蜜蜂背著晶片飛 中正大學開發全台最小雷達

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要做一個可偵測蜜蜂的雷達很不容易,隨著小型生物研究逐漸普遍,更需要特性良好的雷達系統支援實驗進行。(圖/中正大學提供)

讓蜜蜂背著晶片飛!要做一個可偵測蜜蜂的雷達很不容易,隨著小型生物研究逐漸普遍,更需要特性良好的雷達系統支援實驗進行。中正大學電機系副教授蔡作敏開發了具高靈敏度的新型諧波雷達系統,可偵測、定位並記錄如蜜蜂等昆蟲的蹤跡,準確率超過80%,更可量測到比雜訊小上1000倍的訊號,提供學者一個觀察和研究昆蟲生態、昆蟲疾病成因的工具。

近年全球各地蜜蜂的數量不斷減少,由於大多作物仰賴蜜蜂授粉,爆發農作物糧食危機,為了找出蜜蜂消失的原因,不少學者著手進行研究,中正大學電機系副教授蔡作敏也針對搜尋蜜蜂,開發新型的諧波雷達系統。蔡作敏說,原先在台大當博士後研究員時,加入了台大電機系、昆蟲系的跨領域研究團隊,研製雷達系統硬體,搜索蜜蜂身上的晶片,透過系統分析及記錄蜜蜂的飛行軌跡與位置。而後蔡作敏到中正任教,台大跨領域團隊亦邀請他繼續參與計畫、改善雷達系統,試圖減緩或停止蜜蜂滅絕。

蔡作敏說,傳統雷達主要偵測大型物體,諧波雷達技術則可偵測小型物體。目前全球僅少數團隊鑽研此技術,且大多偵測甲蟲、大黃蜂、虎頭蜂等較大型昆蟲,蔡作敏更提到,中正團隊開發的雷達系統則突破限制,是目前全台偵測最小生物的系統,最小可測量到體長約1.5公分的蜜蜂。團隊改進諧波雷達的靈敏度並提出新型架構,讓雷達的測距可以更遠,也大幅改善收發隔離度,更縮小晶片尺寸為0.4乘0.5公分,可黏在蜜蜂身上且不影響蜜蜂飛行。

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為了找出蜜蜂消失的原因,不少學者著手進行研究。

蔡作敏表示,該雷達系統會先發出一個9.4GHz的訊號,當蜜蜂身上的晶片接收時將會產生18.8GHz的倍頻訊號回傳,再由雷達分析回傳的訊號和雷達基站的距離,推算蜜蜂的位置。不僅實際測量的準確率達80%以上,當系統的功率全開時,也能偵測到距離雷達約900公尺遠的蜜蜂。

此外,晶片上擁有高靈敏度的天線設計。蔡作敏表示,傳統的諧波雷達會讓蜜蜂背著一根1.6公分的天線,然而這種天線會影響蜜蜂飛行,甚至使蜜蜂無法順暢進出蜂巢。而中正團隊研發的晶片則利用軟性電路板設計出薄如蟬翼的天線,蜜蜂貼上晶片後可自在進出蜂巢,因此所觀察到的蜜蜂行為是最接近蜜蜂實際生活。我們可以量測比雜訊小1000倍的訊號!蔡作敏說,當物體隱沒在草叢裡,靈敏度差的天線無法測量,但靈敏度好的天線是不管蜜蜂怎麼躲都測得到,一般來說,一有雜訊就量不到了,但我們可以把雜訊下的訊號都撿回來。

花了將近四年的時間,蔡作敏一手打造蜜蜂諧波雷達系統。然而在開發雷達系統的過程中,雷達、晶片、操作方式與實驗設計等都各有難處,中正團隊不僅需考量雷達的靈敏度、解析度等,黏貼在昆蟲身上的晶片也有重量、體積、靈敏度、轉換率、轉換死角等問題。蔡作敏表示,只要有定位搜尋需求的實驗都能使用該雷達系統做研究,目前正積極洽談相關合作,發揮雷達的最大效益。

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