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小蜜蜂来帮忙 背上微型传感器“背包”农场忙

2018-12-17 14:39
来源: 微迷网

小蜜蜂来帮忙 背上微型传感器“背包”农场忙

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

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。

据麦姆斯咨询报道,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。”

小蜜蜂来帮忙 背上微型传感器“背包”农场忙

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。

小蜜蜂来帮忙 背上微型传感器“背包”农场忙

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。

小蜜蜂来帮忙 背上微型传感器“背包”农场忙

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。”

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