Forskere opretter den første sensorpakke, der kan ride ombord på bier

Forskere ved University of Washington har lavet en sensorpakke, der er lille nok til at køre ombord på en humlebi.

Landmænd kan allerede bruge droner til at svæve over enorme marker og overvåge temperaturen, fugtighed eller afgrødesundhed. Men disse maskiner har brug for så meget strøm for at flyve, at de ikke kan komme ret langt uden at skulle oplades.

Nu, ingeniører ved University of Washington har skabt et sensorsystem, der er lille nok til at køre ombord på en humlebi. Fordi insekter kan flyve på egen hånd, pakken kræver kun et lille genopladeligt batteri, der kan holde til syv timers flyvning og derefter oplades, mens bierne er i deres stade om natten. Forskerteamet vil præsentere sine resultater online 11. december og personligt på ACM MobiCom 2019 -konferencen.

"Droner kan flyve i måske 10 eller 20 minutter, før de skal oplades igen, mens vores bier kan indsamle data i timevis, " sagde seniorforfatter Shyam Gollakota, en lektor ved UW's Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering. "Vi viste for første gang, at det faktisk er muligt at udføre al denne beregning og sansning ved hjælp af insekter i stedet for droner."

Mens brug af insekter i stedet for droner løser strømproblemet, denne teknik har sit eget sæt af komplikationer:For det første, insekter kan ikke bære meget vægt. Og for det andet, GPS-modtagere, som fungerer godt til at hjælpe droner med at rapportere deres positioner, bruger for meget strøm til denne applikation. At udvikle en sensorpakke, der kunne passe på et insekt og mærke dets placering, holdet skulle løse begge problemer.

"Vi besluttede at bruge humlebier, fordi de er store nok til at bære et lille batteri, der kan drive vores system, og de vender tilbage til en bikube hver nat, hvor vi trådløst kunne genoplade batterierne, " sagde medforfatter Vikram Iyer, en ph.d.-studerende i UW Department of Electrical &Computer Engineering. "Til denne forskning fulgte vi de bedste metoder til pleje og håndtering af disse væsner."

Tidligere har andre forskergrupper monteret humlebier med enkle "rygsække" af smålimede trackere, som radiofrekvensidentifikation, eller RFID, mærker, til dem at følge deres bevægelse. For disse typer eksperimenter, forskere lægger en bi i fryseren i et par minutter for at bremse den, før de limer på rygsækken. Når de er færdige med forsøget, holdet fjerner rygsækken gennem en lignende proces.

Disse tidligere undersøgelser, imidlertid, kun involverede rygsække, der simpelthen sporede biers placering over korte afstande - omkring 10 tommer - og som ikke bar noget for at undersøge miljøet omkring insekterne. Her, Gollakota, Iyer og deres gruppe designede en sensorrygsæk, der kører på biernes ryg og vejer 102 milligram, eller om vægten af ​​syv korn ubehandlede ris.

"Det genopladelige batteri, der driver rygsækken, vejer omkring 70 milligram, så vi havde lidt over 30 milligram tilbage til alt andet, ligesom sensorerne og lokaliseringssystemet til at spore insektets position, "sagde medforfatter Rajalakshmi Nandakumar, en ph.d.-studerende i Allen-skolen.

Fordi bier ikke annoncerer, hvor de flyver, og fordi GPS-modtagere er for strømkrævende til at ride på et lille insekt, holdet fandt på en metode, der ikke bruger nogen kraft til at lokalisere bierne. Forskerne satte flere antenner op, der udsendte signaler fra en basestation på tværs af et specifikt område. En modtager i en bies rygsæk bruger signalets styrke og vinkelforskellen mellem bien og basestationen til at triangulere insektets position.

"For at teste lokaliseringssystemet, vi lavede et eksperiment på en fodboldbane, " sagde medforfatter Anran Wang, en ph.d.-studerende i Allen-skolen. "Vi satte vores basestation op med fire antenner på den ene side af banen, og så havde vi en bi med en rygsæk, der fløj rundt i en krukke, som vi flyttede væk fra antennerne. Vi var i stand til at registrere biens position, så længe den var inden for 80 meter, omkring tre fjerdedele af længden af ​​en fodboldbane, af antennerne."

Derefter tilføjede holdet en række små sensorer – overvågning af temperatur, fugtighed og lysintensitet - til rygsækken. Den vej, bierne kunne indsamle data og logge disse oplysninger sammen med deres placering, og til sidst kompilere oplysninger om en hel gård.

"Det ville være interessant at se, om bierne foretrækker en region af gården og besøger andre områder sjældnere, " sagde medforfatter Sawyer Fuller, en adjunkt i UW Department of Mechanical Engineering. "Alternativt hvis du vil vide, hvad der sker i et bestemt område, du kan også programmere rygsækken til at sige:'Hey bier, hvis du besøger dette sted, tage en temperaturaflæsning."

Så efter at bierne er færdige med deres fødedag, de vender tilbage til deres bikube, hvor rygsækken kan uploade alle data, den har indsamlet via en metode kaldet backscatter, hvorigennem en enhed kan dele information ved at reflektere radiobølger transmitteret fra en nærliggende antenne.

Lige nu kan rygsækkene kun gemme omkring 30 kilobyte data, så de er begrænset til at bære sensorer, der skaber små mængder data. Også, rygsækkene kan kun uploade data, når bierne vender tilbage til stadet. Holdet vil med tiden gerne udvikle rygsække med kameraer, der kan livestreame information om plantesundhed tilbage til landmændene.

"At lade insekter bære disse sensorsystemer kan være gavnligt for gårde, fordi bier kan fornemme ting, som elektroniske objekter, som droner, kan ikke, "Sagde Gollakota." Med en drone, du flyver bare rundt tilfældigt, mens en bi vil blive tiltrukket af bestemte ting, ligesom de planter, den foretrækker at bestøve. Og ud over at lære om miljøet, du kan også lære meget om, hvordan bierne opfører sig. "