I sensori viventi incontrano la robotica per il monitoraggio della biodiversità acquatica
Immaginate robot che utilizzano organismi viventi come sensori, monitorando continuamente la salute di laghi e oceani. Il progetto BioDiMoBot(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, sta lavorando a questa visione attraverso lo sviluppo di robot bioibridi che combinano biologia, ingegneria e intelligenza artificiale per monitorare la biodiversità e la qualità dell’acqua in modo innovativo. Il monitoraggio tradizionale della biodiversità acquatica si basa in gran parte su sensori tecnici e analisi chimiche di laboratorio, che sono costose, richiedono molta manodopera e vengono tipicamente effettuate in momenti isolati. Sebbene questi metodi forniscano misure precise di singoli parametri, spesso non tengono conto delle risposte biologiche che riflettono il funzionamento degli ecosistemi. «BioDiMoBot è stato progettato per affrontare queste limitazioni sviluppando sistemi di monitoraggio bioibridi che utilizzano organismi viventi come elementi di rilevamento, integrando così le tecnologie esistenti con soluzioni di monitoraggio biologicamente integrate, economiche e scalabili», spiega la coordinatrice del progetto e biologa Wiktoria Teresa Rajewicz.
Sensori viventi in azione
Il sistema di BioDiMoBot combina sensori avanzati con tecnologie ottiche e di rilevamento in modo innovativo. Gli organismi acquatici vivi sono incorporati come sensori bioibridi. «I sensori bioibridi combinano la sensibilità degli organismi viventi con la robustezza dei sistemi elettronici», spiega l’autrice. «Abbinati a unità di lettura ottiche ed elettroniche, ci permettono di registrare automaticamente le loro risposte comportamentali e fisiologiche a molteplici fattori di stress ambientale e di trasmetterle in tempo reale come dati digitali». Un esempio è il modulo Daphnia, che combina una piccola gabbia che ospita le dafnie, comunemente note come pulci d’acqua, con un nucleo elettronico contenente una telecamera e un computer a scheda singola. Mentre l’acqua scorre nella gabbia, il sistema registra il comportamento di nuoto degli animali e lo analizza automaticamente. I cambiamenti nei loro modelli di movimento forniscono informazioni sugli effetti combinati e sulla biodisponibilità delle sostanze nell’ambiente, offrendo una visione diretta della qualità dell’acqua. I flussi di dati del sistema possono rivelare segnali precoci di stress dell’ecosistema e tendenze ecologiche a lungo termine. «Questo tipo di dati supporta la valutazione dell’impatto dei cambiamenti climatici, informa le strategie di gestione adattiva e aiuta a guidare le azioni di mitigazione e conservazione», aggiunge.
Tracciare i cambiamenti ambientali nel tempo
La comprensione degli ecosistemi acquatici richiede l’osservazione per lunghi periodi, poiché le pressioni ambientali legate ai cambiamenti climatici possono emergere lentamente, comparire solo in occasione di eventi estremi o derivare da diversi fattori di stress che si verificano contemporaneamente. Il monitoraggio basato su campionamenti a breve termine o occasionali comporta il rischio di trascurare tendenze, soglie o segnali di allarme precoce del degrado dell’ecosistema. Invece di misurare parametri isolati, l’approccio del progetto, che si basa sugli organismi viventi, riflette il modo in cui le condizioni ambientali sono vissute dalla vita acquatica nel suo complesso. Questi organismi catturano gli effetti di fattori fisici, chimici e biologici nel corso del tempo. Come afferma la ricercatrice, «consentendo un’osservazione continua e in tempo reale senza la necessità di un frequente intervento umano, i sistemi bioibridi autonomi di BioDiMoBot forniscono una comprensione più olistica e temporalmente risolta della salute dell’ecosistema e della biodiversità acquatica». BioDiMoBot si basa sul lavoro precedente del progetto Robocoenosis, spostando l’attenzione su un monitoraggio più ampio della biodiversità e della qualità dell’acqua. Mentre il prototipo completo è attualmente in fase di sviluppo, i componenti chiave del sistema sono già stati parzialmente convalidati. I sistemi bioibridi del progetto sono stati testati sia in condizioni controllate di laboratorio che in ambienti reali d’acqua dolce, tra cui il lago Millstatt(si apre in una nuova finestra), il lago Neusiedl e stagni locali in Austria, nonché baie in Groenlandia. Le prove sul campo hanno valutato la stabilità del sistema, la qualità dei dati e le risposte degli organismi in condizioni di variabilità ambientale naturale. I risultati preliminari sono stati incoraggianti e hanno dimostrato che i sistemi di monitoraggio bioibridi possono funzionare in modo affidabile per periodi prolungati e catturare risposte biologicamente significative ai cambiamenti ambientali. Questi risultati dimostrano come i robot bioibridi possano integrare gli approcci di monitoraggio esistenti, supportando una valutazione più informata della biodiversità e la ricerca sui cambiamenti climatici.
