Lebende Sensoren treffen Robotik: Überwachung der biologischen Vielfalt im Wasser
Stellen Sie sich Roboter vor, die lebende Organismen als Sensoren nutzen und damit kontinuierlich den Zustand von Seen und Ozeanen überwachen. Das Team des EU-finanzierten Projekts BioDiMoBot(öffnet in neuem Fenster) arbeitet auf die Realisierung dieser Vision hin und entwickelt biohybride Roboter, die eine Kombination aus Biologie, Technik und künstlicher Intelligenz verkörpern, um die biologische Vielfalt und Wasserqualität auf ganz neuartige Weise zu überwachen. Traditionelle Überwachung der aquatischen biologischen Vielfalt stützt sich weitgehend auf technische Sensoren und chemische Laboranalysen, die kostspielig und arbeitsintensiv sind sowie typischerweise zu bestimmten Zeitpunkten durchgeführt werden. Diese Verfahren liefern zwar präzise Messungen einzelner Parameter, lassen aber oft jene biologischen Reaktionen außer Acht, die wiedergeben, wie Ökosysteme funktionieren. „BioDiMoBot wurde dazu konzipiert, diese Einschränkungen aufzuheben. Es wurden biohybride Überwachungssysteme entwickelt, die lebende Organismen als Sensorelemente nutzen und auf diese Weise vorhandene Technologien durch biologisch integrierte, kostengünstige und skalierbare Überwachungslösungen ergänzen“, sagt Wiktoria Teresa Rajewicz, an der Koordinierung des Projekts beteiligte Biologin.
Lebende Sensoren in Aktion
Das System von BioDiMoBot wird auf neuartige Weise durch eine Kombination aus fortgeschrittenen Sensoren mit optischen und sensorischen Technologien gebildet. Lebende aquatische Organismen kommen als biohybride Sensoren zum Einsatz. „Mit Biohybridsensoren werden die Empfindlichkeit lebender Organismen mit der Robustheit elektronischer Systeme verbunden“, erklärt Rajewicz. „Zusammen mit optischen und elektronischen Ausleseeinheiten gestatten sie es uns, ihr Verhalten und ihre physiologischen Reaktionen auf verschiedene Umweltstressoren automatisch aufzuzeichnen und in Echtzeit in Form digitaler Daten zu übermitteln.“ Es gibt zum Beispiel ein Daphnienmodul, bei dem ein kleiner Käfig mit Daphnien, die allgemein als Wasserflöhe bekannt sind, mit einem elektronischen Kern kombiniert ist, der eine Kamera und einen Einplatinencomputer enthält. Während das Wasser durch den Käfig fließt, zeichnet das System das Schwimmverhalten der Tiere auf und analysiert es automatisch. Veränderungen in deren Bewegungsmustern geben Aufschluss über die kombinierten Effekte und die Bioverfügbarkeit von Substanzen in der Umwelt, woraus sich ein direkter Einblick in die Wasserqualität ergibt. Die von System erzeugten Datenströme können Frühwarnsignale für Ökosystemstress und langfristige ökologische Trends anzeigen. „Mit dieser Art von Daten wird die Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels gestützt, werden Anpassungsstrategien untermauert sowie Maßnahmen zur Abschwächung und zum Schutz der Umwelt gelenkt“, fügt Rajewicz hinzu.
Umweltveränderungen im Zeitverlauf nachverfolgen
Verständnis für aquatische Ökosysteme zu entwickeln, erfordert Beobachtungen über lange Zeiträume, da Umweltbelastungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel langsam entstehen, nur bei Extremereignissen auftreten oder aus mehreren gleichzeitig auftretenden Stressfaktoren resultieren können. Überwachung auf der Grundlage kurzfristiger oder gelegentlicher Stichprobenahmen birgt die Gefahr, dass Trends, Schwellenwerte oder Frühwarnsignale für Schädigungen an Ökosystemen übersehen werden. Anstatt isolierte Parameter zu messen, spiegelt der sich auf lebende Organismen stützende Ansatz des Projekts wider, wie die Umweltbedingungen von Wasserlebewesen als Ganzes wahrgenommen werden. Mit diesen Organismen gelingt die Erfassung der Auswirkungen physikalischer, chemischer und biologischer Faktoren im Zeitverlauf. Rajewicz dazu: „Die autonomen biohybriden Systeme von BioDiMoBot lassen eine kontinuierliche Beobachtung in Echtzeit zu, ohne dass häufiges menschliches Eingreifen erforderlich ist. Damit sorgen sie für ein ganzheitlicheres und zeitlich aufgelöstes Verständnis der Ökosystemgesundheit und der aquatischen biologischen Vielfalt.“ Das Team von BioDiMoBot baut auf früheren Arbeiten des Projekts Robocoenosis auf, wobei der Schwerpunkt auf eine umfassendere Überwachung der biologischen Vielfalt und der Wasserqualität verlagert wird. Während sich der voll funktionsfähige Prototyp noch in der Entwicklung befindet, konnten die wichtigsten Systemkomponenten bereits teilweise validiert werden. Die projekteigenen Biohybridsysteme wurden sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen als auch in realen Süßwasserumgebungen erprobt, etwa im Millstätter See(öffnet in neuem Fenster), Neusiedler See und in lokalen Teichen in Österreich sowie in Buchten in Grönland. Im Zuge von Feldversuchen wurden die Systemstabilität, die Datenqualität und die Reaktionen der Organismen bei natürlichen Umweltschwankungen bewertet. Die vorläufigen Ergebnisse sind ermutigend und zeigen, dass biohybride Überwachungssysteme über längere Zeiträume zuverlässig arbeiten und gleichzeitig biologisch aussagefähige Reaktionen auf Umweltveränderungen erfassen können. Anhand dieser Ergebnisse wird demonstriert, wie biohybride Roboter bestehende Überwachungsansätze ergänzen könnten, um zu einer fundierteren Bewertung der biologischen Vielfalt zu gelangen und die Erforschung des Klimawandels zu unterstützen.
