資本實驗室·今日創新觀察
聚焦前沿科技創新與傳統產業升級
王進
5月18日至19日，全國生態環境保護大會在北京召開。會議提出了實現美麗中國的兩個階段性目標——到2035年，生態環境質量實現根本好轉，美麗中國目標基本實現；到本世紀中葉，建成美麗中國。由此，中國在生態環境保護方面將進入一個新的發展時期。
生態環境保護在全球都已經成為一個重要議題。其中，瞭解地球的物種和生態系統是一項極具挑戰性的科學追求。
通常情況下，生物學家在研究自然時會使用到各種科學儀器和工具，而面對複雜多變的環境與各種危險的生物，找到合適的工具成為野外科研令人頭疼的問題，而有時科學家們只能利用手邊的物品動手打造工具。
到目前，生態學與生態保護正處於一場科技變革的初始階段，新興技術則為洞察自然界和保護生物多樣性提供了新的可能性，也已經或正在成為科學家研究自然的必要工具。微型傳感器、自動駕駛、無人機、3D打印、生物電池等新興技術正是推動這場變革的必要元素。
1.微型跟蹤傳感器
利用電子設備記錄動物的運動最初是在20世紀60年代通過VHF無線電遙測技術實現的。自此以後，藉助GPS和其他衛星數據，科學家們可以追蹤更多的物種，特別是如馴鹿、剪嘴鷗和海龜等長距離遷徙動物。
通過在動物身體上安裝微型追蹤器，讓科學家們對動物運動和其它行為（如狩獵）的理解更加輕鬆、準確。
現在，多樣化的微型傳感器，包括加速度計、陀螺儀、磁力計、微型攝像頭和氣壓計已經得到廣泛應用，而這些設備可以以前所未有的精度跟蹤動物的運動。
藉助這些設備，科學家們還可以測量動物運動的“生理消耗”，例如動物是否特別難以到達目的地，或在特定位置捕捉獵物的能量消耗。
然後，科學家們通過計算機將動物運動路徑在3D渲染的空間中精確還原，可以分析動物個體是如何對彼此及周圍環境做出反應。
這些設備還可以幫助科學家們分析動物是否會在受到物種入侵或棲息地改變等威脅時改變它們的行為。同時，它們還能告訴科學家如何進行更有效的環境保護。
2.自動駕駛與無人機
無人機等遠程遙控設備讓科學家們可以從水陸空三個角度來研究自然與生物。生態學家也在部署自動駕駛車輛來測量環境，觀察物種並評估時間的變化，所有這些都是以前的科研工作無法想象的。
無人機在生態保護方面有許多令人興奮的應用，包括測量神秘的和難以接觸的猩猩等野生動物。
將自動駕駛設備與微型追蹤傳感器（如熱成像）相結合，可以更容易地觀察罕見的、隱藏的或夜間行動的物種，還可以幫助環保人士抓捕偷獵者，有助於保護犀牛、大象和穿山甲等動物。
如美國公司Vulcan Technology資助的DAS（Domain Awareness System）項目就是以傳感器和無人機等科技為核心的動物保護項目，旨在保護非洲野生動物（大象、犀牛等），並在肯尼亞、坦桑尼亞等國打擊偷獵行為。
3.3D打印
儘管3D打印技術早在20世紀80年代就被髮明出來，但直到近幾年，科學家們才開始意識到它在生態研究領域的有效用途。
例如，它可以用來製造便宜、輕巧的跟蹤裝置，安裝到動物身上，也可以用來創建複雜而精細的植物、動物或其他生物模型，以用於行為研究。
4.生物電池
保持電子設備的正常運行是野外科研的一個挑戰。傳統的電池壽命有限，並且含有有毒的化學物質。太陽能可以幫助解決這些問題，但不適合用在熱帶雨林深處等長時間昏暗的區域。
生物電池則有助於克服這一挑戰。其基本原理是利用酶將天然存在的化學能（如澱粉）轉化為電能。只需插在樹幹上，就可以讓傳感器及其它設備在沒有太陽或缺少電力供應的地方長期獲得電力。
5.技術組合推動環境生態智能
上述技術都是生態研究領域目前正在應用或試用的新型創新技術。新興技術本身是令人興奮的，但只有當它們相互結合時，才可以徹底改變生態學研究，而未來的環境生態智能研究將整合多種生態技術。
生態與環境科學新技術應用時間線
想象一下，未來的研究站配備有遠程攝像機和聲音記錄儀，利用低功率電腦進行圖像和動物呼叫識別，這些全部由樹木通過生物電池供電。
同時，這些設備可以使用低功率、遠程遙測技術在網絡中彼此通信，能夠跟蹤動物從一個位置移動到另一個位置，並將信息傳輸到中心位置。然後可以部署無人機群收集數據，並傳輸到雲端，科學家們可以從世界任何地方訪問這些數據。
【備註】在上圖中，紅線表示通過物聯網（IoT）傳輸數據，其中多種技術正在彼此通信。灰線表示更傳統的數據傳輸。虛線表示長距離數據傳輸。（1）生物電池;（2）物聯網（IoT）;（3）群理論;（4）遠程低功率遙測;（5）太陽能;（6）低功耗電腦;（7）通過衛星傳輸數據;（8）生物信息學。（Source and further details at DOI: 10.1002/ecs2.2163. Euan Ritchie）
各種新技術的組合應用不僅會產生更準確的研究數據，而且還將研究過程中對物種和生態系統的干擾降至最低；不僅可以減少對動物的壓力和疾病的無意間傳播，還可以為植物、動物和其他生物如何相互影響提供更“自然”的場景。
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，隨著各種新技術在生態學領域的大規模應用，生態學家們的研究將更加輕鬆、安全和準確。對於“美麗中國”的建設，新技術的應用也必將產生不可估量的促進作用。
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