Nee, dit artikel heeft niets met voorplanting te maken, ondanks dat bijen daarbij voor veel planten wel een cruciale rol spelen. Dit artikel gaat daarentegen over het voortleven van de dieren zelf. Bijen zijn namelijk essentieel zijn voor de natuur, maar ze hebben het momenteel zwaar. Om die reden ontwikkelde ik een robotbloem die bijen nectar aanbiedt en automatisch data van hun bezoek registreert. Door deze te gebruiken in wetenschappelijk onderzoek naar het gedrag van deze dieren kunnen we hopelijk vermijden ooit robotbijen nodig te hebben.

 

De toestand van bijen gaat al enkele decennia achteruit. Sinds 1990 zijn al meer dan een kwart van alle wilde bijensoorten ter wereld verloren gegaan.[1] Dit komt door het verlies van habitat, pesticidengebruik, ziektes en invasieve soorten.[2] Door klimaatverandering bloeien bloemen ook op een ander tijdstip waardoor bijen soms niet genoeg voedsel kunnen verzamelen.[3] Een combinatie van deze factoren kan een versterkt negatief effect op het bijenbestand hebben. Twee factoren die beide negatief werken, doen dan bij wijze van spreken kwaad voor drie.[4] Wanneer bloemenweides bijvoorbeeld verdwijnen en asfalt in de plaats verschijnt, kunnen bijen ondervoed raken. Dit voedseltekort kan op zijn beurt hun immuniteit schaden en ze kwetsbaarder maken voor ziektes. Het valt niet te verbloemen dat bijen het zwaar hebben en dat de mens hiervoor verantwoordelijk is.

 

‘If insects were to vanish, the environment would collapse into chaos.’

 

De beroemde gedragsecoloog E.O. Wilson zei ooit het volgende: ‘If insects were to vanish, the environment would collapse into chaos’. Deze stelling blijft gelden en is zelfs relevanter dan ooit. Specifiek het verlies van bijen heeft drastische gevolgen aangezien ze als bestuivers een belangrijke taak vervullen in het ecosysteem. Ze zijn namelijk essentieel in de voortplanting van talloze plantensoorten. Hieronder vallen veel belangrijke gewassen in onze voedselindustrie zoals koffie, cacao, tomaten en sojabonen.[5] Deze kunnen van het menu verdwijnen als bestuivende insecten niet langer in staat zijn om ons een handje te helpen. Dertig jaar geleden zagen Chinese appelboeren in een decennium tijd hun opbrengst met de helft dalen door de slinkende populatie bestuivers.[6] Als alternatief bestoven ze de bloemen in hun boomgaarden met de hand. Dat hielp, maar op lange termijn en grotere schaal is dit geen haalbare oplossing. De alarmerende trend van bijensterfte brengt voedselzekerheid dus in gevaar.

 

Het tij keren

Gelukkig kan de dalende trend in de biodiversiteit van bijen nog worden omgekeerd door middel van een strenger beleid rond het gebruik van pesticiden, het aanleggen van bloemenstroken aan de rand van landbouwgrond en door het grasmaaien een keer over te slaan.[7] Dat zijn stappen in de goede richting, maar ze zijn nog niet voldoende. Wetenschappelijk onderzoek met bestuivers is noodzakelijk om te weten te komen welke factoren ervoor zorgen dat bijen zich goed voelen. Hoe meer dat het geval is, hoe meer energie ze in voortplanting kunnen steken. Dat vertaalt zich weer in het voortbestaan van de kolonie. Het gedrag van bestuivers is echter lastig te doorgronden omdat het door vele factoren wordt beïnvloed.[8] Dat geldt zeker voor sociale insecten zoals hommels en honingbijen.

 

Daarom is het nodig om meer data te verzamelen. Helaas gaat dat niet even makkelijk. Traditioneel gezien gaat een bioloog met zijn notitieschriftje en timer het veld in voor observatiestudies. Dat is veel werk met een grote foutenmarge. De capaciteit van mensen om accuraat snel bewegende insecten, zoals bijen, waar te nemen, is namelijk gelimiteerd. Daarnaast moeten wetenschappers tijdens een dergelijk onderzoek gedurende een lange tijd alert blijven. Ten slotte zouden specifieke manipulaties van gedragsfactoren van bijen informatie opleveren die beter te interpreteren en ecologisch relevanter is. Het is dus nodig dat er een onderzoeksmethode komt die het toelaat dat omgevingsfactoren gemakkelijk en gecontroleerd aan kunnen worden gepassen. Daarnaast moet deze het mogelijk maken dat data van bijengedrag geautomatiseerd kunnen worden verzameld. Daar verschijnt de ontwikkeling van een robotbloem op het toneel.

 

Gerobotiseerde bloemen

Figuur 1: bezoek van een aardhommel (Bombis Terrestris) aan een prototype robotbloem tijdens de testfase

In het verleden is al een robotbloemenveld ontwikkeld waarin elke bloem met kabels aan een computer verbonden was.[9] Deze artificiële bloemen registreerden het komen en gaan van bijen automatisch met behulp van sensoren. Alhoewel het al een flinke verbetering vormde met het oog op automatisering van onderzoek waren er veel haken en ogen. Door kabels waren de bloemen bijvoorbeeld niet makkelijk verplaatsbaar tijdens het onderzoek en was altijd verbinding nodig met internet en elektriciteit. Bovendien waren de producten gemaakt van potjes en deksels waarin de benodigde elektronica werd geplakt. In de praktijk leidde dit tot technische problemen om het systeem schoon en werkend te houden tijdens een experiment.

 

Een volgende stap binnen dit onderzoeksdomein was dus een robotbloem die volledig zelfstandig en mobiel is. Zo’n draadloos systeem zou namelijk veel breder kunnen worden ingezet, ook zonder computer, internet of stopcontact in de buurt. Bovendien zouden de bloemen tijdens het experiment eenvoudig weggehaald, toegevoegd of verplaats kunnen worden. Precies dit is wat ik voor mijn masteronderzoek heb ontwikkeld.[10] Een functioneel en mooi op maat gemaakt omhulsel voor deze nieuwe bloem maakt het systeem helemaal af (Fig.1).

 

De robotbloemen registreren exact wanneer en hoe lang bestuivers de bloem bezoeken. In een opstelling met verschillende van deze bloemen in een robotbloemenveld kunnen verschillende types bloemen worden nagemaakt. Zo is het mogelijk om verschillende nectarsamenstellingen en -volumes te creëren evenals dat er met verschillende kleuren van de robots kan worden gewerkt. Via de verkregen data kan dan worden nagegaan welke voorkeuren de bestuivers hebben, op welke manier deze voorkeuren ontstaan en eventueel  aangeleerd worden. De robotbloemen kunnen dus helpen om fundamentele processen van de natuur te begrijpen en doorgronden.

 

Voorafgaand aan de bloemetjes buiten zetten

Om de robotbloemen draadloos te maken, zijn ze voorzien van een batterij en eigen minicomputer, genaamd ‘Arduino’. Het gebruikte type Arduino is slechts enkele centimeters groot en bevat de software die de robotbloem aanstuurt om nectar aan te vullen en bezoekende bijen te registreren. De verkregen data kunnen vervolgens worden verzonden via Internet of Things. Dit gebeurt door middel van radiosignalen die een reikwijdte van tot wel vijftien kilometer kunnen hebben.[11] Deze signalen worden dan opgepikt door een gatewayantenne, die er voor zorgt dat de onderzoeker via internet binnenkomende data van de robotbloemen in realtime kan zien. Bovendien kan ook de batterijstatus van de bloemen in het oog worden gehouden.

 

Figuur 2: ontwikkelingsproces van de elektronica met A) een vroeg prototype van de robotbloem en B) een afgewerkte printplaat als eindresultaat

 

Om dit alles te doen werken, was het zaak passende elektrische componenten uit te zoeken en te testen voor de verschillende nieuwe functies van de robotbloem. Zo is een microchip nodig voor het omvormen van de data in radiosignalen en een radioantenne voor het versturen ervan. Het volledig draadloze design van deze robotbloem biedt onderzoekers de mogelijkheid om hem overal neer te zetten en te verplaatsen. Verder is ook een kleine motor geïnstalleerd om nectar aan te bieden en heeft de bloem infraroodsensoren om bezoekende bijen te detecteren. De keuzes voor de verschillende elektrische componenten verliepen in verschillende stadia van opeenvolgende prototypes (Fig. 2A) tot een volledig gesoldeerde printplaat (Fig. 2B). Tenslotte moest dit alles nog een behuizing krijgen. Zo is de elektronica beschermd, kan er een nectarreservoir in de bloem worden geplaatst en kunnen de bijen hun weg vinden naar de robotbloem. Daarvoor is gebruik gemaakt van een 3D-printer.

 

Het was een uitdaging was om rekening te houden met de manier waarop de bijen naar het design zouden kijken.

 

Tijdens de verschillende fases van het ontwerp was het belangrijk om vanuit biologisch standpunt keuzes te blijven maken. Dat wil zeggen dat het een uitdaging was om rekening te houden met de manier waarop de bijen naar het design zouden kijken. Om het geheel te doen werken, moet het voor hen immers aantrekkelijk zijn. Denk bijvoorbeeld aan het kleurcontrast tussen de gele bloem en de groene achtergrond, de vorm en de grootte van de bloem. Ondanks dat de woorden ‘robot’ en ‘natuurlijk’ haaks op elkaar staan, blijft het belangrijk om te streven naar een systeem dat zo nauw mogelijk aansluit bij de natuurlijke situatie. In de bloem bevindt zich bijvoorbeeld een nectarreservoir waaruit automatisch dosissen van slechts enkele microliters aangeboden wordt aan de bijen (Fig. 3A). Dit bootst de natuurlijke situatie van bloemen zo goed mogelijk na en voorkomt dat de bijen lui worden. Om het geheel ten slotte ook aantrekkelijk en overzichtelijk te maken voor de onderzoeker, is er een website ontwikkeld die de actuele status van alle bloemen direct weergeeft (Fig. 3B).

 

Figuur 3: functioneren en afwerking van de robotbloem met A) het mechanisme van het infrarood detectiesysteem en de servomotor voor het aanbieden van nectar en B) een dashboardwebsite waar de bloemen van op afstand gemonitord kunnen worden.

 

Conclusie

Deze nieuwe robotbloemen openen een heel scala aan mogelijke factoren die gemanipuleerd kunnen worden voor experimenten met bijen.[12] Een voorbeeld is onderzoek naar het effect van nectarcompositie op het gedrag van bijen. Het effect van verschillende samenstellingen, bijvoorbeeld in suikergehalte, bacteriën, gisten of schimmels, kan met dit nieuwe model gemakkelijk worden onderzocht. Ook de invloed van onnatuurlijke, door mensen geïntroduceerde elementen in nectar zoals pesticiden of vervuilende stoffen kan worden bestudeerd.

 

Naast nectarcompositie kunnen ook uiterlijke en functionele kenmerken in de robotbloem worden aangepast. Bijvoorbeeld de kleur en de driedimensionale vorm van de bloem, de snelheid waarmee nectar wordt aangevuld en de grootte van de discrete dosissen kunnen simpel worden aangepast. Bovendien is de robotbloem zodanig gemaakt dat hij makkelijk in elkaar kan worden gezet en eenvoudig te gebruiken is. Dat geldt dus ook voor mensen met een weinig technische achtergrond. Dit alles kan leiden tot een verzameling gegevens die noodzakelijk is voor het creëren van een betere toekomst voor onze dierbare bestuivende insecten. Het is van onschatbare waarde om hen te beschermen en hun achteruitgang van de laatste decennia om te keren.

 

Een korte visuele voorstelling van dit werk kan je op YouTube terugvinden via deze link: https://www.youtube.com/watch?v=j1n2ZhKljAE

 

Redacteur: Pim Dankloff

Referenties

[1] E. E. Zattara, M. A. Aizen, “Worldwide occurrence records suggest a global decline in bee species richness,” One Earth 4, no. 1 (2021): 114-123.

[2] S. G. Potts, J. C. Biesmeijer, C. Kremen, P. Neumann, O. Schweiger, W. E. Kunin, “Global pollinator declines: trends, impacts and drivers”, Trends in ecology & evolution 25, no. 6 (2010): 345-353.

[3] L. A. Burkle, J. C. Marlin, T. M. Knight, “Plant-Pollinator Interactions over 120 Years: Loss of Species, Co-Occurrence, and Function,” Science 339, no. 6127 (2013): 1611-1615.

[4] J. M. Tylianakis, R. K. Didham, J. Bascompte, D. A. Wardle, “Global change and species interactions in terrestrial ecosystems,” Ecol. Lett. 11, no. 12 (2008): 1351-136.

[5] A. M. Klein, B. E. Vaissiere, J. H. Cane, I. Steffan-Dewenter, S. A. Cunningham, C. Kremen, T. Tscharntke, “Importance of pollinators in changing landscapes for world crops,” Proc. R. Soc. B-Biol. Sci. 274, no. 1608 (2007): 303-313; T. Tscharntke, Y. Clough, T. C. Wanger, L. Jackson, I. Motzke, I. Perfecto, . . . A. Whitbread, “Global food security, biodiversity conservation and the future of agricultural intensification,” Biol. Conserv. 151, no. 1 (2012): 53-59.

[6] U. Partap, T. Partap, Y. H. He, in 8th International Pollination Symposium. (International Society Horticultural Science, Univ W Hungary, Mosonmagyarovar, Hungary, 2000), pp. 225-230.

[7] J. A. Harvey, R. Heinen, I. Armbrecht, Y. Basset, J. H. Baxter-Gilbert, T. M. Bezemer, . . . H. de Kroon, “International scientists formulate a roadmap for insect conservation and recovery,” Nature Ecology & Evolution 4, no. 2 (2020): 174-176.

[8] H. M. Briggs, S. Graham, C. M. Switzer, R. Hopkins, “Variation in context-dependent foraging behavior across pollinators,” Ecol. Evol. 8, no. 16 (2018): 7964-7973.

[9] E. Kuusela, J. Lamsa, “A low-cost, computer-controlled robotic flower system for behavioral experiments,” Ecol. Evol. 6, no.8 (2016): 2594-2600.

[10] K. Debeuckelaere, Master thesis, KU Leuven, (2021).

[11] F. Adelantado, X. Vilajosana, P. Tuset-Peiro, B. Martinez, J. Melia-Segui, T. Watteyne, “Understanding the Limits of LoRaWAN,” IEEE Commun. Mag. 55, no. 9 (2017) 34-40.

[12] Debeuckelaere, Master thesis.

Kamiel Debeuckelaere

Kamiel Debeuckelaere studeerde in 2021 aan de KU Leuven af in de Biologie, met als specialisatie in Ecologie, Evolutiebiologie en Biodiversiteitsbehoud. Met zijn masterthesis, waarover dit artikel gaat, wist hij de Vlaamse Scriptieprijs in de wacht te slepen. Op dit moment werkt hij verder binnen dit onderzoek als doctoraatstudent aan de KU Leuven en hoopt hij een beurs binnen te halen om dit ook de komende jaren te blijven doen. Wil je meer weten? Vraag het hem gerust zelf, bijvoorbeeld via LinkedIn, Twitter of via de KU Leuven ‘wie-is-wie’ pagina.