We are fluid dynamicists, applied mathematicians, software and hardware developers working at the Okinawa Institute of Science and Technology.
We are looking to grow the network of sensors and the community of people behind it.
What do we want?We view forests as complex dynamical systems whose future state is both uncertain and of primary importance to the living world. We are exploring theoretically if predicting and controlling the future state is actually possible. Observing tree stem pulsations across time scales is part of our strategy to address these questions.
What do we measure?We measure stem diameter variations down to 1 micrometer every minute, day and night. Meaningful stem dynamics of few micrometers typically occur over a few minutes in the trees we monitor. Remarkably, trees from different species but also individuals among the same species react differently to the same atmospheric perturbation. This illustrates the rich and complex sub-diurnal dynamics we want to capture.
We also record atmospheric temperature, pressure and relative humidity with respective nominal accuracies of 0.2K, 1Pa and 3%.
How?We design, make and test our own non-intrusive dendrometer. Broadly speaking it consists in a spring-mounted wire placed around the tree. When the tree expands or contracts, the wire causes the rotation of a wheel that we measure through a potentiometer. The rotation is converted to a tree-diameter change. Environmental variables are measured using off-the-shelf electronic components we integrate on our own printed circuit board.
FAQs
Is the sensor intrusive or unsafe?The sensor is visible but not intrusive: we use an elastic belt around the stem to fix it and do not drill any fixation holes in the bark. Consequently the measurements integrate pulsations from the entire circumference of the tree where the sensor is placed, as well as bark expansion/contraction due to humidity in the atmosphere. It is not a direct measure of sap flows in the xylem and phloem.
The current version of the sensor contains 3 rechargeable AA nickel metal hydride (NiMH) batteries (we do not use lithium-based batteries to reduce fire hazards). Maximum power consumption is 1W and short-term current during short-circuit is 300 mA. Operating voltage range is 3.3V - 4.8V. It is fitted with a short-circuit and reverse polarity protection.
Is the sensor easy to install and maintain?The mechanical design of the sensor is such that once trained a person could fit a sensor to a reasonably-sized tree in a couple of minutes. On large trees it is recommended to be two people per sensor. The sensor weights about 700g and can be held in one hand.
We develop the sensor in the tropical forest of Okinawa. If you have visited Okinawa you would be confident that it must be reasonably waterproof. It actually survived category 5 super typhoon Mawar earlier this year. We are continuing to put it under various environmental tests.
The batteries are recharged via solar power. However, they can only go through a finite number of charge cycles. We design the sensor so that it can be left unattended for about 2 years (assuming that the fauna does not interfere with it!).
As the tree grows the measurable dynamical range is reduced and at some point the wire needs to be reset. This process is performed on the instrumented tree directly and takes only a few seconds to complete.
Where do the data go?A copy of all data is stored in the internal memory and new records are regularly sent to the cloud (typically every 24h).
The current version of the sensor includes an IoT SIM card and therefore relies on the availability of a mobile network.
We are working on two alternative solutions: a cheaper “walk a phone near the sensor to offload data” approach (which is more technical than it sounds) and a more expensive satellite IoT chip option. By early 2025 all sensors should offer one of the three options mentioned above and thus be able to cover the entire globe (subject to export control and local laws).
Can I access data?You can interact with some of the data directly from the map or read more here.
How can I source sensors?We are currently installing and monitoring development sensors to candidate study sites. We would be happy to add your site to the network. Please contact us at: contact@treepulse.network
Can we add features to the sensors?Future-proofing the sensor design and network infrastructure is always on our mind. We try to keep the design simple, scalable and affordable. In particular, we are working on a modular design which will allow parts replacement so as to reduce both the environmental impact and cost of each sensor. Consequently this gives us the option to upgrade the sensor’s features. Let us know about your wish list. Please keep in mind that the sensor is a dendrometer at its heart!
ツリー・パルス・ネットワークとは？私たちは、沖縄科学技術大学院大学（OIST）で活動を展開している流体力学者、応用数学者、ソフトウェアおよびハードウェア開発者です。
私たちは、各種センサーのネットワークとその背後にある人々のコミュニティの拡大に注目しています。
ツリー・パルス・ネットワークが目指すのは？私たちは、森林は複雑で絶えず変化するシステムであり、その未来像は不確かであるとともに生物界にとって最も重要なものであると考えています。私たちは、森林の未来像を予測しコントロールすることが実際に可能かどうかを理論的に探求しています。樹幹のパルス変動をさまざまな時間的尺度で観察することは、このような疑問に対処するための戦略の一部です。
ツリー・パルス・ネットワークが測定するのは？私たちは、樹幹の直径の変動を、昼夜を問わず毎分1マイクロメートル単位まで測定します。数マイクロメートルという重要な樹幹の動きは、私たちがモニタリングしている樹木では通常数分間にわたって発生します。驚くべきことに、異なる数種の樹木も、同じ種の個々の樹木も、同じ大気の摂動に対して異なる反応を示します。これは、私たちがとらえようとしている、豊かで複雑な日内変動下の動きを示しています。
また、私たちは、気温、気圧、相対湿度をそれぞれ0.2 K、1 Pa、3%の公称精度で記録します。
測定方法は？私たちは、独自の非侵入型デンドロメーター（測樹計）をデザインし、製作し、テストします。概要を説明すると、これは樹木の周りに設置されるスプリング付きのワイヤーです。樹木が膨張したり収縮したりすると、このワイヤーによってホイールが回転します。私たちはこの回転をポテンショメーター（可変抵抗器）で測定します。この回転は樹径の変化に変換されます。環境変数は、私たち独自のプリント基板に組み込んだ既製の電子部品によって測定されます。
FAQs
センサーは樹木に挿入する？安全とはいえないのでは？センサーは目に見えるものですが樹木に挿し込むことはありません。センサーは樹幹の周囲に弾性ベルトを巻いて固定しており、樹皮に固定用の穴を開けていません。このため、測定値は、センサーが設置されている樹木の全周からのパルス変動と、大気中の湿度による樹皮の膨張・収縮を合わせたものとなります。木部と師部の樹液流を直接測定した値ではありません。
現行版のセンサーには、単3形ニッケル水素（NiMH）充電池3個を使用しています（火災の危険を軽減するためリチウム電池は使用していません）。最大消費電力は1 W、短絡時の短時間電流は300 mAです。作動電圧範囲は3.3 Vから4.8 Vです。センサーには短絡回路と逆極性保護回路が取り付けられています。
センサーの取り付けやメンテナンスは簡単？センサーは、一度トレーニングを受けた人が数分で適度なサイズの樹木に取り付けられるような機械設計となっています。大きな樹木ではセンサー1台あたり2人での作業が推奨されます。センサーの重量は約700 gで、片手で持つことができます。
私たちは、沖縄の熱帯林でこのセンサーを開発しています。沖縄を訪問されたことがあれば、適度な防水性が必須であることがお分かりいただけると思います。実際に、このセンサーは今年初めに発生したカテゴリー5のスーパー台風2号（Mawar）に耐えました。私たちは現在もセンサーをさまざまな環境下に置いてテストしています。
電池は太陽光発電によって充電されます。ただし、充電回数には限りがあります。センサーは約2年間放置できるよう設計しています（そこに棲む動物たちが邪魔をしないという想定です！）。
樹木の成長とともに測定できる動きの範囲が狭くなり、ある時点でワイヤーをリセットする必要があります。このプロセスは、センサーを装備した樹木で直接実行され、わずか数秒で完了します。
データの行先は？すべてのデータのコピーは内部メモリに保管され、新しい記録は定期的にクラウドに送信されます（通常は24時間毎）。
現行版のセンサーは、IoT専用SIMカードを搭載しているため、モバイルネットワークの可用性に依存しています。
私たちは現在、2つの代替策を検討中です。1つはより廉価な「携帯電話をセンサーに近づけてデータを移動させる」手法（これは意外に技術的な手法です）、もう1つはより高価な衛星通信対応IoTチップを使用するというものです。2025年初旬には、すべてのセンサーを上記の3つのうち1つの方法で提供し、（輸出規制や現地法に従い）地球全体をカバーできるようになります。
データにはアクセスできる？一部のデータはマップから直接やり取りでき、こちらで詳細をお読みいただくこともできます。
センサーの調達方法は？現在、複数の研究候補地に開発したセンサーを設置しモニタリングを行っています。皆様の地域もこのネットワークに加えることができれば幸いです。お問い合わせはこちらまでお願い致します。contact@treepulse.network
センサーには新たな特性を追加できる？私たちは、センサーのデザインおよびネットワークインフラを将来的にも使用できるようにすることを常に念頭に置いています。センサーのデザインは、シンプルで、拡張可能な、そして手頃な価格のものにするよう努めています。特に、部品交換が可能で環境への影響も各センサーのコストも抑えられるようなモジュラーデザインに取り組んでいます。これにより、センサーの特性をアップグレードするという選択肢が得られます。皆様のご要望をお聞かせください。なお、このセンサーは本質的にはデンドロメーターですのでご注意ください。