科学家们正在利用微小的二维码追踪蜜蜂的活动轨迹，从而收集关于它们觅食习性的开创性见解。

研究人员通过监测数千只蜜蜂发现，虽然大多数蜜蜂离巢的时间都很短，但也有一些蜜蜂会离巢数小时之久。通过完善觅食范围估算和改进认证标准，这项技术或将为有机养蜂业带来变革。

用微型二维码追踪蜜蜂

在宾夕法尼亚州和纽约州的乡村，数百只蜜蜂的背上都携带着微小的二维码——这并不是为了彰显时尚，而是出于科学研究的目的。宾夕法尼亚州立大学的研究人员（包括昆虫学家和电子工程师）正在利用这些标签追踪蜜蜂离巢和回巢的时间。他们的目标是更好地了解蜜蜂觅食所花费的时间，以及最终它们飞行多远去采集花粉和花蜜——这在蜜蜂研究中一直是个未解之谜。

早期的研究结果表明，虽然大多数蜜蜂只进行持续几分钟的短途飞行，但仍有少数蜜蜂在蜂巢外停留超过两个小时。研究团队希望利用新的追踪系统收集更多数据，从而更深入地了解蜜蜂的行为。

“这项技术为生物学家们提供了前所未有的机会，使他们能够以新的方式研究系统，特别是在有机养蜂方面，”玛格丽塔·洛佩斯-乌里韦表示，她是洛伦佐·L·朗斯特罗斯青年职业生涯教授、昆虫学副教授，也是《HardwareX》期刊上发表的一篇论文的作者。《HardwareX》是一本开放获取期刊，详细介绍了研究人员在工作中所使用的精确设备和方法，以便其他人进行复制或在此基础上加以改进。“在野外生物学研究中，我们通常只能用肉眼观察事物，但人类所能做出的观察数量，永远无法与机器相提并论。”

高科技蜜蜂监控

就像高安全性大楼的工作人员一样，蜜蜂在进出蜂巢时会“发出嗡嗡声”，并闪动它们背上的通行证。它们可以自由进出，但研究团队开发了一套自动成像系统来数字追踪它们的行动，以监控蜜蜂何时离开蜂巢以及何时通过一个装有摄像头传感器的定制入口返回。

贴在蜜蜂背上的二维码被称为信用标签，包含最少的身份信息，即便是在低分辨率条件下，也能通过成像系统快速检测并记录。研究人员表示，该系统颠覆了传统的昆虫学野外作业方式，即研究人员在有限的时间内对蜜蜂进行肉眼观察，使得观察范围更全面、更广泛。

有机养蜂的障碍

一般而言，有机养蜂意味着蜂箱远离化学杀虫剂、除草剂和合成化学药品处理，且位于远离污染区的位置。尽管美国农业部的国家有机标准委员会（National Organic Standards Board）在2010年建议为认证蜂蜜和其他蜂产品为“有机产品”制定具体标准，但这些建议从未获得通过。据洛佩斯·乌里韦称，在需要时，蜜蜂能够飞行很长的距离，估计能够从蜂巢飞出最远10公里的距离，但该团队推测这种情况并不常见，蜜蜂通常飞行的距离要短得多，或许不足1公里。因此，2010年建议的有机养蜂觅食区和监控区范围可能过大，并无此必要。

研究人员说，如果对蜜蜂觅食范围有了更好、更精确的了解，这种情况可能会有所改变。工蜂会通过一种叫做“摆尾舞”的身体行为，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，研究人员花费了大量时间观察并试图解读摆尾舞，以确定蜜蜂离巢多远去觅食——准确追踪单只蜜蜂觅食所花的时间有助于这一过程。

洛佩斯·乌里韦（López-Uribe）说:“摆尾舞是我们了解蜜蜂觅食信息的最佳来源，但这都是基于人类的观察，在两周内每天可能只有一个小时的观察时间。因此，我们向电气工程团队请教，看是否有技术能更好地进行观察。”“我们的目标是了解10公里的估算值在生物学上是否准确。我们能确定蜜蜂离开蜂巢的确切距离吗?”

工程学遇上昆虫学

昆虫学家联系了该研究的共同通讯作者之一、电子工程教授朱利奥·乌尔比纳 (Julio Urbina)，而乌尔比纳联系了该研究的共同通讯作者之一、电子工程专业博士生迭戈·佩纳洛萨-阿庞特 (Diego Penaloza-Aponte)。

“以前还没有出现过类似的东西，”乌尔比纳说。“这篇论文是在正确方向上迈出的第一步，未来还有机会取得更多进展——这在很大程度上要归功于我们各团队之间日益增长的协同作用。”

研究人员强调，这不是生物学家和工程师各自为营的简单合作，他们并没有把各自的贡献拼凑在一起。相反，专家们花时间去了解彼此领域的入门知识，以便更好地了解各自的具体需求和局限性。电气工程师们在田间工作，学习如何亲手处理和监测蜜蜂，而昆虫学家们则来到实验室，学习设计和构建自动化技术需要考虑哪些因素。

佩纳洛萨-阿波特（Penaloza-Aponte）说：“过去建立的用于监测蜜蜂的系统是在受控的实验室环境或附近环境中运行的。”“我们的目标是开发一种可以在农村环境中运行的系统，远离实验室，利用太阳能，并且使所有内容都是开源的。任何人都可以使用并修改这个系统。”

据佩纳洛萨·阿庞特（Penaloza-Aponte）介绍，获取途径也是一个令人关注的问题。所有使用的设备都是市售设备，每个养蜂场（包括六个蜂群）的总成本不到1500美元。

大数据洞察的批量标记

研究人员使用了AprilTags（一种比人的小指指甲还小的二维码），将其粘在工蜂身上，而不会妨碍其行动或对其造成伤害。在繁忙的春夏季，研究团队每两周就会给六个蜂群中的600只刚从蜂房中出来的小蜜蜂做标记。总共给六个养蜂场的32000多只蜜蜂做了标记。

“我们选择年轻的蜜蜂作为目标，以便更准确地追踪它们的年龄，尤其是它们开始飞行和停止飞行的时间，”宾夕法尼亚州立大学推广部养蜂业教育工作者、本文合著者罗宾·安德伍德说。她解释说，年轻的蜜蜂比较柔软，还没有蜇人的能力，因此更容易处理。“一旦蜜蜂长到可以飞行的年龄，它就会离开蜂群，被摄像头拍到。我们的传感器会实时读取二维码，捕捉蜜蜂的ID、日期、时间、移动方向（离开蜂巢或进入蜂巢）和温度。在整个季节里，我们可以追踪单只蜜蜂。它什么时候离开？什么时候回来？它在做什么？”

关于蜜蜂行为的惊人发现

研究人员发现，大多数出行通常持续一至四分钟，可能是为了觅食前查看天气，或是为了到蜂巢外排便。持续时间较长的出行通常也不到20分钟，但有34%的标记蜜蜂离开蜂巢的时间超过两个小时。研究人员表示，这可能是因为蜜蜂进行了一次异常漫长的觅食之旅，或是蜜蜂再也没有返回蜂巢，亦或是如果蜜蜂倒挂着进入蜂巢，则可能导致漏检。在某些周里，由于可采集的花较少，更多蜜蜂花更多时间觅食，可能是因为它们必须飞得更远去寻找足够的食物。

安德伍德（Underwood）说：“我们还发现，蜜蜂一生的觅食时间比最初认为的要长得多。”他解释说，蜜蜂的寿命被认为大约是28天。“我们发现蜜蜂觅食长达六周，而且它们要长到大约两周大时才开始觅食，所以它们的寿命比我们想象的要长得多。”

每个蜂箱上的摄像机全天24小时、一周七天不间断地运行，都与一台微机相连，研究人员每周来一次，将数据上传到他们的笔记本电脑上。

研究者在监测初期就遇到了一个预料之中的问题——蜜蜂在蜂巢入口徘徊。摄像头每天会检测到它们各自的二维码上百次。

迭戈（Diego）说：“事实证明，有些蜜蜂就是喜欢在入口处闲逛，每次经过时，摄像机都会读到它们的数据。这就是编程如此方便的原因，它可以剔除这些异常数据，从而确保我们追踪到真正有意义的东西。”

蜜蜂追踪研究的未来

目前，研究人员正与弗吉尼亚理工学院的一个研究小组合作，评估觅食时间与解码摆尾舞的匹配程度。接下来，研究人员表示，他们希望标记并追踪其他种类的蜜蜂以及其他类型的工蜂，如雄蜂或蜂王，以便更深入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，教授他们如何构建和使用自己的监测系统。

参考文献：迪耶戈·佩纳洛萨-阿庞特、萨拉白·布兰特、艾琳·登特、罗宾·M·安德伍德、本尼迪克特·德莫拉斯、瑟琳娜·布鲁克纳、玛格丽塔·M·洛佩斯-乌里韦和胡里奥·V·乌尔比纳于2024年11月28日在《HardwareX》上发表的“利用开源无线平台和基准标签自动监测入口以研究蜜蜂觅食行为”。DOI：10.1016/j.ohx.2024.e00609

本文的其他合著者包括宾夕法尼亚州立大学的电气工程专业博士生萨拉白·布兰特（Sarabeth Brandt）和昆虫学博士后学者塞琳娜·布鲁克纳（Selina Bruckner）；得克萨斯农工大学的本科生埃林·登特（Erin Dent），其于2023年夏季作为“Project Drawdown”学者参与了该项目；以及康奈尔大学昆虫学系的本尼迪克特·德莫拉斯（Benedict DeMoras）。该团队还与弗吉尼亚理工大学的昆虫学系玛格丽特·库维隆（Margaret Couvillon）和林赛·约翰逊（Lindsay Johnson）以及康奈尔大学昆虫学系的斯科特·麦卡特（Scott McArt）开展了合作。

美国农业部的国家粮食与农业研究所资助了这项工作。