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从无人机群到树木电池,科技推动全球生态环境保护

2018-05-21 16:01
资本实验室
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资本实验室·今日创新观察

聚焦前沿科技创新与传统产业升级

王进

5月18日至19日,全国生态环境保护大会在北京召开。会议提出了实现美丽中国的两个阶段性目标——到2035年,生态环境质量实现根本好转,美丽中国目标基本实现;到本世纪中叶,建成美丽中国。由此,中国在生态环境保护方面将进入一个新的发展时期。

生态环境保护在全球都已经成为一个重要议题。其中,了解地球的物种和生态系统是一项极具挑战性的科学追求。

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通常情况下,生物学家在研究自然时会使用到各种科学仪器和工具,而面对复杂多变的环境与各种危险的生物,找到合适的工具成为野外科研令人头疼的问题,而有时科学家们只能利用手边的物品动手打造工具。

到目前,生态学与生态保护正处于一场科技变革的初始阶段,新兴技术则为洞察自然界和保护生物多样性提供了新的可能性,也已经或正在成为科学家研究自然的必要工具。微型传感器、自动驾驶、无人机、3D打印、生物电池等新兴技术正是推动这场变革的必要元素。

1.微型跟踪传感器

利用电子设备记录动物的运动最初是在20世纪60年代通过VHF无线电遥测技术实现的。自此以后,借助GPS和其他卫星数据,科学家们可以追踪更多的物种,特别是如驯鹿、剪嘴鸥和海龟等长距离迁徙动物。

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通过在动物身体上安装微型追踪器,让科学家们对动物运动和其它行为(如狩猎)的理解更加轻松、准确。

现在,多样化的微型传感器,包括加速度计、陀螺仪、磁力计、微型摄像头和气压计已经得到广泛应用,而这些设备可以以前所未有的精度跟踪动物的运动。

借助这些设备,科学家们还可以测量动物运动的“生理消耗”,例如动物是否特别难以到达目的地,或在特定位置捕捉猎物的能量消耗。

然后,科学家们通过计算机将动物运动路径在3D渲染的空间中精确还原,可以分析动物个体是如何对彼此及周围环境做出反应。

这些设备还可以帮助科学家们分析动物是否会在受到物种入侵或栖息地改变等威胁时改变它们的行为。同时,它们还能告诉科学家如何进行更有效的环境保护。

2.自动驾驶与无人机

无人机等远程遥控设备让科学家们可以从水陆空三个角度来研究自然与生物。生态学家也在部署自动驾驶车辆来测量环境,观察物种并评估时间的变化,所有这些都是以前的科研工作无法想象的。

无人机在生态保护方面有许多令人兴奋的应用,包括测量神秘的和难以接触的猩猩等野生动物。

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将自动驾驶设备与微型追踪传感器(如热成像)相结合,可以更容易地观察罕见的、隐藏的或夜间行动的物种,还可以帮助环保人士抓捕偷猎者,有助于保护犀牛、大象和穿山甲等动物。

如美国公司Vulcan Technology资助的DAS(Domain Awareness System)项目就是以传感器和无人机等科技为核心的动物保护项目,旨在保护非洲野生动物(大象、犀牛等),并在肯尼亚、坦桑尼亚等国打击偷猎行为。

3.3D打印

尽管3D打印技术早在20世纪80年代就被发明出来,但直到近几年,科学家们才开始意识到它在生态研究领域的有效用途。

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例如,它可以用来制造便宜、轻巧的跟踪装置,安装到动物身上,也可以用来创建复杂而精细的植物、动物或其他生物模型,以用于行为研究。

4.生物电池

保持电子设备的正常运行是野外科研的一个挑战。传统的电池寿命有限,并且含有有毒的化学物质。太阳能可以帮助解决这些问题,但不适合用在热带雨林深处等长时间昏暗的区域。

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生物电池则有助于克服这一挑战。其基本原理是利用酶将天然存在的化学能(如淀粉)转化为电能。只需插在树干上,就可以让传感器及其它设备在没有太阳或缺少电力供应的地方长期获得电力。

5.技术组合推动环境生态智能

上述技术都是生态研究领域目前正在应用或试用的新型创新技术。新兴技术本身是令人兴奋的,但只有当它们相互结合时,才可以彻底改变生态学研究,而未来的环境生态智能研究将整合多种生态技术。

从无人机群到树木电池,科技推动全球生态环境保护

生态与环境科学新技术应用时间线

想象一下,未来的研究站配备有远程摄像机和声音记录仪,利用低功率电脑进行图像和动物呼叫识别,这些全部由树木通过生物电池供电。

同时,这些设备可以使用低功率、远程遥测技术在网络中彼此通信,能够跟踪动物从一个位置移动到另一个位置,并将信息传输到中心位置。然后可以部署无人机群收集数据,并传输到云端,科学家们可以从世界任何地方访问这些数据。

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【备注】在上图中,红线表示通过物联网(IoT)传输数据,其中多种技术正在彼此通信。灰线表示更传统的数据传输。虚线表示长距离数据传输。(1)生物电池;(2)物联网(IoT);(3)群理论;(4)远程低功率遥测;(5)太阳能;(6)低功耗电脑;(7)通过卫星传输数据;(8)生物信息学。(Source and further details at DOI: 10.1002/ecs2.2163. Euan Ritchie)

各种新技术的组合应用不仅会产生更准确的研究数据,而且还将研究过程中对物种和生态系统的干扰降至最低;不仅可以减少对动物的压力和疾病的无意间传播,还可以为植物、动物和其他生物如何相互影响提供更“自然”的场景。

新科技改变了我们看世界的角度,也改变了我们研究世界的方法。未来,随着各种新技术在生态学领域的大规模应用,生态学家们的研究将更加轻松、安全和准确。对于“美丽中国”的建设,新技术的应用也必将产生不可估量的促进作用。

参考信息来源:Euan Ritchie,Blake Allan / theconversation

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