Autonome Technologien Mit Drohnen auf Spurensuche für Biodiversität

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Ein Team unter der Leitung der ETH Zürich und der WSL hält Einzug in das Finale des XPrize Rainforest Wettbewerbs. Ziel des internationalen Forschungswettbewerbs ist die Förderung der Entwicklung autonomer Technologien, mit denen Daten über die Biodiversität gesammelt werden können.

XPrize Rainforest ist ein internationaler Wettbewerb dessen Ziel es ist, die Entwicklung autonomer Technologien zu fördern, mit denen Daten über die Biodiversität gesammelt werden können. An dessen Ende wartet ein Preisgeld in der Höhe von 10 Millionen US-​Dollar auf das Gewinnerteam. Durch den Einsatz von unbemannten Forschungsfahrzeugen (sogenannten «Rovern») und Drohnen soll dabei die biologische Vielfalt im Regenwald erfasst und so dieses Ökosystem besser verstanden werden. Der Wettbewerb startete 2019 mit knapp 300 Teams, von denen 13 das Halbfinale erreichten, das im Mai und Juni 2023 im Regenwald Singapurs stattfand. Auch das Team ETH BiodivX unter Leitung der ETH Zürich und der WSL war mit 29 Personen aus 13 Ländern vor Ort, um die Wirksamkeit der gemeinsam entwickelten Technologien zu demonstrieren. Insgesamt leisteten 56 Personen aus 15 unterschiedlichen Organisationen einen Beitrag für das ETH BiodivX Team, darunter die drei ETH-​Spin-Offs Restor, Diaxxio und SimplexDNA.

Die Aufgabe im Halbfinale

Jedes Team hatte 72 Stunden Zeit, um die entwickelten Technologien zu testen: 24 Stunden, um Daten zu sammeln, und 48 Stunden, um diese auszuwerten und einen Bericht anzufertigen. Die Aufgabe war es, auf einer zugeteilten Fläche dichten Dschungels möglichst viele Pflanzen-​ und Tierarten nachzuweisen, ohne das Gebiet dabei selbst zu betreten.

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Während 24 Stunden flog die Drohne des ETH BiodivX Teams 41-​Mal in den Regenwald und sammelte dabei 50 eDNA-​Proben (Kurzform für environmental DNA, auf Deutsch: Umwelt-​DNA). Dabei handelt es sich um DNA-​Spuren, die Lebewesen in ihrem Lebensraum hinterlassen, beispielsweise durch Ausscheidungen oder den Verlust von Haut-​ und Haarpartikeln. Das Sammeln der eDNA ermöglicht den Nachweis unterschiedlicher Tier-​ und Pflanzenarten in einem bestimmten Gebiet. Das Team ETH BiodivX sammelte mithilfe von Drohnen drei verschiedene Typen von eDNA-​Proben: Wasser-​, Luft-​ und Oberflächenproben. Für die Entnahme der Oberflächenproben entwickelten die Forscher eine Sonde, mit der Abstriche von verschiedenen Oberflächen gemacht werden konnten. Diese wurde an einer Drohne befestigt und konnte durch eine Winde tief in den Regenwald hinabgelassen werden. «Durch diese Bewegung können wir Umwelt-​DNA aus dem Inneren der Baumkronen aufnehmen, die auf andere Weise nicht zugänglich wäre», schildert der am Wettbewerb teilnehmende ETH-​Professor Stefano Mintchev.

Ein Rover und eine Flugdrohne, die von Forschern der Universität Aarhus respektive der TU-​Delft entwickelt wurden, kamen im Halbfinale ebenfalls zum Einsatz. Die beiden Fahrzeuge produzierten auf ihren Einsätzen im Regenwald 130 Gigabyte an Video-​ und Audioaufnahmen. Citizen Scientists und KI-​Algorithmen der Zürcher Non-​Profit Organisation GainForest, verfolgten diese Fahrten im Livestream und identifizierten so weitere Spezies.

Insgesamt entstand innerhalb eines Tages eine enorme Fülle an Daten: Es wurden mehr als 12 Millionen DNA-​Sequenzen produziert und gesamthaft 257 Tier-​ und Pflanzenarten in dem untersuchten Regenwaldgebiet durch das Team identifiziert werden. Die Ergebnisse wurden dann in einem über 70-​seitigen Bericht festgehalten.

Ideale Übungsbedingungen im Zoo Zürich

Die heissen und feuchten Bedingungen im Regenwald stellen für die verwendete Elektronik eine grosse Herausforderung dar. Und auch die Probenentnahme musste geübt werden, bevor die Forscher nach Singapur aufbrachen. Glücklicherweise stellte der Zoo Zürich mit seinem Masoala Regenwald einen idealen Übungsort zur Verfügung. «Neben dem Bildungsauftrag, dem Natur-​ und dem Artenschutz ist die Forschung eine der vier zentralen Aufgaben eines modernen Zoos. Diese Kollaboration mit der ETH Zürich ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie man den Masoala Regenwald nutzen kann, um Forschungsmethoden vor dem Einsatz im Feld zu testen und zu optimieren», bekräftigt Dr. Leyla Davis, Forschungskuratorin im Zoo Zürich.

Das Finale 2024

Am Montag, 24. Juli, wurden an der ICCB 2023 Konferenz die sechs Finalisten des XPrize Rainforest Wettbewerbs bekannt gegeben. Die intensive und langjährige Arbeit an dem Projekt zahlte sich aus, denn die Gruppe ETH BiodivX schaffte den Einzug in die finale Runde des Wettbewerbs. «Diese Leistung stellt einen bemerkenswerten Meilenstein für unser Team dar. Unseren Erfolg verdanken wir der aussergewöhnlichen Mischung an Personen aus verschiedensten Disziplinen, die ihre Ideen und vielfältigen Fähigkeiten aus den Bereichen der Robotik, DNA-​Sequenzierung, Sozialwissenschaften und weiteren Feldern eingebracht haben», erklärt Stefano Mintchev.

Die ETH-​Professorin Kristy Deiner ergänzt: «Es könnte keinen besseren Zeitpunkt für einen solchen Wettbewerb geben, um die Lösungen auszuarbeiten, die zur Bewältigung der Biodiversitätskrise erforderlich sind. Wir fühlen uns geehrt, unter den Finalist:innen zu sein. Vor allem aber freuen wir uns darauf, unsere Technologien weiterzuentwickeln.» Die sechs Teams, die es in die letzte Runde geschafft haben, können nun ihre Technologien nochmals überarbeiten, bevor es 2024 ins Finale geht.

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