IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

КВАДРОКОПТЕР КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСКУССТВЕННЫЙ ИСТОЧНИК ОПЫЛЕНИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хиневич Д.Д. 1

---

1МБОУДО «ДДТ «Дриада» г.Снежногорска Мурманской области

Хиневич Е.С. 1Рзаев Р.А. 1

---

1МБОУДО «ДДТ «Дриада» г.Снежногорска Мурманской области

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

В результате широкого использования химикатов и пестицидов в ряде стан мира и, особенно в КНР, происходит вымирание пчел, и, как следствие, имеют место неурожаи и разорения сельскохозяйственных предприятий. Попытки размножения пчёл человеком неэффективны вследствие различий в климатических условиях. Около 30% употребляемых человечеством в пищу продуктов зависят от деятельности пчёл. Альтернативные методы, например, очень трудозатратное ручное опыление, малорезультативны. Опыление, которое раньше происходило самостоятельно и незаметно, в современных условиях нуждается в помощи человека.

В данной работе рассмотрена проблема уменьшения популяции пчел в мире, доказана актуальность разработки альтернативных методов опыления.

Целью работы является разработка и практический опыт искусственного опыления.

Достижению этой цели способствует решение ряда задач:

Изучить периодическую печать и электронные источники информации по данной проблеме;

Сделать теоретический анализ по теме исследования;

Определить технические характеристики квадрокоптеров;

Рассмотреть модель дрона как эффективного носителя пыльцы;

Разработать модель станции опыления.

Объектом исследования является естественные и искусственные носители для опыления.

Предметом исследования является процесс опыления на поле с подсолнухами при помощи квадрокоптера.

Гипотеза. Мы предполагаем, что использование квадрокоптеров для опыления возможно.

Новизна работы заключается в применении новых типов искусственных опылителей в связке с квадрокоптером, что приведет к минимализации риска повреждения растений; Проведена разработка теоретической и практической части автоматизации, повышения эффективности и удешевления процесса искусственного опыления.

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ

1. Опасность уменьшения популяции и исчезновения пчел

1.1 Важность сохранения численности популяции пчел

Массовое вымирание пчел неизбежно и очень сильно отразится на жизни человечества. На сегодняшний день пчелы обеспечивают около 32 % мирового урожая, и это относится не только к мёду. Ряд крупнейших зарубежных изданий утверждают следующее: в случае резкого сокращения популяции пчел пчеловодство станет невыгодным, поэтому люди не станут им заниматься, и ситуация ещё усугубится.

Без пчеловодства неизбежно возникнет неурожайность, как следствие произойдет увеличение цен на сопутствующие продукты и, следовательно, голод. Овощи и фрукты станут редкостью, а также исчезнет некоторая часть растений, без которых не смогут выжить многие виды животные. Это обязательно спровоцирует дефицит молочных и мясных продуктов.

Кроме того, хлопок опыляется пчелами, следовательно и с одеждой у человечества могут возникнуть затруднения. Можно заменить натуральные ткани на синтетические, например, полиэстер, но при этом его стоимость резко возрастет.

В итоге вся мировая экономика впадет в глубокий кризис — под угрозой будет производство хлопка, мясомолочных продуктов, потери по цепочке также понесет большая часть пищевых и медицинских предприятий. В качестве примера, в 2012 году в Шотландии было уничтожено почти 31% всех пчелиных ульев, в результате возникло резкое повышение цен на продукты.

1.2 Уменьшение популяции пчел в современном мире

В 2006 году в США было отмечено резкое снижение численности популяции пчел. Исследователи назвали это явление «синдромом разрушения пчелиных колоний» или CCD (colony collapse disorder).

Работники израильской исследовательской компании Beeologics установили причину гибели местных пчел в усиливающейся эпидемии острого вирусного паралича пчел (Israeli acute paralysis virus — IAPV), которую разносят клещи Варроа.

Было предположено, что при индуцировании в организм пчел РНК-интерференций, которые закодированы атаковать специфические белки клещей, это становится губительным для паразита и не приносит никакой вред самой пчеле.

Несмотря на это, американские пасечники, на чьих пчелах проводят эти и другие опыты теперь уже корпорация Монсанто, не доверяют результатам исследований и опасаются, что компания-производитель пестицидов может испортить геном пчел.

Кроме того, крайне негативно влияют на численности популяции пчел такие факторы, как:

1) чрезмерное использование пестицидов;

2) глобальная индустриализация и автомобилизация;

3) глобальное распространение и увеличение мощности беспроводных сетей, таких как Wi-Fi; мобильные сети; радио- и телестанции и другие;

4) массовое внедрение генномодифицированных растений.

В итоге наблюдается устойчивое сокращение численности популяции пчел в дикой природе и в условиях пчеловодства без целенаправленных действий по размножению пчел.

2. Источники опыления без участия пчел

2.1 Опыление вручную

В некоторых местах пчёлы уже исчезли. Массовое применение пестицидов и химических удобрений привело к вымиранию полезных насекомых в горном уезде Маосянь в Китае. Плодовые деревья опыляются людьми. Фермеры согласны нанимать пчеловодов для опыления, но риск гибели пчел неоправдан.

Природное опыление – это процесс, для эффективности которого важны множество факторов. Период цветения, например, яблони составляет пять суток, и если при этом будет ненастье, то опыления не произойдет, так как пчелы не покинут ульев. В то же время имеется острая потребность в стабильном урожае. При ручном опылении пыльца собирается и передается с помощью кисточек из перьев. Один человек опыляет за день не более 10 деревьев.

По другой методике нераспустившиеся бутоны приносят в инкубатор с температурой 25—28 C⁰, устанавливают инфракрасные нагреватели. Пыльца высыпается сама; затем собирается, смешиваются с водой, сахаром и бурой. Затем обрабатываются деревья в период цветения. Этот способ также применяется в КНР, благодаря ему снимают высокие урожаи независимо от погоды..

Основными недостатками ручного способа опыления являются высокая трудоемкость; дороговизна; низкая скорость и пагубное воздействие на растения.

2.2 Опыление с помощью шмелей

Особенности шмелей позволяют им отлично опылять тепличные растения. Они выносливее пчёл, устойчивее к стрессу, более хладостойкие и способны к полету при сниженном освещении. Также этот вид насекомых менее агрессивен по отношению к человеку.

У шмелей отсутствует рефлекс, характерный для медоносной пчелы — так называемый «танец пчёл». Пчела, вернувшись в улей с богатым взятком, передает телодвижениями, похожими на танец, о месте скопления обильной добычи. Шмели таким рефлексом не обладают, они опыляют растения только поблизости. Эта особенность очень подходит для тепличного опыления, насекомые концентрируются именно на нужном участке. Только оплодотворённые молодые матки разлетаются и на следующий год создают новые шмелиные семьи.

Также шмели обладают уникальной возможностью «опылять жужжанием» — когда шмель жужжит внутри цветка, сотрясение способствует интенсивному прилипанию пыльцы на тело насекомого.

Основными недостатками опыления с помощью шмелей являются гораздо меньшая скорость при необходимости массового опыления; значительно меньший радиус зоны опыления; дороговизна и особенности содержания.

2.3 Самоопыление

Самоопыле́ние (автогамия) — форма гомогамии, разновидность опыления у высших растений. При этом пыльца из пыльников переносится на рыльце пестика того же самого цветка или между цветками одного растения. Например, такими способностями обладают горох, фиалки, пшеница, помидоры, ячмень, фасоль, нектарин. Самоопыление у некоторых растений осуществляется в нераспустившихся цветках: например, у арахиса, некоторых видов фиалок, гусмании. Такой тип самоопыления называется клейстога́мией.

В основном самоопыление встречается у видов, произрастающих в неблагоприятных для естественного опыления условиях, например, в горах, где мало насекомых.

Перекрёстное опыле́ние, или аллога́мия, или чужеопыление — разновидность опыления у покрытосеменных растений. При этом пыльца от андроцея одного цветка переносится на рыльце пестика другого цветка.

Основными недостатками самоопыления являются малое количество и низкое качество семян; передача и накопление негативных мутаций по поколениям. Также не все растения способны к самоопылению.

3. Применение искусственных носителей для опыления

Около 33% продовольственных культур в мире необходимо помогать опылять, но почти 45% видов насекомых-опылителей, находятся на грани исчезновения. Некоторые ученые сконцентрировались на способах сохранения пчел и прочих основных опылителей, а другие стали искать выход вне живой природы. Многие исследователи сделали вывод, что большое число механических автоматизированных опылителей позволит решить проблему.

Таким образом появились несколько различных направлений исследований типов искусственных носителей для опыления.

3.1 Носители с машущим крылом

В Гарвардском университете 12 лет работали над прототипом микроробота с машущим крылом. Исследования увенчались успехом, махолет с размахом крыльев 3 см и весом меньше 0,08 грамм взлетел и проследовал по заранее запрограммированному маршрут. Этот махолет не является полноценным роботом, на борту отсутствует источник питания и навигационная система. Электричество передается по тончайшим проводам к пьезоэлементам, являющимися двигателями..

Конструкция состоит из рамы с прикрепленными к ней крыльями, которые могут совершать мелкие движения при помощи пьезоматериала. К пьезоэлементам присоединены провода, которые передают импульсы электрического тока, заставляющие их сокращаться. Частота подачи импульсов, а следовательно, и частота колебаний крыльев — до 120 герц.

Преимущества и недостатки носителей с машущим крылом указаны в Приложении 1.

3.2 Мультикоптеры

Мультикоптеры- это дроны с различным (от 4 до 12) количеством пропеллеров. Ввиду миниатюризации и в целях удешевления производства, в вопросе опыления в дальнейшем будет рассматривать мультикоптеры с 4 пропеллерами(квадрокоптеры).

Исследовав медоносных пчел, в Японии сделали вывод, что с помощью дрона и жидкого ионного геля можно осуществить процесс опыления. В качестве носителя ученые выбрали модернизированный распространенный квадрокоптер PXY CAM. В процессе эксперимента поняли, что необходимо что-то наподобие кисточки, которая будет собирать пыльцу c цветка. Тогда исследователи закрепили на поверхности дрона полоску из меха и покрыли ее ионным гелем.

До этого попытки создания механических опылителей не имели успеха, однако доктору Мияко это удалось. Квадрокоптер долетел до цветка лилии, собрал на «щетке» пыльцу с пыльника и доставил к рыльцу другого цветка.

Ученым осталось проверить, получатся ли в результате такого опыления семена.

Преимущества и недостатки квадрокоптеров указаны в Приложении 1.

3.3 Насекомые-киборги

Существует и другой вариант, основанный на совместном использовании природы и технологий – насекомые-киборги. В последнее время исследователи уже могут управлять крупными насекомыми с помощью электрических имплантатов, теперь наука пошла еще дальше. Ученые могут управлять полетом стрекозы с помощью вживленных оптических волокон. Вся электроника, необходимая для автономной навигации, упакована в небольшой «рюкзак» на спине стрекозы, который работает от солнечной батареи.

Преимущества и недостатки насекомых-киборгов указаны в Приложении 1.

Таким образом, в современных условиях для опыления возможно использование только квадрокоптеров в качестве носителей для опыления.

В данной работе остановимся на квадрокоптере в качестве носителя.

4. Практическая часть

В качестве квадрокоптера мы использовали дрон СХ-10 (Приложение 2).

Эксперименты ученых всего мира выявили, что опыление положительно заряженной пыльцой значительно увеличивает процент завязи плодов и их качество по сравнению с опылением пыльцой, заряженной отрицательно. Кроме того, насекомое-опылитель может нести на себе электрический заряд. Отсюда следует, что опылитель должен нести на себе отрицательный электрический заряд, притягивающий к себе электроположительную фракцию пыльцы, так как она предпочтительнее для перекрёстного опыления.

Знак заряда при электризации трением зависит от свойств материалов. Например, при трении о кожу человека все природные и полиамидные материалы электризуются положительно, а кожа человека соответственно отрицательно. Согласно диаграмме (Приложение 3) энергия связи электронов с атомами в шерсти больше, чем в мехе кролика. В соответствии с рассматриваемой моделью электризации мех кролика при трении будет легче отдавать свои электроны, приобретая при этом избыточный положительный заряд. Шерсть, принимая «чужие» электроны, получит избыточный отрицательный заряд.

Мы привязали к дрону шерстяную нить и натерли ее мехом кролика для того, чтобы нить приобрела отрицательный заряд. На конце нитки мы сделали пучок в виде зонта, чтобы можно было собрать как можно больше пыльцы с цветков (Приложение 3).

Далее мы смоделировали процесс опыления при ручном управлении квадрокоптером. Испытания нашего квадрокоптера проходили на подсолнечном поле (Приложение 4). Дрон зависал нал цветками, значительное количество пыльцы было собрано на нить и перемещено между цветками (Приложение 4).

В итоге была опытным путем доказана эффективность применения квадрокоптера для перекрестного опыления растений. С учетом развития технологий в области миниатюризации, изготовления аккумуляторных батарей и ионисторов, применения сверхлегкого, сверхпрочного и в перспективе дешевого графена, квадрокоптеры, несомненно, способны в будущем заменить пчел в процессе опыления.

5. Эксперимент массового использования квадрокоптеров для опыления

5.1 Модель дрона как эффективного носителя пыльцы

Ранее была доказана актуальность использования квадрокоптера для опыления.

Теперь необходимо разработать эффективную модель дрона. Выделим основные моменты:

В источниках питания (аккумуляторы или ионисторы) должен использоваться графен. Это позволит на порядок увеличить время полета и сократить время зарядки.

В системе управления должны использоваться наиболее миниатюрные транзисторы. На данный момент испытываются транзисторы размером с атом. Это позволит разместить на борту всю необходимую аппаратуру.

Процесс опыления должен быть полностью автоматизирован. Бесколлекторные двигатели дрона позволяют проводить точнейшую регулировку тяги, следовательно, возможно программно задавать параметры опыления. Пример алгоритма опыления:- взлет-перемещение к объекту - зависание и покачивание над цветками -возвращение - посадка – подзарядка и электризация «Зонта» - взлет.

Дрон должен быть автономным, то есть иметь системы навигации и определения дистанции до объекта опыления.

5.2 Модель станции опыления

Необходимо также спроектировать станцию управления и подзарядки дронов. Также должна производится автоматическая электризация «Зонта».

Выделим основные моменты:

Станция представляет собою единый модуль с двумя площадками для подзарядки(используется беспроводная зарядка) и электризации «Зонта». Электрический заряд создается электростатическим генератором, например, принципа Ван-Де-Граафа;

Таким образом дрон вначале садится на площадку для подзарядки, затем взлетает и касается «Зонтом» электростатической площадки. Далее происходит опыление и процесс повторяется.

Станция должна обеспечивать возможность программирования дронов и мониторинга процесса опыления. Возможна комплектация контейнером для хранения и транспортировки дронов.

Таким образом, в проделанной работе обозначена актуальная проблема вымирания пчел, рассмотрены существующие и исследуемые методы решения. В практической части приведена авторская методика «Зонт» и выработана эффективная концепция квадрокоптера для опыления. Также разработана модель станции опыления для обеспечения автоматизированного процесса.

Рис. 1 Модель станции опыления

Заключение

Данная работа показывает актуальность и эффективность применения квадрокоптеров для искусственного опыления. Уже при существующем уровне развития технологий дроны способны повысить выживаемость и урожайность растений в местах массового вымирания пчел. В будущем же, возможно, многие фермерские и другие хозяйства будут иметь собственный рой дронов – опылителей на случай непредвиденного сокращения популяции естественных насекомых-опылителей, или даже полностью заменить их. Развитие технологий обеспечит удешевление и повышение эффективности процесса.

Разработана и успешно испытана авторская методика «Зонт» для опыления цветков с помощью шерстяной нити и квадрокоптера. Считаем, что гипотеза подтверждена, цель достигнута, задачи решены.

Список использованной литературы

1. Пчеловодство. Настольная книга; АСТ, Харвест - Москва, 2011. - 624 c.

2. Энциклопедия пчеловодства. Учебное пособие для пчеловодов; Диля - Москва, 2002. - 496 c.

3. Гребенников Евгений Пчеловодство. Универсальный справочник; Книжный Дом - , 2011. - 736 c.

4. Андреева И.И., Родман Л.С. Ботаника. Учебник для вузов. - М., КолосС, 2002, 488 с.

5. Воронова О.Г., Мельникова М.Ф. Ботаника. Морфология и анатомия растений - Тюменский государственный университет, 2006,228 с.

6. Лотова Л.И. Ботаника. Морфология и анатомия высших растений, 2010

7. Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова, А.А. Мулдашев. Высшие растения - М.: Логос, 2001. - 264 с.

8. Тимонин А.К. ботаника. Высшие растения. В четырех томах. Том 3. - М. 2006, 352 с.

9. Рэндал У. Биард, Тимоти У. МакЛэйн. Малые беспилотные летательные

аппараты: теория и практика. Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2015. – 312 c.

10. Теория автоматического управления: учеб. для вузов /С. Е. Душин, Н. С.

Зотов, Д. Х. Имаев и др.; Под ред. В. Б. Яковлева. – М.: Высшая школа, 2005. – 567 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Носители с машущим крылом

Носители с машущим крылом имеют следующие преимущества:

Машущее крыло создает и тягу и подъемную силу и еще и выполняет функции стабилизации и управления;

При малых размерах КПД машущего крыла выше КПД пропеллера.

Носители с машущим крылом имеют следующие недостатки:

Сложность системы управления, координации и навигации;

Отсутствие промышленной и научной базы для массового производства, существуют только прототипы.

Квадрокоптеры:

Квадрокоптеры имеют следующие преимущества:

Пропеллер создает и тягу и гироскопический эффект;

Простота системы управления, стабилизации и навигации;

Наличие обширной готовой промышленной и научной базы для массового производства;

Квадрокоптеры имеют следующие недостатки:

Низкий КПД пропеллера при миниатюризации;

Меньшая степень миниатюризации по сравнению с другими носителями.

Насекомые-киборги:

Насекомые-киборги имеют следующие преимущества:

Природное совершенство тела носителя;

Дешевизна тела носителя при массовом разведении.

Насекомые-киборги имеют следующие недостатки:

Чрезвычайная сложность киборгизации насекомого;

Чрезвычайная сложность управления и навигации ввиду присутствия органических компонентов;

Органическое тело носителя менее устойчиво к неблагоприятным воздействиям.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рисунок 2 – Квадрокоптер СХ-10

Технические характеристики квадрокоптера СХ-10

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рисунок 3 - Энергия связи электронов с атомами различных материалов

Рисунок 4 - Пучок «Зонт» на конце шерстяной нити

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Рисунки 5, 6 - Экспериментальное опыление с помощью метода «Зонт» на поле с подсолнухами

Рисунок 7 - Пыльца, собранная на конце шерстяной нити