Sanfte Landung: Drohne sammelt DNA-Proben von dünnen, wackelnden Ästen
Der neu entwickelte Quadcopter ist mit einem Kraftsensor und Software ausgestattet, um seine Landung in den Baumwipfeln der Steifigkeit der Äste anzupassen.
Forschende der ETH Zürich haben eine Drohne entwickelt, die halb autonom auf Baumzweigen landen kann.
(Bild: Gottardo Pestalozzi)
(This article is also available in English)
Der Klimawandel und die Ausbreitung des Menschen in historisch artenreiche Lebensräume haben zu einem teils dramatischen Rückgang der weltweiten Biodiversität geführt. Allerdings ist es schwierig, das Ausmaß dieses Rückgangs quantitativ zu bestimmen. Seit einigen Jahren hat sich dazu die Analyse sogenannter Umwelt-DNA (environmental DNA, eDNA) etabliert. Das ist DNA, die in geringen Mengen an die Umwelt abgegeben wird. Aus der Sequenzierung solcher Proben lassen sich dort lebende Arten katalogisieren. Doch während eDNA aus dem Meer relativ leicht durch Wasserproben gewonnen werden kann, ist die Beschaffung von eDNA an Land schwieriger.
Jetzt haben Emanuele Aucone von der ETH Zürich und Kollegen eine Drohne entwickelt, die halb autonom auf Baumzweigen landen kann, um dort DNA-Proben zu gewinnen. Dazu wird sie zunächst per Fernsteuerung über den Ast gelenkt und setzt dann autonom zum Landen an. Ein klebender Film fängt die umliegende eDNA ein. Bei einem Test im Freien, bei dem sieben Bäume im Schweizer Unterland beprobt wurden, ermöglichte die Drohne tatsächlich die Identifizierung verschiedener Arten.
Drohne schwebt mehr, als dass sie landet
"Landen" beschreibt die Aktion der Drohne allerdings nur annähernd – es ist mehr ein vorsichtiges Anstupsen, das die Drohne da vollzieht. Die Forschenden wollten, dass der Quadcopter auch auf sehr dünnen Zweigen niedergehen kann. Wie stabil so ein Ast ist, lässt sich aber beim Anflug nicht genau erkennen. Der autonome Landemechanismus musste also unabhängig von der Steifigkeit des Astes funktionieren. Das haben die Forschenden mit einer Art Käfig gelöst, der die Drohne umgibt.
Ein horizontaler und ein vertikaler Reifen sind punktuell mit einem Kraftsensor in der Mitte verbunden. Software misst die beim Landen aus verschiedenen Richtungen auftretenden Kräfte und versucht durch Regulierung der Rotoren, eine vorgegebene Kraft am Kontaktpunkt mit dem Ast einzustellen, ohne dass die Maschine anfängt zu gleiten, oder zu kippen. Da die Kontaktkraft sehr klein ist, schwebt die Maschine mehr über dem Ast, als direkt auf ihm zu landen.
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Die Schweizer Forschenden sind allerdings nicht die ersten, die eine Drohne gebaut haben, die mehr oder weniger elegant auf Ästen oder Stangen landen kann. Denn diese Fähigkeit erlaubt es beispielsweise, Drohnen zu einem Ziel zu fliegen und sie gewissermaßen energiesparend zu parken. 2019 präsentierten Forschende der Stanford University mechanische Greifer, die ähnlich wie die Füße von Greifvögeln funktionieren und sich bei Kontakt extrem schnell um einen Ast schließen. Ein Balance-Algorithmus sorgt anschließend dafür, dass die Drohne stabil sitzen bleibt.
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(wst)