人工智能可以帮助监测蜜蜂健康

高中生Jade Greenberg听说美国蜜蜂种群发生了什么事时，她决定采取行动。去年，格林伯格当时是新泽西州帕斯卡克山高中的一名大三学生，他从一位当地养蜂人那里了解到一种小红褐色的螨虫，这种螨虫对美国各地用于授粉各种蜜蜂的蜜蜂(Apis mellifera)构成严重威胁。作物。但最初作为一个学校项目建立一个可能有助于提高蜜蜂健康的蜂巢很快就变成了与两家科技公司的合作，使用人工智能(AI)和跟踪系统来解决这个问题。

瓦螨(Varroadestructor)几十年前从东南亚被带到了北美洲，并且不仅摧毁了养蜂人所追求的殖民地，而且还摧毁了那些原本由人类饲养的荨麻蜂在野外开始的野生殖民地。害虫在蜂蜜蜂群内繁殖，锁定昆虫并从它们的脂肪体中取出，这是一种与哺乳动物肝脏功能相似的组织。随着时间的推移，寄生虫会削弱蜜蜂的免疫系统，使它们更容易受到病毒和杀虫剂的侵害。

美国农业部农业研究局的蜜蜂研究员Gloria DeGrandi-Hoffman说：“即使我们解决导致蜜蜂流失的其他问题，如杀虫剂和营养不良，如果瓦楞不受控制，殖民地仍然会丢失。”(USDA-ARS)位于亚利桑那州图森市的Carl Hayden Bee研究中心。

有迹象表明，养蜂本身的做法可能会导致问题。例如，DeGrandi-Hoffman和她的同事们最近发现，当前商业养蜂实施防止蜂拥而至 - 当一只蜂王和一群工蜂离开原来的殖民地形成新的蜂群时 - 可能对螨虫施加了选择压力找到分散在蜂群中的新方法(Environ Entomol，46：737-46,2017)。

最初的学校项目很快就变成了与两家科技公司的合作，使用人工智能来解决这个问题。

格林伯格对养蜂的另一个方面的作用很感兴趣：蜂巢设计。野蜂通常筑巢在树洞或其他结构中，形成蜡梳层以填充可用区域。相比之下，北美最广泛使用的人造蜂箱Langstroth蜂巢基本上是一个堆叠的木制文件柜，带有可移动的框架，蜜蜂在其上构建梳子，使养蜂人可以轻松收集蜂蜜并监控殖民地的健康状况。

格林伯格想知道蜂巢设计是否会影响蜜蜂对螨虫感染的易感性。她说：“有关于环境因素的研究，例如蜜蜂觅食的地方以及它们受农药的影响。”“但关于商业蜂巢的形状是否会对[螨侵染率]产生影响的信息很少。”

利用学校科学博览会作为项目的一个场合，格林伯格着手设计自己的蜂箱，基于所谓的Sun Hive。格林伯格说，20世纪80年代由研究天然蜂箱的德国雕塑家GüntherMancke发明的“Sun Hives”是手工制作的荨麻，而且不具备商业可行性。“我决定对Mancke的设计进行改进，并制造出既可商业化又对蜜蜂更健康的产品。”

格林伯格采用传感器监测蜂巢重量，温度和湿度，以及视频监控技术，同时仍保留商业养蜂的必要功能，如可拆卸框架。在计算机上进行了几个月的设计磨练后，格林伯格正在考虑使用3D打印机构建42升结构的原型，当时她的父亲是人工智能公司Kinetica的解决方案工程师，提出了一个建议。

Kinetica使用人工智能和其他技术分析从金融市场到卡车车队在美国各地行驶时所有事物的极大数据集。Jonathan Greenberg告诉同事他女儿的项目，令他惊讶的是，他们发现他们很想参与其中。其中一位同事是Jacci Cenci，他是NVIDIA的解决方案架构师，NVIDIA是一家专注于人工智能和图形的科技公司。Cenci向Greenberg提供有关机器学习技术的指导，并为她提供真实的数据来分析蜜蜂的健康状况。

该团队与加利福尼亚州的养蜂人合作，将传感器放置在一个包含健康蜂群的Langstroth蜂巢上，以监测其温度，湿度和重量，并安装了一个摄像头来捕捉图像。然后，研究人员使用Kinetica技术创建了一个分析工具，用于检测图像中的蜜蜂，并分析可能导致瓦螨感染菌落能力的环境因素，如温度，湿度和天气条件。Jonathan Greenberg说，这项努力是概念的初步证明。“这就是要弄清楚这项技术如何能够更有效地监测寄生虫，以便在田间进行玉石蜂巢实验。”

该小组还想出了一种更好的方法来监测蜂蜜蜂群中的螨感染。通常，“养蜂人评估是否存在螨虫感染的方式是侵入性的，”马里兰州贝尔茨维尔的USDA蜜蜂研究实验室的研究昆虫学家Samuel Ramsey说，他没有参与该项目。“我们把300只蜜蜂放在一个罐子里，在它们上面撒上糖粉，摇动罐子，然后计算从蜜蜂身上掉下多少只螨虫。”

相反，格林伯格的团队每10秒钟在加利福尼亚蜂巢中捕获图像，然后使用NVIDIA的机器学习来检测蜜蜂上的瓦螨的存在。为此，该团队使用健康蜂箱的视频中的各个帧，以及来自瓦螨已经居住的不同蜂箱，来训练计算机算法。

Cenci，Greenberg及其同事建立的数据收集和分析工具仍处于原型阶段。但拉姆齐说，这是向着确定Langstroth荨麻疹是否会导致螨虫侵扰问题迈出的一步 - 如果格林伯格的蜂巢设计可以帮助蜜蜂以自然防御方式阻止螨虫。“设计一个更好的蜜蜂蜂巢将是美妙的，因为我们将这些蜜蜂放在一个不自然的情况下，Langstroth蜂巢，”他说。“这是一项旧技术，并非旨在解决当前的问题，如螨虫侵扰。”

该项目在诺基亚贝尔实验室北泽西地区科学博览会上赢得了工程类别，格林伯格入围英特尔国际科学与工程博览会。她说她现在希望在她的原型蜂巢，Langstroth蜂巢和野生蜂箱中测量通气和热量分布等物理特性，以了解蜂巢设计如何帮助或阻止螨虫的侵袭。

“当年轻学生带来激情和年轻，新的方式来研究既定系统时，我总是很兴奋，”拉姆齐说。“这肯定是确保取得进展的一种方式。”德格兰迪 - 霍夫曼对此表示赞同。“很高兴看到年轻学生热情和自信地用创造性的解决方案解决复杂的问题。”

对于格林伯格来说，最大的惊喜是，从工程角度来看，很少有研究人员研究蜜蜂健康等生物问题。她的解决方案今年秋天开始上大学时主修生物工程。