從無(wú)人機(jī)群到樹(shù)木電池，科技推動(dòng)全球生態(tài)環(huán)境保護(hù)

資本實(shí)驗(yàn)室·今日創(chuàng)新觀察

聚焦前沿科技創(chuàng)新與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

王進(jìn)

5月18日至19日，全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)在北京召開(kāi)。會(huì)議提出了實(shí)現(xiàn)美麗中國(guó)的兩個(gè)階段性目標(biāo)——到2035年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量實(shí)現(xiàn)根本好轉(zhuǎn)，美麗中國(guó)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)；到本世紀(jì)中葉，建成美麗中國(guó)。由此，中國(guó)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)在全球都已經(jīng)成為一個(gè)重要議題。其中，了解地球的物種和生態(tài)系統(tǒng)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)追求。

通常情況下，生物學(xué)家在研究自然時(shí)會(huì)使用到各種科學(xué)儀器和工具，而面對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境與各種危險(xiǎn)的生物，找到合適的工具成為野外科研令人頭疼的問(wèn)題，而有時(shí)科學(xué)家們只能利用手邊的物品動(dòng)手打造工具。

到目前，生態(tài)學(xué)與生態(tài)保護(hù)正處于一場(chǎng)科技變革的初始階段，新興技術(shù)則為洞察自然界和保護(hù)生物多樣性提供了新的可能性，也已經(jīng)或正在成為科學(xué)家研究自然的必要工具。微型傳感器、自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、3D打印、生物電池等新興技術(shù)正是推動(dòng)這場(chǎng)變革的必要元素。

1.微型跟蹤傳感器

利用電子設(shè)備記錄動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)最初是在20世紀(jì)60年代通過(guò)VHF無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。自此以后，借助GPS和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科學(xué)家們可以追蹤更多的物種，特別是如馴鹿、剪嘴鷗和海龜?shù)乳L(zhǎng)距離遷徙動(dòng)物。

通過(guò)在動(dòng)物身體上安裝微型追蹤器，讓科學(xué)家們對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)和其它行為（如狩獵）的理解更加輕松、準(zhǔn)確。

現(xiàn)在，多樣化的微型傳感器，包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、微型攝像頭和氣壓計(jì)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而這些設(shè)備可以以前所未有的精度跟蹤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。

借助這些設(shè)備，科學(xué)家們還可以測(cè)量動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的“生理消耗”，例如動(dòng)物是否特別難以到達(dá)目的地，或在特定位置捕捉獵物的能量消耗。

然后，科學(xué)家們通過(guò)計(jì)算機(jī)將動(dòng)物運(yùn)動(dòng)路徑在3D渲染的空間中精確還原，可以分析動(dòng)物個(gè)體是如何對(duì)彼此及周?chē)h(huán)境做出反應(yīng)。

這些設(shè)備還可以幫助科學(xué)家們分析動(dòng)物是否會(huì)在受到物種入侵或棲息地改變等威脅時(shí)改變它們的行為。同時(shí)，它們還能告訴科學(xué)家如何進(jìn)行更有效的環(huán)境保護(hù)。

2.自動(dòng)駕駛與無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)等遠(yuǎn)程遙控設(shè)備讓科學(xué)家們可以從水陸空三個(gè)角度來(lái)研究自然與生物。生態(tài)學(xué)家也在部署自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)測(cè)量環(huán)境，觀察物種并評(píng)估時(shí)間的變化，所有這些都是以前的科研工作無(wú)法想象的。

無(wú)人機(jī)在生態(tài)保護(hù)方面有許多令人興奮的應(yīng)用，包括測(cè)量神秘的和難以接觸的猩猩等野生動(dòng)物。

將自動(dòng)駕駛設(shè)備與微型追蹤傳感器（如熱成像）相結(jié)合，可以更容易地觀察罕見(jiàn)的、隱藏的或夜間行動(dòng)的物種，還可以幫助環(huán)保人士抓捕偷獵者，有助于保護(hù)犀牛、大象和穿山甲等動(dòng)物。

如美國(guó)公司Vulcan Technology資助的DAS（Domain Awareness System）項(xiàng)目就是以傳感器和無(wú)人機(jī)等科技為核心的動(dòng)物保護(hù)項(xiàng)目，旨在保護(hù)非洲野生動(dòng)物（大象、犀牛等），并在肯尼亞、坦桑尼亞等國(guó)打擊偷獵行為。

3.3D打印

盡管3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)80年代就被發(fā)明出來(lái)，但直到近幾年，科學(xué)家們才開(kāi)始意識(shí)到它在生態(tài)研究領(lǐng)域的有效用途。

例如，它可以用來(lái)制造便宜、輕巧的跟蹤裝置，安裝到動(dòng)物身上，也可以用來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜而精細(xì)的植物、動(dòng)物或其他生物模型，以用于行為研究。

4.生物電池

保持電子設(shè)備的正常運(yùn)行是野外科研的一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電池壽命有限，并且含有有毒的化學(xué)物質(zhì)。太陽(yáng)能可以幫助解決這些問(wèn)題，但不適合用在熱帶雨林深處等長(zhǎng)時(shí)間昏暗的區(qū)域。

生物電池則有助于克服這一挑戰(zhàn)。其基本原理是利用酶將天然存在的化學(xué)能（如淀粉）轉(zhuǎn)化為電能。只需插在樹(shù)干上，就可以讓傳感器及其它設(shè)備在沒(méi)有太陽(yáng)或缺少電力供應(yīng)的地方長(zhǎng)期獲得電力。

5.技術(shù)組合推動(dòng)環(huán)境生態(tài)智能

上述技術(shù)都是生態(tài)研究領(lǐng)域目前正在應(yīng)用或試用的新型創(chuàng)新技術(shù)。新興技術(shù)本身是令人興奮的，但只有當(dāng)它們相互結(jié)合時(shí)，才可以徹底改變生態(tài)學(xué)研究，而未來(lái)的環(huán)境生態(tài)智能研究將整合多種生態(tài)技術(shù)。

生態(tài)與環(huán)境科學(xué)新技術(shù)應(yīng)用時(shí)間線

想象一下，未來(lái)的研究站配備有遠(yuǎn)程攝像機(jī)和聲音記錄儀，利用低功率電腦進(jìn)行圖像和動(dòng)物呼叫識(shí)別，這些全部由樹(shù)木通過(guò)生物電池供電。

同時(shí)，這些設(shè)備可以使用低功率、遠(yuǎn)程遙測(cè)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中彼此通信，能夠跟蹤動(dòng)物從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，并將信息傳輸?shù)街行奈恢?。然后可以部署無(wú)人機(jī)群收集數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)皆贫?，科學(xué)家們可以從世界任何地方訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)。

【備注】在上圖中，紅線表示通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳輸數(shù)據(jù)，其中多種技術(shù)正在彼此通信?；揖€表示更傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。虛線表示長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。（1）生物電池;（2）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）;（3）群理論;（4）遠(yuǎn)程低功率遙測(cè);（5）太陽(yáng)能;（6）低功耗電腦;（7）通過(guò)衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù);（8）生物信息學(xué)。（Source and further details at DOI: 10.1002/ecs2.2163. Euan Ritchie）

各種新技術(shù)的組合應(yīng)用不僅會(huì)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù)，而且還將研究過(guò)程中對(duì)物種和生態(tài)系統(tǒng)的干擾降至最低；不僅可以減少對(duì)動(dòng)物的壓力和疾病的無(wú)意間傳播，還可以為植物、動(dòng)物和其他生物如何相互影響提供更“自然”的場(chǎng)景。

新科技改變了我們看世界的角度，也改變了我們研究世界的方法。未來(lái)，隨著各種新技術(shù)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，生態(tài)學(xué)家們的研究將更加輕松、安全和準(zhǔn)確。對(duì)于“美麗中國(guó)”的建設(shè)，新技術(shù)的應(yīng)用也必將產(chǎn)生不可估量的促進(jìn)作用。

參考信息來(lái)源：Euan Ritchie，Blake Allan / theconversation