Science Robotics 与蜜蜂群互动的蜂窝型机器人系统

蜜蜂，如黄蜂，蚂蚁和其他社会昆虫，建立大型自组织群体，通常被解释为自我调节的“超有机体”。这些超生物是生态系统的重要稳定剂，因此被认为是“关键物种”。例如，蜜蜂群落通过觅食授粉服务的生态效应对陆地生态系统是巨大的。蜜蜂是最重要的真社会传粉者，因此对我们的食物供应至关重要。在这些方面，蜜蜂及其对生态系统的影响是实现联合国可持续发展目标的重要组成部分。
然而，多种人为压力源危及蜜蜂种群。冬季是最关键的季节，当很大一部分蜂巢死亡时。在此期间，通过形成温度调节的集群，蜂巢的目标从生长和繁殖转向生存。虽然在夏季蜜蜂的集体温度调节是相对容易理解的，关于它们如何响应冬季（动态条件）知之甚少。

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.add7385

交互式机器人是一种研究动物行为的方法，机器人系统产生人工刺激，从而能够调查个体或动物群体的反应。这带来了自动化实验复杂刺激序列的呈现以及根据动物在闭环中的反应进行调整刺激的潜在优势，可能产生生物混合社会。但这种方法并非没有挑战。开发这样的系统首先要确定合适的相互作用途径，以便机器人被活体动物接受。因此，重要的设计目标包括需要对自然行为的最小干扰，对动物及其当地环境的鲁棒性，以及跨越感兴趣行为的时间尺度的可靠性。此外，理解特定行为的动态可能需要多次交互或与多个个体相互作用。后一点在研究蜜蜂在冬季表达的集体行为时特别相关，这涉及在几个月内协调数千只动物的行为。在开发机器人技术以调节宿主蜂群内的自我调节集体行为时克服这些挑战，最终可以形成生物混合超级有机体。这种混合超级有机体的机器人组件将使我们能够更好地理解蜜蜂社会内部的集体动态并与之互动，即使在具有挑战性的情况下，例如在冬季。

这里展示了这样一个机器人系统，它与整个蜜蜂群进行热相互作用，包括数千只工蜂和一个健康的蜂王。研究人员在 2020 年和 2021 年冬季对三个蜂巢进行了几个月的观察和互动，对这个机器人系统进行了实验。

在扰动实验中证明了机器人系统地控制了冬季集群的位置。此外，通过传感器阵列检测到陷入冷昏迷状态的弱化菌落的热坍塌，并使用热致动器，我们能够将菌落从这种无法生存的状态中“复苏”出来，从而延长其寿命。在另一个扰动实验中，机器人系统自主测量菌落重组，并通过产生新的热刺激来反复重新定位集群，从而展示了闭环动物 - 机器人相互作用。

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在观察蜂巢中进行了验证，使用的嵌入式生物相容性机器人系统识别菌落参数和调节冬季集群组织是可行的。该系统为传统蜂箱的现场应用开辟了一条途径，其中测量蜂群参数和应用适当的驱动具有挑战性。这种应用可以扩展我们对这些传粉媒介中热介导的集体行为和涌现模式的了解，这些传粉媒介对我们的生态系统、农业以及我们的粮食安全至关重要。

高度影响蜜蜂的一个环境因素是温度。因此，它们表现出不同的体温调节策略，建立在个人和社会机制之上。例如，他们严格调节热微气候，以提高他们的幼崽并降低整个蜂巢和局部热点的高温。此外，蜜蜂通过吸热产生对低温做出反应，特别是在冬季集群行为中，当蜂群形成数千只蜜蜂的动态自我调节集合体时，其行为就像一个更大的生物体，在寒冷的气候中生存。认识到蜜蜂对温度的敏感性，先前的研究开发了与一小群年轻蜜蜂相互作用的机器人技术，在实验室条件下通过局部热刺激成功地调节了它们的行为。因此，热通路为机器人平台与整个菌落相互作用提供了一个有效途径。

研究者的目标是利用机器人的能力进行蜜蜂集体动力学的科学研究，特别是通过机器人交互，通过调节蜂巢内的局部热场来激发动物的反应。本文提出了一个机器人系统，该系统与可以嵌入科学和常规蜂巢的越冬超有机体相互作用。机器人系统展示了在健康和坍塌状态下观察和量化冬季集群热剖面的能力。研究者们还证明了通过影响多个蜂群中蜜蜂聚集的运动来调节蜂群水平活动的能力。这里介绍的机器人系统具有集成到蜜蜂群体的能力，并有可能研究它们多样化的集体体温调节行为。