可测量动物能量水平的传感器

生存需要能量，而食物是人们所需能量的来源。对于动物来说，食物通常是稀缺资源，因此有效控制能量消耗是生物个体生存的关键。例如，如果动物需要不断逃离危险，或必须应对疾病或恶劣的生活条件，那么其能量消耗就会增加。相反，动物所需的能量越少，用于生长和繁殖的能量就越多。气候变化、污染、病原体和对栖息地干扰等因素都会影响其能量消耗。

即使是周边环境的微小变化也会影响动物对能量的利用效率。生态毒理学家Edwin Foekema解释道，“这会延缓养殖鱼类和农场家畜的生长，降低它们的抵抗力，但这种情况不会立即显现出来。”

“在野外，由于栖息地缩小或污染等原因导致能量利用模式长期中断，也会使动物个体体质下降。通常这一过程持续一段时间后，我们才能利用目前的监测手段发现其变化。”因此，在采取正确措施前，我们需要进行更多的研究来发现原因。

使用传感器获取能量管理信息

如果能尽早发现问题，我们就能节省时间，减少生态破坏对动物的负面影响。传感器可以在这方面提供帮助。Foekema说，“传感器可以及时提供有关动物能量利用和受到干扰的信息，以便养鱼户或自然管理者更快地采取行动，以解决干扰所造成的影响。”
获取动物和人类健康数据的传感器技术正在快速发展，例如，人们佩戴的用于跟踪心率和活动的智能手表很受欢迎。目前，研究人员将已经上市的传感器用于贻贝和鱼类的监测。这些传感器能够让科学家同时测量动物运动、心率、呼吸和食物摄入等参数。
为了监测贻贝，研究人员在贻贝的外壳上钻一个小孔，并插入微小的传感器来测量内部的氧气水平。如果贻贝离开水面，或者水被污染，贻贝就会关闭外壳来保护自己。Foekema说，“我们最初认为，贻贝关闭外壳后会有足够的氧气维持一段时间，但现在我们发现，氧气在几分钟后就会耗尽，所以贻贝几乎需要立即切换到无氧呼吸。”这种呼吸效率较低，而且不能长时间维持。

研究人员利用游泳通道对鱼类进行研究，在越来越快的流速中，用鱼身上的传感器测量它们的心率和活动，同时，研究人员还对鱼类的耗氧量进行测量，并对它们的游泳行为进行分析。结合不同的测量方法，研究人员能够更多地了解周围环境变化是如何影响鱼类能量消耗的。Foekema说，“我的同事Arjan Palstra是鱼类研究的负责人，他正在与挪威研究人员合作，研究如何直接测量鱼类血液中的血氧分压。我们还与特温特大学的研究人员合作，设计了一种生物芯片来测量血液中的细胞因子。”细胞因子可以揭示动物是如何进行能量管理的。

数字孪生

目前，研究人员正在采取初步措施，将收集到的每只动物的数据整合到一个 “数字孪生” 的计算机模型中。这是一种有关动物的虚拟模型，它使用传感器数据来显示动物在特定时间使用了多少能量，以及用于进行什么活动。瓦赫宁根大学及研究中心的研究人员对鱼类和贝类。以及奶牛等家畜进行了此类测量。Foekema表示，“所有物种的数据都大致相同，这将成为我们今年开始联合开发各种动物的‘数字孪生’计算机模型的基础。”
最初该系统仅用于实验室或农场中的动物，但我们的最终挑战是开发出相关技术，使其能够广泛用于各种野生物种。Foekema表示，“我们更希望只用一个传感器就能同时进行大量测量。”对贝类的测量相对容易，因为它们几乎不动，将传感器连接到贝壳上也不难。
许多其他物种正在面临更大的挑战。“我们不想让这些动物受到传感器的干扰，我们需要找到在现场收集数据的解决方案。如果我们能做到这一点，这项研究将为保护濒危物种提供有价值的信息。例如，我们可以发现一条鱼在克服其迁徙路线上的障碍时，会损失多少能量；一只蝙蝠在遇到风力涡轮发电机时，其能量消耗会发生什么变化；以及为什么某些物种比其他物种更能应对气候变化。”