微小QR碼揭開蜜蜂秘密之旅

科學家正運用微小的QR碼追蹤蜜蜂的活動，並獲得了有關它們覓食習性的突破性見解。透過監測數千隻蜜蜂，研究人員發現，雖然大多數蜜蜂離開蜂巢的行程很短，但有些蜜蜂會外出數小時。這項技術或許能透過精準估算蜜蜂的覓食範圍、提升認證標準，從而革新有機養蜂業。

在賓夕法尼亞州和紐約州的鄉村地區，數百隻蜜蜂背上攜帶著微小的QR碼，這可不是為了趕時髦，而是一項科學研究的一部分。賓州州立大學的研究人員，包括昆蟲學家和電機工程師，正利用這些標籤追蹤蜜蜂何時離開和返回蜂巢。他們的目標是更深入瞭解蜜蜂覓食所花費的時間，以及最終它們為了採集花粉和花蜜飛行的距離，這在蜜蜂研究領域一直是個未解之謎。

早期研究結果顯示，大多數蜜蜂的外出行程僅持續幾分鐘，但有一小部分蜜蜂會在蜂巢外停留超過兩小時。藉由新的追蹤系統，研究團隊預計收集更多資料，以完善對蜜蜂行為的理解。

《HardwareX》期刊上發表論文的作者、賓州州立大學昆蟲學副教授瑪格麗塔・洛佩斯 - 烏裡韋表示，這項技術為生物學家提供了前所未有的研究方式，尤其是在有機養蜂方面。她指出：「在野外生物學中，我們通常只用眼睛觀察，但人類的觀察次數遠遠比不上機器。」

就像高安全級別大樓裡的工作人員一樣，蜜蜂嗡嗡地飛進飛出蜂巢，亮出背上的「通行證」。它們可以自由出入，但會透過研究團隊開發的自動成像系統進行數位追蹤。該系統透過一個配備攝影感測器的定製入口，監測蜜蜂何時離開和返回蜂巢。

粘在蜜蜂背上的QR碼被稱為基準標籤，它們攜帶著最少量的識別資訊，即使在低解析度的情況下，也能透過成像系統快速檢測和記錄。研究人員表示，該系統與傳統的昆蟲學野外工作不同，傳統方式中研究人員只能在有限的時間內目視觀察蜜蜂，而新系統能夠進行更全面、更廣泛的觀察。

一般來說，有機養蜂意味著蜂巢不使用化學殺蟲劑、除草劑和合成化學處理劑，並且位於遠離汙染區域的地方。2010年，美國農業部國家有機標準委員會曾建議制定特定標準，將蜂蜜和其他蜂產品認證為有機產品，但這些標準最終未獲透過。洛佩斯 - 烏裡韋指出，蜜蜂在需要時能夠飛行很長的距離，估計它們可以從蜂巢飛行到10公里外的地方，但研究團隊假設這種長距離飛行並不常見，蜜蜂通常飛行的距離要短得多，也許不到1公里。因此，2010年建議的有機養蜂覓食和監控區域要求可能過大。

研究人員表示，隨著對蜜蜂覓食範圍更精準的瞭解，這種情況可能會改變。蜜蜂會透過一種稱為「搖擺舞」的身體行為，向蜂群中的其他蜜蜂傳達食物來源的位置。洛佩斯 - 烏裡韋說，研究人員花費大量時間觀察和試圖解碼搖擺舞，以確定蜜蜂從蜂巢飛行的距離，而精確追蹤每隻蜜蜂的覓食時間可以幫助完成這一過程。

洛佩斯 - 烏裡韋說：「搖擺舞是我們瞭解蜜蜂覓食的最佳資訊來源，但這是基於人類的觀察，也許是在兩週內每天觀察一小時。所以，我們向電機工程團隊尋求幫助，看是否有技術能更好地進行這些觀察。我們的目標是瞭解10公里的估計在生物學上是否準確，能否確定蜜蜂從蜂巢飛行的確切距離。」

昆蟲學家們找到了電機工程教授胡利奧・烏爾維納，他是這項研究的共同通訊作者之一。烏爾維納隨後邀請了電機工程博士生迭戈・佩納洛薩 - 阿蓬特，他也是該研究的共同通訊作者之一。烏爾維納表示：「以前從未有過類似的技術。這篇論文是朝著正確方向邁出的第一步，未來有更多的發展機會，這在很大程度上得益於我們團隊之間日益增強的協同合作。」

研究人員強調，這不是一個各自為政的合作專案，生物學家和工程師並非簡單地將各自的貢獻拼湊在一起。相反，這些專家以新手的身份深入瞭解彼此的學科，以便更好地理解特定的需求和限制。電機工程師們到野外工作，親身學習如何處理和監測蜜蜂，而昆蟲學家們則到實驗室學習設計和構建自動化技術的相關考慮因素。

佩納洛薩 - 阿蓬特說，過去用於監測蜜蜂的系統是為在受控的實驗室環境中或附近執行而開發的。「我們的目標是開發一種能夠在遠離實驗室的鄉村環境中，利用太陽能執行的系統，並且將所有內容開源，任何人都可以使用和修改這個系統。」據他介紹，所有使用的裝置都可以在市面上購買到，每個蜂場（包括六個蜂群）的總成本不到1500美元。

研究人員使用了比人類小指指甲還小的AprilTags QR碼，將其粘在工蜂背上，不會妨礙它們的活動或造成傷害。在活躍的春季和夏季，每隔兩週，研究團隊會在六個蜂群中挑選600隻剛從蜂房中孵化出來的幼蜂進行標記。總計，他們在六個蜂場中對超過32000隻蜜蜂進行了標記。

論文共同作者、賓州州立大學養蜂推廣教育工作者羅賓・安德伍德表示：「我們選擇幼蜂是為了更準確地追蹤它們的年齡，尤其是它們開始飛行和停止飛行的時間。」她解釋說，幼蜂的身體較軟，還不會蜇人，因此更容易處理。一旦蜜蜂長到可以飛行的年齡，它就會離開蜂群，並出現在攝像機的視野中。感測器會實時讀取QR碼，並記錄蜜蜂的ID、日期、時間、移動方向（離開或進入蜂巢）和溫度。在整個季節中，研究人員可以追蹤每隻蜜蜂的活動，瞭解它們何時離開、何時返回以及在做什麼。

研究人員發現，大多數蜜蜂的外出行程通常持續1到4分鐘，這可能是為了在覓食前檢視天氣或在蜂巢外排便。較長的行程通常持續不到20分鐘，但有34%的標記蜜蜂會離開蜂巢超過兩小時。研究人員表示，這可能反映了一次異常長的覓食行程，也可能是一隻沒有返回蜂巢的蜜蜂，或者是當蜜蜂倒著進入蜂巢時未被檢測到。在某些星期，當花朵較少時，更多的蜜蜂會花費更多時間覓食，可能是因為它們不得不飛得更遠才能找到足夠的食物。

安德伍德解釋說，蜜蜂通常被認為只能活大約28天，但研究發現它們的覓食時間比最初認為的要長得多。「我們發現蜜蜂會覓食長達六週，而且它們直到大約兩周大時才開始覓食，所以它們的壽命比我們想象的要長得多。」

每個蜂巢的攝像機每週7天、每天24小時執行，並連線到一臺微型計算機上。研究人員每週會將資料上傳到膝上型電腦中。在監測初期，研究人員遇到了一個預期的問題——蜜蜂在蜂巢入口處徘徊。攝像機一天內可能會檢測到同一隻蜜蜂的QR碼數百次。迭戈說：「原來有些蜜蜂就是喜歡在入口處閒逛，每次它們走過，攝像機都會讀取它們的QR碼。這就是程式設計的用處，它可以剔除這些異常資料，確保我們追蹤到有意義的資訊。」

目前，研究人員正與維吉尼亞理工大學的一個團隊合作，評估覓食時間與解碼後的搖擺舞之間的關係。接下來，他們希望對其他蜜蜂物種以及雄蜂或蜂王等其他型別的蜜蜂進行標記和追蹤，以更多地瞭解蜂群的這些方面。他們還計劃為科學家和養蜂人舉辦工作坊，教他們如何構建和使用自己的監測系統。

論文參考：Diego Penaloza - Aponte、Sarabeth Brandt、Erin Dent、Robyn M. Underwood、Benedict DeMoras、Selina Bruckner、Margarita M. López - Uribe和Julio V. Urbina所著的《使用開源無線平臺和基準標籤自動監測蜂巢入口以研究蜜蜂覓食行程》，2024年11月28日發表於《HardwareX》，DOI: 10.1016/j.ohx.2024.e00609。這篇論文的其他共同作者包括賓州州立大學電機工程博士生薩拉貝斯・布蘭特、昆蟲學博士後學者塞利娜・布魯克納；2023年夏季作為「減排專案」學者參與該專案的德州農工大學本科生艾琳・登特；以及康奈爾大學昆蟲學系的本尼迪克特・德莫拉斯。該團隊還與維吉尼亞理工大學昆蟲學系的瑪格麗特・庫維隆和林賽・約翰遜，以及康奈爾大學昆蟲學系的斯科特・麥卡特展開合作。這項研究由美國農業部國家食品與農業研究所資助。