Żywe czujniki połączone z robotyką wspomagają monitorowanie różnorodności biologicznej w środowiskach wodnych
Wyobraźmy sobie świat, w którym roboty wykorzystujące żywe organizmy jako czujniki stale monitorują stan jezior i oceanów. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu BioDiMoBot(odnośnik otworzy się w nowym oknie) dąży do realizacji tej wizji przez rozwój biohybrydowych robotów, które wykorzystują osiągnięcia biologii, inżynierii i sztucznej inteligencji w celu monitorowania różnorodności biologicznej i jakości wody w nowatorski sposób. Konwencjonalne metody monitorowania różnorodności biologicznej wód opierają się w dużej mierze na czujnikach i laboratoryjnych analizach chemicznych, które są drogie, pracochłonne i zazwyczaj przeprowadzane jednorazowo lub w określonych odstępach czasowych. Choć metody te zapewniają precyzyjne pomiary poszczególnych analizowanych parametrów, często pomijają reakcje biologiczne, które pokazują sposób funkcjonowania ekosystemów. „Rozwiązanie BioDiMoBot powstało w celu sprostania tym ograniczeniom poprzez opracowanie biohybrydowych systemów monitorowania, które wykorzystują żywe organizmy jako elementy wykrywające, uzupełniając w ten sposób istniejący zakres technologii o zintegrowane, opłacalne i skalowalne rozwiązania”, wyjaśnia Wiktoria Teresa Rajewicz, koordynatorka projektu i biolożka.
Żywe czujniki w działaniu
Rozwiązanie BioDiMoBot łączy zaawansowane czujniki z technologiami optycznymi i sensorycznymi w nowatorski sposób. Żywe organizmy wodne są wykorzystywane jako czujniki biohybrydowe. „Czujniki biohybrydowe łączą czułość żywych organizmów z wytrzymałością systemów elektronicznych”, wyjaśnia Rajewicz. „W połączeniu z optycznymi i elektronicznymi detektorami pozwalają nam automatycznie rejestrować ich behawioralne i fizjologiczne reakcje na wiele stresorów środowiskowych i przesyłać je w czasie rzeczywistym jako dane cyfrowe”. Jednym z przykładów jest moduł Daphnia, który łączy małą klatkę z rozwielitkami z elektronicznym rdzeniem zawierającym kamerę i komputer jednopłytkowy. Gdy woda przepływa przez klatkę, system rejestruje zachowanie rozwielitek podczas pływania i automatycznie je analizuje. Zmiany w ruchu dostarczają informacji na temat połączonych skutków i biodostępności substancji w środowisku, dzięki czemu stanowią bezpośrednie źródło informacji na temat jakości wody. Strumienie danych przesyłane przez rozwiązanie mogą stanowić wczesne sygnały ostrzegawcze o stresie w ekosystemie i trendach ekologicznych w dłuższym ujęciu czasowym. „Tego rodzaju dane pozwalają na ocenę skutków zmiany klimatu, wpływają na strategie adaptacji i pomagają w realizacji działań ukierunkowanych na łagodzenie skutków oraz ochronę”, dodaje Rajewicz.
Obserwacja zmian środowiskowych w czasie
Zrozumienie ekosystemów wodnych wymaga długotrwałego prowadzenia obserwacji, ponieważ presje środowiskowe związane ze zmianą klimatu mogą pojawiać się powoli, wyłącznie podczas ekstremalnych zdarzeń lub być skutkiem kilku czynników stresogennych występujących jednocześnie. Monitorowanie oparte na krótkotrwałym lub sporadycznym pobieraniu próbek prowadzi do ryzyka przeoczenia trendów, wartości progowych lub sygnałów ostrzegawczych związanych z degradacją ekosystemu. W ramach projektu zespół nie próbuje mierzyć poszczególnych parametrów w oderwaniu od siebie, a dzięki wykorzystaniu żywych organizmów uwzględnia sposób, w jaki organizmy żywe doświadczają warunków środowiskowych. Organizmy rejestrują wpływ czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych w czasie. Jak wyjaśnia Rajewicz: „Umożliwiając ciągłą obserwację w czasie rzeczywistym bez konieczności regularnych interwencji ludzi, autonomiczne systemy biohybrydowe BioDiMoBot stanowią bardziej holistyczne źródło wiedzy na temat zdrowia ekosystemów i różnorodności biologicznej wód w czasie”. Rozwiązanie BioDiMoBot powstało w oparciu o wcześniejsze prace realizowane w ramach projektu Robocoenosis, zmieniając obszar zainteresowania na różnorodność biologiczną i monitorowanie jakości wody. Choć pełny prototyp jest jeszcze w fazie rozwoju, kluczowe elementy systemu zostały już częściowo zweryfikowane. Rozwiązania biohybrydowe projektu zostały sprawdzone zarówno w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, jak i w rzeczywistych środowiskach słodkowodnych, w tym w jeziorze Millstatt(odnośnik otworzy się w nowym oknie), jeziorze Neusiedl i lokalnych stawach na terenie Austrii, a także w zatokach Grenlandii. Próby terenowe pozwoliły na przeprowadzenie oceny stabilności systemu, jakości danych i reakcji organizmów w warunkach naturalnej zmienności środowiska. Wstępne wyniki są zachęcające - pokazują bowiem, że biohybrydowe rozwiązania w zakresie monitorowania mogą działać niezawodnie przez dłuższy czas, jednocześnie rejestrując biologiczne reakcje na zmiany środowiskowe. Odkrycia te pokazują, że roboty biohybrydowe mogą uzupełniać istniejące rozwiązania w zakresie monitorowania, wspierając bardziej świadomą ocenę różnorodności biologicznej i badania nad skutkami zmiany klimatu.
