يقدم هذا البروتوكول طرق إنشاء علامات الرادار التوافقية للحشرات وإرفاقها وتتبعها.
مقالة منهجية
يقدم هذا البروتوكول طرق إنشاء علامات الرادار التوافقية للحشرات وإرفاقها وتتبعها.
لطالما كان استخدام أجهزة التتبع لمتابعة حركات نهجا قياسيا لدراسة سلوك وبيئة الفقاريات. حتى وقت قريب نسبيا ، لم تكن طرق التتبع هذه متاحة لعلماء الحشرات بسبب الحجم والكتلة الكبيرة للغاية لأجهزة التتبع التي يجب توصيلها. تشمل التقنيات المطبقة على تتبع الحشرات القياس عن بعد الراديوي والبلوتوث وRFID والرادار التوافقي. من بين هؤلاء ، يعد القياس عن بعد الراديوي الطريقة الأكثر استخداما لتتبع الحشرات الكبيرة. إنه يوفر نطاق كشف أطول وإشارات فريدة لكل حشرة متعقبة ولكنه يتطلب علامات باهظة الثمن ذات عمر افتراضي وحقل محدود وثقيلة ، بشكل عام لا يقل عن 150 ملليغراما. على النقيض من ذلك ، فإن علامات الرادار التوافقية ، التي استخدمت لأول مرة في عام 1986 ، أخف وزنا على الأقل من حيث الحجم ، وغير مكلفة ، ولها نطاقات كشف تسمح بالتتبع الميداني للعديد من الحشرات الصغيرة. هنا ، نوضح استخدام جهاز إرسال واستقبال جاهز يتم تسويقه للإنقاذ في المناطق النائية. معا ، تجعل العلامات غير المكلفة وأجهزة الإرسال والاستقبال الجاهزة تقنية تتبع الحشرات هذه في متناول علماء الحشرات الذين يدرسون سلوك الحشرات والبيئة. في هذه المقالة ، سوف نتطرق إلى إنشاء العلامات ، وإرفاق العلامات بالحشرات ، وتتبع هذه الحشرات الموسومة ، وتقديم بعض نتائج التتبع التمثيلية.
لطالما كان استخدام أجهزة التتبع لدراسة تحركات الفقاريات نهجا قياسيا لجمع البيانات المتعلقة بسلوك وبيئة الكبيرة مثل الثدييات والطيور والأسماك ، مع التتبع بشكل أساسي باستخدام القياس عن بعد اللاسلكي وتتبع GPS< فئة sup = "xref">1. ومع ذلك ، حتى وقت قريب نسبيا ، لم تكن طرق التتبع هذه متاحة لعلماء الحشرات بسبب الحجم والكتلة الكبيرة للغاية لأجهزة التتبع التي يجب توصيلها < فئة الدعم = "xref" >2. تشمل التقنيات المطبقة على تتبع الحشرات القياس عن بعد اللاسلكي ، والبلوتوث ، و RFID ، والرادار التوافقي < فئة sup = "xref" >2،< sup class = "xref" >3. من بين هؤلاء ، يعد القياس عن بعد الراديوي إلى حد بعيد الطريقة الأكثر استخداما لتتبع الحشرات الكبيرة < فئة sup = "xref" >2. يوفر نطاق كشف أطول وإشارات فريدة لكل حشرة متعقوبة. ومع ذلك ، تتطلب هذه الطريقة علامات باهظة الثمن ذات عمر افتراضي وحقل محدود وثقيلة ، بشكل عام لا تقل عن 150 مجم. البلوتوث هي التقنية الأقل تطورا حاليا ، مع علامات أصغر من القياس عن بعد اللاسلكي ولكن نطاق أقصر أيضا< فئة الدعم = "xref">3. يمكن أن تكون علامات RFID صغيرة الحجم جدا وغير مكلفة للغاية ولكن لها أقصر نطاق (غالبا بضعة مم فقط) < فئة الدعم = "xref">4. تم استخدام علامات الحشرات بعلامات RFID بشكل شائع لدراسة عمال النحل الذين يدخلون ويغادرون فئة < sup = "xref" >5. على النقيض من ذلك ، فإن علامات الرادار التوافقية أخف وزنا بترتيب من حيث الحجم على الأقل من علامات القياس عن بعد الراديوية ، وغير مكلفة ، ولها نطاقات كشف تسمح بالتتبع الميداني للحشرات الأصغر بكثير< فئة الدعم = "xref">6 (<فئة قوية = "xfig">الشكل 1).
يستخدم الرادار التوافقي < p class = "jove_content" > جهاز إرسال واستقبال يصدر إشارة تنشط العلامة التي تحملها الحشرة وتستقبل إشارة العودة المضاعفة للتردد المرسلة بواسطة tag7,8,9 (< strong class = "xfig" >الشكل 2). بينما وصف عدد من الدراسات استخدام علامات الرادار التوافقية مع الحشرات متوسطة الحجم < sup class = "xref" >6 ، < sup class = "xref" > 10 ، < sup class = "xref" > 11 ، < sup class = "xref" >12 ، < sup class = "xref" >13 ، لا يوجد عرض مناسب لكيفية تصنيع علامة. في هذه المقالة ، نقدم إرشادات خطوة بخطوة حول كيفية تصنيع حجمين مختلفين من علامات الرادار التوافقية ، كل منهما مصنوع من الصمام الثنائي Schottky وسلك النيتينول. العلامات الأصغر أخف وزنا وتعمل بشكل أفضل مع الحشرات الأصغر حجما < فئة الدعم = "xref" >6 ، في حين أن العلامات الأكبر لها نطاق أكبر ويمكن استيعابها بواسطة الحشرات الأكبر حجما < فئة الدعم = "xref" >11. يعد سلك النيتينول مكونا مهما للتصميم لأن هذا السلك مرن ، مما يسمح للحشرة الموسومة بالتحرك بحرية نسبيا. كما أنه يعود بسرعة إلى الاتجاه المستقيم ، مما يسمح بأقصى إرجاع للإشارة < فئة الدعم = "xref" >6،10،11. نوضح أيضا استخدام جهاز إرسال واستقبال جاهز (انظر قسم "الحصول على الإشارات" أدناه) يتم تسويقه للإنقاذ في المناطق النائية < فئة الدعم = "xref">7,9,14. معا ، تجعل العلامات غير المكلفة وأجهزة الإرسال والاستقبال الجاهزة تقنية تتبع الحشرات هذه في متناول علماء الحشرات الذين يدرسون سلوك الحشرات والبيئة. في هذه المقالة ، نتطرق إلى إنشاء العلامات ، وربط العلامات بالحشرات ، وتتبع هذه الحشرات الموسومة ، وتقديم بعض نتائج التتبع التمثيلية.ملاحظة: يعرض هذا القسم تجميع العلامات الكبيرة. من المهم أن يكون لديك سلكين بطول الهوائي الصحيح (8.25 سم لمطابقة تردد جهاز الإرسال والاستقبال) للعلامات الكبيرة.
3. علامة صغيرة
ملاحظة: يعرض هذا القسم تجميع العلامات الصغيرة.
6. الحصول على الإشارات
يعد نطاق الكشف وحجم العلامة على الأرجح أهم ميزتين في علامات تتبع الحشرات. ونعرض هنا نتائج تمثيلية لأقصى نطاق كشف للعلامات الكبيرة والصغيرة المصنعة في هذا المقال. تم تحديد أقصى نطاقات الكشف عن طريق تثبيت العلامات طوليًا على وتد خشبي سميك (~1.5 m) باستخدام شريط لاصق ذي وجهين. ثم تم تحديد أقصى مسافة يمكن عندها اكتشاف إشارات العلامة عن طريق تحريك جهاز الإرسال والاستقبال بعيدًا عن العلامة حتى يتوقف سماع أي إشارة. تم اختبار عشر علامات من كل حجم في حقل مفتوح. ويبلغ أقصى مسافة كشف للعلامات الأكبر حجمًا ما يقرب من أربعة أضعاف تلك الخاصة بالعلامات الأصغر (الجدول 1). وغالبًا ما يؤدي عدم المحاذاة بين العلامة وجهاز الإرسال والاستقبال، إلى جانب تداخل الغطاء النباتي، إلى تقليل نطاق الكشف في الظروف الميدانية. ومن خلال خبرتنا، نفترض أن مسافة الكشف تبلغ ~10 m للعلامات الأكبر و ~5 m للعلامات الصغيرة عند العمل في المحاصيل الحقلية الشجرية.
أخيراً، نود مشاركة النتائج من دراسة تتبع نموذجية لخنفساء كوينزلاند طويلة القرون (QLB). كان الهدف من هذه الدراسة هو استقصاء إيكولوجيا حركة خنفساء QLB، نظراً لمحدودية المعلومات المتاحة حول الأماكن التي تقضي فيها الخنافس البالغة وقتها في البيئة. وبما أن هذه الخنافس متخفية، فمن الصعب جداً تحديد مواقعها في البيئة دون استخدام تقنية تتبع مثل HR. أُجريت هذه الدراسة في مجموعة من أشجار الكوكوي (Aleurites moluccana) في جزيرة هاواي الكبيرة. تم وضع علامات على خنافس متعددة وإطلاقها خلال فترة الدراسة. ثم تم تحديد مواقع الخنافس باستخدام تقنيات التتبع الموضحة سابقاً في هذا المقال. ويمكن رؤية مثال للمسار الذي سلكته إحدى الخنافس على مدار 10 أيام في الشكل 4. يُلاحظ أنه تم تتبع الخنفساء في مواقع متعددة، بما في ذلك مناطق مرتفعة في أشجار الكوكوي وفي الأوراق الميتة. كانت هذه نتيجة مهمة في هذه الدراسة؛ فبما أن خنفساء QLB يمكن أن تكون متخفية للغاية، كثيراً ما تساءل المزارعون عن الأماكن التي "تختبئ" فيها الخنافس حول الأشجار. ومن خلال تتبع أفراد Xنفساء QLB، تمكنا من تحديد أن الخنافس غالباً ما تكون متوارية في الأوراق الجافة، مما يجعل اكتشافها صعباً. تقدم هذه الدراسة رؤى جديدة ومهمة حول الأماكن التي تقضي فيها خنافس QLB البالغة وقتها خلال النهار وحركتها أثناء الليل.

الشكل 1: مقارنة بين الأجهزة الشائعة المستخدمة في تتبع الحشرات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: يعمل الرادار التوافقي عن طريق إرسال إشارة بتردد معين (باللون الأزرق) ثم استقبال الإشارة العائدة (التي تضاعف ترددها) (باللون الأحمر). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: ترتبط قوة الإشارة باتجاه العلامة وجهاز الإرسال والاستقبال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 4: نتائج تمثيلية لتتبع خنفساء قرن طويلة واحدة من كوينزلاند في أشجار الكوكوي.يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| علامات كبيرة | علامات صغيرة |
| 64 ± 1 م | ١٢ ± ١ م |
الجدول 1: أقصى مسافات كشف (المتوسط ± الخطأ المعياري، m) لعلامات الرادار التوافقي للحشرات (N = 10).
في هذا البروتوكول ، نصف ونوضح كيفية تصنيع حجمين من علامات الرادار التوافقية. بالإضافة إلى ذلك ، أوضحنا كيفية إرفاق هذه العلامات بالحشرات باستخدام مواد لاصقة معالجة بالأشعة فوق البنفسجية وأظهرنا قوة إشارة جهاز الإرسال والاستقبال. تم تحسين هذا البروتوكول للسماح بالتصنيع المبسط للعديد من علامات الموارد البشرية منخفضة التكلفة مع الحد الأدنى من معدات المختبرات المتخصصة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون البروتوكول في متناول الباحثين ذوي الخبرة في معالجة الأشياء تحت مجهر تشريح. نوصي الأشخاص الذين يحاولون صنع العلامات بالبدء بعلامات أكبر لتطوير المهارات في معالجة الثنائيات وتطبيق المواد اللاصقة الموصلة. قد تكون هذه المهارات صعبة في البداية ، لكننا وجدنا من التجربة (تعليم أكثر من 20 شخصا) أن منحنى التعلم يسمح للناس بالتقدم بسرعة نسبيا إلى صنع علامات أصغر بسرعة وقابلية التكاثر.
بينما تم عرض تصنيع حجمين للعلامات ، قمنا أيضا بعمل علامات ذات صمام ثنائي متوسط الحجم6 ، باستخدام كل من سلك النيتينول ذو القطر الأصغر والأكبر. تؤثر التطبيقات المختلفة ، مثل حجم الحشرات ونطاق الكشف المطلوب ، على اختيار أحجام الصمام الثنائي والأسلاك.
تصميم العلامة المستخدم في هذا البروتوكول أبسط من غيره المستخدم لتتبع الحشرات15،16،17،18. التصميم شائع الاستخدام هو وجود حلقة في الهوائي ، وبالتالي إنشاء تيار مستمر قصير عبر الصمام الثنائي18،19. عادة ما يتم تثبيت العلامات ذات الحلقات في هوائياتها عموديا على الصدر بدلا من طوليا ، كما هو موضح في هذا البروتوكول. من المحتمل أن يسمح الاتجاه الرأسي بمحاذاة أفضل للعلامة وجهاز الإرسال والاستقبال أثناء الطيران أثناء الحشرة (حيث لا تطير الحشرات عموما رأسا على عقب أو مع أرجلها نحو الجانب). ومع ذلك ، فإن اتجاه العلامة الرأسي يحرك مركز كتلة العلامة بعيدا عن مركز كتلة الحشرة ، وبالتالي من المحتمل أن يكون له تأثير أكبر على التوازن والقدرة على الطيران.
ليس لدينا تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
نود أن نشكر كيت فيربانكس وجيمس سنايدر (وزارة الزراعة وخدمات المستهلك في فلوريدا) ، ونيكولاس مانوكيس (USDA-ARS-PBARC) ، وجيمس يودر (جامعة إيسترن مينونايت) ، وستيفانو دي فافري (وزارة الزراعة ومصايد الأسماك في كوينزلاند) لمراجعة هذا البروتوكول.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| تهزهز | الكبير https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| رقصة | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| سلك النيتينول (صغير) Fort | Wayne Metals (Fort Wayne ، INA ، الولايات المتحدة الأمريكية) | 17822174 | |
| كاشف RECCO R9 المحمول | RECCO AB (Lidingo middot ؛ · , Sweden) | ترددات التشغيل: أوروبا، MHz 866,9 (إرسال),MHz 1733,8 (الاستقبال)؛ الولايات المتحدة ، 902.85 ميجاهرتز (إرسال) ، 1805.7 ميجاهرتز (استقبال) RF | |
| Schottky Diode (صغير) MACOM | Technology Solutions (Lowell ، MA ، الولايات المتحدة الأمريكية) | MA4E2501L-1290 | Puchased عبر Richardson RFPD |
| Schottky Diode (كبير) | RECCO AB (Lidingo middot ؛ · < / sup> ، السويد) | ||
| لاصق الايبوكسي الموصل الفضي | MG Chemicals | 12642-14 ؛ (أمازون: 8331 د) | Puchased عبر أمازون |
| تهزهز | الصغير https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| رقصة | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| سلك نيتينول فائق المرونة (كبير) | ماكماستر كار (بروكبارك ، أوهايو ، الولايات المتحدة الأمريكية) | 8320K31 | 0.003 "قطر × 30 قدما |
| طويل تيد بيلا Inc فضة موصل إيبوكسي | ثيرمو فيشر علمي (والثام ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية) | NC9959045 | |
| لاصق للأشعة فوق البنفسجية | Bondic (شلالات نياجرا ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية) | تم شراؤها عبر Amazon و / أو Bondic عبر الإنترنت (notaglue.com) |