento dei droni.
“Siamo quindi molto curiosi di vedere se il nostro metodo di campionamento si dimostrerà valido anche in condizioni estreme ai tropici”, afferma Mintchev.

Video, lo stress di una foresta elvetica rilevato dai droni