華盛頓大學(xué)的研究人員研發(fā)出一款傳感器“背包”，小到可以“騎”在大黃蜂上

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，如今農(nóng)民們已經(jīng)可以使用無人機(jī)巡視農(nóng)場，從而監(jiān)測(cè)溫度、濕度或農(nóng)作物健康狀況。但是要使這些機(jī)器長時(shí)間地飛行，需要非常大的電力，因此如果中途不充電，它們就飛不了多遠(yuǎn)，這使得無人機(jī)巡視的范圍和時(shí)間受到了極大的限制。近日，華盛頓大學(xué)的工程師們發(fā)明了一種小到能夠“騎”在大黃蜂身上的傳感系統(tǒng)。因?yàn)榇祟惱ハx可以自己飛行，所以該“背包”只需要一節(jié)微型充電電池，就可以維持7小時(shí)的飛行時(shí)間。科學(xué)家們指出，當(dāng)蜜蜂回到蜂巢時(shí)，電池也相應(yīng)地回到蜂巢中，他們就可以通過無線方式對(duì)電池進(jìn)行充電，6小時(shí)內(nèi)即可充滿。他們還表示，太陽能電池可能有一天會(huì)取代目前設(shè)計(jì)中所使用的電池。該研究小組于12月11日在新德里舉行的MobiCom會(huì)議上詳細(xì)介紹了他們的研究結(jié)果?！盁o人機(jī)飛行10~20分鐘就需要充電，而我們的蜜蜂可以進(jìn)行數(shù)小時(shí)的數(shù)據(jù)收集?！比A盛頓大學(xué)保羅·艾倫計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授、該研究資深作者Shyam Gollakota說，“實(shí)驗(yàn)證明，用蜜蜂來完成其它無人機(jī)所做的計(jì)算和傳感任務(wù)是可行的?！?/p>

雖然用蜜蜂代替無人機(jī)解決了供電問題，但該技術(shù)仍存在著許多問題有待解決：首先，蜜蜂的體型較小，攜帶能力非常有限；第二，GPS接收器在定位方面具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于該應(yīng)用來說，會(huì)需要消耗不少電量。為了開發(fā)適合蜜蜂攜帶同時(shí)還能感知其位置的傳感器“背包”，團(tuán)隊(duì)必須解決這兩個(gè)問題?？茖W(xué)家們用三種大黃蜂做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)健康的工蜂可以攜帶大約105毫克的物體飛行和盤旋。“我們最終決定使用大黃蜂，因?yàn)樗鼈冏銐虼?，有能力攜帶為我們系統(tǒng)供電的微型電池，而且它們每天晚上都會(huì)回到蜂巢，在那里我們可以通過無線方式給電池充電?！闭撐牡墓餐髡?、華盛頓大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系的博士生Vikram Iyer說道，“在此項(xiàng)研究中，我們采用了照顧和護(hù)理這些生物的最佳方法?！?/p>

Vikram Iyer觀察安裝傳感器“背包”的大黃蜂（在集裝箱內(nèi)飛行）是否有異常

之前，其他研究小組已經(jīng)通過超粘小型追蹤器，比如射頻識(shí)別（RFID），給大黃蜂配備了簡單的“背包”，用來跟蹤它們的活動(dòng)。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn)，研究人員先將蜜蜂放置在冰箱里幾分鐘，以便在將“背包”粘在它們身上之前降低它們的速度。實(shí)驗(yàn)完成后，團(tuán)隊(duì)再通過類似的過程移除“背包”。然而，這些先前的研究只是簡單地追蹤蜜蜂在近距離內(nèi)（大約25厘米）位置的“背包”數(shù)據(jù)，卻沒有任何有關(guān)蜜蜂周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)。因此，Gollakota、Iyer以及他們的團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了一款傳感器“背包”，它可以“騎”在蜜蜂的背上，僅重102毫克，大約是7粒生米的重量，尺寸僅為6.1 x 6.4毫米。“為‘背包’供電的可充電池重量約為70毫克，所以我們還有30毫克多一點(diǎn)的剩余重量給其它產(chǎn)品，比如傳感器和追蹤蜜蜂位置的定位系統(tǒng)?！卑瑐悓W(xué)校的博士生、該研究共同作者Rajalakshmi Nandakumar說道。

傳感器“背包”重102毫克

因?yàn)槊鄯洳粫?huì)在飛行所到之處做標(biāo)記，同時(shí)也因?yàn)镚PS接收器太耗電，無法放置在一只小昆蟲身上，該團(tuán)隊(duì)想出了一種無需電力即可定位蜜蜂的方法。研究人員在農(nóng)場內(nèi)設(shè)置了多根天線組成的基站，通過特定區(qū)域發(fā)射來自基站的信號(hào)。而蜜蜂“背包”中的接收器能識(shí)別這些信號(hào)的強(qiáng)度和角度，通過三角定位法得出蜜蜂的位置信息并將其記錄下來?！盀榱藴y(cè)試該方法是否可行，我們?cè)谧闱驁錾献隽艘粋€(gè)實(shí)驗(yàn)。”共同作者、艾倫學(xué)校博士生Anran Wang說，“我們?cè)趫龅氐囊粋?cè)設(shè)置了四根天線組成的基站，然后讓一只蜜蜂背著‘背包’在遠(yuǎn)離天線的罐子里飛來飛去。我們依然能夠探測(cè)到蜜蜂的位置，只要它在天線周圍80米的范圍內(nèi)（大約足球場長度的四分之三）?！苯酉聛?，該團(tuán)隊(duì)又在“背包”中增加了一系列小型傳感器，用來監(jiān)測(cè)溫度、濕度和光照強(qiáng)度等。這樣，蜜蜂就可以收集這些數(shù)據(jù)，并將這些信息連同它們的位置一起記錄下來，最終就能夠收集到整個(gè)農(nóng)場的信息?！坝^察蜜蜂是否更喜歡農(nóng)場的某個(gè)區(qū)域，而不太經(jīng)常去其它區(qū)域，這將會(huì)很有趣?！惫餐髡咧?、華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系助理教授Sawyer Fuller說道，“或者，如果你想知道某個(gè)特定區(qū)域發(fā)生了什么，你也可以對(duì)‘背包’進(jìn)行編程，告訴它：‘嘿，蜜蜂，如果你去這個(gè)地方，順便測(cè)量一下溫度吧?！碑?dāng)蜜蜂完成了一天的覓食后，回到蜂巢，“背包”可以通過一種叫做反向散射的方法上傳收集到的數(shù)據(jù)，通過這種方法，設(shè)備可以通過反射從附近天線發(fā)射過來的無線電信號(hào)來共享信息。

帶著“背包”的蜜蜂仍然可以采蜜、控制飛行和正常進(jìn)行其它活動(dòng)

目前，該“背包”只能存儲(chǔ)大約30千字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以它們只攜帶能產(chǎn)生少量數(shù)據(jù)的傳感器。此外，只有當(dāng)蜜蜂回到蜂巢時(shí)，“背包”才能上傳數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)希望最終能夠開發(fā)出帶有攝像頭的“背包”，這樣就可以將有關(guān)植物健康的信息實(shí)時(shí)反饋給農(nóng)民。“讓蜜蜂攜帶這些傳感器系統(tǒng)對(duì)農(nóng)場是有益的，因?yàn)槊鄯淇梢愿兄矬w，但電子產(chǎn)品，比如無人機(jī)，就不能。”Golakota說道，“無人機(jī)只是隨意地飛行，而蜜蜂會(huì)被特定的東西吸引，比如它喜歡授粉的植物。除了了解環(huán)境，你還可以學(xué)習(xí)并研究蜜蜂的行為?！?/p>