蜜蜂背上传感器助力农场数据收集

华盛顿大学的研究人员研发出一款传感器“背包”，小到可以“骑”在大黄蜂上

据麦姆斯咨询报道，如今农民们已经可以使用无人机巡视农场，从而监测温度、湿度或农作物健康状况。但是要使这些机器长时间地飞行，需要非常大的电力，因此如果中途不充电，它们就飞不了多远，这使得无人机巡视的范围和时间受到了极大的限制。近日，华盛顿大学的工程师们发明了一种小到能够“骑”在大黄蜂身上的传感系统。因为此类昆虫可以自己飞行，所以该“背包”只需要一节微型充电电池，就可以维持7小时的飞行时间。科学家们指出，当蜜蜂回到蜂巢时，电池也相应地回到蜂巢中，他们就可以通过无线方式对电池进行充电，6小时内即可充满。他们还表示，太阳能电池可能有一天会取代目前设计中所使用的电池。该研究小组于12月11日在新德里举行的MobiCom会议上详细介绍了他们的研究结果。“无人机飞行10~20分钟就需要充电，而我们的蜜蜂可以进行数小时的数据收集。”华盛顿大学保罗·艾伦计算机科学与工程学院副教授、该研究资深作者Shyam Gollakota说，“实验证明，用蜜蜂来完成其它无人机所做的计算和传感任务是可行的。”

虽然用蜜蜂代替无人机解决了供电问题，但该技术仍存在着许多问题有待解决：首先，蜜蜂的体型较小，携带能力非常有限；第二，GPS接收器在定位方面具有优势，但对于该应用来说，会需要消耗不少电量。为了开发适合蜜蜂携带同时还能感知其位置的传感器“背包”，团队必须解决这两个问题。科学家们用三种大黄蜂做了实验，发现健康的工蜂可以携带大约105毫克的物体飞行和盘旋。“我们最终决定使用大黄蜂，因为它们足够大，有能力携带为我们系统供电的微型电池，而且它们每天晚上都会回到蜂巢，在那里我们可以通过无线方式给电池充电。”论文的共同作者、华盛顿大学电气和计算机工程系的博士生Vikram Iyer说道，“在此项研究中，我们采用了照顾和护理这些生物的最佳方法。”

Vikram Iyer观察安装传感器“背包”的大黄蜂（在集装箱内飞行）是否有异常

之前，其他研究小组已经通过超粘小型追踪器，比如射频识别（RFID），给大黄蜂配备了简单的“背包”，用来跟踪它们的活动。对于此类实验，研究人员先将蜜蜂放置在冰箱里几分钟，以便在将“背包”粘在它们身上之前降低它们的速度。实验完成后，团队再通过类似的过程移除“背包”。然而，这些先前的研究只是简单地追踪蜜蜂在近距离内（大约25厘米）位置的“背包”数据，却没有任何有关蜜蜂周边环境的数据。因此，Gollakota、Iyer以及他们的团队重新设计了一款传感器“背包”，它可以“骑”在蜜蜂的背上，仅重102毫克，大约是7粒生米的重量，尺寸仅为6.1 x 6.4毫米。“为‘背包’供电的可充电池重量约为70毫克，所以我们还有30毫克多一点的剩余重量给其它产品，比如传感器和追踪蜜蜂位置的定位系统。”艾伦学校的博士生、该研究共同作者Rajalakshmi Nandakumar说道。

传感器“背包”重102毫克

因为蜜蜂不会在飞行所到之处做标记，同时也因为GPS接收器太耗电，无法放置在一只小昆虫身上，该团队想出了一种无需电力即可定位蜜蜂的方法。研究人员在农场内设置了多根天线组成的基站，通过特定区域发射来自基站的信号。而蜜蜂“背包”中的接收器能识别这些信号的强度和角度，通过三角定位法得出蜜蜂的位置信息并将其记录下来。“为了测试该方法是否可行，我们在足球场上做了一个实验。”共同作者、艾伦学校博士生Anran Wang说，“我们在场地的一侧设置了四根天线组成的基站，然后让一只蜜蜂背着‘背包’在远离天线的罐子里飞来飞去。我们依然能够探测到蜜蜂的位置，只要它在天线周围80米的范围内（大约足球场长度的四分之三）。”接下来，该团队又在“背包”中增加了一系列小型传感器，用来监测温度、湿度和光照强度等。这样，蜜蜂就可以收集这些数据，并将这些信息连同它们的位置一起记录下来，最终就能够收集到整个农场的信息。“观察蜜蜂是否更喜欢农场的某个区域，而不太经常去其它区域，这将会很有趣。”共同作者之一、华盛顿大学机械工程系助理教授Sawyer Fuller说道，“或者，如果你想知道某个特定区域发生了什么，你也可以对‘背包’进行编程，告诉它：‘嘿，蜜蜂，如果你去这个地方，顺便测量一下温度吧。’”当蜜蜂完成了一天的觅食后，回到蜂巢，“背包”可以通过一种叫做反向散射的方法上传收集到的数据，通过这种方法，设备可以通过反射从附近天线发射过来的无线电信号来共享信息。

带着“背包”的蜜蜂仍然可以采蜜、控制飞行和正常进行其它活动

目前，该“背包”只能存储大约30千字节的数据，所以它们只携带能产生少量数据的传感器。此外，只有当蜜蜂回到蜂巢时，“背包”才能上传数据。该团队希望最终能够开发出带有摄像头的“背包”，这样就可以将有关植物健康的信息实时反馈给农民。“让蜜蜂携带这些传感器系统对农场是有益的，因为蜜蜂可以感知物体，但电子产品，比如无人机，就不能。”Golakota说道，“无人机只是随意地飞行，而蜜蜂会被特定的东西吸引，比如它喜欢授粉的植物。除了了解环境，你还可以学习并研究蜜蜂的行为。”