使用世界上最小的计算机跟踪帝王蝶的迁移

在“国家地理”资助的一个项目中，欧洲经委会研究人员与生态学和进化生物学系合作，通过对密歇根州微尘最雄心勃勃的迭代，加深了我们对帝王蝶迁移的了解。

在墨西哥，COVID-19关闭前几天，一群工程师和生物学家正骑着马骑进一个流行的帝王蝶越冬地点的心脏地带，对他们最新的密歇根州微尘(M3)迭代进行初步测试。该项目得到国家地理杂志的部分支持，希望通过阐明蝴蝶的迁徙和栖息地条件来帮助保护野生动植物。

M3由David Blaauw，EECS的Kensall D. Wise学院教授以及密歇根大学的其他几位研究人员创建，是一种完全节能的计算系统，可充当智能传感系统，并可针对多种应用进行配置。对于此项目，M3将被粘在帝王蝶的背面，以跟踪和监视它们在迁移过程中遇到的环境条件-特别是光照和温度，最终是气压。

“这是我们最复杂的M3系统，” Blaauw说。“我们需要捕获精确到几秒钟的光强度数据，并且我们需要能够将捕获的数据传输很长的距离，因为我们将无法物理地获取标本。”

传感器的原型附在君主的背面。图片来源：密西根大学

Blaauw和现在在匹兹堡大学任教的ECE校友Inhee Lee教授负责芯片和系统设计。Kim Hun-Seok Kim教授设计并训练了算法，该算法可以分析捕获的数据并重建标本的迁移路径。曼彻斯特大学生态与进化生物学教授安德烈·格林(AndréGreen)分析了这些途径，以了解更多有关君主生物学的知识，并将其应用于保护工作。

君主在迁徙过程中可以旅行多达3,000英里，夏天在美国北部度过繁殖，而冬天则在加利福尼亚，佛罗里达和墨西哥沿岸度过。传感器必须足够坚固，以适应长途旅行以及沿途的恶劣天气，但又要足够轻，以免干扰行为或伤害蝴蝶。M3的这次迭代是迄今为止最轻的，重量约为50毫克，比迄今为止最轻的跟踪设备轻十倍。作为该团队初步测试的一部分，他们将M3附接到了几只蝴蝶上，并监视了它们在温室中的状况。

格林说：“所有初步迹象表明，我们对蝴蝶没有产生强烈的负面影响。” “我们发现无论是否携带传感器，他们的新陈代谢都没有显着差异。”

研究君主迁徙的传统方法包括将纸质标签附加到一只蝴蝶上，然后在已知的君主目的地回收标本。

“使用该技术，我们只能知道我们回收的标本的起点和终点，仅占总数的一小部分，” Lee说。“但是借助我们的技术，我们实际上可以跟踪每个人的完整路径。”

除了跟踪单个君主的整个旅程之外，这也是保护主义者第一次有可能看到日常环境条件如何影响他们的行为。

格林说：“我们将能够看到他们实际上在其中度过的栖息地类型。” “这将有助于告知我们应该把重点放在保护活动上。”

君主对于保护尤为重要，因为它们是前哨物种。由于君主前往许多不同的地方，他们向我们展示了人类活动的集体影响如何影响整个人口的福祉。

最大的挑战之一是弄清楚如何确定君主的位置，因为GPS太大，太重而无法包含在设备中。

“我们可以使用新的数据驱动框架从其他原始超低功率传感器间接推断数据，” Kim说。

该团队使用深度学习算法和神经网络来评估环境数据并根据匹配条件推断位置。位置模型是根据将近300名伪蝴蝶志愿者​​收集的数据创建的。志愿者或公民科学家使用传感器沿已知的君主迁徙路线收集环境数据。

Blaauw说：“骑自行车的人在一天中的行进速度与君主的行走速度和距离相同，”布拉奥夫说，“因此，我们让自愿骑自行车的人在较大的一日游中随身携带较大的传感器，并使用这些数据检查算法。角色互换有点，因为通常我们在科学中使用动物来模拟人类，但是这次我们使用人类来模拟动物。”

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