一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置

1.本发明属于寄生蜂繁殖设备技术领域，具体地说是一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置。


背景技术：

2.许多动物保守地进化出感受和利用地磁场信息的能力，如用于地磁定向和导航等。对于生物磁感受（magnetoreception）及其机制研究最早开始于1982年，但至今有关生物（尤其是动物）如何获取并利用gmf中的矢量信息这一问题仍悬而未解。伴随交叉学科的飞速发展，研究人员利用静态磁场发现了生物（包括昆虫）基于生理、发育、生殖、代谢和行为的一系列磁生物学响应表型，基于磁颗粒的磁感受假说和基于crys的自由基对量子效应假说获得了普遍认可。
3.4.5mt的静态磁场对果蝇产卵没有影响，但增加了卵、幼虫和蛹的死亡率，降低了成虫的生存能力；在胚胎发生早期暴露于弱静态磁场后，黑腹果蝇和烟草夜蛾的孵化率有所下降。9.4t和 14.1t的强磁场对蚊卵的孵化有明显延迟；处于98mt的磁场下，天牛的生存能力显著提升，然而60mt的静态磁场会延迟两种果蝇的胚胎发育和胚后发育，并引起生存能力减弱。近期研究表明，发现褐飞虱生理发育和生殖调控对磁场强度变化响应显著，总体表现为地磁强度升高（弱磁场强度范畴）显著提高了雌成虫产卵量、卵孵化率及卵黄原蛋白基因相对表达量。由于昆虫是r对策者，个体小且具有强大的生殖力，因此为有限空间对大量昆虫适合度和生殖力进行基于磁场处理的优化提供了可能，或通过发现其对外界不同类型（静态磁场和动态磁场）、不同强度（亚磁空间，《5μt；弱磁场,5μt
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1mt；中等强度磁场,1mt
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1t;强磁场,1t
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20t；超强磁场,》20t）磁场的响应而最终获得昆虫生长繁育优化的最优策略。
4.作为可以寄生多种农业林业害虫的昆虫，就全世界来看，寄生蜂（包括细腰亚目所有寄生性蜂类，如螟黄赤眼蜂、松毛虫赤眼蜂、广大腿小蜂、麦蛾茧蜂等）是最主要的生物防治的天敌昆虫。现有的寄生蜂繁殖装置只能控制装置内的温湿度等条件，并通过优化除磁场外的环境因子进行生长繁育优化，还未现能够控制装置内磁场的装置，基于寄生蜂生长繁育及适合度可能存在的磁响应，亟待研发一种可以同时控制装置内磁场、及其他环境因子（如温湿度以及光照）的寄生蜂生长繁育优化装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置；全新的寄生蜂生长繁育优化装置填补了现阶段控制磁场条件下的寄生蜂繁育装置的空白，同时为开展以寄生蜂为对象的磁响应（磁感受）的相关实验提供一套更科学设计、更加高效、高自动化程度的、环境因子精确可控的研究装置，也为后续生物防治工厂进行基于磁生物学效应的大规模寄生蜂生长繁育优化提供一套全新优化原理、低成本、自动化程度高的装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置，其特征在于：该寄生蜂生长繁育优化装置包括用于为整个装置提供磁场处理的人工磁场处理系统、用于为寄生蜂生长繁育系统提供可控的温湿度和光照条件的环境因子监控系统、用于饲养和繁育寄生蜂的寄生蜂生长繁育系统、以及能够采集存储实时数据和进行参数调整的数据储存与控制模块；寄生蜂生长繁育系统的生长繁育箱位于人工磁场处理系统的三维亥姆霍兹线圈内，环境因子监控系统的全光谱光源设置在人工磁场处理系统的顶部、且环境因子监控系统的各监测设备设置在生长繁育箱内，生长繁育箱内设有给寄生蜂定时定量喂食的自动喂食器以及用于灭杀寄生蜂寄主卵的紫外线辐射灯，且人工磁场处理系统、环境因子监控系统及寄生蜂生长繁育系统均由数据储存与控制模块联动控制。
7.所述的自动喂食器设置在生长繁育箱的侧壁上，自动喂食器由储存营养液的营养仓和其下方的脱脂海绵构成，自动喂食器通过线路与数据储存与控制模块中的微控制器相连接，微控制器能够控制自动喂食器的营养仓定时打开并定量释放营养液于脱脂海绵上，供寄生蜂成虫在脱脂海绵上取食。
8.所述生长繁育箱的四壁和底部采用白色不透光亚克力板且顶部采用灯光扩散板制成，灯光扩散板与全光谱光源组合能够产生均匀自然的光；所述生长繁育箱的其中一侧壁上开有箱体侧门且箱体侧门通过转轴实现转动打开；所述的紫外线辐射灯设置在灯光扩散板的底部且紫外线辐射灯通过线路与紫外灯设置处理器相连接。
9.所述的生长繁育箱内布置有至少一层透光玻璃隔板且透光玻璃隔板的底部皆对应布置有一个通过线路与紫外灯设置处理器相连接的紫外线辐射灯。
10.所述生长繁育箱的侧壁上设有用于实时监测寄生蜂羽化情况的高清鱼眼摄像头，且高清鱼眼摄像头通过线路与基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统相连，基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统能够将高清鱼眼摄像头拍摄的画面实时转化并输送至数据储存与控制模块，当生长繁育箱内的寄生蜂出现成蜂羽化或死亡率超过阈值时通知数据储存与控制模块。
11.所述的人工磁场处理系统包括三维亥姆霍兹线圈、用于屏蔽外界动态磁场噪音干扰的法拉第笼以及用于调节三维亥姆霍兹线圈内部电流大小与方向的大功率可编程直流/交流电源，三维亥姆霍兹线圈通过线路与大功率可编程直流/交流电源相连接；当三维亥姆霍兹线圈产生的人工磁场为静态磁场时（频率为0，特定强度），法拉第笼位于生长繁育箱与三维亥姆霍兹线圈之间,且环境因子监控系统的全光谱光源设置在三维亥姆霍兹线圈顶部；当三维亥姆霍兹线圈产生的人工磁场为动态磁场（特定频率与强度磁场）时，法拉第笼位于三维亥姆霍兹线圈外侧且环境因子监控系统的全光谱光源设置在法拉第笼顶部。
12.所述的大功率可编程直流/交流电源功率最高可达800w，能够与环境因子监控系统中的磁通门计通讯，大功率可编程直流/交流电源通过磁通门计向微控制器反馈生长繁育箱内的实时磁场变化、微控制器联动调节三维亥姆霍兹线圈内部的电流大小与方向。
13.所述的环境因子监控系统的监测设备包括监测生长繁育箱内实时磁场变化的磁通门计、监测生长繁育箱内实时光强和温湿度的温湿度及光强传感器，且生长繁育箱内至少设有一组分别位于高清鱼眼摄像头上下侧的磁通门计和温湿度及光强传感器。
14.所述的数据储存与控制模块包括微控制器、数据存储控制中心、可移动工作站，微
控制器通过线路与数据存储控制中心相连并将获得的数据传输给数据存储控制中心，数据存储控制中心通过线路与远端的可移动工作站相连，以实现数据和操作的可视化；微控制器通过线路与环境因子监控系统的监测设备相连接，微控制器通过线路与全光谱光源的光源设置处理器相连接，微控制器通过线路与连接紫外线辐射灯的紫外灯设置处理器相连接，微控制器通过线路与生长繁育箱内的自动喂食器、高清鱼眼摄像头和基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统相连接，微控制器通过线路与人工磁场处理系统中的大功率可编程直流/交流电源相连接，微控制器通过线路与可升降支架相连接。
15.根据人工磁场的类型，所述的全光谱光源通过支架安装在人工磁场处理系统中的三维亥姆霍兹线圈或法拉第笼上，底座底部的可升降支架通过升降生长繁育箱以实现光照和磁场参数物理校准。
16.本发明相比现有技术有如下优点：本发明的人工磁场处理系统可通过大功率可编程直流/交流电源设定磁场强度范围更宽及频率可调的人工磁场，法拉第笼同时屏蔽外界磁场干扰，磁场更加稳定精准；环境因子监控系统确保了实验过程中环境因子控制的准确度，保证实验数据科学性；寄生蜂生长繁育系统可通过紫外线辐射灯对寄主卵进行灭杀，降低寄主与寄生蜂的营养争夺，确保寄生蜂更好的繁育，灯光扩散板和白色不透光亚克力板组合成的生长繁育箱能够确保箱体内光线均匀不受外界光线干扰，自动喂食器实现了喂食全自动，高清鱼眼摄像头与基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统能够实时监控是否有成蜂羽化以及是否有死亡率超过阈值的异常事件发生，寄生蜂生长繁育系统实现了寄生蜂繁育高自动化，数据精确度高，不但可以在现有繁育优化体系下进一步显著提高寄生蜂产量，同时可以进行寄生蜂的相关磁生物学研究；全光谱光源系统可适配全光谱，并可提供特定波长、特定强度的高精度光源，同时可以根据编程设置光周期及光照运行模式，比如模拟恒亮照明、恒暗照明、日照强度渐变、阶梯式光照强度、固定光照强度、脉冲光照等；数据储存与控制模块通过微控制器与传感器、磁通门计以及摄像头通讯，实时调节与记录数据并储存，通过微控制器编程实现全装置自动化运行，极大程度提高了数据的客观准确性；该装置寄生蜂生长繁育优化的结构完整、设计科学且操作简单，是一套高效稳定、适应研究对象范围广、环境因子精确可控、获取数据精准客观、操作及数据高度可视化的可开展寄生蜂磁生物学响应研究装置，尤其是其可用于优化提升现有商业化寄生蜂生长繁育体系。
17.本发明的寄生蜂生长繁育优化兼具人工磁场处理系统、环境因子监控系统、寄生蜂生长繁育系统、数据储存与控制模块，具有参数控制精准、高整合度和研究对象高可适配性等优点，该装置的研发将进一步推进寄生蜂对磁响应的研究，也进一步提高寄生蜂工厂化生产的效率。
附图说明
18.附图1为本发明的基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置的结构示意图；附图2为本发明的人工磁场处理系统的结构示意图；附图3为本发明的寄生蜂生长繁育系统的结构示意图；附图4为本发明自动喂食器的结构示意图；附图5为本发明的基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置的控制原理图。
19.其中：1—全光谱光源；2—光源设置处理器；3—三维亥姆霍兹线圈；4—法拉第笼；5—自动喂食器；6—紫外线辐射灯；7—磁通门计；8—高清鱼眼摄像头；9—温湿度及光强传感器；10—生长繁育箱；11—底座；12—可升降支架；13—紫外灯设置处理器；14—微控制器；15—数据存储控制中心；16—可移动工作站；17—灯光扩散板；18—箱体侧门；19—透光玻璃隔板；20—转轴；21—大功率可编程直流/交流电源；22—营养仓；23—脱脂海绵；24—基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统。
具体实施方式
20.下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
21.如图1-5所示：一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置，该寄生蜂生长繁育优化装置包括以下系统：人工磁场处理系统、环境因子监控系统、寄生蜂生长繁育系统和数据储存与控制模块。其中人工磁场处理系统用于为整个装置提供磁场处理，人工磁场处理系统包括三维亥姆霍兹线圈3、法拉第笼4以及用于调节三维亥姆霍兹线圈3内部电流大小与方向的大功率可编程直流/交流电源21；且大功率可编程直流/交流电源21与环境因子监控系统中的磁通门计7通讯，微控制器14根据磁通门计7监测的实时磁场变化联动调节三维亥姆霍兹线圈3内部电流大小与方向，法拉第笼4用于屏蔽外界动态磁场噪音干扰。环境因子监控系统用于为生长繁育箱10提供可控的磁场环境、温湿度及光照条件并实时监测，环境因子监控系统包括设置在人工磁场处理系统顶部的全光谱光源控制系统和位于生长繁育箱10内部的监测设备，全光谱光源控制系统用于为环境因子监控系统提供特定波长光源或全光谱光源1，且全光谱光源1通过光源设置处理器2与微控制器14相连接且全光谱光源1与温湿度及光强传感器9通讯；监测设备包括监测生长繁育箱10内实时磁场变化的磁通门计7、监测生长繁育箱10内实时光强和温湿度变化的温湿度及光强传感器9，磁通门计7和温湿度及光强传感器9皆设置在生长繁育箱10内壁上，温湿度及光强传感器9用于测量生长繁育箱10内的温湿度和光强并反馈给数据储存与控制模块中的微控制器14、磁通门计7用于测量生长繁育箱10内的磁场强度并反馈给数据储存与控制模块中的微控制器14。寄生蜂生长繁育系统用于繁育寄生蜂并监测寄生蜂成虫羽化及死亡率，寄生蜂生长繁育系统包括生长繁育箱10、自动喂食器5、紫外线辐射灯6、基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24、高清鱼眼摄像头8、透光玻璃隔板19，生长繁育箱10的四壁和底部采用白色不透光亚克力板且顶部采用灯光扩散板17制成，灯光扩散板17与特定波长或全光谱光源组合能够产生均匀自然的光照，生长繁育箱10的其中一侧壁上开有箱体侧门18且箱体侧门18通过转轴20实现转动打开，紫外线辐射灯6设置在灯光扩散板17的底部且紫外线辐射灯6通过线路与紫外灯设置处理器13相连接，根据需要，在生长繁育箱10内布置有至少一层透光玻璃隔板19且透光玻璃隔板19的底部皆对应布置有一个通过线路与紫外灯设置处理器13相连接的紫外线辐射灯6；生长繁育箱10位于底座11上，底座11下有微控制器14控制升降的可升降支架12，通过可升降支架12调节生长繁育箱10的位置以调整光照程度和磁场程度；自动喂食器5用于定时定量给寄生蜂喂食且自动喂食器5位于生长繁育箱10一侧；紫外线辐射灯6用于灭杀寄生蜂寄主卵，使之不能孵化出幼虫；位于生长繁育箱10周侧且位于温湿度及光强传感器9以及磁通门计7之间的高清鱼眼摄像头8用于实时监测寄生蜂羽化情况，且高清鱼眼摄像头8与基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24相连，基于机
器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24将高清鱼眼摄像头8拍摄的画面实时转化并与数据储存与控制模块相连，出现成蜂羽化或死亡率超过设定阈值时会通知数据储存与控制模块并提示；透光玻璃隔板19位于生长繁育箱10中、前后可移动与箱体通过卡槽连接且左右与箱体无接触，透光玻璃隔板19用于最大化寄生蜂繁育空间。数据储存与控制模块用于为人工磁场处理系统、环境因子监控系统、寄生蜂生长繁育系统进行控制和数据存储，并根据存储的数据联动调整所有系统中的参数，确保整个系统精准、有序、高效，数据储存与控制模块通过可移动工作站实现操作和数据可视化。
22.如图1所示，一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置，该寄生蜂生长繁育优化装置包括以下系统：人工磁场处理系统、环境因子监控系统、寄生蜂生长繁育系统和数据储存与控制模块，其中人工磁场处理系统包括三维亥姆霍兹线圈3、法拉第笼4以及用于调节三维亥姆霍兹线圈内部电流大小与方向的大功率可编程直流/交流电源21；环境因子监控系统包括设置在生长繁育箱10的内壁上的温湿度及光强传感器9、磁通门计7以及设置在三维亥姆霍兹线圈3上方的全光谱光源1；寄生蜂生长繁育系统包括生长繁育箱10、自动喂食器5、紫外线辐射灯6、高清鱼眼摄像头8、透光玻璃隔板19、基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24，自动喂食器5由营养仓22和脱脂海绵23构成；全光谱光源控制系统包括全光谱光源1、生长繁育箱10顶部的灯光扩散板17；数据储存与控制模块包括微控制器14、数据存储控制中心15、可移动工作站16。
23.如图1所示，自动喂食器5位于生长繁育箱10的一侧，用于给生长繁育箱10中的寄生蜂成虫喂食营养液，且自动喂食器5与微控制器14相连，可通过提前编程设定喂食时间和喂食量；如图4所示，自动喂食器5由营养仓22和底部的脱脂海绵23组成，营养仓22由透苯塑料制成且下部镂空，营养液提前储存在营养仓22中，由微控制器14控制的自动喂食器5定时定量释放营养液润湿脱脂海绵23，寄生蜂成虫在脱脂海绵23上取食。
24.如图1所示，磁通门计7和温湿度及光强传感器9位于生长繁育箱10周侧，磁通门计7位于温湿度及光强传感器9的上方，磁通门计7、温湿度及光强传感器9分别与微控制器14相连，以进行实时通讯并通过实时数据调整温湿度、光强、磁场强度及装置高度，数据存储控制中心15与微控制器14相连，微控制器14将获得的数据储存在数据存储控制中心15中并综合其他数据进行联动调整。
25.如图1所示，高清鱼眼摄像头8位于磁通门计7和温湿度及光强传感器9之间，可监测寄生蜂的活动，且高清鱼眼摄像头8与基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24相连以实时转化成数据，基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24与微控制器14相连以实现实时监测；基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24能够将高清鱼眼摄像头8拍摄的画面实时转化并输送至数据储存与控制模块中的微控制器14，当生长繁育箱10内的寄生蜂出现成蜂羽化或死亡率超过阈值时通知微控制器14。
26.如图1所示，当人工磁场为静态磁场时，全光谱光源1通过支架与三维亥姆霍兹线圈3相连，位于人工磁场处理系统正上方的一定距离，全光谱光源1与光源设置处理器2相连，光源设置处理器2与微控制器14相连，通过实时数据调整全光谱光源光周期、强度等。
27.如图2所示，当人工磁场为静态磁场时，整个生长繁育箱10位于法拉第笼4中，法拉第笼4由铝板焊接而成，法拉第笼4位于三维亥姆霍兹线圈3中，全光谱光源1通过支架与三维亥姆霍兹线圈3连接，位于三维亥姆霍兹线圈3正上方，三维亥姆霍兹线圈3与大功率可编
程直流/交流电源21相连，电源通电后，通过对电流大小、方向进行调节以产生所需强度、方向的人工静态磁场。
28.如图1、3所示，灯光扩散板17与全光谱光源1组合能产生更加均匀自然的光，紫外线辐射灯6位于灯光扩散板17下以及每层的透光玻璃隔板19下，紫外线辐射灯6与对应的灯光扩散板17、透光玻璃隔板19相连，微控制器14可控制紫外线辐射灯6的照射时间以剥夺寄生蜂寄主卵的活性，减少寄生蜂与寄主的竞争，寄主卵铺在透光玻璃隔板19上，可制成卵卡或直接铺在透光玻璃隔板19上，透光玻璃隔板19前后两侧通过卡槽与生长繁育箱10的箱体连接、左右两侧与生长繁育箱10的箱体间隔开，箱体侧门18通过转轴20与生长繁育箱10的箱体连接，转轴20与微控制器14连接，可以自动打开门以实现寄生蜂的引入和引出。
29.如图1、5所示，数据储存与控制模块中的微控制器14和数据存储控制中心15相连接，微控制器14除与磁通门计7、温湿度及光强传感器9、光源设置处理器2直接连接通讯外，微控制器14还将基于机器学习视频行为识别的微小动物动作识别系统24形成的输出信号进行数据转换，并将结果传输至数据存储控制中心15，同步通讯确保了试验数据的一致性与准确性；数据存储控制中心15通过数据线和远端的可移动工作站16相连实现数据和操作的可视化。
30.下面通过具体实施例来进一步说明本发明提供的一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置。
31.实施例一 设置磁场处理的赤眼蜂关键生物学表型研究如图1-5所示：一种基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置，该寄生蜂生长繁育优化装置包括以下系统：人工磁场处理系统、环境因子监控系统、寄生蜂生长繁育系统和数据储存与控制模块。
32.本实施例的人工磁场处理系统中，微控制器14与大功率可编程直流/交流电源21相连以设定需要的电流大小，通过大功率可编程直流/交流电源21连接三维亥姆霍兹线圈3、并通过数据存储控制中心15与可移动工作站16相连，产生可调控电流方向、大小的电流，进而产生特定人工磁场，磁通门计7与微控制器14通过线路相连，以实时保持人工磁场处理系统中磁场恒定，本实施例的磁场处理中，处理组为0μt的近零磁场，对照组为50μt的本地地磁场。
33.本实施例的环境因子监控系统中，监测到生长繁育箱10内的温度为26℃、相对湿度为75%，全光谱光源1通过支架固定在三维亥姆霍兹线圈3上方、并与灯光扩散板17搭配使用，以产生均匀的光，光周期设置为l:d=14:10、光照强度设置为10000lx，生长繁育箱10内的温湿度及光强传感器9通过线路与微控制器14相连，微控制器14通过线路与数据存储与控制中心15相连，将获得的数据存储在数据存储与控制中心15中，同时数据存储与控制中心15通过线路与可移动工作站16相连，使获得的数据可视化。
34.本实施例的寄生蜂生长繁育系统中，选取的是螟黄赤眼蜂作为试虫，以每只螟黄赤眼蜂搭配500
±
50个米蛾卵（单头螟黄赤眼蜂总产卵量约为60-100粒）的比例在生长繁育箱10内放置米蛾卵制成的卵卡，打开紫外线辐射灯6照射50min，使米蛾卵失去活性，防止米蛾卵孵化出幼虫。通过转轴20打开箱体侧门18，引入30只羽化24h内且充分交配的雌性螟黄赤眼蜂，关闭箱体侧门18。设置自动喂食装置5每6h释放200ul的10%蔗糖水供螟黄赤眼蜂食用。高清鱼眼摄像头8记录螟黄赤眼蜂寄生过程并传送至微控制器14，微控制器14进一步对
所得的数据进行程序分析、记录，本实施例主要记录寄生量和羽化量，再通过微控制器14储存在数据存储与控制中心15，数据存储与控制中心15与可移动工作站16相连，实现数据的可视化。48h后将赤眼蜂引出，通过高清鱼眼摄像头8监测赤眼蜂羽化，羽化后收集并统计数量，计算羽化率。
35.本发明的寄生蜂生长繁育优化装置中的人工磁场处理系统用于为整个装置提供磁场处理（包括动态磁场和静态磁场）、环境因子监测及控制系统用于为生长繁育箱提供可控的温湿度光照条件、寄生蜂生长繁育系统用于寄生蜂种群饲养及繁育并监测寄生蜂成虫羽化、数据储存与控制模块用于为其它系统提供控制指令和数据存储服务，且数据储存与控制模块能够根据存储的数据实时自动联动调整各独立系统中的参数以维持整个系统控制精准、稳定。本发明的基于磁生物学效应的寄生蜂生长繁育优化装置构建了基于磁生物学效应的一体化寄生蜂适合度及繁育优化系统，开源性好、控制精准、整合度高、效果显著。
36.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。