Фаршад Арвин, Мартин Стефанец и Томас Крайник

Будь то новости или уменьшающееся количество существ, ударяющихся о ваши ветровые стекла, от вас не ускользнет тот факт, что мир насекомых в плохом состоянии.

За последние три десятилетия глобальная биомасса летающих насекомых сократилась на 75%. Среди наиболее заметных жертв этой тенденции — самый важный в мире опылитель — медоносная пчела. В Соединенных Штатах, 48% семей пчел погибли. только в 2023 году, что делает его вторым самым смертоносным годом за всю историю наблюдений. Эта значительная потеря частично связана с синдромом коллапса пчелиных семей (CCD), внезапным исчезновением пчел. Напротив, европейские страны сообщают о более низких, но все еще тревожных показателях потерь колоний. от 6% до 32%.

Этот спад приводит к тому, что многие из наших основных продовольственных культур недоопыляются, и это явление угрожает нашему обществу. Продовольственная безопасность.

Развенчание научно-фантастического мифа о роботах-пчёлах

Итак, что может быть сделано? Данный роль пестицидов в упадке пчелиных семейобычно предлагаемые решения включают в себя отход от промышленного земледелия и к менее пестицидоемким и более устойчивым формам сельского хозяйства.

Другие склонны смотреть на научно-фантастический конец вещей, а некоторые ученые воображают, что в конечном итоге мы сможем заменить живых медоносных пчел роботизированными. Такие искусственные пчелы могли бы взаимодействовать с цветами, как естественные насекомые, поддерживая уровень опыления, несмотря на сокращение числа естественных опылителей. Представления об искусственных опылителях способствовали созданию гениальных конструкций роботы размером с насекомое, способные летать.

На самом деле такие изобретения более эффективны для обучения нас фантазиям инженеров, чем для возрождения пчелиных семей, настолько малы перспективы их реализации. Во-первых, эти искусственные опылители должны быть оснащены гораздо большим оборудованием, чем просто полет. Ежедневные задачи, выполняемые обыкновенной пчелой, включают поиск растений, идентификацию цветов, ненавязчивое взаимодействие с ними, обнаружение источников энергии, уклонение от потенциальных хищников и борьбу с неблагоприятными погодными условиями. Роботам придется выполнять все это в дикой природе с очень высокой степенью надежности, поскольку любой сломанный или потерянный робот может нанести ущерб и распространить загрязнение. Во-вторых, еще неизвестно, будут ли наши технологические знания вообще способны производить такие изобретения. И это не говоря уже о цене роя роботов, способных заменить опыление, обеспечиваемое одной пчелиной семьей.

Внутри умного улья

Вместо того, чтобы пытаться заменить медоносных пчел роботами, два наших последних проекта, финансируемых Европейским Союзом, предлагают объединить роботов и медоносных пчел в команду. Если бы это удалось, испытывающие трудности семьи медоносных пчел могли бы быть преобразованы в биогибридные образования, состоящие из биологических и технологических компонентов с взаимодополняющими навыками. Мы надеемся, что это ускорит и обеспечит рост населения колоний, поскольку больше пчел выживут в суровые зимы и дадут больше собирателей для опыления окружающих экосистем.

Первый из этих проектов, Хивеополис, исследует, как сложный децентрализованный механизм принятия решений в пчелиной семье можно усовершенствовать с помощью цифровых технологий. Эксперимент, начавшийся в 2019 году и завершившийся в марте 2024 года, внедряет технологию в три наблюдательных улья, каждый из которых содержит 4000 пчел, в отличие от 40 000 пчел в обычной семье.

В этом умном доме для медоносных пчел соты оснащены встроенными датчиками температуры и нагревательными устройствами, что позволяет пчелам создавать оптимальные условия внутри семьи. Поскольку пчелы склонны прижиматься к более теплым местам, соты также позволяют нам направлять их в разные части улья. И как будто этого контроля было недостаточно, ульи также оснащены системой электронных ворот, которые отслеживают движения насекомых. Обе технологии позволяют нам решать, где пчелы хранят мед и пыльцу, а также когда они освобождают соты, чтобы мы могли собрать мед. И последнее, но не менее важное: умный улей содержит роботизированную танцующую пчелу, которая может направлять пчел-собирателей к местам с растениями для опыления.

Из-за небольшого масштаба эксперимента невозможно сделать выводы о том, насколько наши технологии могли предотвратить потери пчел. Однако нет никаких сомнений в том, что то, что мы видели до сих пор, дает основания для надежды. Мы можем с уверенностью утверждать, что наши умные ульи позволили пчелиным семьям пережить сильные холода зимой, что в противном случае было бы невозможно. Чтобы точно оценить, сколько пчел спасли эти технологии, потребуется расширить эксперимент до сотен семей.

Побалуйте пчелиную матку

Наш второй проект, финансируемый ЕС, RoboRoyale, фокусируется на пчелиной королеве и ее дворовых пчелах, при этом роботы в данном случае постоянно контролируют и взаимодействуют с Ее Королевским Высочеством.

В 2024 году мы оснастим каждый улей группой из шести роботов размером с пчелу, которые будут ухаживать и кормить пчелиную матку, влияя на количество яиц, которые она откладывает. Некоторые из этих роботов будут оснащены микронасосами для маточного молочка, чтобы кормить ее, в то время как другие будут оснащены совместимыми микроактуаторами для ухода за ней. Затем эти роботы будут подключены к более крупной роботизированной руке с инфракрасными камерами, которая будет постоянно следить за королевой и ее окружением.

Как видно на фото справа и ниже, нам уже удалось успешно внедрить роботизированную руку в живую колонию. Там он постоянно следил за королевой и определял ее местонахождение с помощью световых раздражителей.

Подражание рабочим пчелам

На втором этапе есть надежда, что роботы размером с пчелу и роботизированная рука смогут имитировать поведение рабочих, пчел-самок, лишенных репродуктивной способности, которые заботятся о королеве и кормят ее маточным молочком. Это питательное вещество, выделяемое железами рабочих пчел, богатое водой, белками, углеводами, липидами, витаминами и минералами, позволяет матке откладывать до тысяч яиц в день.

Рабочие пчелы также занимаются чисткой матки, то есть ее облизыванием. Во время таких взаимодействий они собирают часть феромонов королевы и рассеивают их по всей колонии, перемещаясь по улью. Присутствие этих феромонов контролирует многие действия колонии и уведомляет колонию о присутствии королевы. Например, в случае гибели королевы новую королеву необходимо быстро вырастить из яйца, отложенного покойной королевой, оставляя лишь узкое временное окно для реакции колонии.

Наконец, считается, что рабочие пчелы могут также выступать в роли проводников королевы, помогая ей откладывать яйца в определенные соты. Размер этих клеток может определить, откладывает ли королева диплоидное или гаплоидное яйцо, в результате чего пчела превращается в трутневую (самца) или рабочую (самку) пчелу. Принятие на себя этих руководящих обязанностей может повлиять не меньше, чем на всю репродуктивную скорость популяции.

Как роботы могут предотвратить каннибализм пчел

Это могло бы иметь еще один положительный эффект: предотвращение каннибализма.

В трудные времена, например, во время длительных дождей, пчелам приходится обходиться небольшим потреблением пыльцы. Это вынуждает их кормить молодых личинок более старшими, чтобы, по крайней мере, у старших личинок был шанс выжить. С помощью RoboRoyale мы постараемся не только снизить вероятность такого поведения, но и количественно оценить, в какой степени оно происходит в нормальных условиях.

В конечном итоге наши роботы позволят нам углубить понимание очень сложных процессов регуляции внутри пчелиных семей с помощью новых экспериментальных процедур. Информация, полученная в результате этих новых исследований, будет необходима для лучшей защиты этих ценных социальных насекомых и обеспечения достаточного опыления в будущем – а это очень важно для продовольственной безопасности.

Эта статья является результатом сотрудничества The Conversation с Горизонтжурнал исследований и инноваций ЕС.

Фаршад Арвин — сотрудник факультета компьютерных наук Даремского университета в Великобритании. Исследование Фаршада Арвина в основном финансируется программами ЕС H2020 и Horizon Europe.

Мартин Стефанец — сотрудник Института биологии Университета Граца. Он получил финансирование от программ ЕС H2020 и Horizon Europe.

Томас Крайник является членом Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Исследование Томаса Крайника в основном финансируется программой ЕС H2020 Horizon и Чешским национальным научным фондом.

Теги: c-Исследования-Инновации