Mekaniska pollinatörer ersätter bin

Världens bästa pollinatörer är på väg att försvinna. Detta kan ödelägga jordens livsmedelsproduktion, men nu jobbar forskare med att utveckla ett mekaniskt substitut för bina. Med mikrodrönare på ett par milli­gram, avancerade lasermätningar och en klistrig gel har de nu alla komponenter som behövs för att skapa världens första robotbi.

Shutterstock

Blommans kronblad vibrerar tillsynes av sig själva i den annars vindstilla vårluften. Men tittar man närmare ser man att rörelsen kommer från en liten, behårad varelse som precis har landat och nu rotar runt djupt nere bland bladen.

Trots att den är lika stor och behårad som ett litet honungsbi så består den av metall och alla dess rörelser styrs av programvara.

Varelsen tillhör framtidens armé av mekaniska mikrodrönare, som ska sättas ut i svärmar om flera tusen för att hjälpa till med pollinationen av livsnödvändiga grödor. De naturliga pollinatörerna är pressade till det yttersta.

FN uppskattade 2016 att 40 procent av de insekter som ser till att blommor blir frukter, bär, nötter och kärnor är på väg att dö ut. Utan effektiv pollination är jorden hotad av ekologisk katastrof eftersom pollinatörernas viktiga arbete är en förutsättning för stora delar av näringskedjan.

Längst ut vart och ett av biets sex ben sitter en klo så att biet med lätthet kan fästa sig i ytan på olika blommor.

© Felicia Hallenbeck/Unsplash

Men nu är forskare i full färd med att kopiera färdigheterna hos en av naturens bästa pollinatörer – biet – till en liten, flygande drönare som ska hjälpa jordbrukare med arbetet på marker och i växthus.

Mikrodrönare kan hänga på ett blad

På Harvard University i USA har forskare utvecklat mikrodrönaren RoboBee som kan klistra sig fast på undersidan av ett blad genom att göra det strömförande.

Drönaren söker vila

En RoboBee-drönare ­söker sig till ett blad. I fram­tiden går drönaren på batterier och kan använda pausen till att ladda upp.

Elektricitet håller fast drönaren

RoboBee startar sin elektrostatiska enhet. Spänningen mellan elektroderna skapar ett växelriktat elektriskt fält i bladets yta, som attraherar elektrodpanelen.

Drönaren flyger vidare

RoboBee frigör sig själv genom att stänga av den elektrostatiska enheten och samtidigt starta om vingarna.

Bin bistår vid blommors parning

Pollinationen av blommor och grödor är avgörande för världens ekosystem och har varit det ända sedan de första blomväxterna vecklade ut kronbladen för omkring 150 miljoner år sedan.

Vid den tiden tros insekter ha börjat leva av pollen. Baserat på fossilfynd från samma tid har forskare sett att ­flygande insekter ökade oerhört i antal till följd av ett fördelaktigt samarbete med de nya, blommande växterna.

drönare flyger som ett bi

Mikrodrönaren RoboBee väger bara 0,085 gram. Vingarna är kopplade till små strimlor av så kallad piezoelektrisk keramik som dras ihop och utvidgas när ett elektriskt fält passerar genom dem. På så sätt kan drönaren göra 120 vingslag i sekunden – strax under biets vin­g­slags­fre­kvens. Robo-Bee får än så länge ström via en kabel men framtida ­versioner ska vara batteridrivna.

I dag består partnerskapet av att biet ­förflyttar sig från blomma till blomma för att samla in nektar och pollen. Utbytet förs hem till kolonin och används som foder till larver, arbetsbin, drönare och drottning.

Biets många blombesök ser samtidigt till att växterna lyckas med sin fortplantning. Under besöket samlar biets päls upp pollen – de manliga köns­cellerna som sitter på blommans ståndare.

De överförs sedan till ­pistillen på en annan blomma när biet dyker ned mellan kronbladen på nästa växt. Därmed är befruktningen fullbordad och fruktämnet börjar utvecklas till exempelvis ett äpple eller ett björnbär.

Blomväxter utgör i dag omkring 80 ­procent av alla landväxter på vår planet. ­Botaniker har upptäckt drygt 300 000 arter, och det finns troligen ytterligare 100 000 okända arter – huvudsakligen i tropikerna.

Forskare vid Harvard University har byggt en version av RoboBee som kan rädda sig själv om den trillar ned i vattnet. Den omvandlar vattnet till syre och väte med elektro­lys och antänder vätet så att den skjuts upp från vattenytan.

Hotet är allvarligt även om pollinatörernas försvinnande inte innebär att alla blomväxter dör ut och tar med sig människan i graven. Av alla blomarter på jorden är 90 procent helt eller delvis beroende av djur – oftast insekter – för sin pollination. I FN-­rapporten uppskattar experterna att det sammanlagda värdet av de grödor som ­pollinatörer hjälper till att befrukta årligen utgör ­mellan två och 5,5 biljoner kronor.

En analys från bilaboratoriet vid Uni­versity College Davis i Kalifornien, USA, visar dessutom att totalt 91 av jordens 107 vik­tigaste grödor i någon grad är beroende av bin för pollination. Många av dem producerar ett flertal av de vitaminer, näringsämnen och oljor som har stor betydelse för vår hälsa.

Det minskade bibeståndet har inte enbart konsekvenser för människor, utan även för fåglar, fladdermöss och groddjur, som i stor utsträckning lever av att äta bin. Dessutom finns det otaliga djur som också lever av den frukt som bin pollinerar. För­svinner bina leder det till drastiska rubb­ningar i stora delar av näringskedjan.

Bin har två typer av ögon:
Facettögonen fångar ljus från flera riktningar, medan punktögonen fångar upp ljusstyrkan i omgivningen.

© Shutterstock

Bibeståndet hotas från flera håll

Forskare vet fortfarande inte exakt varför bina försvinner, men troligtvis finns svaret i en kombination av flera oförutsägbara ­konsekvenser av mänsklig aktivitet.

Experter framhåller bland annat att ­moderna jordbruk i dag drivs på ett sätt som tvingar bin att klara sig utan mat under långa perioder. På våren finns det mängder av pollen och nektar på de stora arealer där det har såtts grödor, men när det arbetet väl är avslutat efter skördetid blir det plötsligt ont om blommor.

Flera olika typer av bekämpningsmedel hotar också bins livs­villkor. Ogräsmedel tar kål på många av de naturliga blommor som bin lever på när fälten har blommat över. Andra bekämpningsmedel såsom insektsmedel dödar bin direkt genom att överstimulera nervsystemet eller indirekt genom att förstöra deras förmåga att hitta rätt i landskapet, varpå de flyger vilse på väg tillbaka till kolonin och dör.

Robot avlöser bin som växthusskötare

1 / 5

undefined

12345

Roboten BrambleBee kan med hjälp av laser och gps kartlägga alla blommor i ett växthus. Robotens kamera väljer ut mogna blommor och en hyperexakt ­robotarm pollinerar växten.

© Nicholas Ohi et al./IEEE

Samtidigt ökar en av binas naturliga fiender – varroakvalstret – snabbt i antal, ­något som enligt vissa biologer också kan förklara den utbredda bidöden. Kvalstret fanns bara i Asien fram till 1980-talet, men spreds sedan vidare till både Europa och USA.

Varroa­kvalstret suger ut biets blod, vilket försvagar dem, och bär dessutom på åt­skilliga virussjukdomar som sprids när biet kommer hem till kupan. Ofta riskerar hela kolonin därför att dö ut under ett kvalsterangrepp om ingen biodlare ingriper.

Laserpulser kartlägger blommorna i växthuset

BrambleBee flyger runt mellan rabatterna i ett industriellt växthus och skickar ut pulser av laserljus med en så kallad lidar, som mäter avståndet till föremål runt roboten och skapar en karta över växthuset. Samtidigt tar en kamera bilder av växterna. Robotens bildigenkänningsprogram identifierar blomarter med 78 procents säkerhet. Den blå linje på bilden är robotens rutt som går runt en av växtbäddarna.

I Kina är bristen på naturliga pollinatörer redan en realitet. I stora områden måste ­äppel- och päronträd pollineras av arbetare med penslar, eftersom alla nyttoinsekter i stort sett utplånades av överdriven användning av bekämpningsmedel på 1980-talet.

Dessvärre är de mänskliga ersättarna hopplöst ineffektiva jämfört med naturen – och handpollinationen kostar den enskilde frukt­odlaren tio gånger mer än utgifterna för att hyra bikupor.

Jordbrukare har förgäves försökt lösa bristen på bin genom att sprida pollen över en fruktodling i blom från ett besprutningsplan. Men försök som har gjorts på äppelodlingar har visat att även en kraftig bombmatta med pollen gav träden 70 procent färre frukter än insekts­pollination, och de äpplen som växte fram var 40 procent mindre än normalt.

Robotpollinatör utmanar forskare

Tiden för biet som den främsta pollinatören i världen verkar snart rinna ut, men ­hittills finns det inget substitut som är i ­när­heten av att pollinera lika effektivt. ­Därför arbetar forskare och ingenjörer på uni­versitet världen över för högtryck med att skapa en värdig ersättare.

Det krävs att forskarna övervinner tre utmaningar. Först måste de kopiera biets viktigaste färdigheter såsom pollination så att ­pollinationen kan utföras av en drönare eller en robot. Därefter ska de krympa systemen, så att de blir lika små som bin. Till sist ska alltihop monteras ihop i ett högtekniskt ­paket som effektivt kan sköta pollinationen med minimal mänsklig inverkan.

Forskarna är redan på god väg att klara det. En av biets viktigaste färdigheter är att hitta rätt blommor. Det kräver en ­avancerad bildigenkänning hos den robot som ska upptäcka rätt arrangemang av kron­blad i rätt färger i fullt dagsljus, när det är mulet, i beckmörker och från ­alla tänkbara vinklar. Det är ingen enkel uppgift. En av de bästa uppfinningarna är roboten BrambleBee, som har utvecklats vid West Virginia University.

Med en kamera på armen bygger roboten upp en detaljerad överblick över alla olika blommor i ett växthus. Med utgångspunkt i sina kunskaper om blommornas utseende i olika stadier av mognad och genom att ­minnas sitt tidigare arbete i växthuset identifierar BrambleBee blommor som behöver pollineras, precis som riktiga bin.

Biets behåring har en svagt positiv elektrisk laddning. Pälsen drar därför till sig de svagt negativa pollenkornen från blommorna.

© Shutterstock

Men i dag är BrambleBee bara en stor, långsamt rullande robot, stor som ett kylskåp och ­alltså inte någon praktisk pollinatör i det fria. För det ändamålet måste den konst­gjorda pollinatören vara betydligt rörligare och klara av att lätt samla upp och sprida pollen från blomma till blomma.

Därför ­experimenterade japanska forskare 2017 med en vanlig hobbydrönare, som hade klätts i något som skulle påminna om bins päls. De lyckades få drönaren att befrukta en lilja med pollen från en annan blomma.

Drönare imiterar biets frisyr

Hobbydrönare ­omvandlades till biI försöket användes en hobbydrönare som är cirka fem centimeter i diameter och väger 15 gram. Hästhår fångar pollen. Undersidan av drönaren var täckt av lodräta hästhår för att öka den yta som samlar upp pollen.

På Harvard University i USA har forskare tagit fram världens minsta flygande drönare, som passande nog har fått namnet RoboBee. ­Drönaren väger mindre än 90 milligram och kan flyga både baklänges och stå stilla i ­luften, vilket gör den lika flink som den svart- och gulrandiga insekten.

Men drönarens rörelsefrihet är fortfarande kraftigt begränsad ­eftersom den måste få ström via en kabel för att kunna flyga. Inte ens de mest avancerade batterierna som finns i dag kan göras så små och lätta att de kan driva drönare så små som bin.

Klistrig jonmassa ­uppfanns av misstag

  • HÅR UTAN GEL

    Jonmassa är en tjockflytande version av en så kallad jonvätska. I jonvätskor är partiklarna övervägande elektriskt laddade till skillnad från vanliga vätskor, i vilka de oftast är elektriskt neutrala. År 2007 arbetade den japanska forskaren Eijiro Miyako med jonvätskor, och råkade av misstag skapa den tjockflytande gelformen.

  • HÅR MED GEL

    Miyako glömde massan i en ­öppen flaska längst inne i ett skåp i sju år – när han hittade den igen hade den fortfarande kvar sina egenskaper. Jonmassa är klistrig och avdunstar inte. Det gör att den är perfekt för att fånga och deponera pollen.

Forskarnas nästa uppgift blir att samla biets alla färdigheter i en enda flygande ­robot i rätt storlek, men där har forskarna ännu inte nått något genombrott.

Den grad av självständighet som är nödvändig i framtidens konstgjorda bin kräver nämligen jättekliv framåt inom artificiell intelligens och datorteknik.

Det menar James Marshall, expert på neurala nätverk vid uni­versitetet i Sheffield och som har forskat kring hur bin kan uppvisa ett så avancerat beteende med sina relativt små hjärnor.

Marshall uppskattar att vi inte får se någon perfekt biavlösare förrän omkring 2035 om dagens teknik-utveckling fortsätter i samma takt.

Robotbi hjälper till i bikupan

  • Dans giver viden om mad

    Robotar och drönare ska inte bara hjälpa oss med att utföra binas jobb – de ska även hjälpa bina själva. Tyska forskare från Freie Universität i Berlin har tagit fram ett robotbi som kan dansa på samma sätt som riktiga bin. Med dansen berättar bina för varandra hemma i ­kupan var det finns extra intressanta ­resurser av nektar och pollen.

  • Fanger opmærksomhed med sukker og varme

    Försök i en bikupa har visat att robotbiet kunde fånga de andra binas uppmärksamhet genom att imitera rörelserna, vibrera med sina konstgjorda vingar, avge små droppar av sockervatten och utstråla värme.

Mikrodrönare hjälper jordbruket

Den avancerade pollinationsuppgiften är inte den enda som forskare kan tilldela de små flygande insektsrobotarna.

En svärm av självstyrande robotbin skulle exempelvis vara idealisk att skicka ut över stora jordbruksarealer och ge jordbrukarna detaljerad information som gör det lättare att förutspå skörden eller dosera bevattningen.

Det ­skulle effektivisera jordbruket drastiskt, ­vilket är avgörande för att mätta alla munnar i framtiden när världens befolkning år 2050 når upp till nästan tio miljarder.

Om det värsta tänkbara scenariot blir verklighet – att alla bin försvinner – innebär det ett farväl till flera populära produkter som blommor, mandlar och choklad, men många av de allra viktigaste grödorna ­kommer att fortleva.

Växter som majs, vete och sockerrör är vindpollinerade, och behöver därmed inte hjälp från en levande pollinatör som ett bi.

Men det gör inte läget mindre allvarligt, och alla forskare som i dag är upptagna med att utveckla robotbina är eniga om att den bästa lösningen ändå är att fortsätta ­arbeta hårt för att säkerställa naturens ursprung­liga pollinatörers överlevnad.

Läs också:

scifi robot
Robotar

Robotarna tar över världen

0 minuter
Robotar

Internt robotspråk bekymrar forskare

0 minuter
Djur

Kan du hitta världens viktigaste djur?

1 minut

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!