ICARUS 启航

ICARUS 启航

从太空中追踪动物

© alexdrone–stock.adobe.com

利用 ISS 研究各种动物迁徙行为的项目已经开始展开。研究项目借助罗德与施瓦茨的无线电技术传输数据。

项目参与者必须克服重重困难,才能迎来 ICARUS 项目的顺利启航。Martin Wikelski 教授是位于德国拉多尔夫采尔的马普动物行为研究所所长,也是这个项目的发起者和策划者。大约 20 年前,他萌生了从太空中观察动物的想法。自此以后,他一直勤勉工作,努力实现这个想法。尽管屡次受挫,但他却培养了良好的抗挫折能力。Wikelski 的冷幽默甚至体现在项目名称上:对 ICARUS 项目不感兴趣的美国国家航空航天局认为这个项目永远不会成功,就好像神话中的伊卡洛斯 (Icarus) 注定会因自己的勃勃野心而失败一样。欧洲空间局也拒绝为项目提供支持。然而,幸得俄罗斯航空机构俄罗斯联邦航天局(国际空间站主要运营者之一)和德国航空航天中心 (DLR) 伸出援手,现代伊卡洛斯终于能够飞上天空。作为正式项目的名称,ICARUS 被赋予了新的含义:利用太空的国际动物研究合作。

从乌托邦回归现实

当然,在现在看来,从 2000 年代初期的技术角度而言,项目的最初想法非常大胆,但并不可行。科幻作家才会对这样的想法感到自豪:成千上万台装有传感器和无线电模块的微型太阳能计算机可以从地球上的任何角落与太空中的卫星自主通信,并构建起“动物联网”。

但是,近年来电子设备、传感器、电池和太阳能电池的小型化发展非常迅速,已经可以将这种乌托邦想法变成现实。德累斯顿市的一群博士后研究人员新近创立了一家专门从事卫星通信业务的小型公司 INRADIOS,并承接了为项目设计无线电台的挑战性任务。SpaceTech 和 DLR 的空间技术专家也为他们提供了支持。目前,作为罗德与施瓦茨集团中的一员,INRADIOS 和马普研究所 (MPIAB) 密切合作,以进一步开发 ICARUS 技术。罗德与施瓦茨负责制造无线电台。

ICARUS 标签的大小和一欧分硬币相差无几。需要使用特殊的手持无线电台,才能完全读取数据存储器。此无线电台能向方圆数公里范围内的标签发送命令以传输数据。无线电台通过 WLAN 将数据转发到实际操作中使用的智能手机或平板电脑。

密切观察动物

要确保动物发射机(标签)切实可用,最重要的一点就是研究的物种必须能够配备标签。伦理委员会建议,标签重量不应超过动物体重的 3%,以避免影响动物行动,或甚至危及动物。项目还计划为小型动物配备标签,因此难以满足尺寸和重量的上限要求。当时,基于移动或模拟无线电台的传统追踪器不可用于体重不足 1 千克的动物,这意味着无法对 75% 的鸟类和哺乳类物种进行研究。MPIAB 长期观察乌鸫,将这种鸣禽选为参考动物。项目人员在这些较为熟悉的鸟类群体中进行了 ICARUS 标签原型测试,但有关这种动物的迁徙行为仍有问题尚未解决,只能寄希望于持续进行监测。最轻版标签的重量为 4.5 克,刚好可以用于成年雄性乌鸫。对于准备根据当前 ICARUS 计划为其配备发射机的所有其他物种,则能够轻松满足伦理委员会的建议。

小规模或大规模迁徙:如波利尼西亚的动物迁徙示例所示,可以追踪动物迁徙的所有路线。

小规模或大规模迁徙:如波利尼西亚的动物迁徙示例所示,可以追踪动物迁徙的所有路线。

标签采用无线电和定位技术,并包含多个传感器和充足内存,能够存储一个动物一生中的所有行动和环境数据(见下页方框)。国际空间站 (ISS) 通常每天都会从标签顶部经过,在高纬度地区则可能每三天经过一次,每当这时,多达 20 组位置数据会被传输到 ISS。ISS 和标签只能短暂地连接 15 秒(传输时间仅有 3 秒),而且无线电链路的带宽较低,因此传输的数据量有限。发射功率仅为 6 毫瓦的微型无线电台可以和卫星通信,这本身便非常了不起。这得益于大型高性能 ISS 天线和先进的无线电技术。

标签根据定期传输的 ISS 星历数据和自己的位置数据计算下一次连接时间。标签在计算出的时间段内准备收发数据,大部分时间则处于待机模式以节省电量。研究人员利用 movebank.org 数据库对定期传输的追踪数据进行编译,并获得了有用信息(图 2 和图 3)。但是,如需访问标签提供的整个数据库(包括环境数据),还需要另一个组件。候鸟不会经常迁徙。相反,它们会长时间停留在冬季和夏季栖息地。大多数其他物种的活动范围非常明确。因此,生物学家可以探访这些动物的栖息地,并使用 ICARUS 手持无线电台连接标签。这样可以建立稳定、更快速、覆盖数公里的地面无线电链路,进而方便地读取标签内存,无需担心时间问题。

目前,全世界大约只有 50,000 只棕塍鹬。这种鸟会在一周内从智利直飞北美,然后飞往加拿大。ICARUS 提供有关棕塍鹬迁徙路线和休息地的详细数据。项目获得了智利生物学家的支持。

目前,全世界大约只有 50,000 只棕塍鹬。这种鸟会在一周内从智利直飞北美,然后飞往加拿大。ICARUS 提供有关棕塍鹬迁徙路线和休息地的详细数据。项目获得了智利生物学家的支持。

研究人员将各类传感器数据和精确的位置信息相结合,获得有关动物生活条件和行为的全新信息;结合外部气象和环境数据后,所获信息更为丰富。数千只“伊卡洛斯鸟”在空中翱翔,相当于数千台气象无人机,为全球气象监测系统提供数据。然而,这需要更新传输技术,并增加其他的在轨卫星。不过,这正是 Wikelski 的目标。ISS 仅确保会持续运行到 2025 年。如果负责运营工作的国家/地区无法就是否继续运营空间站而达成一致,那么 ICARUS 自主卫星可能会取代 ISS。尽管融资难题显而易见,但 MPIAB 毫不气馁,特别是考虑到项目已经克服了诸多困难。

平衡各方利益

标签的使用寿命长,预计将在动物的整个生命周期内正常使用,甚至可以重复使用。基本上,这种特性较为理想。但是,如果动物死后标签仍然留在野外,可能会成为问题。电子元件不会腐烂。因此,研究人员实施了相应机制,以便更轻松地查找和收集使用过的标签。一旦标签不再移动,它的 GPS 位置就会变得稳定。手持无线电台可将标签切换到 ping 模式,使标签成为信标发射机。之后,可以用无线电台大概确定标签的位置。标签还配备引人注意的 LED 闪烁指示灯。标签背面附有联系地址,以防第三方先行发现标签。MPIAB 希望能够利用这些措施找回大多数使用过的标签。研究所正在密切关注这个问题。研究所科学家坚信要保护全球生态系统,这也是我们的职业责任。如果 ICARUS 项目扩大了一个数量级,将需要结合可持续性问题重新评估项目。有机电子元件的商业成熟度还非常低。但是,开发人员可能会迸发其他一些想法。现在,ICARUS 已经成功启航,当务之急是增强并充分利用系统以实现预期目的。

动物发射机(标签)

  • 重量:不足 5 克,取决于电池大小
  • 天线长度:20 cm(无线电)和 7.5 cm (GNSS)
  • 传感器:磁场、加速度、温度、湿度、压力
  • 数据内存:512 MB
  • 电池容量:70/60/45 mAh
  • 砷化镓太阳能电池(目前的顶尖技术)
  • 发射功率:6 mW
  • 发射频率:402.25 MHz,1.1 MHz 带宽
  • 接收频率:468.1 MHz
  • 发射的数据集:每次连接 ISS 发射 223 字节

部分正在进行中和计划中的 ICARUS 项目

全球鸣禽迁徙——每年,数十亿只鸣禽在各大洲之间迁徙两次。鸣禽对生态系统有益,但数量在过去 20 年间减少了 30%。目前尚不清楚如何保护鸣禽,也因如此,研究人员愿意更加深入地了解鸣禽的生活条件。

了解逝去的岁月——大多数动物离开出生地后,会面临各种艰难。数年来,生物学家的雷达屏幕上一直没有监测到许多物种的幼年期。ICARUS 将有助于缩小这种知识缺口。项目将重点研究哺乳动物、海龟和海鸟。

利用动物保护动物——护林员可以阻止偷猎者,对于野生动物保护非常重要。虽然护林员不能同时出现在任何地方,但动物可以。根据动物的集群行为,可以知晓可能会出现捕猎者或偷猎者的地方,从而根据需要部署护林员。

人类/动物群落的迁徙——很早以前,人类就和牲畜一起迁徙。一些偏远地区仍然存在这样的联合迁徙现象。究竟谁是领导者,谁是传授者,而谁又是学习者?对于这些问题,研究人员准备在不丹(喜马拉雅山)、萨赫勒南部地区、玻利维亚和北极地区开展研究。

预测流行病——越来越多的动物栖息地受到侵占,人和野生动物接触得越加频繁和密切。这造成了病原体的跨物种传播。COVID-19 疑似通过这种方式传播到人类群体。常见的带病毒动物包括蝙蝠。然而,这些动物只是传播媒介。ICARUS 将有助于确定疾病源头。

水鸟和海鸟迁徙——许多水鸟是连结南北半球的纽带。在长途迁徙中,这些动物在沿海地区寻找栖息地。但是,由于人类身影无处不在,合适的地方在逐渐减少。保护区应该建在哪里?海鸟是最令人费解的物种之一。它们更喜欢哪些海域?它们如何导航?它们怎么睡觉?海鸟也有利于监测厄尔尼诺等气候现象。它们可以持续测量风、盐度和洋流,并针对可能出现台风或飓风的地方提供相关信息。

Martin Wikelski 博士

“作为科学家,取得令人兴奋的新发现才有意义。在 ICARUS 取得重大技术成功后,我们立即开始与俄罗斯和国际合作伙伴合作,为全世界的动物配备发射机并部署 ICARUS 标签。每一天都非常重要。”

Martin Wikelski 博士