微型二维码揭示蜜蜂旅程中的秘密

研究人员在数千只蜜蜂的背上贴上二维码，以追踪它们何时离开蜂巢以及离开多久。 图片来源：Margarita López-Uribe、Robyn Underwood、Julio Urbina、Diego Penaloza-Aponte 及团队

在宾夕法尼亚州和纽约州的农村地区，数百只蜜蜂的背上带着微小的二维码--这并不是一种时尚宣言，而是一项科学研究的一部分。 宾夕法尼亚州立大学的研究人员，包括昆虫学家和电气工程师，正在利用这些标签追踪蜜蜂离开和返回蜂巢的时间。 他们的目标是更好地了解蜜蜂觅食的时间，以及最终它们采集花粉和花蜜的距离--这是蜜蜂研究中一直存在的一个谜。

早期研究结果表明，虽然大多数蜜蜂的短途旅行只持续几分钟，但也有一小部分蜜蜂会在蜂巢外停留两个多小时。 有了新的跟踪系统，研究小组有望收集到更多的数据，以完善他们对蜜蜂行为的理解。

Lorenzo L. Langstroth早期职业教授、昆虫学副教授兼论文作者玛格丽塔-洛佩斯-乌里韦（Margarita López-Uribe）说："这项技术为生物学家提供了以以前不可能的方式研究系统的机会，特别是在有机养蜂方面，"HardwareX是一份开放获取的期刊，详细介绍了研究人员在工作中使用的确切设备和方法，以便他人复制或借鉴。"在野外生物学中，我们通常只是用眼睛观察事物，但我们作为人类所能进行的观察数量永远无法达到机器所能做到的规模。

研究人员使用市场上销售的设备在六个蜂场的每个蜂群入口处安装了一个每周七天、每天 24 小时运行的跟踪摄像头。 在这个蜂群中，摄像头被安装在一个标有 W5 的保护盒中，在一个供蜜蜂进出的小缝隙上方。 每个养蜂场（包括六个蜂群）的设备总成本不到 1，500 美元。 图片来源：Margarita López-Uribe、Robyn Underwood、Julio Urbina、Diego Penaloza-Aponte 和团队/宾夕法尼亚州立大学

蜜蜂就像高度安全建筑的工人一样，"嗡嗡"地进出蜂巢，闪烁着背上的通行证。 它们可以自由出入，但通过研究小组开发的自动成像系统对它们进行数字跟踪，该系统可以监控蜜蜂何时离开蜂巢，何时通过带有摄像头传感器的定制入口返回蜂巢。

粘在蜜蜂背上的二维码被称为"信任标签"，它携带的识别信息量最小，即使在低分辨率条件下，也能通过成像系统快速检测和记录。 研究人员说，该系统打破了传统昆虫学野外工作中研究人员对蜜蜂进行有限时间的目视观察，从而实现了更全面、更广泛的观察。

一般来说，有机养蜂意味着蜂箱不使用化学杀虫剂、除草剂和合成化学处理剂，并远离污染区。 虽然美国农业部的国家有机标准委员会在 2010 年建议了蜂蜜和其他蜂产品"有机"认证的具体标准，但这些标准从未获得通过。 洛佩斯-乌里韦表示，蜜蜂在需要时能够进行长距离飞行--据估计，蜜蜂能够从蜂巢飞出10公里。但研究小组推测，这样的距离并不常见，蜜蜂一般飞行的距离要短得多，可能不到一公里。 因此，2010 年建议的有机养蜂对饲料和监视区的要求可能过高。

研究人员说，随着对蜜蜂觅食范围有更好、更精确的了解，这种情况可能会改变。 蜜蜂通过一种叫做"摇摆舞"的肢体行为向蜂群中的其他蜜蜂传达食物来源的位置。 洛佩斯-乌里韦说，研究人员花了大量时间观察并试图解码摇摆舞，以确定蜜蜂离开蜂群有多远--准确追踪蜜蜂个体的觅食时间可以帮助这一过程。

"摇摆舞是我们所掌握的有关蜜蜂觅食的最佳信息来源，但这是基于人类的观察，两周内可能每天观察一次，每次一小时。 因此，我们联系了电子工程团队，看看是否有技术可以更好地进行这些观察，"López-Uribe 说。 "我们的目标是了解 10 公里的估算在生物学上是否准确。 我们能否确定蜜蜂离开蜂巢到底有多远？"

研究人员将二维码贴在幼蜂的背上，这些蜜蜂还不会飞，也没有锋利的刺。 在一个季节里，他们标记了 32000 多只蜜蜂。 图片来源：玛格丽塔-洛佩斯-乌里韦、罗宾-安德伍德、胡里奥-乌尔维纳、迭戈-佩纳洛萨-阿蓬特及其团队

昆虫学家们找到了电子工程学教授、该研究的共同通讯作者胡利奥-乌尔维纳，他又找到了电子工程学博士生、该研究的共同通讯作者迭戈-佩纳卢萨-阿蓬特。

Urbina说："以前没有这样的研究成果。这篇论文是朝着正确方向迈出的第一步，我们有机会做得更多--这在很大程度上是因为我们团队之间不断增强的协同作用。"

研究人员强调，这并不是生物学家和工程师各自为政的合作。 相反，专家们在彼此的学科中都扮演了新手的角色，以便更好地了解具体的需求和局限性。 电气工程师在现场工作，学习如何处理和监测蜜蜂的第一手资料，而昆虫学家则参观实验室，了解设计和建造自动化技术需要考虑哪些因素。

Penaloza-Aponte 说："过去开发的蜜蜂监测系统都是在受控实验室环境下或附近运行的。我们的目标是开发一种可以在农村环境下运行的系统，远离实验室，使用太阳能供电，并使一切都开源。 任何人都可以使用和修改这个系统。"

获取也是一个令人担忧的问题。 使用的所有设备都是市场上可以买到的，每个养蜂场（包括六个蜂群）的总成本不到 1500 美元。

研究人员使用了 AprilTags，这是一种比人的小指甲盖还小的二维码，可以粘在工蜂身上，而不会妨碍其行动或对其造成伤害。 在整个活跃的春夏季节，研究小组每隔两周就会在六个蜂群中给 600 只刚从蜂箱中出来的小蜜蜂贴上标签。 他们总共标记了六个蜂场的 32000 多只蜜蜂。

宾夕法尼亚州立大学养蜂推广教育工作者、论文合著者罗宾-安德伍德（Robyn Underwood）说："我们的目标是幼蜂，这样就能更准确地追踪它们的年龄，尤其是它们何时开始飞，何时停止飞。 "她解释说，幼蜂也更柔软，还不会蜇人，所以更容易处理。"一旦蜜蜂到了可以飞行的年龄，它就会离开蜂群，并出现在摄像头下。 我们的传感器会实时读取二维码，并捕捉蜜蜂的 ID、日期、时间、移动方向（离开或进入蜂巢）和温度。 在整个蜂季中，我们都可以跟踪每只蜜蜂。 它什么时候离开？ 什么时候回来的？ 她在做什么？"

研究人员发现，大多数旅行通常持续一到四分钟，这可能是为了在觅食前查看天气或在蜂巢外排泄。 较长的旅行一般持续不到 20 分钟，但有 34% 被标记的蜜蜂离开蜂巢的时间超过了两个小时。 研究人员说，这可能反映出蜜蜂的觅食时间异常漫长，也可能是蜜蜂再也没有返回蜂巢，或者是蜜蜂颠倒进入蜂巢而漏检。 在一些花朵较少的星期里，更多的蜜蜂花了更多的时间觅食，这可能是因为它们必须走更远的路才能找到足够的食物。

安德伍德说："我们还发现，蜜蜂一生中觅食的时间比最初想象的要长很多。我们看到蜜蜂的觅食时间长达六周，而它们在两周大时才开始觅食，因此它们的寿命比我们想象的要长很多。"

每个蜂巢的摄像头每周运行七天，每天 24 小时不间断工作，每个摄像头都连接到一台微型计算机上，研究人员每周访问一次，将数据上传到他们的笔记本电脑上。研究人员在监测初期遇到了一个意料之中的问题--蜜蜂在蜂巢入口处闲逛。 摄像头一天内会检测到它们各自的 QR 码数百次。

迭戈说："原来，有些蜜蜂就喜欢在入口处闲逛，每次它们经过时，摄像头都会读取它们的信息。这就是编程如此方便的原因。 它可以削减离群数据，帮助确保我们追踪的是真正有意义的数据。"

研究人员目前正在与弗吉尼亚理工大学的一个团队合作，评估觅食持续时间与解码摇摆舞的匹配情况。 研究人员说，接下来，他们希望标记和跟踪其他蜜蜂物种以及其他类型的蜜蜂，如无人蜂或蜂王，以更多地了解蜂群的这些方面。 他们还计划为科学家和养蜂人举办研讨会，学习如何建立和使用自己的监测系统。

编译自/ScitechDaily