De bloemblaadjes lijken vanzelf te trillen in de windstille lucht, maar de bewegingen blijken te worden veroorzaakt door een klein en behaard wezentje dat zojuist is geland en diep tussen de kroonbladeren aan het werk gaat.
Hoewel het zo groot en harig is als een kleine honingbij, is het figuurtje van metaal en worden al zijn bewegingen gestuurd door software.
Het robotje behoort tot het toekomstige leger van mechanische microdrones en zal met duizenden tegelijk gaan uitzwermen om belangrijke gewassen te bestuiven. Want de natuurlijke bestuivers worden bedreigd.
In 2016 schatte de VN dat 40 procent van de insectensoorten die ervoor zorgen dat de bloemen uitgroeien tot vruchten, bessen, noten en granen, aan het verdwijnen is. En zonder bestuiving staat ons een ecologische ramp te wachten, want een groot deel van de voedselketen is ervan afhankelijk.
Elk van de zes pootjes van de bij eindigt in een klauw, zodat hij makkelijk kan landen en zich aan het oppervlak van de bloemen kan hechten.
Daarom bootsen wetenschappers nu de eigenschappen van een van de allerbeste bestuivers van de natuur – de bij – na met een kleine, vliegende drone die de boeren in het veld en in kassen moet gaan helpen.
Microdrone kan aan blad hangen
Drone zoekt rust
Een RoboBee gaat op een blad af. Als deze drone in de toekomst op accu’s vliegt, kan hij in een pauze opladen.
Elektriciteit houdt drone vast
RoboBee zet zijn elektrostatische unit aan. De spanning tussen de elektroden creëert een tegengesteld elektrisch veld in het blad, dat daardoor de kunstbij vasthoudt.
Drone vliegt verder
RoboBee maakt zich los door de elektrostatische unit uit te zetten en zijn vleugels te herstarten.
Bijen dragen bij aan bloemen
De bestuiving van bloemen en gewassen is cruciaal voor ecosystemen en dat is al zo sinds de eerste bloeiende planten circa 150 miljoen jaar geleden hun kroonbladeren uitvouwden.
Waarschijnlijk zijn insecten toen van stuifmeel gaan leven. Aan vondsten van fossielen uit die tijd zien de wetenschappers dat vliegende insecten enorm in opkomst waren doordat ze een partnerschap met de nieuwe, bloeiende planten aangingen.
Drone vliegt als een bij
De microdrone RoboBee weegt slechts 0,085 gram. Zijn vleugels zijn gekoppeld aan strookjes van piëzo-elektrische keramiek, die zich samentrekt en weer uitzet wanneer er een elektrisch veld doorheen gaat. Zo kan de drone 120 vleugelslagen per seconde maken – iets minder dan een bij. De RoboBee krijgt nog stroom van een kabel, maar komende versies zullen op mini-accu’s werken.
Dat partnerschap houdt vandaag de dag in dat de bij van bloem naar bloem vliegt om nectar en pollen op te pikken. De buit brengt hij naar de kolonie, waar hij wordt gebruikt als voer voor larven, werkbijen, darren en de koningin.
Doordat de bijen zo veel bloemen aandoen, kunnen die zich voortplanten. De vacht van de bij vergaart stuifmeel of pollen: de mannelijke geslachtscellen die op de meeldraden van de bloem zitten.
Het pollen wordt overgedragen op de meeldraden van een andere bloem zodra de bij tussen de kroonbladeren van een andere plant duikt. Na de bevruchting kan het vruchtlichaam uitgroeien tot bijvoorbeeld een peer of bes.
Rond de 80 procent van alle landplanten op aarde bloeit. Botanici hebben zo’n 300.000 soorten ontdekt, en waarschijnlijk zijn er daarnaast 100.000 nog onbekende soorten – hoofdzakelijk in tropische gebieden.
Onderzoekers van Harvard University hebben een versie van RoboBee gemaakt die zichzelf uit het water kan helpen. Met elektrolyse zet hij water om in zuurstof en waterstof. Door de waterstof aan te steken, schiet hij zichzelf uit het water.
Hoewel het verdwijnen van bestuivers niet meteen betekent dat alle bloeiende planten uitsterven en de mens in hun val meesleuren, is de situatie ernstig. Van alle soorten bloemen op de planeet is 90 procent voor hun bestuiving geheel of gedeeltelijk afhankelijk van dieren – veelal insecten. De VN-deskundigen schatten de totale waarde van de gewassen waar bestuivers aan te pas komen op 20 tot 50 miljard euro per jaar.
Een analyse van het bijenlab aan het University College Davis in Californië toont verder aan dat 91 van de 107 belangrijkste gewassen op aarde voor hun bestuiving in enige mate afhankelijk zijn van bijen. Vele produceren vitaminen, voedingsstoffen en oliën die goed zijn voor onze gezondheid.
De verminderde bijenpopulatie heeft niet alleen gevolgen voor de mens, maar ook voor de vogels, vleermuizen en amfibieën die bijen eten. Daarnaast zijn er veel dieren die zich voeden met het fruit van planten die door bijen worden bestoven. Als bijen verdwijnen, gaat er een schokgolf door een groot deel van de voedselketen.
Bijen hebben twee soorten ogen: de facetogen vangen licht op uit allerlei richtingen, terwijl de puntogen de lichtsterkte in de omgeving registreren.
Bijen van alle kanten bedreigd
De onderzoekers weten nog niet precies waardoor de bijen verdwijnen, maar dat is waarschijnlijk een gevolg van verschillende bijverschijnselen van menselijke activiteit.
De landbouw wordt vandaag de dag bijvoorbeeld zodanig gerund dat bijen lange perioden bijna zonder voedsel zitten. In de lente vinden ze veel stuifmeel en nectar op de akkers, maar zodra de oogst binnen is, zit er plotseling een grote afstand tussen de bloemen.
Verschillende soorten pesticiden beïnvloeden verder de leefomstandigheden van de bijen. Herbiciden doden veel van de natuurlijke bloemen waar bijen van leven wanneer de velden in bloei staan. Andere pesticiden, zoals insecticiden, doden bijen direct – door het zenuwstelsel overmatig te stimuleren – of indirect door hun vermogen om hun weg te vinden in het landschap aan te tasten, waardoor ze op hun weg terug naar de kolonie verdwalen en sterven.
Robot lost bijen af als kastuinier
De robot BrambleBee kan met behulp van laser en gps alle bloemen in een kas in kaart brengen. Zijn camera identificeert de rijpe bloemen en een hypernauwkeurige robotarm bestuift de planten.
BrambleBee bepaalt zijn positie zeer precies met behulp van een gps-ontvanger en gyroscopen en met versnellingsmeters die boven op de robot zitten.
BrambleBee bouwt een kaart van de hele kas op met behulp van laserflitsen van een zogeheten lidar. Zo meet de robot de afstand tot alle obstakels in de kas.
De camera met groothoeklens fotografeert de planten. De bloemen worden per stuk herkend door software op grond van kleur en contrast. De robot heeft een succesratio van 78 procent.
De arm raakt de plant aan met flexibele katoenen borsteltjes – een soort wattenstaafjes – van enkele millimeters doorsnee.
Om de arm precies te laten bewegen zit er een cameraatje tussen de borstels van de robot. Zo zal de arm de bloemen niet per ongeluk beschadigen.
Tegelijkertijd is een natuurlijke vijand van de bij – de varroamijt – in opkomst, wat volgens sommige biologen ook de enorme bijensterfte kan verklaren. Deze mijt kwam tot de jaren 1980 alleen in Azië voor, maar verspreidde zich daarna naar Europa en de VS.
De varroamijt zuigt bloed uit bijen en laat ze dan verzwakt achter. Verder draagt hij verschillende virusziekten die verspreid raken als de bij in de korf komt. Vaak dreigt de gehele kolonie uit te sterven door een mijtenaanval als een imker niet ingrijpt.
Laserpulsen brengen bloemen in de kas in kaart
BrambleBee rijdt rond tussen de bedden in een broeikas en zendt pulsen van laserlicht uit met een zogeheten lidar, die de afstand tot de voorwerpen om zich heen meet en zo een kaart van de kas maakt. Tegelijk fotografeert een camera de planten. De software voor beeldherkenning van de robot identificeert de bloemsoorten met 78 procent zekerheid. De paarse lijn op de afbeelding is de route van de robot, die rond een van de bloembedden gaat.
In China is er al gebrek aan natuurlijke bestuivers. In grote gebieden moeten boeren de appel- en perenbomen zelf bestuiven met behulp van borsteltjes omdat alle nuttige insecten in de jaren 1980 grotendeels zijn uitgeroeid door een overmatig gebruik van pesticiden.
Helaas zijn mensen veel slechter in het bestuiven dan de natuur, en met de hand kost het hele proces de fruitteler tien keer zo veel als door het houden van bijen. Boeren hebben tevergeefs geprobeerd het bijengebrek op te lossen door stuifmeel over een bloeiende boomgaard te verspreiden met een sproeivliegtuig.
Maar na proeven met appelboomgaarden bleek dat de bomen – zelfs na een bombardement met plantenzaden – 70 procent minder fruit droegen dan na bestuiving met insecten, en het aantal volgroeide appels lag 40 procent lager.
Robotbestuiver is een koelkast
Het is voor de belangrijkste bestuiver ter wereld blijkbaar vijf voor twaalf, maar tot nu toe komt geen enkele andere methode bij de bij in de buurt. Daarom werken ingenieurs en wetenschappers van universiteiten over de hele wereld heel hard aan het creëren van een goede vervanging.
Daarvoor moeten de onderzoekers drie hindernissen nemen. Ten eerste moeten ze de belangrijkste bestuivingseigenschappen van bijen kopiëren voor toepassing in een drone of robot. Dan moeten ze de systemen inkrimpen tot bijengrootte. En ten slotte moet alles in een hightech pakketje worden gestopt, dat met minimale inmenging van de mens de bestuiving kan uitvoeren.
En de onderzoekers zijn al goed op weg. Een van de belangrijkste eigenschappen van de bij is het vermogen om de juiste bloemen uit te kiezen. Dit vereist een geavanceerde vorm van beeldherkenning, want de robot moet de schikking van bloembladen en de juiste kleuren herkennen bij daglicht, bij bewolking, in de schemering en vanuit elke denkbare hoek. De robot BrambleBee van de West Virginia University is een van de beste machientjes die dit kunnen.
Met een cameraatje maakt de robot een gedetailleerd beeld van de afzonderlijke bloemen in een kas. Op basis van zijn kennis van het uiterlijk van de bloemen in allerlei groeistadia en zijn geheugen van eerdere verkenningen in de kas vindt BrambleBee bloemen die bestuiving nodig hebben, net zoals echte bijen doen.
De haartjes van de bijen hebben een zwak positieve elektrische lading. Daardoor trekt het vachtje het zwak negatieve stuifmeel van de bloemen aan.
Maar BrambleBee is nu nog een grote, langzaam rijdende robot ter grootte van een koelkast, en dus geen praktische bestuiver die zo aan de slag kan op het veld of in de kas. Daarvoor zou de kunstbestuiver veel mobieler moeten zijn en het stuifmeel van bloem tot bloem kunnen brengen.
Japanse wetenschappers deden in 2017 daarom een proef met een hobbydrone die zo behaard was als het achterwerk van een bij. En die wist een lelie met stuifmeel van een andere bloem te bevruchten.
Drones bootsen bijenvacht na
Met hun vacht dragen bijen stuifmeelkorrels van bloem naar bloem. In een nieuwe proef hebben onderzoekers bewezen dat een harige hobbydrone bijen de kunst na kan doen.
Wetenschappers van Harvard University hebben de kleinste vliegende drone tot nu toe ontwikkeld, die ze toepasselijk RoboBee hebben genoemd. De drone weegt nog geen 90 milligram en kan zowel achteruit vliegen als stil hangen in de lucht, waardoor hij net zo behendig is als de zwart-geel gestreepte insecten.
Maar de bewegingsvrijheid van de drone is nog ernstig beperkt, want hij heeft stroom via een kabel nodig – zelfs de meest geavanceerde batterijen zijn nog niet zo licht en klein te maken dat ze drones ter grootte van een bij kunnen besturen.
Kleverige ionengel werd bij toeval uitgevonden
HAAR ZONDER GEL
Ionengel is een stroperige variant van een zogeheten ionische vloeistof. In de vloeistof zijn de deeltjes overwegend elektrisch geladen, terwijl ze in gewone vloeistoffen veelal neutraal zijn. In 2007 was de Japanse wetenschapper Eijiro Miyako met ionische vloeistoffen aan het werk toen hij per ongeluk de dikkere gelvorm maakte: hij liet de gel zeven jaar in een open fles in een kast staan.
HAAR MET GEL
Toen Miyako de gel terugvond, had die al zijn eigenschappen nog. Ionengel is kleverig en verdampt niet. Dat maakt hem perfect voor het opvangen van pollen.
De volgende taak voor de onderzoekers is om alle vaardigheden in een piepkleine vliegende robot te verenigen, maar daar zijn ze nog niet echt mee begonnen.
De mate van onafhankelijkheid die de kunstbij van de toekomst nodig heeft, vereist volgens James Marshall een enorme sprong in kunstmatige intelligentie en computertechnologie.
Deze expert op het gebied van neurale netwerken onderzocht aan de universiteit van Sheffield hoe bijen zo’n geavanceerd gedrag kunnen vertonen met hun relatief kleine hersenen. Marshall denkt dat we met de huidige stand van de technologie op z’n vroegst in 2035 een perfecte kunstbij hebben.
Robotbij helpt in de bijenkorf
Dans vertelt iets over voedsel
Robots en drones moeten niet alleen ons helpen met het werk dat ze doen, maar ook de bijen zelf. Wetenschappers van de Freie Universität in Berlijn ontwikkelden een robotbij die als een echte bij kan dansen. Met hun dans wisselen bijen in de korf informatie uit over onder meer bronnen van nectar en stuifmeel.
Aandacht trekken met suiker en warmte
Proeven in een bijenkorf hebben aangetoond dat de robotbij de aandacht van de andere bijen kon vangen door de bewegingen na te bootsen, te trillen met zijn kunstvleugels, druppels suikerwater af te scheiden en warmte uit te stralen.
Microdrones helpen de landbouw
De geavanceerde bestuivingstaak is echter niet het enige wat de wetenschappers de insectenrobots kunnen meegeven.
Zo kan een zwerm zelfvliegende robotbijen over grote landbouwgebieden uitgezonden worden om boeren gedetailleerde gegevens te verschaffen over de verwachte oogsttijd of de nodige hoeveelheid irrigatie.
Dat zal de landbouw veel effectiever maken, wat ook wel nodig is als we alle monden op aarde willen blijven voeden – naar verwachting zijn dat er in 2050 bijna 10 miljard.
Mochten alle bijen verdwijnen, dan is het gedaan met veel voedingsmiddelen zoals pruimen, amandelen en chocolade, maar andere gewassen zullen blijven bestaan.
Planten als maïs, tarwe en suikerriet worden namelijk door de wind bestoven, dus hun stuifmeel wordt door de wind van bloem naar bloem gedragen en daar komt geen levende bestuiver aan te pas.
Maar dit maakt de situatie er niet minder ernstig op, en alle onderzoekers die op dit moment werken aan de robotbijen zijn het erover eens dat we ons nog beter kunnen bezighouden met het in stand houden van de bij – de bestuiver van de natuur.