构建增强型飞行转盘以研究昆虫束缚飞行

摘要

本方案利用创客空间中的三维（3D）打印机和激光切割机，设计出更加灵活的飞行转盘装置。通过使用这些技术，研究人员可以在构建用于昆虫 tethered 飞行研究的飞行转盘时，降低成本、提高设计灵活性，并实现工作的可重复性。

摘要

创客空间在帮助研究人员开发新技术以及在生态学研究中使用新物种方面具有巨大潜力。本实验方案展示了如何利用创客空间中的技术，以相对较低的成本构建一个功能更全面的飞行磨装置。由于本研究的 原型源自过去十年中构建的飞行磨装置，因此本方案更侧重于阐述对传统简易现代飞行磨所作的改进。已有研究充分证明，飞行磨在测量飞行参数（如速度、距离或周期性）方面具有显著优势，使研究人员能够将这些参数与形态学、生理学或遗传因素相关联。除上述优势外，本研究还探讨了利用创客空间中的技术（如3D打印机和激光切割机）来构建更灵活、坚固且可折叠的飞行磨设计所带来的益处。其中最显著的是，该设计中的3D打印部件使用户可通过调节飞行臂和红外（IR）传感器的高度，测试不同体型的昆虫。此外，3D打印结构还便于用户快速拆卸设备，便于存储或运往野外。同时，本研究更多地采用磁铁和磁性涂料，以最小化对昆虫的束缚压力。最后，本方案详细介绍了通过计算机脚本对飞行数据进行灵活分析的方法，可高效地从单次记录中分离并分析不同的飞行试验。尽管该方法在实施上较为耗时，但利用创客空间及在线3D建模软件中的工具，有助于推动跨学科和以过程为导向的研究实践，并帮助研究人员避免使用昂贵且调节范围有限的预制产品。通过充分利用创客空间技术的灵活性与可重复性，本方案促进了飞行磨装置的创新设计，并推动开放科学的发展。

引言

鉴于昆虫在野外扩散行为的难以研究性，飞行磨已成为实验室中用于探讨一个重要生态现象——昆虫如何运动——的常用工具。因此，自飞行磨的先驱者^1,2,3,4 开创这一技术并推动其六十年的设计与构建发展以来，随着技术的进步及其在科研群体中的日益融合，飞行磨的设计也出现了明显的演变。随着时间推移，自动数据采集软件取代了图表记录仪，飞行磨臂也从玻璃棒演变为碳棒和钢管⁵。仅在过去十年中，磁力轴承已取代聚四氟乙烯（Teflon）或玻璃轴承，成为最优的无摩擦选择，同时飞行磨装置与多种技术的结合日益增多，音频、视频及分层制造技术正逐步融入研究人员的工作流程。这些结合包括使用高速摄像机测量翅膀空气动力学⁶，利用数模转换板模拟感官刺激以研究听觉引导的飞行反应⁷，以及采用3D打印技术制作校准装置以追踪飞行过程中的翅膀形变⁸。随着创客空间中新兴技术的兴起，尤其是在由专业人员运营数字媒体中心的机构中⁹，现在有了更多可能性来改进飞行磨，以测试更广泛种类的昆虫，并将设备带入野外环境。研究人员也有极大潜力通过基于制作的研究工作跨越学科界限，加快技术学习进程^9,10,11,12。本文所介绍的飞行磨（改编自Attisano及其同事的方法¹³）充分利用创客空间中的新兴技术，不仅能够1）制造出尺寸和规格可根据具体研究项目精确调整的飞行磨组件，而且还能2）为研究人员提供易于操作的激光切割和3D打印实验方案，同时无需高额预算或计算机辅助设计（CAD）方面的专业知识。

将新技术和新方法与飞行磨（flight mill）相结合具有显著优势，但飞行磨本身也是一种极具价值的独立设备。飞行磨用于测量昆虫的飞行表现，可帮助确定飞行速度、距离或周期性如何受到温度、相对湿度、季节、寄主植物、体重、形态特征、年龄和繁殖活动等环境或生态因素的影响。与活动记录仪（actographs）、跑台以及风洞和室内场地中飞行运动的视频记录等其他方法¹⁴不同，飞行磨的突出优势在于其能够在实验室条件下收集多种飞行性能统计数据。这有助于生态学家回答有关飞行扩散的重要科学问题，并推动其所在领域的研究进展——无论该领域是综合害虫管理^15,16,17、种群动态、遗传学、生物地理学、生活史策略¹⁸，还是表型可塑性^19,20,21,22。另一方面，高速摄像机和活动记录仪等设备可能需要严格、复杂且昂贵的设置，尽管它们能够提供更精细的运动参数，例如翅拍频率和昆虫的光相活动^23,24。因此，本文所介绍的飞行磨为研究人员提供了一种灵活、经济且可定制的选择，用于研究飞行行为。

同样，随着研究扩散问题的思路和方法变得越来越富有创造性和复杂性，将新兴技术整合到生态学家工作流程中的动力也在持续增强。作为促进创新的场所，创客空间吸引了不同层次的专业人才，并为各个年龄段的用户提供了较低的学习门槛，使其能够快速掌握新的技术技能^10,12。在创客空间中以及通过在线开源平台对科学设备进行原型设计具有迭代性和协作性，这可以加快理论的应用¹¹，并促进生态科学领域的产品开发。此外，提高科研工具的可重复性将有助于更广泛的数据采集和开放科学实践。这可以帮助研究人员对测量扩散的设备或方法进行标准化。工具的标准化还可能使生态学家能够整合不同种群间的扩散数据，从而检验基于扩散核函数²⁵或源-汇定殖动态²⁶构建的集合种群模型。正如医学界正在采用3D打印技术用于患者治疗和解剖学教育²⁷一样，生态学家也可以利用 激光切割机和3D打印机来重新设计生态学研究工具和教育方式；在本研究的范围内，还可设计飞行磨的附加组件，例如着陆平台或可垂直移动的飞行磨臂。反过来，创客空间技术所提供的定制化能力、成本效益以及生产效率的提升，能够帮助有意自主研发工具和设备的研究人员以相对较低的门槛启动扩散相关研究项目。

在构建该飞行磨时，制作者还需考虑一些机械和仪器方面的限制。利用磁铁和3D打印的增强部件，除交叉支架的构建外，飞行磨可基本实现无胶组装，并能适应不同体型的昆虫。然而，随着昆虫质量和力量的增加，被 tether（固定）的昆虫更可能自行脱离。可使用强磁铁，但会增加扭转阻力；或者采用滚珠轴承替代磁力轴承，作为测试数克重昆虫飞行的更稳固方案^28,29。不过，滚珠轴承也可能带来一些问题，主要是在高速和高温条件下长时间运行实验会降低轴承润滑性能，从而增加摩擦力³⁰。因此，使用者需根据所研究的昆虫种类及实验设计，判断何种飞行磨机械结构最为合适。

同样，有多种方法可用于飞行转盘的仪器化，但这些内容超出了本文的讨论范围。本文介绍的飞行转盘使用红外传感器检测旋转次数，通过WinDAQ软件记录旋转数据，并利用编程脚本处理原始数据。尽管该软件易于使用，但其可用工具较为有限。 用户无法为相应的通道添加注释，也无法在电路任何部件发生故障时收到警报。这些问题只能在数据采集完成后，通过代码进行检测和修正。或者，用户可采用具备可定制数据采集功能的多种软件²⁸，或使用可直接获取速度和距离统计信息的传感器，例如自行车里程计²⁹。然而，这些替代方案可能跳过有价值的原始数据，或将功能分散到过多的软件应用中，从而导致数据处理效率降低。最终，本方案并未重新设计飞行转盘的仪器设备，而是提供了稳健的编程解决方案，以应对当前软件的功能局限。

本文介绍了一种改进的简易飞行磨设计，旨在协助研究人员开展扩散行为研究，并推动新兴技术在行为生态学领域的应用。该飞行磨可置于培养箱内，同时承载多达八只昆虫，并实现了数据采集与处理的自动化。其显著特点是采用3D打印技术进行优化，用户可调节转臂和红外传感器的高度，以适应不同体型昆虫的测试需求，并可快速拆卸装置以便于存储或运输。得益于机构对公共创客空间的访问权限，所有改进均无需额外费用，成本与简易现代飞行磨相当。所需软件均为免费，电子电路结构简单，所有脚本均可根据实验设计的具体需求进行修改。此外，内置编码诊断功能可帮助用户检查记录数据的完整性与精确性。最后，本方案通过磁性涂料和磁力固定的方式将昆虫 tether 于转臂上，最大限度地减少了昆虫所承受的应激。鉴于简易飞行磨本身已具备良好的可及性、经济性和灵活性，利用创客空间技术对其进行升级，不仅能够帮助研究人员满足各自特定的飞行研究需求，还可能激发超越本文所限的创新性飞行磨设计。

方案

1. 在创客空间中构建飞行磨

1. 激光切割并组装丙烯酸塑料支撑结构。
   1. 使用8块（304.8 mm × 609.6 mm × 3.175 mm）厚的透明丙烯酸板来构建丙烯酸塑料支撑结构。确保材料不是聚碳酸酯，因为聚碳酸酯外观与丙烯酸相似，但在激光切割时会熔化而非被切割。
   2. 在创客空间中找到激光切割机。本方案假设创客空间配备有激光切割机 ，如材料表中所列。对于其他类型的激光切割机，请查阅其设置，以确定需要将文件中的线条设置为何种颜色或线宽，以便进行激光切割或雕刻（而非光栅扫描）。
   3. 打开Adobe Illustrator、Inkscape（免费）或其他矢量图形编辑软件。准备一个以矢量格式呈现上述丙烯酸支撑设计的文件，其中线条如图1所示。在Adobe Illustrator中以红色、绿色和蓝色（RGB）模式创建线条，线宽设为0.0001点，其中RGB红色（255, 0, 0）用于切割线，RGB蓝色（0, 0, 255）用于雕刻线。
   4. 为保险起见，测试并考虑所有狭缝和孔洞尺寸的切缝补偿（kerf）。设计并测试切缝补偿键（补充图1）。
      ​注意：切缝宽度可能因激光切割机的光束宽度、材料厚度及所用材料类型而异。
   5. 将丙烯酸支撑设计和切缝补偿键保存为可读文件格式，如.ai、.dxf或.svg文件。要将任务发送至激光切割机，请在激光切割机的本地计算机上打印该文件，然后打开激光切割软件。
      注意：如果打印正确，设计中的所有矢量切割线将在激光软件控制面板中显示为相应的正确颜色。
   6. 选择材料为塑料，材料类型为丙烯酸。为获得更高精度，使用卡尺测量材料厚度，并将其输入材料厚度字段。自动启用材料焦点的Z轴。将图形类型设为无，并将强度保持在0%。如需更改激光切割机的高级参数（如激光功率%或速度%），请使用切缝补偿键进行测试。
      ​注意：经验法则是，材料越厚，所需功率越高，但速度应更低。
   7. 切割前，请遵循创客空间关于启动、使用和维护激光切割机的指南。将材料放入切割机腔体内，并切割丙烯酸支撑件。
      注意：为防止可能的眼部损伤，切勿直视激光，也切勿在无人看管的情况下进行切割。
   8. 清理切割机腔体内的多余材料，并组装支撑结构。按照图2A中标注的方式，将每个水平搁板插入外侧垂直墙和中央垂直墙的开口狭缝中完成组装。确保各水平搁板之间的孔对齐。
2. 3D打印塑料支撑件。
   1. 打开网页浏览器，在线创建一个3D建模程序账户。参见材料表获取免费账户选项。
   2. 点击3D设计 > 创建新设计。若要复制本研究中如图3所示的精确3D打印设计，请下载存档文件3D_Prints.zip（补充3D打印文件），并将文件夹移至桌面。解压并打开该文件夹。在在线3D建模程序的工作平面网页中，点击右上角的导入，选择.stl文件。
      注意：只要用户将对象限制在3D打印机构建区域边界内，多个设计复制品或对象可填满工作平面并保存为单个.stl文件。3D打印机可打印的最大物体尺寸为140 mm长 × 140 mm宽 × 140 mm深。然而，不要通过绕z轴旋转物体的方式来最大化构建区域上的物体数量，因为下载的对象已定位以最小化悬垂部分，从而可在最少必要支撑下实现最优打印。
   3. 若需自行创建或修改设计，请参考网站教程进行编辑，然后将新设计导出为.stl文件。总共需要3D打印以下部件：8个直线导轨（100.05 mm长 × 23.50 mm宽 × 7.00 mm深）、16个直线导轨滑块（22.08 mm长 × 11.47 mm宽 × 12.47 mm深）、12至20个螺丝（9.00 mm长 × 7.60 mm宽 × 13.00 mm深）、15个十字连接件（50.00 mm长 × 50.00 mm宽 × 20.00 mm深）、16个磁铁支架（12.75 mm长 × 12.50 mm宽 × 15.75 mm深）、16个管支撑件（29.22 mm长 × 29.19 mm宽 × 11.00 mm深）、16个短直线导轨支撑件（40.00 mm长 × 11.00 mm宽 × 13.00 mm深）和16个长直线导轨支撑件（40.00 mm长 × 16.00 mm宽 × 13.00 mm深）。要获得每个直线导轨设计的镜像，请点击对象，按M键，然后选择对应于对象宽度的箭头。
      ​注意：有关直线导轨销钉的更多信息，请参见步骤1.3.6。
   4. 下载并安装3D打印切片软件，将.stl文件转换为3D打印机可读的.gx文件。参见材料表下载免费软件程序。
      注意：其他转换软件也可接受，但本方案假设创客空间使用的3D打印机和切片软件如材料表中所列。
   5. 双击3D打印切片软件图标以启动程序。点击打印>机型，并选择创客空间中的3D打印机。
   6. 点击加载图标以载入.stl模型文件，并在构建区域显示对象。
   7. 选择对象并双击移动图标。点击置于平台以确保模型位于平台上。点击居中将对象置于构建区域中心，或用鼠标指针拖动对象至所需位置。
   8. 点击打印图标。确保材料类型设为PLA，启用支撑和筏板，分辨率设为标准，挤出机温度符合3D打印机指南建议的温度。温度可在更多选项 >> 温度中调整。
   9. 点击确定，并将.gx文件保存在3D_Prints文件夹中，或保存在U盘上（如果无法通过USB线缆将文件传输至3D打印机）。
   10. 找到创客空间的3D打印设备。校准挤出机，并确保有足够的耗材用于打印。将.gx文件传输至3D打印机，并打印所有类型和数量的塑料支撑件及增强件。每次打印时，检查耗材是否牢固粘附在打印平台上。
3. 将3D打印件组装到丙烯酸支撑结构上。
   1. 为直观查看所有支撑件的安装位置，请参见图2B。
   2. 将3.175 mm厚的氯丁橡胶片用热熔胶粘贴在十字连接件的内壁上。干燥后，将十字连接件插入丙烯酸搁板与设备后壁连接处的节点，以稳定飞行磨具。
   3. 尽可能使用3D打印的螺丝，以最小化铁质螺丝的磁性影响。将管支撑件拧入每个单元的顶部和底部。确保顶部和底部的管支撑件对齐。
   4. 将一根30 mm长的塑料管（内径（ID）9.525 mm；外径（OD）12.7 mm）插入顶部管支撑件，将一根15 mm长的塑料管（ID 9.525 mm；OD 12.7 mm）插入每个单元的底部管支撑件。然后，将一根40 mm长的塑料管（ID 6.35 mm；OD 9.525 mm）插入顶部管，将一根20 mm长的塑料管（ID 6.35 mm；OD 9.525 mm）插入底部管。确保管之间有足够的摩擦力以固定位置，但又不至于过大，使得内管在拉动时仍可上下滑动。若管子变形，可将管段浸入沸水中1分钟。在毛巾上将其拉直，待其 冷却至室温后再插入。
   5. 将两个低摩擦钕磁铁（直径10 mm；长度4 mm；持力2.22 kg）放入每个磁铁支架中。确保每对磁铁相互排斥。然后，将内管牢固地插入每个磁铁支架中，使磁铁和支架所受重力不足以使其从内管中脱落。
   6. 使两个直线导轨滑块朝同一方向滑入直线导轨中。将直线导轨和滑块垂直插入外侧垂直墙上的窗口中。确保滑块开口朝上。为固定一条直线导轨，使用两个短直线导轨支撑件、两个长直线导轨支撑件、四个10 mm长的铁螺丝（M5；0.8螺距；5 mm直径）、两个20 mm长的铁螺丝（M5；0.8螺距；5 mm直径）和两个六角螺母（M5；0.8螺距；5 mm直径）。图2C展示了直线导轨的完整组装。
      注意：直线导轨上的开槽仅在导轨滑块反复滑动导致导轨磨损时才应使用。若发生磨损，请从3D_Prints文件夹中3D打印一个小T形销。
4. 构建旋转臂。
   注意：第1.4.1和1.4.2小节等同于Attisano等人2015年方法论文¹³中的第1.2.2和1.2.3小节。
   1. 使用昆虫针在20 µL带滤芯移液器吸头的滤膜中心穿孔。然后将针推过吸头，直至针的钢制末端从吸头本体中伸出。确保吸头的滤膜将针固定到位。该针作为飞行磨具臂的旋转轴。
   2. 为最大化单元空间，将一段19号非磁性不锈钢注射管切割至24 cm长（比飞行单元宽度短1 cm）。用热熔胶将步骤1.4.1中突出的针和吸头帽固定在管子中点处。从管子一端距末端2 cm处弯折成95°角。
      注意：若优先考虑昆虫体型而非最大化单元空间，可为较小昆虫或弱飞行者缩短臂的半径。若移除中央丙烯酸墙，也可为较大昆虫或强飞行者组装更长的飞行臂。此外，臂的弯曲末端可支持不同角度，以便将昆虫置于其自然飞行姿态。
   3. 为测试其磁悬浮性能，将臂置于上部磁铁组之间。确保旋转臂能围绕垂直悬挂的针自由旋转。
   4. 在旋转臂的弯曲端粘贴两个低摩擦钕磁铁（直径3.05 mm；长度1.58 mm；持力0.23 kg），用于拴住经磁性涂料处理的昆虫进行飞行（带磁铁的飞行磨具臂质量为1.4 g）。在旋转臂的未弯曲端包裹一片铝箔（单位面积质量 = 0.01 g/cm²）以制成标志旗。铝箔旗作为配重，且因其高反射性，可有效阻断从红外传感器发射器发送至接收器的红外光束。
      ​注意：红外光束直径最大为2.4 mm，因此铝箔旗的最佳最小宽度为3 mm。宽度为3 mm的铝箔旗，若位置合适以阻断传感器发射镜头前方的红外光束，将在分析期间产生可检测的电压下降。
5. 设置红外传感器和数据记录仪。
   1. 将红外传感器发射器放入上部直线导轨滑块内，使光束发射端朝下。然后将红外传感器接收器放入下部滑块内，使其朝上。
      注意：传感器（20 mm长 × 10 mm宽 × 8 mm深）最大可分离250 mm距离仍能正常工作；因此，即使安装在约100 mm长的直线导轨两端也能正常运行。
   2. 在无焊面包板上，按照图4A所示电子电路，将红外传感器发射器和接收器与4通道模拟输入数据记录仪串联连接。先连接红外传感器发射器（非接收器）输入端，后接180 Ω电阻。在红外接收器输出端前再接入一个2.2 kΩ电阻。在面包板上沿不同行配置每个通道的电子电路，以最小化记录过程中多个传感器引起的电压信号噪声（图4B）。

2. 开展飞行试验

1. 将昆虫用磁力固定在飞行磨臂上。
   1. 为尽量减少对昆虫造成的应激，使用牙签或细尖精密点样器（20 G针头）将磁性涂料涂抹于昆虫前胸背板。静置晾干至少10分钟。待涂料完全干燥后，将昆虫固定于飞行磨臂的磁铁上。参见 图5 磁性涂覆与锚定的示例 不同大小的昆虫。本方案采用 Jadera haematoloma （无患子蝽）作为飞行束缚和试验实验的模式昆虫。
      注意：为了增强昆虫与臂磁铁之间的吸引力，可涂抹多层磁性涂料。此外，可根据昆虫的视野范围、质量及翅展，更换飞行磨臂末端所连接的磁铁尺寸。
   2. 果蝇 每次可在飞行磨装置中测试最多8只昆虫。为在单次记录过程中连续测试多只昆虫，需预先为至少16只昆虫进行标记处理。
   3. 测试完成后，使用精细镊子将磁性涂料剥离，并根据美国环境保护署（EPA）和职业安全与健康管理局（OSHA）的规定进行处置。
2. 使用 WinDAQ 的事件标记注释工具，连续记录多个昆虫，且在记录过程中不中断录制会话。
   1. 下载并安装免费的WinDAQ数据记录与回放软件。
   2. 创建一个名为 飞行脚本 在桌面上。创建五个新文件夹，其名称分别为以下确切名称： 飞行脚本 文件夹： 数据, 待拆分文件, 记录, 拆分文件，以及 标准化文件. 下载该文件 datasheet.xlsx (补充文件 1）并将文件拖入数据文件夹中 飞行脚本 目录
   3. 使用 datasheet.xlsx 作为手动数据记录模板。至少需要四列：昆虫的编号、昆虫在测试前是否死亡、记录组编号，以及由通道字母和通道编号组成的腔室（例如 'A-1'、'B-4'）。参考 图2A 一种可能的腔室构型。
   4. 打开 WinDAQ 仪表板，从复选框列表中选择数据记录仪，然后按“启动 Windaq 软件每个选定的数据记录仪将打开一个新窗口，并显示来自各传感器的输入信号。
   5. 通过点击定义采样频率 编辑 > 采样率在“每通道采样率”框中输入100样本/秒的采样频率，然后按下 好的.
      注意：本实验方案建议采样速率为 100 S/s，因为当速度为 1.7 m/s 时，由标志物阻断红外传感器光束所形成的波谷，其电压下降最小仍可达 0.36 V。与此同时，噪声的最大电压下降仅为 0.10 V，因此在标准化过程中仍可滤除噪声，而不会滤除真实的波谷信号。此外，100 S/s 的采样速率使用户在记录期间及记录后能够清晰地在屏幕上观察到波形中的波谷。若记录过程中出现错误，用户可快速将波谷与错误信号或噪声区分开来。参见 补充图2 用于比较多种低采样频率之间的差异。
   6. 要开始新的录制会话，请按下 文件 > 记录在第一个弹出窗口中选择录音文件的保存位置。仔细填写文件名。文件名中必须至少包含录音组编号和通道字母。Python 脚本中示例的文件名格式如下： T1_set006-2-24-2020-B.txt。参见 split_files.py 从 Flight_scripts 文件夹中的第 78-87 行获取更多详细信息，然后按 好的.
   7. 在下一个弹出窗口中，输入预期的飞行录制时长。按下 好的 当昆虫处于准备起飞的位置时。记录时间结束后，按下 Ctrl-S 完成文件操作。请勿按压 Ctrl-S 除非需要提前终止记录。
      注意：如果文件因输入而过早终止 Ctrl+S 或者，如果上述录制时间过短，可通过点击将新录制内容追加到现有文件中 文件 > 记录选择要追加到的文件，然后单击 是 在随后弹出的窗口中。
   8. 在记录过程中取出已测试的昆虫时，应在选定的腔室中为进入的昆虫插入一个带有注释的事件标记。务必手动记录进入昆虫的编号、腔室位置及记录组别。 datasheet.xlsx 在更换昆虫之前。
   9. 要添加事件标记注释，请单击通道编号，然后单击 编辑 > 插入注释标记. 使用进入腔室的新昆虫的编号来定义注释。按下 好的 将昆虫放入腔室中。
3. 可视化事件标记注释并将文件从 WDH 格式转换为 TXT 格式。
   1. 打开 WDH 文件。通过前往查看事件标记注释 编辑 > 压缩… 然后点击 最大值 按钮以将波形完全压缩至一个窗口中（图6A).
   2. 检查记录中是否存在任何异常。
      注意：记录过程中可能出现的异常或故障类型显示如下 图6这些问题将在后续通过 Python 脚本进行诊断和修正。
   3. 通过以下步骤将文件保存为 .txt 格式 文件 > 另存为. 选择记录文件夹内的 飞行脚本 将目录作为保存文件的位置。选择文件类型为 电子表格打印（CSV） 在弹出窗口中输入文件名并保存 .txt 最后点击 保存在随后弹出的窗口中，选择 采样率, 相对时间，以及 日期和时间类型 1 在……之间 通道编号 和 事件标记取消选择所有其他选项，然后单击 好的 保存文件。

3. 分析飞行数据

1. 根据事件标记注释拆分文件。
   1. 安装最新版本的 Python。本实验方案中的所有脚本均基于 Python 3.8.0 版本开发。
   2. 下载以下 Python 脚本： split_files.py, standardize_troughs.py，以及 flight_analysis.py (补充编码文件）。将脚本移入 飞行脚本 文件夹
   3. 确保 Python 已更新至最新版本，并安装以下库：csv、os、sys、re、datetime、time、numpy、math 和 matplotlib。要了解脚本的主要功能和数据结构，请参见示意图 补充图3.
   4. 打开 datasheet.xlsx 文件并另存为 CSV 通过更改文件格式为 CSV UTF-8（逗号分隔） 如果运行的是 Windows 系统或 Macintosh 逗号分隔 如果是运行 Mac 系统。
   5. 打开 split_files.py 使用所选的文字编辑器打开图标。若无特定偏好，可右键单击脚本图标，然后选择 使用 IDLE 打开.
   6. 如果用户输入的文件名与建议模板（“T1_set006-2-24-2020-B.txt”）不同，请重新编码第133-135行和第232-233行。重新编码方法如下 使用 split() 函数修改脚本以适应不同的文件名，参见第 116–131 行。
   7. 在第 266 行输入 Flight_scripts 文件夹的路径，然后运行脚本。成功运行后，脚本将在 Flight_scripts 目录下的 files2split 文件夹中生成包含已映射昆虫 ID 的中间 .txt 文件，并在 split_files 文件夹中为每段录音数据集中的每只测试昆虫生成对应的 .txt 文件。
      注意：此外，在 Python 命令行环境中，用户应能看到输出的文件名、在编号的事件标记处被交换的昆虫种类，以及按昆虫 ID 被分割并生成新文件的文件名。
2. 标准化并选择记录信号中的波谷。
   1. 打开 standardize_troughs.py 使用首选的文本编辑器打开脚本图标。若无特定偏好，可右键单击脚本图标，然后选择 使用 IDLE 打开.
   2. 在第158行输入采样频率。
   3. 在第159行输入Flight_scripts文件夹的路径，并运行该脚本。如果脚本成功运行，将在Flight_scripts目录下的standardized_files文件夹中生成文件。
      ​注意：所有文件名必须以“standardized_”开头，并以原始文件名结尾。
   4. 检查记录的质量： 打开 trough_diagnostic.png 由位于 standardize_troughs.py 中的程序生成 飞行脚本 文件夹。确保所有记录对均值标准化区间最小和最大电压值的变化具有鲁棒性。
      注意：如果记录中识别出的波谷数量大幅减少，则记录可能包含大量噪声或波谷过于敏感 当最小值和最大值偏差值增大时。也可对最小-最大归一化因子进行额外的诊断分析，并编码、执行和绘图。Attisano 等人 2015 年发表的方法论文中第 2.3.1 和 2.3.2 步描述了另一种评估记录质量的方法。¹³.
   5. 评估诊断功能，取消注释第198行，并指定最小和最大偏差值，这些值定义了围绕平均电压的最小和最大范围，用于对所有文件进行标准化处理。默认情况下，每个偏差值为0.1 V。
      ​注意：在第53行，用户还可以指定最小-最大归一化因子阈值，以识别远低于该阈值的电压。
   6. 输入偏差值后，注释掉第189行，然后运行脚本。该脚本将高效地对所有文件执行标准化处理（速度提高近25倍）。
3. 使用标准化文件分析飞行轨迹。
   1. 打开 flight_analysis.py 使用首选的文本编辑器打开脚本图标。若无特定偏好，可右键单击脚本图标，然后选择 使用 IDLE 打开.
   2. 在第76-78行中，修改可选的速度校正参数，以抑制昆虫停止飞行后研磨仪机械臂的额外旋转。在处理飞行速度较慢的昆虫时，应谨慎确定该阈值。
   3. 在第121行，调整速度阈值以校正错误的速度读数，例如极快的速度或负速度。在第130行，修改时间间隔值，以滤除两次连续不间断飞行片段之间的长时间间隔。
   4. 在第 350 行，输入保存 *.txt 标准化文件的文件夹路径。
   5. 在第353行输入试验中使用的臂半径长度，该参数定义了昆虫每旋转一圈所飞行的圆形路径。
   6. 在第 357 行和第 358 行中分别将距离和时间的国际单位制单位识别为字符串。
   7. 在第388-397行中，使用split()函数至少从文件名中提取昆虫的编号以及昆虫飞行所在的组号和腔室号。该脚本遵循示例文件名“standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt”的完整命名格式。如有必要，可按照步骤2.2.6中的建议简化此文件名，并在未使用时注释或删除第392行和第401行中诸如试验类型等变量。
   8. 指定所有用户设置，保存并运行脚本。若脚本运行成功，将在 Python Shell 中输出昆虫对应的 ID 编号、所在腔室及计算得到的飞行统计参数。此外，脚本将生成一个 flight_stats_summary.csv 文件，其中包含 Python Shell 中输出的全部信息，并将该 .csv 文件保存至 Flight_scripts 目录下的 data 文件夹中。

结果

飞行数据于2020年冬季通过实验获得，实验以在美国佛罗里达州野外采集的J. haematoloma作为模式昆虫（Bernat, A. V. 和 Cenzer, M. L.，2020，未发表数据）。代表性飞行试验在芝加哥大学生态与进化系进行，如下文图6、图7、图8和图9所示。飞行装置设置于人工气候箱内，环境条件设定为28 °C/27 °C（昼/夜）、相对湿度70%，光周期为14小时光照/10小时黑暗。每次试验中，WinDAQ软件以每百分之一秒一次的频率记录多个昆虫的飞行轨迹，最长持续24小时。在初步试验后，飞行行为被分为爆发式飞行和持续飞行两类：爆发式飞行者单次飞行时间少于10分钟且飞行不连续，而持续飞行者则能连续飞行10分钟或更长时间。在30分钟测试阶段内未表现出持续飞行行为的个体将被从飞行装置上移除，并更换为新的昆虫及其对应的编号，同时在事件标记注释中记录该操作。所有表现出持续飞行...

讨论

简单现代的飞行转盘为研究昆虫束缚飞行的研究人员提供了多种优势 通过提供一种可靠且自动化的设计，高效、低成本地测试多种昆虫^13,31,35同样，研究人员有强烈的动机采用 来自工业界及其他科学领域的快速发展的技术与方法，作为构建用于研究生态系统的实验工具的手段^9,32,33本方案利用两种快速兴起的技术——3D打印机和激光切割机，这些设备在公共创客空间中正变得越来越普及，旨在改进简易的现代飞行磨装置。这些改进提供了一种更灵活、可调节且可折叠的设计，能够适应不同体型的昆虫，减少对昆虫造成的应激，并便于将飞行磨运输至多个地点或不同环境。此外，使用这些技术所带来的额外成本极低，甚至完全免费。然而，若缺乏使用矢量图形编辑软件和3D图像软件的熟练技能，尝试这些技术...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
180 Ω 电阻器	E-Projects	10EP514180R	碳膜；24号硬质引线。
19号非磁性皮下注射钢制管材	MicroGroup	304H19RW
2.2 kΩ 电阻器	Adafruit	2782	碳膜；24号硬质引线。
3D打印机	FlashForge	700355100638
3D打印耗材线材	FlashForge	700355100638	直径1.75 mm；每卷1 kg。
3D打印切片软件	FlashPrint	4.4.0
亚克力塑料板	Blick Art Supplies	28945-1006
铝箔	Target	253-01-0860
面包板电源	HandsOn Tech	MDU1025	可接受6.5 V至12 V输入，可输出3.3 V和5 V。
DI-1100 USB数据记录仪	DATAQ Instruments	DI-1100	具有4个差分铠装模拟输入端口。
电线	Striveday	B077HWS5XV	24号实心导线。
昆虫针	BioQuip	1208S2	2号；直径0.45 mm。
带滤芯20 µL移液器吸头	Fisher Scientific	21-402-550
热熔胶枪及热熔胶	Joann Fabrics	17366956
红外传感器	Adafruit	2167	此为 3 mm红外 版本；工作距离可达25 cm。
大尺寸透明乙烯基管	Home Depot	T10007008	内径3/8英寸；外径1/2英寸；长度20英尺。
大磁铁	Bunting	EP654	低摩擦N42钕磁铁；直径0.394英寸；长度0.157英寸；吸附力4.9磅。
激光切割机	Universal Laser Systems	PLS6.75
M5六角螺母	Home Depot	204274112	螺距0.8 mm；螺钉长度20 mm；直径5 mm。
M5长铁螺钉	Home Depot	204283784	十字盘头；螺距0.8 mm；螺钉长度20 mm；直径5 mm。
M5短铁螺钉	Home Depot	203540129	十字盘头；螺距0.8 mm；螺钉长度10 mm；直径5 mm。
氯丁橡胶板	Grainger	60DC16	长12英寸；宽12英寸；厚1/8英寸。
在线3D建模软件	Autodesk	2019_10_14	Tinkercad.com提供免费账户。
电源适配器	Adafruit	63	9 VDC 1000 mA稳压开关电源；输入电压DC 3.3 V、5 V。
小尺寸透明乙烯基管	Home Depot	T10007005	内径1/4英寸；外径3/8英寸；长度20英尺。
小磁铁	Bunting	N42P120060	低摩擦N42钕磁铁；直径0.120英寸；长度0.060英寸；吸附力0.5磅。
无焊MB-102面包板	Adafruit	239	830个连接点；长17 cm；宽5.5 cm；输入电压DC 3.3 V、5 V。
高级饰面铁金属底漆	Blick Art Supplies	27105-2584
电线剪	Target	84-031W