利用蜜蜂進行地雷探測的研究進展

花秋菊 吳麗麗 藺哲廣 吉挺

（1 揚州大學動物科學與技術(shù)學院，揚州 225009；2 達州市畜牧技術(shù)推廣站，達州 635000）

地雷是一種威力巨大的爆炸性火器。與其威力相反，地雷的尺寸較小，極易隱藏，通常埋藏在地下或放置于地表。在埋藏合適的情況下，即使在幾十年后，地雷仍然會被觸發(fā)[1]。人道主義排雷工作致力于清除雷區(qū)的全部地雷并使雷區(qū)重新恢復使用，同時也要保護排雷人員和嗅探動物的生命安全，這使整個排雷工作變得費時費力且費錢。

近年來，各個國家和地區(qū)為排除遺留地雷嘗試了各種各樣的方法。從人道主義角度考慮，最安全的探測方法就是不和探測目標產(chǎn)生任何物理上的接觸。蜜蜂體型小，飛行靈活，它可以進入許多人類與探測器械進不去的場地，嗅探并攜帶爆炸物的微量殘留物回到蜂巢的同時，還不會觸發(fā)地雷引起爆炸，這極大提高了排雷工作的準確度與安全性。本文綜述有關(guān)文獻，對利用蜜蜂進行地雷探測的研究進行簡要概述。

1 蜜蜂探測地雷的機制

1.1 蜜蜂的體毛靜電吸附

蜜蜂的身體上有分枝狀的絨毛，這些毛發(fā)可以產(chǎn)生靜電，使它們成為化學和生物顆粒非常有效的收集器[2]。一群蜜蜂每天進行數(shù)萬次覓食，在這些覓食飛行中，蜜蜂與大多數(shù)環(huán)境介質(zhì)（如空氣、水、植物和土壤）直接接觸，并在此過程中遇到氣態(tài)、液態(tài)和顆粒形式的污染物，這些污染物吸附在蜜蜂的毛發(fā)上而被帶回蜂巢[3]。蒙大拿大學（University of Montana）和其他研究人員30 年的工作表明，蜜蜂可以有效快速地篩查大面積區(qū)域是否存在各種化學污染物以及暴露于這些化學物質(zhì)的影響。因此，利用蜜蜂對多種介質(zhì)（空氣、土壤、水和植被）和化學形式（氣體、液體和顆粒）進行采樣是可行的[2]。

1.2 蜜蜂的嗅覺

地雷的外殼材質(zhì)有很多種，但只有金屬材質(zhì)可被金屬探測儀發(fā)現(xiàn)。除基于金屬外殼的探測外，大約90% 的地雷使用2,4,6-三硝基甲苯（2,4,6-trinitrotoluene）作為主要材料，它泄漏在環(huán)境中轉(zhuǎn)化而成的常見副產(chǎn)品2,4-二硝基甲苯（2,4-dinitrotoluene）具有較高的蒸汽壓，通?？稍诘乩赘浇惶綔y到[3]。由于2,4-DNT 的蒸汽壓比TNT 高兩個數(shù)量級（即在148°C 時為6 而不是20 ppbv[4]），且2,4-DNT 產(chǎn)生的蒸汽量更高[5-7]。因此不論地雷的外殼材質(zhì)如何變化，附近的2,4-DNT 都可成為排雷時的有力依據(jù)。

蜜蜂的嗅覺十分發(fā)達，Macdonald 等研究表明，蜜蜂可以檢測到萬億分之一（Parts per trillion,ppt）級的蒸汽[8]。2001 年，美國空軍研究實驗室（AFRL）和Bromenshenk 等人以十億分之一（Part per billion,ppb）和萬億分之一（ppt）的蒸汽濃度計算，發(fā)現(xiàn)蜜蜂監(jiān)測蒸汽濃度假陽性的概率為1.0%～2.5%，假陰性的概率小于1%[2]。同時AFRL 還預測，如果蜜蜂數(shù)量足夠多，檢測閾值可能會更低[2]。2003 年Filipi 等人證實了蜜蜂能在一堆化學物質(zhì)中準確分辨出2,4-DNT的氣味，也明確了蜜蜂擁有在開闊的野外田地尋找不同濃度2,4-DNT 的能力[2]。

1.3 蜜蜂的學習與記憶

蜜蜂的學習能力很強，可以通過類似于訓犬的模式訓練蜜蜂探測地理。如在蜂箱附近的糖水覓食器周圍放置含有爆炸物氣味的氣味源，將糖水當作尋找到爆炸物氣味的獎勵，幫助蜜蜂建立起爆炸物氣味與食物獎勵之間的聯(lián)系，使蜜蜂在脫離糖水喂食器后的自主覓食活動中也能主動尋找爆炸物氣味[3]。但是一旦失去食物獎勵機制，蜜蜂也可能會放棄尋找爆炸物，轉(zhuǎn)而采集自然界中的其他食物來源[9]。

2 檢測爆炸物存在的方法

在利用蜜蜂探測爆炸物分子之前，遠程爆炸物氣味追蹤技術(shù)通過收集監(jiān)測點的空氣與灰塵，由嗅探犬評估監(jiān)測點是否存在爆炸物[10]。2003～2007 年間，Gillanders 等人利用有機半導體為痕量爆炸物傳感器監(jiān)測爆炸物，為痕量爆炸物檢測提供了一種新的方法[11]。富含電子的聚合物可以很容易地將光激發(fā)的電子提供給不含電子的分子，包括許多爆炸物種類，如TNT[10]。2017 年Gillanders 等人通過光譜儀或光電二極管監(jiān)測爆炸物與聚合物接觸時的熒光淬滅，以表明爆炸物的存在[12]。

上述爆炸物檢測方法都需要接觸性采樣后，將樣品送至實驗室檢測，這樣的檢測過程增加了排雷過程的時間和金錢成本，而且從便攜性和復雜性來考慮，也不太適合現(xiàn)場監(jiān)控。因此，人們開始關(guān)注便攜式、低成本且可靠的檢測設(shè)備開發(fā)[5]。

2010 年，Caron 等人開發(fā)了一種基于π 共軛熒光材料與爆炸性蒸汽相互作用能力的光學器件[5]，該儀器能夠感應(yīng)到棉花上被稀釋過的痕量TNT 殘留。該儀器優(yōu)化了探測器的空氣收集，不會被空氣中的其他溶劑干擾。它對爆炸物的感應(yīng)極為靈敏，體積便攜，不僅能夠在海關(guān)或機場等地探測可疑行李，也能對埋藏未爆彈藥的場所進行嚴謹探測。但它所能探測的爆炸物種類少，有待擴增。

空氣采樣是爆炸物檢測中最常見的選擇。2003 年，Schulte-Ladbeck 等人在研究三氧化三丙酮（triacetonetriperoxide）等爆炸物的檢測和鑒定時發(fā)現(xiàn)，利用氣體洗滌瓶對大空氣量進行固相萃取，可直接在空氣中對高蒸汽壓炸藥進行取樣[13]，但這種方法并不適合一些人類無法進入的地區(qū)。

2018 年，利用蜜蜂在飛行過程中體毛會附著環(huán)境粒子并將它們帶回蜂巢的能力，Gillanders 團隊采用了一種被動的方法，讓蜜蜂在雷區(qū)自由覓食，環(huán)境中存在的微量爆炸物粘附在蜜蜂身上，蜜蜂將爆炸物沉積在蜂巢入口的吸收性預聚器上，由熒光聚合物傳感器分析[10]。

2022 年，F(xiàn)ilip 教授團隊將預濃縮器放在蜂群的入口，以收集蜜蜂覓食歸來所攜帶的分子。通過加熱預濃縮器，使其在100℃下重新釋放儲存的炸藥分子。釋放的炸藥分子與傳感器膜相互作用，導致光致發(fā)光的熄滅。通過發(fā)光的化學傳感器監(jiān)測光致發(fā)光強度以檢測預濃縮器中釋放的分子的存在。最終結(jié)果顯示，覓食歸來的蜜蜂身體上攜帶有蜂群的爆炸物，表明該區(qū)域存在爆炸物污染，應(yīng)進行主動搜索調(diào)查[1]。

3 確定地雷精準位置的方法

3.1 攝像機追蹤

蜜蜂探測地雷的主要缺點是缺乏在飛行過程中精確定位和跟蹤蜜蜂的方法[1]。2002 年，蒙大拿大學研究人員使用攝像機錄像對試驗區(qū)域蜜蜂進行監(jiān)測，借助視頻分析軟件，將彩色的畫面轉(zhuǎn)換成黑白的，并將畫面中移動的物體（蜜蜂）用紅色框標出，并對移動物體的數(shù)量計數(shù)[3]。但視頻設(shè)備在使用時并不便利，設(shè)備分辨率與鏡頭所容納的拍攝范圍會導致結(jié)果不一定準確實用，并且進入雷區(qū)安裝視頻設(shè)備的行為并不安全。

2018 年Avramovi? 等人在調(diào)查可能受地雷污染的區(qū)域時，使用一種計算機視覺算法，在多個包含飛行蜜蜂的視頻序列中檢測和跟蹤運動物體。但無人機的存在對蜜蜂來說是入侵性質(zhì)的，想要不干擾蜜蜂的正常飛行，無人機必須增加飛行高度。與此同時，無人機所能記錄到的蜜蜂飛行的畫面就變得更遠，視頻里的蜜蜂也會變得模糊、紋理不清。由于蜜蜂飛行速度快，飛行時翅膀振動所留下的陰影與視頻背景里的草木等也會對后期的觀察造成干擾。經(jīng)過預處理的視頻可以偵測到原先視頻幀中難以確定位置的蜜蜂。但這必須是在背景靜止、前景/背景對比度好、視頻分辨率足夠的情況下，跟蹤算法才可以成功實現(xiàn)[14]。

2021 年，Stojnic 等人利用合成視頻序列對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓練，改進了人造物體和背景之間的對比度。同時基于CNN 的方法，在合成視頻上訓練，大幅度增加了無人機錄制視頻中飛行蜜蜂的檢測準確度[15]。

2022 年，F(xiàn)ilipi 教授團隊用無人機安裝的攝像機監(jiān)測自由飛翔的蜜蜂，用視頻分析法檢測蜜蜂并建立蜜蜂檢測的空間地圖。結(jié)果顯示，蜜蜂傾向于花更多的時間在地雷附近，而地雷是TNT 氣味的來源。地雷附近的蜜蜂探測數(shù)仍然比框架的其他部分高幾倍，使它們成為地雷存在的有力線索，提供了良好的地雷定位[1]。

3.2 激光探測

除了視覺與攝像設(shè)備外，激光探測功能也能有效繪制一個地區(qū)的蜜蜂豐度。激光雷達是一種遙感技術(shù)，它使用激光，就像聲納使用聲音或雷達使用無線電波一樣[2]。2002 年，桑迪亞國家實驗室研究證明了直接探測激光雷達儀器對蜜蜂的探測能力。桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的早期研究也已經(jīng)證明激光雷達系統(tǒng)可以看到蜜蜂[2]。目前，利用蜜蜂探測地雷的大部分研究都使用激光雷達技術(shù)。早在2003 年，蒙大拿州立大學（Montana State University）和美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）就加入了激光探測和測距（Light Detection and Ranging）技術(shù)的演示[2]。

通過使用激光雷達儀器向需要探測蜜蜂豐度的地區(qū)發(fā)射激光脈沖，激光檢測到蜜蜂的散射光，被反射回探測器。儀器就能根據(jù)激光脈沖和返回信號來測量蜜蜂與雷達之間的距離，以此來確定范圍內(nèi)是否存在蜜蜂。通過繪制儀器提供的蜜蜂的距離與坐標，就能得到蜜蜂的豐度及地雷的埋藏地點。

然而，Shaw 等指出，直接探測激光雷達不能區(qū)分蜜蜂散射的信號和其他來源如植被散射的信號，并指出需要一種針對蜜蜂的探測方法[16,17]。與該方法同樣受局限的還有Baji? 等使用熱紅外成像獲得蜜蜂空間圖的方法[18]以及Brydegaard 等熒光LiDAR 昆蟲檢測技術(shù)[19]。它們都需要特殊的成像技術(shù)，不僅價格昂貴、耗時較長，還可能干擾蜜蜂的正常行為。

2006 年，Hoffman 等人提出了一種直接探測激光雷達儀器，它使用脈沖激光源，可用于測繪蜜蜂的空間密度。脈沖激光器的脈沖重復頻率大于與蜜蜂移動翅膀的散射光導致的調(diào)制信號相關(guān)的奈奎斯特頻率[20]，因此可以在一個特定的范圍內(nèi)尋找調(diào)制的振翅信號，從而產(chǎn)生范圍分辨的蜜蜂特定檢測[16]。這種直接探測的激光雷達，擺脫了需要給測試地修剪草坪來區(qū)分蜜蜂與環(huán)境返回信號的困局，有效區(qū)分了蜜蜂的返回信號與環(huán)境（如植物）的返回信號的區(qū)別，使儀器繪制的蜜蜂豐度更加準確。

4 總結(jié)

雖然使用蜜蜂進行排雷也有一定的缺點，如蜜蜂的排雷工作很容易受環(huán)境影響、蜜蜂不能在風雨雷電以及低溫與黑夜進行排雷，但與傳統(tǒng)方法相比，訓練蜜蜂進行排雷所需要的時間短、飼養(yǎng)成本低、嗅覺好、搜查面積廣泛且準確率高。蜜蜂體重輕，不會觸發(fā)地雷，人類可以在雷區(qū)外進行觀測，大大提高了排雷工作的安全性。同時，蜜蜂還能進入人類與大型動物進不去的場地，即使有障礙物，但隨著激光雷達儀器的發(fā)展，環(huán)境的遮擋已經(jīng)不再是排雷的負擔。在使用蜜蜂進行排雷工作的同時，還能為沖突后地區(qū)的養(yǎng)蜂人帶來額外收益。