沈 纹, 裴剑驰, 计 翔

(1. 杭州师范大学体育与健康学院,浙江 杭州 310036； 2. 南京师范大学生命科学学院,江苏 南京 210023)

无线电遥测技术在生物学研究中的应用

沈 纹1, 裴剑驰2, 计 翔2

(1. 杭州师范大学体育与健康学院,浙江 杭州 310036； 2. 南京师范大学生命科学学院,江苏 南京 210023)

无线电遥测技术是利用无线电波对目标物进行远距离测定的技术，自20世纪诞生以来,已经发展为多种不同的运用类型,包括追踪定位以及温度、力、血压、心率和振动频率的测定等,并广泛应用于生物学的各个领域.当前,无线电遥测技术正在向小型化、耐久化、多功能化以及与其他研究手段结合等方向发展，同时也暴露出了一些问题.文章综述了无线电遥测技术的应用类型、发展趋势及存在的问题,并对该技术的发展前景做出展望.

无线电遥测;追踪定位;生物学

无线电遥测技术是利用无线电波在离测量仪器有一定距离的地方自动地显示或记录测量结果的过程,是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一门综合性技术.其工作原理是把所测得的原始数据(如温度、压力、运动等)转换成电信号,采用无线电调幅或调频的方法,通过发射天线将电信号发射到空间,然后利用所设置的接收天线将信号接收,经过再次转换,使电信号还原成原始数据[1].该项技术主要用于检测分散的或难以接近的被测对象,如被测对象距离遥远、所处环境恶劣,或处于高速运动状态等.无线电遥测系统大致由发射器(transmitter)、接收器(receiver)及天线(antenna)3个部分组成[2-3].

无线电遥测技术起源于20世纪30年代,起初运用在航空、航天、气象等领域[1],最早可以追溯到Mathews于1934年发明的无线电气象计,该设备可将气象信息从38 000英尺(约11.6 km)的高空传回地面[4].此后,无线电遥测技术被广泛运用于地质学、生物学、医学、机械工程等诸多领域.随着通信理论、通信技术和半导体技术的发展,遥测技术在调制体制、传输距离、数据容量、测量精度以及设备小型化等方面都取得了很大的进步.特别是近十几年来,得益于计算机技术的迅速发展,体积小、性能高、稳定性好、抗干扰能力强的无线电发射器在各行各业得到越来越多的应用.本文以生物学领域为例,介绍无线电遥测技术的相关应用.

1 无线电遥测技术的应用类型

1.1 追踪定位

无线电遥测技术的应用类型与发射器中所使用的传感器类型有关,追踪定位是无线电遥测技术中较为简单的一种,不需要特别设计的温度或压力敏感的传感器,只需将发射器固定在需要追踪的物体上,再用接收器接收其无线电信号即可.无线电遥测定位一般采用三角测量法,即在两个或多个相距一定距离的固定点(即遥测点)对物体的位置方位进行测定,以信号最强时天线的指向作为遥测角度,记下这些固定点的遥测角度,然后利用三角定理算出物体所处的位置,所采用的固定点越多,测量结果越精确[2-3].这种方法主要用于野生动物行为和空间利用的研究.Udyawer等使用该技术研究了平颏海蛇(Hydrophiscurtus)在多个时间尺度下的运动行为和生境利用,发现潮汐和大气压的变化显著影响海蛇的运动行为,而降雨量则显著影响其生境利用,据此提出了海蛇家域的大致三维空间范围,结果对海蛇生态学与保护生物学研究有重要的指导价值[5].Fritts等采用了围栏实验和野外无线电遥测两种方式,定量研究了南部蟾蜍(Anaxyrusterrestris)的生境利用,认为粗木质碎片对其觅食而言并非是一个必要的生境,但在气候干燥时可以给南部蟾蜍和其他两栖类提供隐蔽场所[6].Wasko等使用该技术研究了粗鳞矛头蝮(Bothropsasper)的食物资源丰度对其空间生态学、栖息地选择和觅食行为的影响,认为若食物资源充足,它们会留在森林的栖息地中捕食小型哺乳动物；若食物资源不足,则进入沼泽生境去捕食两栖动物[7].Roe等研究了北美水蛇(Nerodiasipedon)的再引入问题,认为在把动物放入封闭环境进行迁移的过程中,应当提供与其原生境相似的环境,以降低动物的死亡率[8].张晓辉等利用该技术研究了白冠长尾雉(Syrmaticusreevesii)的孵卵行为,揭示了孵卵期间雌鸟离巢行为与取食地、天气状况和卵孵化情况的关系,对该物种保护有一定的指导意义[9].

1.2 温度的测定

温度的无线电遥测起源于20世纪60年代.用于温度测定的无线电发射器中包含温度传感器(一般由热敏电阻构成),使用时将其固定在需要测温的部位.温度的无线电遥测主要用于测量动物的体温,其中对动物体温调节机制的研究尤为引人注意.相对于传统的温度计直接测量的方法,无线电遥测法的优势在于尽量使动物保持自然状态,减少人为干扰造成的动物情绪的变化(如兴奋、紧张等)对其生理状态的影响.Mackay通过无线电遥测测量了加拉帕戈斯象龟(Chelonoidisnigra)和海鬣蜥(Amblyrhynchuscristatus)的深层体温,认为加拉帕戈斯象龟的体温几乎保持恒定,而海鬣蜥体温的日波动较大,并阐述了这两种物种的体温调节机制[10].Simmons等使用该技术测量了奶牛的网胃、皮下和直肠3处的体温变化情况,揭示了自然状态下奶牛的昼夜体温变化模式[11].Wilms等研究了阿拉伯半岛的一种食草刺尾鬣蜥(Uromastyxaegyptiamicrolepis)的体温调节行为,认为全球气候变暖严重削弱了该种的体温调节能力,进而威胁其生存[12].Weatherhead等研究了北美鼠蛇(Pituophismelanoleucus)的纬度热生态变化,认为不同纬度的北美鼠蛇种群可以通过调节各自的昼夜及季节活动节律来达到相似的热生态[13].Valenzuela-Ceballos等研究了在不同的植被类型下,气候暖化对瓦哈卡刺尾鬣蜥(Ctenosauraoaxacana)体温调节的影响,认为栖息地的植被状况是其进行有效体温调节的重要因素,未来该物种的保护工作应当以保护栖息地植被为重点[14].

1.3 力和振动频率的测定

包括压力、张力等的测定.以一种压力传感器为例,传感器结构主要由弹簧、电阻芯、弹性簧片、密封薄膜和壳体组成,由所测压力作用推动薄膜使电阻芯位移,这种位移使得簧片和弹簧间的阻值发生变化,通过引线向外输出电信号[15].力的无线电遥测在生物医学等领域有着广泛的应用.早在20世纪50年代,Mackay等就报道了体腔内无线电测压器的应用,发射器为一个长2.8 cm,直径0.9 cm的胶囊,由病人吞入口中进入胃肠道,可用于测量体腔内压力和膀胱的排尿情况[16].Yamashita等通过对闭颌肌张力等数据进行无线电遥测,研究了颞下颌紊乱患者的牙齿咬合接触模式,并探讨了这一疾病的成因[17].振动频率的无线电遥测主要用于测量动物的心率或其他生理活动的频率,Lemunyan等最早运用该技术测量了实验室条件下土拨鼠(Marmotamonax)的心率[18].此后,有学者运用该技术对鸟类飞行时的心率和羽翼扇动频率[19]以及雌性哺乳动物的子宫活动进行了研究[20].Spelman等设计了一套无线电遥测系统,以供远程监控非人灵长类动物的心率、血压等生理指标[21].Buuse等使用无线电遥测技术监测了家兔的心率和血压,认为家兔心率和血压的昼夜变化主要由定时喂食造成[22].Luong等使用无线电遥测技术研究了在延髓中缝注射食欲肽对大鼠的影响,结果表明食欲肽可显著增加大鼠的心率和动脉压[23].

除上述应用外,无线电遥测技术还可用于流速、电位和化学成分等方面的测定[16,24-26].

2 无线电遥测技术的发展趋势

2.1 小型化与耐久化

图1 发射器质量与电池寿命的关系Fig. 1 Relationship between mass and battery life of transmitters

无线电遥测技术诞生后的80余年来,发射器一直朝着小型化与耐久化的方向发展.1934年的无线电气象计质量超过1磅,而电池寿命仅约1 h[4].Lemunyan等使用的无线电发射器质量则下降至122.5 g,电池寿命超过1个月[18].Udyawer等使用的发射器质量仅2.9 g,电池寿命已延长至215 d左右[5].然而,在相似的技术水平下,无线电遥测发射器的小型化与耐久化始终是一对矛盾,例如,同为2000年左右的研究中,梁伟等使用的无线电发射器质量约15～20 g,电池寿命约为6个月[27]；而林隆慧使用的无线电发射器质量约为0.25 g,电池寿命仅约3周[28].当前,商业化的无线电发射器的质量和电池的寿命大致呈现正相关关系(图1).

2.2 多功能化

早期的无线电遥测系统多是为测量单一指标而设计.随着各学科研究的深入,学者们越来越需要同时测量多个指标的无线电遥测系统.Mackay等较早地探讨了将多种传感器整合至一个发射器中以同时测量压力、温度和化学成分等多项指标的问题,虽然当时的技术还无法实现这一目标[10].Citters等同时测定了长颈鹿(Giraffacamelopardalis)颈动脉的血压和血液流速,较早地实现了多个指标的同时测定[29].Kettlewell等设计了同时监测家禽的心电图、心率和体温的无线电遥测设备,用以研究急性或慢性热环境暴露对家禽生理状态的影响[25].Xu等使用酪氨酸激酶受体B激动剂抗体对膳食诱导肥胖小鼠进行治疗,并使用无线电遥测技术监测小鼠的心率和血压变化,以研究该药物是否会对心血管造成不利影响[30].Sanders等对阿根廷黑白泰加蜥(Tupinambismerianae)的心率、呼吸速率和体温进行了为期9个月的户外无线电遥测监控,认为该蜥蜴在准备冬眠过程中的代谢抑制与外界温度变化无关[31].Weber等为研究变温动物中雌性体内卵成熟速率的温度依赖性,将无线电发射器植入雌性绿海龟(Cheloniamydas)体内,在追踪定位的同时测定了其所在区域的海水温度[32].平山琢二等尝试开发并试用了能够在自然状态下通过感知上下颚的活动来测定动物摄食、反刍和静颚的摄食行为遥测笼头(radio-telemetry halter).同时还在该笼头上附加了能够测定动物空间位置的间歇式信号发射器,在追踪定位的同时测定了动物的摄食行为[33].

2.3 与其他研究手段结合

近年来,与其他研究手段结合是无线电遥测研究发展的方向之一,这些研究手段中最引人注目的是3S技术,即遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)[34].孙岳等认为无线电遥测技术更适合小地域范围的研究,GPS技术更适合大范围的研究,两者可以很好地进行相互补充[2].Castelblanco-Martínez等在使用GPS对北美海牛(Trichechusmanatus)进行追踪定位的同时,采用微功率盐水传感器测定了海牛周围盐分的有无,以确定其是否潜入海水中[26].Weber等结合GPS和无线电遥测技术估测了南大西洋阿森松岛海域的绿海龟种群数量,认为传统的估测方法严重低估了海龟的繁殖能力[35].王文使用GIS技术、GPS技术和无线电遥测技术对小兴安岭黑熊(Ursusthibetanus)的生境、家域、食性等进行了研究,认为人类活动的强烈影响导致大量适宜生境丧失,使黑熊不得不选择次适宜生境[36].Goates等使用GIS和无线电遥测技术研究了传统的在湿地周围设置的30.5 m缓冲区对西方蟾蜍(Bufoboreas)的影响,认为缓冲区的实际大小要根据地理实况来设置,并非一成不变[37].Reynolds等则阐述了遥感技术与无线电遥测技术在昆虫运动研究中的综合运用[38].此外,无线电遥测等宏观技术手段与DNA分析等分子水平的技术手段也有一些综合运用的实例.McCarthy等使用无线电遥测和提取DNA进行亲子鉴定的方式对短耳帚尾袋貂(Trichosuruscaninus)的婚配制度进行了研究,并提出了一个基于雌雄个体遭遇率推导其一夫多妻制比率的模型[39].Millspaugh等也建议在使用无线电遥测技术对动物的运动和资源选择进行研究时,应与DNA分析、生活史研究等手段结合,以获取更加翔实的资料,并阐述了利用统计分析手段对无线电遥测获取的大量数据进行处理的必要性[40].

3 无线电遥测技术发展中存在的问题

3.1 新兴技术的冲击

无线电遥测技术诞生至今已经超过80年,已然称不上是一项全新的技术,近年来更受到了一些新兴技术的冲击.例如,虽然GPS技术与无线电遥测技术常常被用来相互印证与补充,但近年来无线电遥测有被GPS取代的趋势.与无线电遥测定位相比,GPS系统可以实时直接传回位置数据,不需要采取无线电遥测的三角定位法,因而减少了无线电遥测过程中的各种人为误差.马利认为与GPS技术相比,无线电遥测易受外界电磁波的干扰,很难达到较高的精度[41].张晋东等认为利用无线电遥测技术很难连续记录动物的活动节律,而且该技术只能对动物的活动状态进行定性记录,不能定量比较动物活动的强度,也不能明确分析环境因子对动物行为的影响[42].另有学者认为,与GPS技术相比,无线电遥测定位存在着误差较大且受到人员素质、地形、植被状况、天气以及时间的限制等缺点[3,43].

3.2 价格比较劣势

虽然无线电遥测接收设备的价格低于GPS设备[2],但无线电发射器的单价也达到数百至数千元,且多为一次性使用.为了保证足够大的样本量,研究者常常需要购置数十至数百个发射器；此外,在野外进行无线电追踪所消耗的人力和交通成本也较为高昂[3].较高的花费让经费不足的研究者望而却步.同时,价格也是限制研究规模扩大的重要因素之一.Millspaugh等指出,仅有大约15%的无线电遥测研究拥有超过100个样本,而时间跨度超过2年的研究大约只有一半(49%)[40].

4 展望

虽然无线电遥测技术受到了新兴技术的冲击,但它还是有一些暂时无法被替代的优势.例如,无线电遥测技术对温度等指标的远程测定是其他技术暂时无法替代的.如果能做到与其他技术相互取长补短,将大大拓宽无线电遥测技术的应用范围.

当前,各主要学科的基本架构都已经建立,但处于各学科边缘的交叉学科的研究还较少,现代科学越来越鼓励交叉学科的发展[44].因此,发展功能更加集成的无线电遥测设备,并将无线电遥测技术应用于交叉学科的研究,无疑是延长该技术生命的一个有效措施.

生物学正朝着宏观和微观两个方向深入发展,其中宏观方向以长时间、大尺度、高样本容量的研究为趋势.因此,应当尽可能解决发射器质量和电池寿命的矛盾,研发质量更轻、电池寿命更长、价格更加低廉的无线电发射器,为长时间、大尺度、高样本容量的研究工作奠定基础.

[1] TAYLOR C A. Telemetry[J]. Instrumentation Systems,1959,138(5113):1-19.

[2] 孙岳,张雁云.无线电遥测技术在动物学研究中的应用[J].北京师范大学学报(自然科学版),2009,45(3):268-274.

[3] MICHAEL D B, JANICE M. Encyclopedia of animal behavior[M]. Oxford: Academic Press,2010.

[4] MAIER O C. The GALCIT radio meteorograph[J]. Journal of the Aeronautical Sciences,1937,4(10):417-422.

[5] UDYAWER V, READ M, HAMANN M, et al. Effects of environmental variables on the movement and space use of coastal sea snakes over multiple temporal scales[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2015,473:26-34.

[6] FRITTS S R, GRODSKY S M, HAZEL D W, et al. Quantifying multi-scale habitat use of woody biomass by southern toads[J]. Forest Ecology and Management,2015,346:81-88.

[7] WASKO D K, SASA M. Food resources influence spatial ecology, habitat selection, and foraging behavior in an ambush-hunting snake (Viperidae:Bothropsasper): an experimental study[J]. Zoology,2012,115(3):179-187.

[8] ROE J H, FRANK M R, GIBSON S E, et al. No place like home:an experimental comparison of reintroduction strategies using snakes[J]. Journal of Applied Ecology,2010,47(6):1253-1261.

[9] 张晓辉,徐基良,张正旺,等.白冠长尾雉孵卵行为的无线电遥测研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),2004,40(2):255-259.

[10] MACKAY R S. Galapagos tortoise and marine iguana deep body temperatures measured by radio telemetry[J]. Nature,1964,204(4956):355-358.

[11] SIMMONS K R, DRACY A E, ESSLER W O. Diurnal temperature patterns in unrestrained cows[J]. Journal of Dairy Science,1965,48(11):1490-1493.

[12] WILMS T M, WAGNER P, SHOBRAK M, et al. Living on the edge?-On the thermobiology and activity pattern of the large herbivorous desert LizardUromastyxaegyptiamicrolepisBlanford,1875 at Mahazat as-Sayd Protected Area,Saudi Arabia[J]. Journal of Arid Environments,2011,75(7):636-647.

[13] WEATHERHEAD P J, SPERRY J H, CARFAGNO G F, et al. Latitudinal variation in thermal ecology of North American ratsnakes and its implications for the effect of climate warming on snakes[J]. Journal of Thermal Biology,2012,37(4):273-281.

[14] VALENZUELA-CEBALLOS S, CASTAEDA G, RIOJA-PARADELA T, et al. Variation in the thermal ecology of an endemic iguana from Mexico reduces its vulnerability to global warming[J]. Journal of Thermal Biology,2015,48:56-64.

[15] 韩金明,冯宝霞,李毅,等.离心压气叶轮内气体压力场无线电遥测的研究和应用[J].柴油机,1994(4):25-28.

[16] MACKAY R S, JACOBSON B. Endoradiosonde[J]. Nature,1957,179(4572):1239-1240.

[17] YAMASHITA S, AI M, MIZUTANI H. Tooth contact patterns in patients with temporomandibular dysfunction[J]. Journal of Oral Rehabilitation,1991,18(5):431-437.

[18] LEMUNYAN C D, WHITE W, NYBERG E, et al. Design of a miniature radio transmitter for use in animal studies[J]. The Journal of Wildlife Management,1959,23(1):107-110.

[19] ELIASSEN E. A method for measuring the heart rate and stroke/pulse pressures in birds by normal flight[M]. Bergen: Årbok Universitet,1960:184-193.

[20] SIMMONS K R, DRACY A E, ESSLER W O. Recording uterine activity by radio telemetry techniques[J]. Journal of Dairy Science,1965,48(8):1126-1128.

[21] SPELMAN F A, ASTLEY C A, GOLANOV E V, et al. A system to acquire and record physiological and behavioral data remotely from nonhuman primates[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1991,38(12):1175-1185.

[22] VAN DEN BUUSE M, MALPAS S C. 24-Hour recordings of blood pressure, heart rate and behavioural activity in rabbits by radio-telemetry: effects of feeding and hypertension[J]. Physiology & Behavior,1997,62(1):83-89.

[23] LUONG L L, CARRIVE P. Orexin microinjection in the medullary raphe increases heart rate and arterial pressure but does not reduce tail skin blood flow in the awake rat[J]. Neuroscience,2012,202:209-217.

[24] MORRELL R M. Amplitude-modulation radio-telemetry of nerve action potentials[J]. Nature,1959,184:1129-1131.

[25] KETTLEWELL P J, MITCHELL M A, MEEKS I R. An implantable radio-telemetry system for remote monitoring of heart rate and deep body temperature in poultry[J]. Computers and Electronics in Agriculture,1997,17(2):161-175.

[26] CASTELBLANCO-MARTNEZ D N, MORALES-VELA B, SLONE D H, et al. Inferring spatial and temporal behavioral patterns of free-ranging manatees using saltwater sensors of telemetry tags[J]. Mammalian Biology-Zeitschrift für Säugetierkunde,2015,80(1):21-30.

[27] 梁伟,郑光美,张正旺,等.利用无线电遥测位点分析红腹锦鸡的生境利用[J].动物学报,2003,49(2):179-184.

[28] 林隆慧.海南蜡皮蜥种群密度、热需求及种群遗传结构的地理格局[D].南京:南京师范大学,2008.

[29] VAN CITTERS R L, KEMPER W S, FRANKLIN D L. Blood flow and pressure in the giraffe carotid artery[J]. Comparative Biochemistry and Physiology,1968,24(3):1035-1042.

[30] XU L F, ZHANG Y Y, COHEN S B, et al. TrkB agonist antibody dose-dependently raises blood pressure in mice with diet-induced obesity[J]. American Journal of Hypertension,2010,23(7):732-736.

[31] SANDERS C E, TATTERSALL G J, REICHERT M, et al. Daily and annual cycles in thermoregulatory behaviour and cardio-respiratory physiology of black and white tegu lizards[J]. Journal of Comparative Physiology B, Biochemical, Systemic, and Environmental Physiology,2015,185(8):905-915.

[32] WEBER S B, BLOUNT J D, GODLEY B J, et al. Rate of egg maturation in marine turtles exhibits ′universal temperature dependence′[J]. The Journal of Animal Ecology,2011,80(5):1034-1041.

[33] 平山琢二,张利存,何康,等.反刍动物采食行为遥测笼头在野生海南坡鹿中的初步试用[J].兽类学报,2008,28(4):417-421.

[34] 徐基良.白冠长尾雉(Syrmaticusreevesii)的活动区与栖息地利用研究[D].北京:北京师范大学,2004.

[35] WEBER N, WEBER S B, GODLEY B J, et al. Telemetry as a tool for improving estimates of marine turtle abundance[J]. Biological Conservation,2013,167:90-96.

[36] 王文.小兴安岭林区黑熊食性、家域和生境生态学研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2007.

[37] GOATES M C, HATCH K A, EGGETT D L. The need to ground truth 30.5 m buffers: a case study of the boreal Toad(Bufoboreas)[J]. Biological Conservation,2007,138(3/4):474-483.

[38] REYNOLDS D R, RILEY J R. Remote-sensing,telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement:a survey of existing and potential techniques[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2002,35(2/3):271-307.

[39] MCCARTHY M A, LINDENMAYER D B. Population density and movement data for predicting mating systems of arboreal marsupials[J]. Ecological Modelling,1998,109(2):193-202.

[40] MILLSPAUGH J J, MARZLUFF J M. Radio tracking and animal populations[M]. San Diego: Academic Press,2001.

[41] 马利.DS80C320在GPS同步测量中的应用[J].长春科技大学学报,1999(2):109-111.

[42] 张晋东,HULL V,黄金燕,等.大熊猫取食竹笋期间的昼夜活动节律和强度[J].生态学报,2011,31(10):2655-2661.

[43] 葛宝明,官天培,谌利民,等.GPS项圈系统在野生动物管理与监测中的应用[J].四川动物,2012,31(2):311-316.

[44] 李恩中,曹河圻,龙勉,等.推动交叉学科研究 促进生命与医学科学的发展[J].中国科学基金,2009,23(6):369-372.

The Application of Radio Telemetry in Biological Studies

SHEN Wen1, PEI Jianchi2, JI Xiang2

(1. College of Physical Education and Health, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2. College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China)

Radio telemetry is a technique widely used to collect data through radio wave at a position remote from the focal objective. A variety of applications of this technique has been developed since its emergence in the 20th century, including tracking position and measuring temperature, force, blood pressure, heart rate and vibration frequency. Radio telemetry has been extensively used in diverse fields of biology. Currently, radio telemetry tends to develop more miniaturized, durable, multifunctional transmitters and to work together with other more recently developed methods. Some problems have emerged during the development and application of this technique. This paper reviews the applications, development trends and existing problems of radio telemetry, and makes predictions on the prospect for its development.

radio telemetry; tracking position; biology

date：2016-05-25

Supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LY17A010018).

CHEN Huanyin(1963—)，male，Professor，Ph.D.，majored in algebra of basic mathematics.E-mail：huanyinchen@aliyun.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.03.011

2016-04-11

国家自然科学基金项目(30070121，31470471).

沈 纹(1964—)，女，助理实验师，主要从事生理实验仪器的管理和使用.E-mail:2542811545@qq.com

Q95-333

A

1674-232X(2017)03-0284-06