Умные роботизированные ульи

Пчеловод-ревизор мешает пчёлам

Пчелиная семья — это суперорганизм. Каждая особь выполняет свои задачи, общается с другими пчёлами, поощряет или тормозит действия сестёр. Индивидуально они допускают ошибки, но в массе вся семья действует как единое живое существо. И здоровье этого суперорганизма можно оценить по температуре, весу, вибрациям, звукам, содержанию газов и другим параметрам.

Традиционно пасечники оценивают здоровье пчелиной семьи визуально: по поведению пчёл, внешнему виду молодого потомства в сотах и мусору в улье. Весной за пчёлами следят особенно пристально, ведь идёт подготовка к сезону сбора мёда.

В весенний период пасечники открывают ульи каждые 7–10 дней, чтобы проверить количество свободного места и отследить появление маточников (признаков проблем с пчеломаткой или скорого роения).

Роение — естественный процесс разделения пчелиных семейств. Однако многочисленная и сильная пчелиная семья соберёт больше мёда в сезон медосбора, чем несколько ослабленных молодых семей (сильная семья может разделиться и на пять новых групп). Поэтому весной пасечники стараются усилить семейство, но не допустить чрезмерного роения.

К сожалению, каждое вмешательство человека — большой стресс для пчелиного семейства. Как же тогда пасечникам следить за благополучием своих ульев? С помощью датчиков и камер.

Язык жужжания

Жужжание пчелиного гнезда несёт в себе много информации о состоянии колонии. Пчеловоды знают об этом с древнейших времён. Ещё в III веке до нашей эры Аристотель в «Истории животных» описал изменения в жужжании пчёл за несколько дней до роения. По сей день пасечники учатся понимать настроение и состояние колоний по звукам. Особенно полезен этот навык зимой, когда ульи вскрывать нельзя, чтобы насекомые не замёрзли. В холодные месяцы пчеловоды проверяют благополучие пчёл, слегка постукивая по ульям.

Раритетная версия «Истории животных» Аристотеля. © Sailko (CC BY 3.0) 

О чём говорит пчелиное жужжание зимой в ответ на стук:

• Глухой гул резко усиливается и постепенно утихает — пчелиная семья хорошо себя чувствует.

• Завышенные ноты, «попискивание» каждые несколько секунд, нестройный гул — значит, есть проблемы: заболела матка, появился грибок, высокая влажность, духота, не хватает еды.

• Жужжание, похожее на шелест — признак сильного голода.

Во второй половине XX века, когда появилась современная электроника, учёные начали более глубоко изучать звуки ульев. Например, в 1964 году биолог Эдриан Веннер провёл один из первых спектральных анализов (разложение звука по частотам) жужжания пчёл и впервые выделил звуки виляющего танца. Оказалось, что количество пульсирующих звуков жужжания во время танца пропорционально расстоянию до поляны цветов.

В XXI веке инструментарий учёных значительно расширился. Появились технологии цифровой обработки данных и машинного обучения, упала цена на микрофоны и датчики. Появилась возможность записывать жужжание на протяжении сотен часов и быстро анализировать результаты. Учёные смогли наконец в цифрах описать то, чему пасечники учились из поколения в поколение, полагаясь лишь на слух.

Пчёлы всей колонией издают вибрации и звуки в диапазоне от 10 до 1000 герц и более, а по отдельности они обычно используют диапазон 200–500 герц. Здоровый улей жужжит на 200 герц. Чем больше герц (Гц), то есть колебаний звуковой волны в секунду, тем выше звук.

Во время виляющего танца пчёлы издают пульсирующие сигналы на 250–300 Гц, которые длятся по 20 миллисекунд.

Стоп-сигнал — 355 Гц — издают пчёлы, когда хотят притормозить виляющий танец соратниц. При этом они слегка бодают танцующую пчелу и издают жужжание длительностью около 60 миллисекунд.

В экспериментах во время атаки шершня пчёлы-охранники шипели на 500 герц, добавляя «взвизги» в диапазоне 1500–1600 герц. Такая сложная структура звука означает, что это скорее намеренный сигнал другим пчёлам, нежели реакция на стресс.

У пчелиных «королев» есть свой набор сигналов, из которого учёные выделяют:

• «Тютюканье» (tooting) — 350–550 Гц — такой звук издают только что вылупившиеся пчеломатки. Звук длится примерно пять секунд и состоит из одного длинного звука, за которым следует несколько коротких звуков.

• «Кваканье» (quaking) — 200–350 Гц — ответ ещё не вылупившихся пчеломаток на «тютюканье». Длится более 10 секунд и состоит из коротких звуков. По версии учёных, так юная пчеломатка призывает пчёл защитить её во время вылупления, чтобы вместе вылететь из гнезда и создать свою семью.

Подготовка к роению тоже имеет характерный звук. Сперва усиливается жужжание на частоте около 110 Гц. Ближе к вылету частота поднимается до 300 Гц, иногда падая до 150 Гц и поднимаясь до 500 Гц.

ИИ-диагностика жужжания

На накопленных данных о жужжании пчёл учёные обучили алгоритмы, которые теперь анализируют звук улья и оповещают пасечника о проблемах.

Для записи жужжания используют микрофоны или акселерометры (прибор для измерения ускорения и вибрации). Данные с приборов преобразуются на компьютере в визуальные карты частот (мел-спектрограммы), в которых алгоритм ищет отклонения от нормы.

Одного жужжания-«вскрика» недостаточно. Алгоритм отслеживает общие параметры пчелиного семейства: устойчивое изменение частоты звука, нарушение обычного суточного ритма улья, нарастание количества сигналов волнения пчёл.

Датчики умного улья

Помимо сенсоров вибрации, умные ульи оснащают датчиками влажности, температуры, содержания углекислого газа (CO₂), а также инфракрасными камерами и датчиками веса. Каждый прибор играет свою роль:

• Датчики температуры и влажности — климат-контроль улья, комфортные условия для развития расплода, то есть нового потомства (яиц, личинок и куколок).

• Газовый сенсор — измеряет накопление углекислого газа, который образуется при дыхании пчёл. Его концентрация отражает численность колонии, обмен веществ в колонии и вентиляцию улья.

• Инфракрасная камера — в темноте улья позволяет следить за движением пчёл и температурой. Зимой даёт возможность выявить холодные участки улья и отслеживать распределение тепла.

• Датчики веса — оценка запасов мёда и потребления корма.

На каждый улей приходится по несколько микрофонов, датчиков температуры и других приборов. Это необходимо, чтобы видеть общую картину условий, а не локальные изменения. Так, газовый сенсор может показать высокую концентрацию CO₂, потому что рядом скопились пчёлы и «надышали». Хотя скорее причина будет в том, что сенсор ошибочно установили в плохо проветриваемой зоне.

Также на умные ульи иногда ставят обычные камеры у входа, датчики открытия крышки, метеостанции для отслеживания погоды, а также GPS и радиометки. Последние помогают бороться с воровством пчёл.

Демонтаж датчика для считывания данных из улья. © Mary Hightower/The University of Arkansas Division of Agriculture/flickr (CC BY-NC 2.0) 

От умного улья — к роботизированному

Поток актуальных данных о состоянии улья открывает дорогу к роботизации пчелиных домов. Установка системы климат-контроля — основное усовершенствование, которое на этом этапе развития технологии приносит наибольшую пользу пчелам. Летом пчелиные семейства перегреваются, зимой — часто мёрзнут, поэтому вентиляторы и обогрев помогают порой спасти целые колонии.

Зима — самый тяжёлый период для пчёл. Подмёрзшие пчелы сбиваются в клубок в центре улья: они стараются согреть пчеломатку, но оставляют без тепла новое поколение в сотах по краям улья. Если температура падает ниже 10 °C, пчёлы перестают жужжать, выработка тепла падает, и колония впадает в смертельно опасное состояние холодовой комы.

С каждым годом появляются новые разработки в области умных ульев. Сейчас есть ульи с климат-контролем, с роботизированным манипуляторами, которые кормят пчёл, когда это необходимо, и даже с безопасной для пчёл термической обработкой заражённых клещами сот. Есть и ульи, которые слушают жужжание и определяют по нему, как улей себя чувствует: готовится ли он к роению, не голодает ли он, заражён ли клещами.

Если раньше пчеловод мог полагаться только на опыт и слух, то теперь технологии дают шанс предотвратить гибель там, где ещё недавно она была почти неизбежна.

Однако умные ульи не заменяют пчеловодов. Датчики и приборы — лишь инструменты, которые позволяют удалённо следить за благополучием пчёл и вмешиваться лишь в случае необходимости.