諧波雷達的開發以及其在蜂群行為研究上的應用
The development of harmonic radar and its applications on the research of bee behavior
演講者 蔡作敏 副教授 / 國立交通大學電子工程學系
小編：陳琬鎰
大綱 & 新知
本次非常榮幸能夠邀請到來自 ”國立交通大學電子工程學系” 的 “蔡作敏副教授” 前來昆蟲系進行專題演講。蔡副教授的研究專長為微波系統、單晶微波積體電路及電磁教材的改進等。此次之演講主軸講述蔡副教授的研究歷程中，如何利用他所熟識的電磁及IC微晶片系統，將之跨領域地運用於研究與觀測昆蟲的行為變化。
蔡副教授坦言，研發能應用於偵測昆蟲行為的雷達與微晶片系統之過程中，曾遭遇過許多挫折。該研究初始的目標，其實是研發出一款能夠用於觀測土壤中螞蟻移動位置變化的諧波雷達系統。然而，螞蟻的體型太小，且其在土壤內的移動實在難以用雷達偵測。因此蔡副教授將其目標研究昆蟲從螞蟻轉換到體型相對較大的蜜蜂身上，期望能開發出一款能運用於田間調查的諧波雷達系統。
蔡副教授首先介紹為何使用諧波雷達進行蜜蜂行為的偵測。由於一般雷達接收訊號的模式是藉由發出雷達訊號後，接收物體反射的訊號，用以偵測該物所在的位置。在此種模式下，物體面積越大，所得到的訊號就會越強。然而，蜜蜂的體積與周遭之物品相比之下相當地小。因此，為了能夠在野外偵測蜜蜂的行為，必須要運用諧波雷達的特性來進行偵測。諧波雷達是藉由在蜜蜂身上安裝晶片後，讓晶片在接收到雷達所發出的訊號時，使電流往前流，卻不會往後流。此一特性會讓蜜蜂身上的晶片產生"破音"，破音之訊號為18.8 GHz，而背景值之訊號為9.4 GHz，因此能藉由該裝置辨識野外蜜蜂所在的位置。
接著，為了在蜜蜂身上安裝能夠偵測其位置之晶片，蔡副教授便著手研製出在蜜蜂負重範圍內之微型晶片，將之裝設在蜜蜂腹部上。晶片的開發過程中也曾遭遇過數次難題，像是晶片直接貼在蜜蜂身上，會受到蜜蜂本身的水分干擾雷達訊號，因此必須要加裝一層保麗龍以隔絕水分的干擾；又或是晶片體積大太，導致貼上晶片的蜜蜂無法順利移動或是飛行，因此多次研發出體積越來越微小的晶片；以及貼晶片在蜜蜂身上的方法，從一開始的冰暈蜜蜂再貼晶片，到用吸塵器吸住蜜蜂貼晶片，都存在著蜜蜂會過度在意腹部貼上的晶片，導致蜜蜂只想將晶片移除而不願飛行的問題。最後則發現趁蜜蜂在採食時偷貼晶片在其腹部，則可解決此項困擾。光是運用於蜜蜂身上的微型晶片就經歷了多重的考驗與改進，才終於研製出能實際運用於偵測蜜蜂行為之諧波雷達系統。
然而，蔡副教授的目標卻不僅止於此。蔡副教授表示其未來目標，是將該設備研製成手持式之諧波雷達系統，預期該系統將能便利地運用於蜜蜂的田間調查中。由於現階段所使用之雷達基地台站相當的巨大且沉重，他與他的研究團隊已將雷達之數位電路轉化為類比電路系統，目的是降低該設備的重量，使其變得較為輕便且易於攜帶。此外，手持式諧波雷達系統還有相當多的困難仍待解決，期待蔡副教授將此些困難解決，並成功研發出手持式諧波雷達系統。
最後，蔡副教授分享其研究過程中的心路歷程與其心得。在研究與求職的過程中，往往天不從人願，使人灰心喪志。然而，人生就好比自家後院的花圃一般，所有植物與生物都會在花圃中達到生態平衡，與之融為一體，達到共存共榮。每項研究都有它的價值，就算在不同的環境中，只要你的研究足夠傑出，還是會被人看到你的價值。遇到挫折時，不要沮喪，勇敢地面對眼前的困境，你會發現在新的研究方向或是新的環境中，仍有另一片海闊天空。
Q&A
Q1 : 想請問老師在實驗的過程中有沒有遇過訊號干擾的問題?
A1 : 由於實驗室點若有干擾，則NCC審查無法通過執照。經過NCC審查，我們目前的實驗過程中並沒有遇過訊號干擾的問題。因為實驗選用的9.4 GHz頻率，該頻率在實驗地點沒有任何其他的訊號源。
Q2 : 那如果實驗地點附近有軍事基地，是否會有訊號干擾的問題?
A2 : 周邊有軍事基地就會有訊號干擾的問題，且NCC也無法通過審核。如果遇到這個問題，實驗就會換成接收不同頻率的訊號，以避開這些頻率。這是實驗過程中可以被避免的問題。但是多半都是別人擔心我們會干擾他們的訊號，因為我們使用的訊號比較大。
Q3 : 實驗的過程中放置了三個feeder，當實驗選用的藥劑濃度增加後，此時諧波雷達所收集到的數據，要如何確定蜜蜂是跑到其他feeder，或是它剛好跑到其他的位置被偵測到?
A3 : 一般而言，正常的蜜蜂採集時會直接飛向feeder後停下。但從實驗數據可以看出，當蜜蜂吃過施用藥品的feeder後，它的採集行為會有異常，像是它會在feeder周邊盤旋，因此在feeder上能夠捕捉到多次的數據，證明他在feeder附近徘徊。
Q4 : 諧波雷達可以接收甚麼樣物質反射的訊號? 因為實驗中所貼的晶片，不確定會對蜜蜂的飛行行為造成什麼影響。不曉得是不是能利用昆蟲本身外骨骼都是幾丁質的特性，直接接收從昆蟲身上反射的訊號? 如此就不須額外花力氣去黏貼晶片。
A4 : 最容易造成反射的物質其實是金屬。但蜜蜂其實本身其實是個強吸收的物質，不過在蜜蜂身上鍍上金屬增加其反射，具有其可行性。我們目前是選用最常見的工業用薄形晶片，未來也考慮在蜜蜂身上加裝紙質電池以增加其反射訊號。
Q5 : 此項技術的的門檻會不會很高?
A5 : 諧波雷達的系統只有一開始的試作跟除錯比較困難，只要成功開發出第一套系統，後續的複製就會比較簡單。台灣的IC製程已經算很容易取得了，只要製作出來，其實他成本相對來說算很低。但因為相對應的東西比較少人做，所以要自己籌集所有材料，相較之下就比較花錢。
Q6 : 製作成3D或陣列雷達的可能性?
A6 : 我們目前正朝這方向研發，但是這部份的技術就會比較燒錢。
Q7 : 請問波源是在蜜蜂身上還是蜜蜂身上的傳感器 (晶片) 上?
A7 : 波源是由雷達發出後，經由晶片反射後，再由雷達接收訊號。
Q8 : 請問要如何確認安裝晶片在蜜蜂身上不會影響他的飛行行為?
A8 : 我們是藉由在蜜蜂身上貼上晶片後，蜜蜂來回feeder跟蜂巢之間的時間，來判定是否會對飛行行為造成影響。
Q9 : 磁生電的過程中是否會造成損耗? 目前可偵測到的極限距離是多遠?
A9 : 磁生電本身不造成損耗。但是距離越遠接收到的訊號越弱。目前實驗的距離為15公尺遠，較建議的接收範圍為20公尺以內。但是目前還未試過將雷達開到最大功率的效果如何。
Q10 : 請問開發完這個雷達系統後，其組裝所需的成本大約多少?
A10 : 初估約10~20萬左右，但隨著開發製程的更新，其成本應該也會隨之下降。
Key words : harmonic radar 諧波雷達、microchip微晶片、honey bee蜜蜂
花絮照片3 ~ 5張 :
圖一、參與演講之學生針對訊號干擾之問題提出疑問
圖二、講者回覆學生提問關於訊號干擾之疑問
圖三、系上楊恩誠教授針對講者分享之數據進行提問
圖四、講者針對楊教授所提出之問題進行回答