基于電子信息層面對(duì)蜜蜂的研究以及應(yīng)用分析

陳正磊，胡福良

（1.浙江大學(xué)工科試驗(yàn)班2129 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

1 引言

信息是蜜蜂社會(huì)必不可少的要素，無(wú)論是傳遞信息還是接受信息刺激，都是蜜蜂社會(huì)構(gòu)建所需具備的先決條件。電信號(hào)作為信息傳遞的一種方式，能被蜜蜂感知，同時(shí)也能對(duì)蜜蜂的行為產(chǎn)生方方面面的影響。

2 電信號(hào)對(duì)蜜蜂行為的影響

2.1 生物信號(hào)與蜜蜂覓食行為間的聯(lián)系

生物電信號(hào)是自生物體產(chǎn)生的獨(dú)特的電信號(hào)，無(wú)論是非活躍狀態(tài)還是活躍狀態(tài)，只要是生物體活細(xì)胞或者組織，都能產(chǎn)生一種規(guī)律的放電現(xiàn)象。

在科學(xué)家對(duì)熊蜂覓花的研究中發(fā)現(xiàn)，花朵能夠發(fā)出微弱的電信號(hào)，而蜜蜂可以以某種方式識(shí)別這種電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)蜜蜂與花朵間的“交流”。在一次次實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，植物可以發(fā)送微弱的負(fù)電電場(chǎng)，而恰巧蜜蜂在飛行時(shí)，通過(guò)與空氣的摩擦可以得到將近200 伏特的正電荷，這種微弱的電勢(shì)差足以被蜜蜂察覺(jué)，也就使蜜蜂更容易尋找到花朵的所在地。同時(shí)，在蜜蜂降落到花朵上以后，兩者間的電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生微妙的變化，暗示這朵花已被采過(guò)蜜，具有一定的標(biāo)識(shí)作用。更令人吃驚的是，由于不同的花產(chǎn)生的電場(chǎng)不同，熊蜂卻能夠識(shí)別不同的電信號(hào)，進(jìn)而更利于對(duì)了解不同花之間的顏色差異[1]。這無(wú)不揭示了生態(tài)鏈中植物與動(dòng)物之間巧妙的交互與聯(lián)系。

2.2 電器設(shè)備產(chǎn)生的電磁波信號(hào)對(duì)蜜蜂的影響

上文已經(jīng)提到，蜜蜂可以感知植物產(chǎn)生的電信號(hào)，但同時(shí)也會(huì)受到電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁波信號(hào)的影響?！半娮屿F”是一種充斥著電磁波的空間，是由電子通信設(shè)備以及電器設(shè)備發(fā)出的各種不同波長(zhǎng)以及頻率的電磁波造成的，通常也被稱為電磁環(huán)境污染。德國(guó)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這種電子霧環(huán)境可以干擾蜜蜂和鳥類的生物巡航功能，從而影響其遷徙行為和繁殖行為，甚至能夠?qū)е缕渌劳觥?jù)科學(xué)家統(tǒng)計(jì)，歐洲出現(xiàn)大規(guī)模蜜蜂消失現(xiàn)象，美國(guó)有近1/4 的蜜蜂群分崩離析，而英國(guó)麻雀相比于30 年前，數(shù)量幾乎減少了50%。德國(guó)薩爾州大學(xué)研究人員對(duì)此做出了總結(jié)，認(rèn)為造成這一切的幕后黑手并無(wú)其它，正是電子霧釀就了這一切[2]。由此可見(jiàn)，電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁波成為了蜜蜂的天敵。人類社會(huì)正在飛速發(fā)展的同時(shí)，也在不斷與生態(tài)發(fā)生摩擦與沖突。電子產(chǎn)品與電氣設(shè)備的普及使人類社會(huì)變得更加便利，同時(shí)無(wú)法避免地剝奪走蜜蜂的家園。

2.3 腦電刺激下的蜜蜂飛行行為

大腦是生物信息收集以及處理的中樞，所有生物行為都是在大腦發(fā)布的命令下執(zhí)行。如果對(duì)昆蟲的大腦進(jìn)行外部刺激，就可以對(duì)昆蟲的身體傳達(dá)信號(hào)，從而控制其運(yùn)動(dòng)行為。就目前而言，對(duì)生物體行為誘導(dǎo)主要有三種方法，分別是電刺激、光誘導(dǎo)和代謝調(diào)控。接下來(lái)主要討論的是電刺激對(duì)蜜蜂行為的誘導(dǎo)。

2.3.1 半生物昆蟲機(jī)器人的來(lái)源

昆蟲-機(jī)器混合體系是半生物昆蟲機(jī)器人的另一種稱呼，即在不改變昆蟲體的基礎(chǔ)上通過(guò)外設(shè)裝備通過(guò)電刺激等方式對(duì)其行為進(jìn)行干涉控制，從而改造為兼具生物體與機(jī)器特征的個(gè)體。這一概念最初來(lái)自于20 世紀(jì)90 年代，當(dāng)時(shí)科學(xué)界正流行一種被稱為“無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)”的電控系統(tǒng)，并用于采集肌肉神經(jīng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。隨著科研團(tuán)隊(duì)逐漸深入研究，開(kāi)始分別對(duì)不同昆蟲作為載體，在不同的刺激點(diǎn)位對(duì)昆蟲進(jìn)行電刺激行為展開(kāi)研究。然而，雖然在其他方面研究已取得了較為不錯(cuò)的進(jìn)展，但有關(guān)控制背包方面還存在許多薄弱環(huán)節(jié)。

2.3.2 電刺激控制昆蟲運(yùn)動(dòng)行為的研究發(fā)展歷程

對(duì)于控制昆蟲的行走行為，最早出現(xiàn)的是對(duì)蟑螂觸角電刺激的半生物機(jī)器人，Holzer 和Shimoyama 向蟑螂的觸角根部用100 μm 的鉑或不銹鋼電極進(jìn)行電刺激，從而促使蟑螂在一條直線上行走[3]。隨后，Latif 和Bozkurt 設(shè)計(jì)出了僅僅500 mg 的輕型背包實(shí)現(xiàn)了蟑螂半生物機(jī)器人的S 型線路行走[4]。后來(lái)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，在上海交通大學(xué)教授張定國(guó)團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)下，實(shí)現(xiàn)了采用腦機(jī)接口技術(shù)，識(shí)別人腦的運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)直接控制蟑螂的行動(dòng)，并能讓其進(jìn)行“s”型路線行走。

而對(duì)昆蟲的飛行行為的控制，科學(xué)研究者曾以飛蛾為載體進(jìn)行研究。不同于蟑螂機(jī)器人，對(duì)飛蛾的電刺激部位選取在飛蛾的肌肉，并且，在飛蛾處于蛹期時(shí)對(duì)其植入電極，從而達(dá)到較高的控制成功率。Bozkurt 團(tuán)隊(duì)和麻省理工學(xué)院的飛蛾機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)先后通過(guò)控制背包實(shí)現(xiàn)了飛蛾飛行的啟動(dòng)、停止與轉(zhuǎn)向[5]。

由于蜜蜂載體擁有著異于其他昆蟲的優(yōu)異的視覺(jué)能力，這對(duì)于蜜蜂的飛行調(diào)控有著至關(guān)重要的作用。浙江大學(xué)的昆蟲機(jī)器混合系統(tǒng)研究利用對(duì)蜜蜂的視覺(jué)神經(jīng)進(jìn)行干擾實(shí)現(xiàn)了蜜蜂起飛與停止的控制[6]。浙江大學(xué)薛磊以熊蜂作為昆蟲半生物機(jī)器人研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)熊蜂雙側(cè)以及單側(cè)腦區(qū)電刺激實(shí)現(xiàn)了被固定狀態(tài)下熊蜂振翅行為的激發(fā)和停止，并且研制出了面向熊蜂的控制背包系統(tǒng)[7]。北京理工大學(xué)的趙杰亮等最新研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的嗅覺(jué)對(duì)蜜蜂的飛行同樣也有著一定的調(diào)控作用，通過(guò)對(duì)蜜蜂觸角電刺激，能夠形成虛擬嗅覺(jué)來(lái)誘導(dǎo)蜜蜂的飛行[8]。

3 電子技術(shù)于蜜蜂產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

在蜜蜂對(duì)電子信息技術(shù)方面提供了重要貢獻(xiàn)的同時(shí)，電子技術(shù)也在蜜蜂養(yǎng)殖方面有著廣泛的應(yīng)用，這對(duì)養(yǎng)蜂產(chǎn)業(yè)起到了極大的推動(dòng)作用，有著廣闊的發(fā)展前景。

3.1 電取蜂毒器[9]

蜂毒具有很高的醫(yī)用價(jià)值，可以用于治療各種炎癥、心血管、神經(jīng)系統(tǒng)等方面的疾病。尤其在關(guān)節(jié)炎治療上蜂毒有著十分突出的治療效果。

最初的采毒是用鑷子夾住工蜂，讓其用鰲刺的方式排出蜂毒，再用吸墨紙吸取后通過(guò)蒸餾方式提煉出來(lái)。但是由于這種采毒方法完全由手工實(shí)現(xiàn)，獲取蜂毒的效率極低。之后，為了彌補(bǔ)這一缺陷，化學(xué)麻醉蜜蜂來(lái)獲取蜂毒的方法誕生。將蜜蜂放入置有乙醚的容器中，在麻醉劑的刺激影響下排出蜂毒，最后蒸發(fā)乙醚獲取蜂毒。但是這種方式也帶來(lái)了高成本、蜜蜂高死亡率的弊病，后來(lái)也廢除了。

目前采用的采毒方法來(lái)自于1954 年馬克維克發(fā)明的電取蜂毒法，在后來(lái)的一步步改良后，逐漸應(yīng)用于全世界，具有高效率、低損傷、高純度等優(yōu)良特性。

電取蜂毒器主要由3 部分組成：取毒板、電源和開(kāi)關(guān)控制裝置。取毒板上排布著一個(gè)個(gè)寬度約4 mm、由銅線組成的柵格，銅線正負(fù)電性交錯(cuò)排列，使通過(guò)的蜜蜂受電刺激影響下排出毒液，毒液將滯留在柵格下方一塊玻璃板上，待蜂毒揮發(fā)成晶體時(shí)，用刀片輕輕刮取即可。

3.2 “螨刷”[10]

“螨刷”是一種電擊治螨器具，原本是在1990 年由一位蘇聯(lián)的蜜蜂學(xué)者研發(fā)的?！膀ⅰ庇稍S多個(gè)“孔刷”構(gòu)成，這種孔刷與采集蜜蜂身上攜帶花粉的裝置類似，這些小孔恰好能允許一只蜜蜂通過(guò)。如果浸泡在電解液中，并附上12V 左右的電壓，就能巧妙地將蜜蜂身上的螨電暈，從蜜蜂體上掉落下來(lái)，并且不會(huì)對(duì)蜜蜂造成傷害，從而起到了十分有效的除螨功效，而這種功效據(jù)說(shuō)能達(dá)到100%。

3.3 蜂人工羽化技術(shù)

羽化是蜜蜂由幼蟲成長(zhǎng)為成蟲所必須經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)人工羽化的方式，可以縮短蜜蜂羽化所消耗的時(shí)間，從而提高蜜蜂的繁殖速度，增加蜜蜂產(chǎn)品的產(chǎn)量。

人工羽化方式具體由羽化箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用電子控溫技術(shù)，羽化箱內(nèi)的溫度能控制在34.5℃左右，濕度能控制在40%～70%，達(dá)到蜜蜂適宜的羽化條件，從而加快蜜蜂羽化速度。1996 年，福建農(nóng)林大學(xué)蜂學(xué)系教學(xué)場(chǎng)提供了一次蜜蜂自然羽化與人工羽化過(guò)程的對(duì)比試驗(yàn)。本次試驗(yàn)就蜜蜂的封蓋期、初生重、吻長(zhǎng)、翅面積以及背板長(zhǎng)等數(shù)據(jù)展開(kāi)了2 組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在2 組試驗(yàn)中除了初生重以外其他數(shù)據(jù)基本相同，而經(jīng)分析初生重可能與當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境濕度有關(guān)[11]。也就是說(shuō)，人工羽化與自然羽化培育出的蜜蜂幾乎無(wú)差別，人工羽化技術(shù)在不改變蜜蜂品質(zhì)的前提下提高了羽化效率。

3.4 電子鎮(zhèn)蜂器

被蜜蜂蜇會(huì)使傷者產(chǎn)生紅腫、疼痛、惡心、發(fā)熱等一系列的癥狀，嚴(yán)重者可能還會(huì)發(fā)生休克昏迷。為了避免或減少蜂蜇，20 世紀(jì)80 年代，一款利用聲波來(lái)鎮(zhèn)服蜜蜂的電子鎮(zhèn)蜂器誕生。加拿大和聯(lián)邦德國(guó)研發(fā)者共同研發(fā)了這款電子鎮(zhèn)蜂器，并將之取名為“bee calm”[12]。

電子鎮(zhèn)蜂器的原理是利用電子電路的電磁振蕩產(chǎn)生一種約6 000 Hz 頻率的聲波，蜜蜂會(huì)受到該聲波的影響而停止活動(dòng)，從而達(dá)到鎮(zhèn)蜂的目的。這種方法對(duì)蜜蜂的鎮(zhèn)服效率據(jù)說(shuō)能達(dá)到100%，并且對(duì)蜜蜂和人均無(wú)害，目前已廣泛應(yīng)用于加拿大的商業(yè)養(yǎng)蜂中。

4 總結(jié)與展望

在所有與蜜蜂相關(guān)的領(lǐng)域當(dāng)中，“科技+蜜蜂”領(lǐng)域可謂是有著最為廣闊的前景。通過(guò)電信號(hào)，植物、人類能與蜜蜂產(chǎn)生微妙的互動(dòng)，前者可以吸引與誘導(dǎo)蜜蜂的采蜜行為，后者可以對(duì)蜜蜂的行為進(jìn)行調(diào)控，但有時(shí)也會(huì)對(duì)蜜蜂的生存產(chǎn)生極大的威脅。有效地利用電子信息技術(shù)不僅可以造福蜜蜂與生態(tài)，還可以極大推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)生活的發(fā)展。由于蜜蜂具有獨(dú)特的視覺(jué)優(yōu)勢(shì)，非常適合作為昆蟲半生物機(jī)器人的載體。通過(guò)蜜蜂半生物機(jī)器人，我們可以在未來(lái)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、搜索等方面，可以通過(guò)人工操控完成為花授粉的過(guò)程，也能通過(guò)蜜蜂的視角觀測(cè)蜜蜂的行為習(xí)慣，更加深入地了解蜜蜂。同時(shí)，對(duì)蜜蜂腦電刺激實(shí)驗(yàn)對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)有著一定的啟示作用，繼續(xù)深入研究可以在一定程度上推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)展。

電子技術(shù)在蜜蜂產(chǎn)業(yè)也有著廣闊的應(yīng)用空間，電取蜂毒器、“螨刷”等電子儀器能夠有效地輔助蜂產(chǎn)品生產(chǎn)和病敵害的保護(hù)，這也對(duì)蜜蜂產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)助推效應(yīng)。未來(lái)也許可以借助蜜蜂的筑巢原理發(fā)明蜜蜂筑巢裝置，有效提高筑巢效率，提高蜂群的生存能力，增加蜂產(chǎn)品的產(chǎn)量和效益。但科技在改善人類生產(chǎn)生活的同時(shí)，也對(duì)生態(tài)造成一定的負(fù)面影響。例如電子產(chǎn)品與發(fā)信裝置輸出的電磁信號(hào)能對(duì)蜜蜂、鳥類的生活造成干擾，破壞野生動(dòng)物的棲息環(huán)境。協(xié)調(diào)好人類、生態(tài)與蜜蜂之間的關(guān)系，還需要做出更大的努力。