Фермеры уже могут использовать дроны, чтобы парить над огромными полями и следить за температурой, влажностью или состоянием урожая. Но этим машинам нужно столько энергии, чтобы летать, что они не могут далеко улететь без подзарядки.
Теперь инженеры из Вашингтонского университета создали сенсорную систему, которая достаточно мала, чтобы летать на шмеле. Поскольку насекомые могут летать сами по себе, для комплекта требуется только крошечная перезаряжаемая батарея, которой хватит на семь часов полета, а затем она будет заряжаться, пока пчелы находятся в улье ночью. Исследовательская группа представит свои результаты онлайн 11 декабря и лично на конференции ACM MobiCom 2019.
«Дроны могут летать в течение 10 или 20 минут, прежде чем им снова потребуется зарядка, в то время как наши пчелы могут собирать данные часами», - сказал старший автор Шьям Голлакота, доцент Школы Пола Г. Аллена UW. Информатика и инженерия. «Мы впервые показали, что на самом деле можно выполнять все эти вычисления и измерения, используя насекомых вместо дронов».
Хотя использование насекомых вместо дронов решает проблему энергоснабжения, этот метод имеет свои сложности: во-первых, насекомые не могут нести большой вес. Во-вторых, GPS-приемники, которые хорошо помогают дронам сообщать о своем местоположении, потребляют слишком много энергии для этого приложения. Чтобы разработать датчик, который мог бы поместиться на насекомом и определить его местоположение, команде пришлось решить обе проблемы.
«Мы решили использовать шмелей, потому что они достаточно велики, чтобы нести крошечную батарею, которая может питать нашу систему, и каждую ночь они возвращаются в улей, где мы могли бы беспроводным способом заряжать батареи», - сказал соавтор Викрам. Айер, докторант факультета электротехники и вычислительной техники Университета Вашингтона.«Для этого исследования мы использовали лучшие методы ухода за этими существами и обращения с ними».
Ранее другие исследовательские группы снабжали шмелей простыми «рюкзаками», приклеивая к ним небольшие трекеры, такие как радиочастотная идентификация или RFID-метки, чтобы следить за их движением. Для таких экспериментов исследователи помещают пчелу в морозильную камеру на несколько минут, чтобы замедлить ее, прежде чем приклеивать к рюкзаку. По окончании эксперимента команда снимает рюкзак с помощью аналогичного процесса.
Эти предыдущие исследования, однако, включали только рюкзаки, которые просто отслеживали местонахождение пчел на коротких расстояниях - около 10 дюймов - и не несли с собой ничего для исследования окружающей среды вокруг насекомых. Здесь Голлакота, Айер и их группа разработали сенсорный рюкзак, который ездит на спинах пчел и весит 102 миллиграмма, или примерно вес семи зерен сырого риса..
«Аккумуляторная батарея, питающая рюкзак, весит около 70 миллиграммов, поэтому у нас оставалось чуть более 30 миллиграммов на все остальное, например, датчики и систему локализации для отслеживания положения насекомого», - сказал соавтор Раджалакшми Нандакумар., докторант школы Аллена.
Поскольку пчелы не сообщают о том, где они летают, а GPS-приемники слишком энергоемки, чтобы летать на крошечном насекомом, команда придумала метод, который не использует энергию для определения местонахождения пчел. Исследователи установили несколько антенн, которые передавали сигналы с базовой станции на определенную территорию. Приемник в рюкзаке пчелы использует силу сигнала и разницу углов между пчелой и базовой станцией, чтобы триангулировать положение насекомого.
«Чтобы протестировать систему локализации, мы провели эксперимент на футбольном поле», - сказал соавтор Анран Ванг, аспирант школы Аллена. «Мы установили нашу базовую станцию с четырьмя антеннами на одной стороне поля, а затем у нас была пчела с рюкзаком, летающая в банке, которую мы отодвинули от антенн. Мы могли определить положение пчелы до тех пор, пока он находился в пределах 80 метров, примерно в трех четвертях длины футбольного поля, от антенн."
Затем команда добавила к рюкзаку серию небольших датчиков, отслеживающих температуру, влажность и интенсивность света. Таким образом, пчелы могли бы собирать данные и регистрировать эту информацию вместе с их местоположением и, в конечном итоге, собирать информацию о всей ферме.
«Было бы интересно посмотреть, предпочитают ли пчелы один регион фермы и реже посещают другие районы», - сказал соавтор Сойер Фуллер, доцент кафедры машиностроения Университета Вашингтона. «В качестве альтернативы, если вы хотите знать, что происходит в определенной области, вы также можете запрограммировать рюкзак так, чтобы он говорил: «Эй, пчелы, если вы посетите это место, измерьте температуру».
После того, как пчелы закончили свой день сбора пищи, они возвращаются в свой улей, где рюкзак может загружать любые данные, которые он собрал, с помощью метода, называемого обратным рассеянием, с помощью которого устройство может обмениваться информацией, отражая радиоволны, передаваемые из ближайшая антенна.
Сейчас рюкзаки могут хранить только около 30 килобайт данных, поэтому они ограничены датчиками, которые создают небольшие объемы данных. Также рюкзаки могут загружать данные только тогда, когда пчелы возвращаются в улей. В конечном итоге команда хотела бы разработать рюкзаки с камерами, которые могли бы передавать фермерам информацию о здоровье растений в режиме реального времени.
«Наличие этих сенсорных систем на насекомых может быть полезным для ферм, потому что пчелы могут ощущать вещи, которые электронные объекты, такие как дроны, не могут», - сказал Голлакота. «С дроном вы просто беспорядочно летаете вокруг, в то время как пчелу будут привлекать конкретные вещи, например растения, которые она предпочитает опылять. И помимо изучения окружающей среды, вы также можете многое узнать о том, как пчелы ведут себя."