讓蜜蜂背著晶片飛 全台最小雷達系統可偵測昆蟲蹤跡

記者謝敏政/嘉義報導 2017-08-09 08:00

中正大學開發全台最小雷達系統,讓蜜蜂背著晶片飛可量測比雜訊小千倍訊號

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。


「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。」蔡作敏說,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,「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!」蔡作敏更提到,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。「我們也縮小晶片尺寸為0.4乘0.5公分,可黏在蜜蜂身上且不影響蜜蜂飛行。」


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,極不容易,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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