基于伯努利效應(yīng)的全自動(dòng)昆蟲(chóng)誘捕器

江嘉林，陳葦娜

福建省泉州市培元中學(xué)

基于伯努利效應(yīng)的全自動(dòng)昆蟲(chóng)誘捕器

江嘉林，陳葦娜

福建省泉州市培元中學(xué)

在參與泉州森林公園的植樹(shù)活動(dòng)中意外聽(tīng)工作人員說(shuō)現(xiàn)在防蟲(chóng)害不是噴農(nóng)藥，就是采用殺死昆蟲(chóng)的捕蟲(chóng)機(jī)，導(dǎo)致益蟲(chóng)的數(shù)量急劇減少，破壞了生態(tài)平衡。因此想制作一款能減少對(duì)生態(tài)平衡影響的昆蟲(chóng)誘捕器。

伯努利效應(yīng)；全自動(dòng)；信息素；昆蟲(chóng)誘捕器

一、創(chuàng)意來(lái)源

昆蟲(chóng)誘捕在科學(xué)調(diào)查研究、害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)防治等方面有著重要作用。蠅燈）、粘性誘捕器（如滅蠅板）、信息素誘捕、扇吸式誘捕等，這樣的捕捉方式各有弊端，捕蟲(chóng)網(wǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在某些人跡罕至的區(qū)域很難實(shí)現(xiàn)；黑光燈等對(duì)避光性昆蟲(chóng)不起作用；單一信息素誘捕只能針對(duì)特定昆蟲(chóng)；而扇吸式誘捕收集到的基本都是昆蟲(chóng)的尸體或者不完整的昆蟲(chóng)、且容易誤傷益蟲(chóng)[1]；通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查顯示，誘捕完整的活體昆蟲(chóng)，目前還是空白，但又迫切需要。

因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)節(jié)能的昆蟲(chóng)誘捕器，用于捕捉活體完整的昆蟲(chóng)，具有很好的應(yīng)用前景。

二、關(guān)于實(shí)用性、創(chuàng)新性、科學(xué)性的分析

（一）實(shí)用性

1.問(wèn)卷調(diào)查對(duì)實(shí)用性的證明

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的結(jié)果顯示從事昆蟲(chóng)研究工作的工作人員目前一般是通過(guò)人工捕捉昆蟲(chóng),目的是希望捕捉的昆蟲(chóng)完整并依舊為活體，迫切需要一款能滿(mǎn)足他們需求的機(jī)器。

2.關(guān)于目前市場(chǎng)的分析

問(wèn)卷結(jié)果也顯示，工作人員目前不愿意采用機(jī)器來(lái)捕捉昆蟲(chóng)的原因?yàn)榇蟛糠植蹲狡鞫计茐牧死ハx(chóng)的完整性及無(wú)法全自動(dòng)操作，需人工輔助操作，并且捕捉到的昆蟲(chóng)都為昆蟲(chóng)尸體。而從事農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)防治的工作人員雖使用誘蟲(chóng)器誘捕昆蟲(chóng)，但使用范圍小，且極易誤傷益蟲(chóng)；而在治療蟲(chóng)害時(shí)，往往使用農(nóng)藥，極易造成污染和農(nóng)藥殘留，因此也需要能捕捉昆蟲(chóng)活體的機(jī)器來(lái)對(duì)捕捉到的昆蟲(chóng)進(jìn)行分類(lèi)分析處理。

（二）創(chuàng)新性

1.該機(jī)器在半公頃的農(nóng)田放置一晚能誘捕上千只昆蟲(chóng)，電量能夠維持連續(xù)工作1-2天，對(duì)比以往捕蟲(chóng)器效果更佳。

2.該機(jī)器誘捕的昆蟲(chóng)都是鮮活完整的個(gè)體，對(duì)于完整鮮活的害蟲(chóng)能留下做研究，做標(biāo)本；對(duì)于完整鮮活的益蟲(chóng)能放生減少對(duì)生態(tài)平衡的影響。

3.該機(jī)器采用燈光及信息素雙重手段引誘昆蟲(chóng)，利用光傳感器作為機(jī)器的開(kāi)關(guān)，使用壓縮氣體鋼瓶產(chǎn)生伯努利效應(yīng)吸入昆蟲(chóng)。

目前本項(xiàng)目已通過(guò)了教育部科技查新工作站的查新，同時(shí)該技術(shù)已向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申報(bào)實(shí)用新型專(zhuān)利。產(chǎn)品整身通過(guò)第三方質(zhì)量檢測(cè)，并于相應(yīng)公司簽訂合作開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

（三）科學(xué)性

1.伯努利效應(yīng)

伯努利效應(yīng)又稱(chēng)邊界層表面流效應(yīng)，在流體流速加快時(shí)，物體與流體接觸的界面上的壓力會(huì)減小，反之壓力會(huì)增加。

本項(xiàng)目采用壓縮氣體鋼瓶壓縮氣體，產(chǎn)生高速氣流，使得捕蟲(chóng)漏斗內(nèi)的氣壓較低，在外界較高大氣壓的作用下將昆蟲(chóng)能夠完整吸入捕蟲(chóng)袋中。

2.關(guān)于全自動(dòng)

本項(xiàng)目采用ArduinoUNOR3為該昆蟲(chóng)捕捉器的主控，利用反射式和漫反射距離傳感器檢測(cè)昆蟲(chóng)是否靠近，充當(dāng)機(jī)器的智能開(kāi)關(guān)。每次捕捉完畢將自動(dòng)檢測(cè)啟動(dòng)氣泵進(jìn)行壓縮氣體的補(bǔ)充。采用壓力閥門(mén)控制產(chǎn)生伯努利效應(yīng)的氣體壓強(qiáng)。整臺(tái)機(jī)器無(wú)需人工操作，全自動(dòng)完成，大幅度減輕人工作業(yè)。

3.關(guān)于昆蟲(chóng)的誘捕功能

根據(jù)查閱的文獻(xiàn)顯示，黑光燈能有效地吸引昆蟲(chóng)，提高誘捕昆蟲(chóng)的概率,且捕蟲(chóng)的多樣度和均勻度均高于普通碰撞誘捕網(wǎng)[2]。對(duì)某些趨光昆蟲(chóng)的越冬代，黑光燈誘捕更是唯一手段[3-4]；資料表明，信息素能對(duì)昆蟲(chóng)起到誘惑的作用，尤其是特定信息素的使用能夠捕獲更多的某種特定昆蟲(chóng)，常用的信息素為性信息素，能吸引特定性別的昆蟲(chóng)[5]。本項(xiàng)目采用二者結(jié)合的方式，在多次試驗(yàn)中雙重誘惑能夠高效地吸引到各類(lèi)昆蟲(chóng)。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)

基于伯努利效應(yīng)的昆蟲(chóng)誘捕器采用ArduinoUNOR3連接紅外線(xiàn)M18光電開(kāi)關(guān)，鋰電池組，繼電器1，繼電器2及壓力閥門(mén)；繼電器1連接氣泵，繼電器2連接氣壓閥門(mén)，具體連接如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2.關(guān)于信息素

特種信息素的投放能有效提高專(zhuān)捕某昆蟲(chóng)的概率。昆蟲(chóng)信息素也稱(chēng)性外激素，是同種昆蟲(chóng)間進(jìn)行信息交流的化學(xué)物質(zhì)，包括引誘（誘獲）、刺激、促進(jìn)或抑制取食、產(chǎn)卵、交配、集合、報(bào)警、防御等功能。因而有高度的專(zhuān)一性。每種信息素都有特定的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，多數(shù)信息素是幾種化合物按一定比例的混合物。根據(jù)信息素所傳遞的信息不同，分為性信息素、報(bào)警信息素、示蹤信息素、聚集信息素等。而不同種昆蟲(chóng)之間或昆蟲(chóng)與其它生物之間也存在著傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)，如利己素、利它素、協(xié)同素等種間素[6-8]。如有種蜘蛛能分泌一種與性外激素相似的物質(zhì)，誘使相應(yīng)的昆蟲(chóng)自投羅網(wǎng)。也有一種是從植物體內(nèi)提取的內(nèi)源素（即誘獲信息素，類(lèi)似于植物體內(nèi)分泌的害蟲(chóng)喜歡吸食的一種植物體液——誘獲），害蟲(chóng)感應(yīng)到這種氣味而靠近吸食。

（二）程序流程的設(shè)計(jì)

基于伯努利效應(yīng)的全自動(dòng)昆蟲(chóng)誘捕器的工作流程為：系統(tǒng)開(kāi)啟→初始化→檢測(cè)氣瓶?jī)?nèi)壓力是否充足→檢測(cè)光傳感是否被遮光→釋放氣體→補(bǔ)充氣體→檢測(cè)氣瓶?jī)?nèi)壓力是否充足。具體程序流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2所示。

圖2 程序流程設(shè)計(jì)

四、項(xiàng)目使用說(shuō)明

1.通入電源，使機(jī)器開(kāi)始運(yùn)行。

2.機(jī)器開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行步驟，分為初始化閥門(mén)（步驟一），氣泵工作（步驟二），紅外線(xiàn)M18光電開(kāi)關(guān)識(shí)別昆蟲(chóng)靠近（步驟三），紫外線(xiàn)燈與信息素協(xié)助誘惑昆蟲(chóng)（步驟四）。

3.捕捉昆蟲(chóng)步驟，分為壓縮氣體鋼瓶充氣（步驟一），壓力變送器控制壓強(qiáng)大?。ú襟E二），氣壓閥門(mén)出氣（步驟三），捕蟲(chóng)漏斗口產(chǎn)生負(fù)壓，吸入昆蟲(chóng)（步驟四）。

4.機(jī)器運(yùn)行，完成捕捉。

五、總結(jié)與展望

基于伯努力利效應(yīng)的全自動(dòng)昆蟲(chóng)誘捕器采用多級(jí)增壓裝置產(chǎn)生高壓氣體實(shí)現(xiàn)伯努利效應(yīng)能夠高效捕捉昆蟲(chóng)，替代繁瑣的人工捕捉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，緩解相關(guān)工作者的工作力度，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，提高了捕捉昆蟲(chóng)的完整性的幾率，為昆蟲(chóng)研究工作帶來(lái)便利。

該項(xiàng)目接下來(lái)將根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)：

1.采用多重增壓裝置產(chǎn)生高壓氣體來(lái)替代壓縮氣瓶以減小作品體積；

2.鋪設(shè)爬行昆蟲(chóng)特殊通道用以捕捉爬行昆蟲(chóng)；

3.實(shí)現(xiàn)防盜功能。

[1]蔣小龍，WendellE.Burkholder.幾種誘捕器對(duì)儲(chǔ)糧害蟲(chóng)誘捕效果研究[J].鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，16（1）：89-96.

[2]張兵蘭，張茵，廖婕，等.香港嘉道理農(nóng)場(chǎng)次生林區(qū)碰撞誘捕網(wǎng)和黑光燈捕蟲(chóng)器采集所得鞘翅目甲蟲(chóng)多樣性比較[J].生物多樣性，2004，12（3）：301-311.

[3]盛承發(fā)，宣維健，蘇建偉，等.性信息素水盆誘捕器和黑光燈誘捕棉鈴蟲(chóng)成蟲(chóng)數(shù)量的比較[J].生態(tài)學(xué)雜志，2001，20（5）：5-7.

[4]屈西峰，等.中國(guó)棉花害蟲(chóng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)劃和方法[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1992.14-28.

[5]向玉勇，楊茂發(fā).昆蟲(chóng)性信息素研究應(yīng)用進(jìn)展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，45（2）：250-256.

[6]孫志鋒.昆蟲(chóng)性信息素研究進(jìn)展[J].廣東化工，2016，43（20）：114-115.

[7]杜家偉.昆蟲(chóng)信息素及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1988：3-8.

[8]孟憲佐.昆蟲(chóng)性信息素的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報(bào)，1997，32（3）：46-47.

江嘉林（2001-），男，漢族，福建泉州人，中學(xué)生，研究方向：科技創(chuàng)新。