Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Opbygning af en forbedret flight mill til undersøgelse af tøjret insektflyvning

Published: March 10, 2021 doi: 10.3791/62171
Automatic Translation
1
1Department of Ecology and Evolution, University of Chicago

Summary

Denne protokol bruger tredimensionelle (3D) printere og laserskærere, der findes i makerspaces, for at skabe et mere fleksibelt flymølledesign. Ved at bruge denne teknologi kan forskere reducere omkostningerne, forbedre designfleksibiliteten og generere reproducerbart arbejde, når de konstruerer deres flyvemøller til tøjrede insektflyvningsundersøgelser.

Abstract

Makerspaces har et stort potentiale for at sætte forskere i stand til at udvikle nye teknikker og til at arbejde med nye arter i økologisk forskning. Denne protokol viser, hvordan man kan drage fordel af den teknologi, der findes i makerspaces for at opbygge en mere alsidig flyvemølle til en relativt lav pris. I betragtning af at denne undersøgelse udvundet sin prototype fra flight mills bygget i det sidste årti, denne protokol fokuserer mere på at skitsere forskelle fra den enkle, moderne flyvning mølle. Tidligere undersøgelser har allerede vist, hvor fordelagtige flyvemøller er at måle flyveparametre som hastighed, afstand eller periodicitet. Sådanne møller har gjort det muligt for forskere at forbinde disse parametre med morfologiske, fysiologiske eller genetiske faktorer. Ud over disse fordele diskuterer denne undersøgelse fordelene ved at bruge teknologien i makerspaces, som 3D-printere og laserskærere, for at opbygge et mere fleksibelt, robust og sammenklappeligt flymølledesign. Mest bemærkelsesværdigt er det, at de 3D-printede komponenter i dette design giver brugeren mulighed for at teste insekter i forskellige størrelser ved at gøre højderne på møllearmen og infrarøde (IR) sensorer justerbare. 3D-udskrifterne gør det også muligt for brugeren nemt at adskille maskinen for hurtig opbevaring eller transport til marken. Desuden gør denne undersøgelse større brug af magneter og magnetisk maling til at binde insekter med minimal stress. Endelig beskriver denne protokol en alsidig analyse af flydata via computerscripts, der effektivt adskiller og analyserer differentiable flyveforsøg inden for en enkelt optagelse. Selvom mere arbejdskrævende, anvende de værktøjer, der er tilgængelige i makerspaces og på online 3D modellering programmer letter tværfaglige og proces-orienterede praksis og hjælper forskerne undgå dyre, premade produkter med snævert justerbare dimensioner. Ved at drage fordel af fleksibiliteten og reproducerbarheden af teknologi i makerspaces, denne protokol fremmer kreative flight mill design og inspirerer åben videnskab.

Introduction

I betragtning af hvor uhåndterlig spredningen af insekter er i marken, er flyvemøllen blevet et almindeligt laboratorieværktøj til at løse et vigtigt økologisk fænomen - hvordan insekter bevæger sig. Som følge heraf har der siden pionererne inden for flyvemøllen1,2,3,4 indvarslet seks årtiers flyvemølledesign og konstruktion været mærkbare designskift, efterhånden som teknologierne blev forbedret og blev mere integreret i videnskabelige samfund. Over tid erstattede automatiseret dataindsamlingssoftware kortoptagere, og flyvemøllearme skiftede fra glasstænger til kulstofstænger og stålrør5. Alene i det sidste årti har magnetiske lejer erstattet Teflon- eller glaslejer som optimalt friktionsfri, og par mellem flyvemøllemaskiner og alsidig teknologi er blevet spredt, efterhånden som lyd-, visuel og lagfremstillingsteknologi bliver mere og mere integreret i forskernes arbejdsgange. Disse parringer har inkluderet højhastighedsvideokameraer til måling af vinge aerodynamik6, digital-til-analoge brædder for at efterligne sensoriske signaler til undersøgelse af auditive flyresponser7og 3D-udskrivning for at lave en kalibreringsplatform til at spore vingedeformation under flyvning8. Med den seneste stigning i nye teknologier på makerspaces, især på institutioner med digitale mediecentre, der drives af kyndige medarbejdere9, er der større muligheder for at forbedre flyvemøllen for at teste et større udvalg af insekter og transportere enheden til marken. Der er også et stort potentiale for forskere til at krydse disciplinære grænser og fremskynde teknisk læring gennem produktionsbaseret arbejde9,10,11,12. Den flyvemølle, der præsenteres her (tilpasset fra Attisano og kolleger13) udnytter nye teknologier, der findes i makerspaces til ikke kun 1) skabe flight mill komponenter, hvis skalaer og dimensioner er finjusteret til projektet ved hånden, men også 2) tilbyde forskerne en tilgængelig protokol i laserskæring og 3D-print uden at kræve et højt budget eller nogen specialiseret viden i computer-aided design (CAD).

Fordelene ved at koble nye teknologier og metoder sammen med flyvemøllen er betydelige, men flyvemøller er også værdifulde enkeltstående maskiner. Flyvemøller måler insektflyvningens ydeevne og bruges til at bestemme, hvordan flyvehastighed, afstand eller periodicitet relaterer til miljømæssige eller økologiske faktorer, såsom temperatur, relativ luftfugtighed, sæson, værtsplante, kropsmasse, morfologiske træk, alder og reproduktiv aktivitet. Adskiller sig fra alternative metoder som actographs, løbebånd, og videooptagelse af flyvning bevægelse i vindtunneler og indendørs arenaer14, flyvningen møllen er bemærkelsesværdig for sin evne til at indsamle forskellige flyvning ydeevne statistikker under laboratorieforhold. Dette hjælper økologer med at løse vigtige spørgsmål om flyvespredning, og det hjælper dem med at udvikle sig i deres disciplin - uanset om det er integreret skadedyrsbekæmpelse15,16,17, befolkningsdynamik, genetik, biogeografi, livshistoriske strategier18eller fænotypisk plasticitet19,20,21,22 . På den anden side kan enheder som højhastighedskameraer og actografer kræve en streng, kompliceret og dyr opsætning, men de kan også føre til mere finjusterede bevægelsesparametre, såsom vingeslagfrekvenser og insektfotofaseaktivitet23,24. Således tjener den flymølle, der præsenteres her, som en fleksibel, overkommelig og tilpasselig mulighed for forskere at undersøge flyadfærd.

Ligeledes fortsætter incitamentet til at integrere nye teknologier i økologernes arbejdsgange med at stige i takt med, at spørgsmål og tilgange til at studere spredning bliver mere kreative og komplekse. Som steder, der fremmer innovation, makerspaces trække i flere niveauer af ekspertise og tilbyde en lav indlæringskurve for brugere i alle aldre til at erhverve nye tekniske færdigheder10,12. Den iterative og kollaborative karakter af prototyper videnskabelige enheder i makerspace og gennem online åbne kilder kan fremskynde anvendelsen af teori11 og lette produktudvikling i de økologiske videnskaber. Desuden vil en forøgelse af reproducerbarheden af videnskabelige værktøjer tilskynde til bredere dataindsamling og åben videnskab. Dette kan hjælpe forskere med at standardisere udstyr eller metoder til måling af spredning. Standardiseringsværktøjer kan yderligere gøre det muligt for økologer at forene spredningsdata på tværs af populationer for at teste metapopulationsmodeller, der udvikler sig fra spredningskerner25 eller kilde-sink koloniseringsdynamik26. Meget gerne, hvordan det medicinske samfund vedtager 3D-print til patientpleje og anatomi uddannelse27, økologer kan bruge laser kuttere og 3D-printere til at redesigne økologiske værktøjer og uddannelse, og inden for rammerne af denne undersøgelse, kan designe yderligere flight mill komponenter, såsom landing platforme eller en flyvning mølle arm, der kan bevæge sig lodret. Til gengæld kan tilpasning, omkostningseffektivitet og øget produktivitet, der tilbydes af makerspace-teknologi, hjælpe med at starte spredningsprojekter med en relativt lav barriere for forskere, der har til hensigt at udvikle deres egne værktøjer og enheder.

For at konstruere denne flyvemølle er der også mekaniske og instrumentale begrænsninger, der kan overvejes af producenten. Magneter og 3D-printede ekstraudstyr gør det muligt for flyvemøllen at være stort set limfri, bortset fra konstruktionen af krydsbeslagene og at være accommodable for insekter af forskellige størrelser. Men efterhånden som insektmassen og styrken af insekter øges, kan insekter være mere tilbøjelige til at afmontere sig selv, mens de er bundet. Stærke magneter kan bruges på bekostning af øget torsionstræk, eller kuglelejer kan erstatte magnetiske lejer som en robust løsning til flyveprøvning af insekter, der vejer flere gram28,29. Ikke desto mindre kan kuglelejer også give nogle problemer, hovedsagelig at løbende eksperimenter med høje hastigheder og høje temperaturer kan forringe smøringen af kuglelejer, hvilket øger friktion30. Således vil brugerne nødt til at skelne, hvilke flight mill mekanikere ville bedst passer til deres insekt (r) af undersøgelse og eksperimentelle design.

På samme måde er der flere måder at instrument en flyvemølle, der er ud over dette papirs overvejelser. Den flyvemølle, der præsenteres her, bruger IR-sensorer til at registrere omdrejninger, WinDAQ-software til at registrere omdrejninger og programmeringsscripts til behandling af de rå data. Selvom det er nemt at bruge, har WinDAQ-softwaren et begrænset udvalg af tilgængelige værktøjer. Brugerne kan ikke vedhæfte kommentarer til deres tilsvarende kanal, og de kan ikke advares, hvis en komponent i kredsløbet mislykkes. Disse sager løses ved at registrere og korrigere dem gennem kode, men først efter dataindsamling. Alternativt kan brugerne vedtage mere end én software, der tilbyder tilpassede dataindsamlingsfunktioner28 eller sensorer, der tager direkte hastigheds- og afstandsstatistik, som cykelmilometer29. Disse alternativer kan dog omgå værdifulde rådata eller diffus funktionalitet på tværs af for mange softwareapplikationer, hvilket kan gøre databehandling ineffektiv. I sidste ende, i stedet for refashioning flight mill instrumentering, denne protokol tilbyder robuste programmeringsløsninger til nutidens software begrænsninger.

I dette papir, et design for en forbedret simpel flyvning mølle er beskrevet for at hjælpe forskerne i deres spredning undersøgelser og til at fremme inkorporering af nye teknologier inden for adfærdsmæssige økologi. Denne flyvemølle passer ind under en inkubators begrænsninger, rummer op til otte insekter samtidigt og automatiserer dataindsamling og -behandling. Især giver dens 3D-printede forbedringer brugeren mulighed for at justere møllearmen og IR-sensorhøjderne for at teste insekter i forskellige størrelser og adskille enheden for hurtig opbevaring eller transport. Takket være institutionel adgang til et fælles makerspace var alle forbedringer gratis, og der blev ikke påløbet ekstra omkostninger i forhold til den enkle, moderne flymølle. Al nødvendig software er gratis, det elektroniske kredsløb er enkelt, og alle scripts kan ændres for at følge de specifikke behov i det eksperimentelle design. Desuden giver kodet diagnostik brugeren mulighed for at kontrollere integriteten og præcisionen af deres optagelser. Endelig minimerer denne protokol stresset, som et insekt har lidt ved magnetisk maling og tøjring af insekter til møllearmen. Med samlingen af den enkle flyvemølle, der allerede er tilgængelig, overkommelig og fleksibel, kan brugen af makerspace-teknologier til at forbedre den enkle flyvemølle give forskerne plads til at overvinde deres egne specifikke flyveundersøgelsesbehov og kan inspirere kreative flymølledesign ud over dette papirs overvejelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Byg flight mill i et Makerspace

  1. Laser skære og samle akryl plast støtte struktur.
    1. Brug 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) tykke gennemsigtige akrylplader til at konstruere akrylplaststøttestrukturen. Sørg for, at materialet ikke er polycarbonat, som ligner akryl, men vil smelte i stedet for at blive skåret under laseren.
    2. Find laserskæreren i makerspace. Denne protokol forudsætter, at makerspace har en laserskærer som refereret i materialetabellen. For andre laserskærere skal du læse indstillingerne for laserskæreren for at bestemme, hvilken linjefarve eller tykkelse der er nødvendig for at indstille fillinjerne til laserskæring eller indgraveret (ikke skal rasteres).
    3. Åbn Adobe Illustrator, Inkscape (gratis) eller en anden vektorgrafikeditor. Forbered en fil, der læser akryl støtte design i et vektorformat med de ovennævnte linjer vist i figur 1. Opret fillinjer i Adobe Illustrator i RGB-tilstand (Red, Green og Blue) med et stregstrøg på 0,0001 point, hvor RGB Red (255, 0, 0) klipper linjer og RGB Blue (0, 0, 255) ætser linjer.
    4. For en sikkerheds skyld skal du teste og tage højde for kantsten for alle slids- og hulmålinger. Design og test af kerf-tasten (supplerende figur 1).
      BEMÆRK: Kerf bredde kan variere baseret på strålebredden af laserskæreren, bredden af materialet, og den anvendte materialetype.
    5. Gem akrylunderstøttedesign og kerf-taste som læsbare filtyper .svg .dxf, .ai f.eks. Hvis du vil sende jobbet til laserskæreren, skal du udskrive filen på laserskærerens lokale maskine og derefter åbne lasersoftwaren.
      BEMÆRK: Hvis de udskrives korrekt, vises alle vektorskæringslinjerne i designet med de relevante tilsvarende farver i lasersoftwarens kontrolpanel.
    6. Vælg materialet som plast og derefter materialetypen som akryl. For ekstra præcision måles materialetykkelsen med en kaliber og indtast dens tykkelse i materialetykkelsesfeltet. Aktiver automatisk Z-aksen i materialets omdrejningspunkt. Angiv figurtypen til Ingen, og lad intensiteten være på 0 %. Hvis du vil ændre eventuelle avancerede målinger på laserskæreren, f.eks.
      BEMÆRK: Tommelfingerreglen er, at jo tykkere materialet er, så jo mere strøm kræves ved en lavere hastighed.
    7. Før du skærer, skal du følge makerspace's retningslinjer for at tænde, bruge og vedligeholde laserskæreren. Placer materialerne i printerhulen og skær akrylstøtterne.
      BEMÆRK: For at undgå mulige øjenskader må du ikke se på laseren eller efterlade et akrylark uden opsyn under skæring.
    8. Rengør overskydende materiale ud af printerhulen, og saml støttestrukturen. Samling ved at indsætte hver horisonthylde i de åbne slidser på de udvendige lodrette vægge og den centrale lodrette væg som betegnet i figur 2A. Sørg for, at hullerne mellem de vandrette hylder er justeret.
  2. 3D print plaststøtterne.
    1. Åbn en webbrowser, og opret en konto på et online 3D-modelleringsprogram. Se materialetabellen for at få en gratis kontoindstilling.
    2. Klik på 3D Designs > Opret et nyt design. Hvis du vil replikere denne undersøgelses nøjagtige 3D-printede design som set i figur 3, skal du hente arkivet 3D_Prints.zip (Supplerende 3D-udskrifter) og flytte mappen til skrivebordet. Lyn ud, og åbn mappen. Klik på Importer i øverste højre hjørne på websiden online 3D-modelleringsprogram, og vælg .stl-filen(e).
      BEMÆRK: Flere design replikerer eller objekter kan udfylde arbejdsfly og gemmes som en enkelt .stl-fil, så længe brugeren fastholder objekterne inden for grænserne af 3D-printerens buildområde. Det største objekt, en 3D-printer kan udskrive, er 140 mm længde x 140 mm bredde x 140 mm dybde. Du må dog ikke rotere objekterne langs deres z-akse som et middel til at maksimere antallet af objekter på et buildområde. Det skyldes, at de downloadede objekter er blevet placeret for at minimere udhæng, og så de kan udskrives optimalt med de minimale nødvendige understøtninger.
    3. Hvis du vil oprette eller foretage justeringer af designene, skal du følge webstedets selvstudier, foretage ændringer og derefter eksportere de nye designs som .stl-filer. I alt er 8 lineære styreskinner (100,05 mm længde x 23,50 mm bredde x 7,00 mm dybde), 16 lineære styreskinneblokke (22,08 mm længde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm længde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm længde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 12,08 mm 12 til 20 skruer (9,00 mm længde x 7,60 mm bredde x 13,00 mm dybde), 15 tværbeslag (50,00 mm længde x 50,00 mm bredde x 20,00 mm dybde) 16 magnetholdere (12,75 mm længde x 12,50 mm bredde x 15,75 mm dybde), 16 rørstøtter (29,22 mm længde x 29,19 mm bredde x 11,00 mm dybde), 16 korte lineære styreskinnestøtter (40,00 mm længde x 11,00 mm bredde x 13,00 mm dybde), og 16 lange lineære styreskinnestøtter (40,00 mm længde x 16,00 mm bredde x 13,00 mm dybde) skal 3D-printes. Hvis du vil have spejlet af hvert lineært styreskinnedesign, skal du klikke på objektet, trykke på Mog vælge den pil, der svarer til objektets bredde.
      BEMÆRK: Se trin 1.3.6. for at få flere oplysninger om de lineære styreskinnepløkker.
    4. Hent og installer en 3D-udskrivningsudskæringssoftware for at konvertere .stl-filer til en 3D-printerlæsbar .gx-fil. Se materialetabellen for at downloade det gratis softwareprogram.
      BEMÆRK: Andre konverteringssoftwareprogrammer er acceptable, men denne protokol antager, at makerspace bruger 3D-printeren og udskriver udskæringssoftware som nævnt i materialetabellen.
    5. Dobbeltklik på ikonet for 3D-printskæringssoftwaren for at starte softwaren. Klik på Udskriv > computertype, og vælg den 3D-printer, der er placeret i makerspace.
    6. Klik på ikonet Indlæs for at indlæse en .stl-modelfil og få vist objektet på buildområdet.
    7. Marker objektet, og dobbeltklik på ikonet Flyt. Klik på På platform for at sikre, at modellen er på platformen. Klik på Centrer for at placere objektet i midten af buildområdet, eller træk objektet med musemarkøren for at placere objektet på buildområdet.
    8. Klik på ikonet Udskriv. Kontroller, at materialetype er indstillet til PLA, understøtter og tømmerflåde er aktiveret, Opløsning er indstillet til Standard, og temperaturen på ekstruderen svarer til den temperatur, der foreslås i 3D-printerguiden. Temperaturen kan ændres inden for flere muligheder >> temperatur.
    9. Tryk på OK, og gem .gx-filen i mappen 3D_Prints eller på en USB-stick, hvis filen ikke kan overføres til 3D-printeren via et USB-kabel.
    10. Find et makerspaces 3D-printmaskine. Kalibrer ekstruderen, og sørg for, at der er tilstrækkelig glødetråd til udskrivning. Overfør .gx-filen til 3D-printeren, og udskriv alle typer og mængder plastikstøtter og -forbedringer. For hvert tryk skal du kontrollere, at glødetråden klæber korrekt til pladen.
  3. Saml 3D-udskrifter på akrylstøttestrukturen.
    1. Hvis du vil visualisere alle de på plads, skal du se Figur 2B.
    2. Varm lim de 3.175 mm tykke neoprenplader på tværbeslagets indvendige vægge. Når det er tørt, skal du indsætte tværbeslagene ved krydsene af akrylhylderne og væggene bag på enheden for at stabilisere flyvemøllen.
    3. Brug så vidt muligt 3D-printede skruer for at minimere jernskruernes magnetiske indflydelse. Skru rørets understøtninger på bunden og toppen af hver celle. Sørg for, at top- og bundrørets understøtninger er justeret.
    4. Et 30 mm langt plastrør (indvendig diameter (ID) 9,525 mm; ydre diameter (OD) 12,7 mm) i den øverste rørstøtte og et 15 mm langt plastrør (ID 9.525 mm; OD 12,7 mm) ind i bundrørets støtte i hver celle. Derefter indsættes et 40 mm langt plastrør (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) ind i det øverste rør og et 20 mm langt plastrør (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) ind i bundrøret. Sørg for, at der er stærk nok friktion mellem rørene til at holde rørene på plads, men ikke for meget, at det indre rør stadig kan glide op og ned, hvis trukket på. Hvis rør er skæve, nedsænke segmenter af rørene i 1 min i kogende vand. Ret rørene ud på et håndklæde, lad dem nå stuetemperatur og derefter indsætte rørene.
    5. Anbring de to nynymmagneter med lav friktion (10 mm diameter, 4 mm længde; 2,22 kg holdekraft) i hver magnetstøtte. Sørg for, at hvert par magneter afviser hinanden. Derefter fast indgive et indre rør i hver magnet støtte, således at tyngdekraften handler på magneter og magnet støtte er ikke stærk nok til at løsne støtten fra det indre rør.
    6. I samme retning skal du skubbe to lineære styreskinneblokke ind i den lineære styreskinne. Lodge den lineære guide skinner og blokke oprejst ind i vinduerne på de ydre lodrette vægge. Sørg for, at blokåbningerne vender opad. For at sikre en lineær styreskinne på plads skal du bruge to korte lineære styreskinnestøtter, to lange lineære styreskinnestøtter, fire 10 mm lange jernskruer (M5; 0,8 gevindhøjde, 5 mm diameter), to 20 mm lange jernskruer (M5; 0,8 gevindhøjde; 5 mm diameter) og to hexmøtrikker (M5; 0,8 gevindhøjde; 5 mm diameter). Figur 2C viser den lineære styreskinnes fulde samling.
      BEMÆRK: Åbne åbningsåbninger i den lineære styreskinne er beregnet til at blive brugt, hvis og kun hvis den lineære styreskinne bliver udhulet af den gentagne glidende af dens blok. Hvis det er tilfældet, skal du trykke 3D-printe en lille T-formet pind, der findes i mappen 3D_Prints.
  4. Konstruer den drejelige arm.
    BEMÆRK: Underafsnit 1.4.1 og 1.4.2 svarer til underafsnit 1.2.2. og 1.2.3. i Attisano et al. 2015 metoder papir13.
    1. Punkter filteret af en 20 μL filtreret pipettespids i midtpunktet ved hjælp af en entomologisk pin. Skub derefter stiften gennem pipettespidsen, indtil ståldelene af stiften stikker ud fra pipettespidsens krop. Sørg for, at pipettespidsens filter sikrer stiften på plads. Stiften fungerer som aksen af flyvemøllen arm.
    2. For at maksimere cellepladsen skal du skære en 19 G ikke-magnetisk hypodermisk stålrør til en længde på 24 cm (1 cm mindre end bredden af en flyvecelle). Varm lim den fremspringende pin og kronen af pipettespidsen fra trin 1.4.1. til slangen midtpunktet. Bøj den ene ende af slangen ved 2 cm fra slutningen til en vinkel på 95°.
      BEMÆRK: For at prioritere insektstørrelse i stedet for at maksimere cellerummet skal du forkorte armens radius for mindre insekter eller svage flyers. En længere flyvearm kan også samles, hvis den midterste akrylvæg fjernes for større insekter eller stærke flyers. Desuden kan den bøjede ende af armen støtte forskellige vinkler for at placere insektet i sin naturlige flyveorientering.
    3. For at teste den magnetiske affjedring skal du placere armen mellem det øverste sæt magneter. Sørg for, at den roterende arm drejer frit rundt om den lodret ophængte pin.
    4. Lim de to lavfriktions neodymmagneter (3,05 mm diameter, 1,58 mm længde; 0,23 kg holdekraft) på den bøjede ende af drejearmen for at binde det magnetisk malede insekt til flyvning (masse af flyvemøllearm med magneter = 1,4 g). På den unbent ende af pivot arm, wrap et stykke aluminiumsfolie (masse pr område = 0,01 g/cm2) for at skabe et flag. Folieflaget fungerer som modvægt, og på grund af dets meget reflekterende egenskaber bryder det optimalt den infrarøde stråle, der sendes fra IR-sensortransmitteren til modtageren.
      BEMÆRK: Diameteren af IR-strålen er højst 2,4 mm, så den optimale minimumsbredde af folieflaget er 3 mm. En folie flag bredde på 3 mm og placeret til at bryde strålen af IR lys foran sensorens udleder linse vil producere et fald i spænding, der kan påvises under analyser.
  5. Konfigurer den infrarøde sensor og dataloggeren.
    1. Placer den infrarøde sensortransmitter inde i den øverste lineære styreskinneblok med udlederen af strålen nedad. Placer derefter den infrarøde sensormodtager inde i den nederste blok, der vender opad.
      BEMÆRK: Sensorerne (20 mm længde x 10 mm bredde x 8 mm dybde) kan adskilles op til en afstand på 250 mm og stadig fungere; derfor vil de fungere, selv når de er placeret i enderne af den ca. 100 mm lineære styreskinne.
    2. På et loddeløst brødbræt skal du forbinde IR-sensortransmitteren og modtageren i serie med 4-kanals analoge inputdatalogger, som vist i det elektroniske kredsløb i figur 4A. Tilslut den infrarøde sensortransmitter (ikke modtageren) input først efter 180 Ω modstand. Placer en anden 2,2 kΩ modstand før udgangen af IR-modtageren forbindelse. Konfigurer hver kanals elektroniske kredsløb i alternative rækker langs brødbrættet for at minimere støj i spændingssignalet fra flere sensorer under optagelsen (Figur 4B).

2. Gennemføre flyveforsøg

  1. Magnetisk binde insekter til flyvningen mølle arm.
    1. For at minimere stress placeret på insektet skal du anvende magnetisk maling på insektets pronotum ved hjælp af enten en tandstikker eller en finline præcisionsapplikator (20 G tip). Lad malingen tørre i mindst 10 min. Når det er tørt, fastgør insektet til flyvemøllens armmagneter. Se figur 5 for eksempler på magnetisk maling og tøjring af insekter i forskellige størrelser. Denne protokol bruger Jadera hæmatoloma (sæbebær bug) som model insekt for flyvning tøjring og forsøg eksperimenter.
      BEMÆRK: For en stærkere tiltrækning mellem insektet og armmagneterne skal du anvende flere lag magnetisk maling. Derudover skal du udskifte magneterne, der er fastgjort til enden af flyvemøllearmen, til magnetstørrelser, der bedst passer til insekternes syns-, masse- og vingeområde.
    2. Flyv op til 8 insekter ad gangen i flyvemøllen. Maling prep mindst 16 insekter for at teste flere insekter sekventielt under en enkelt optagelse session.
    3. For at fjerne den magnetiske maling efter test, chip off malingen med fine sammenkværn og bortskaffe det i henhold til Environmental Protection Agency (EPA) og Occupational Safety and Health Administration (OSHA) regler.
  2. Optag flere insekter sekventielt uden at afslutte en optagelsessession ved hjælp af WinDAQ's hændelsesmarkørkommentarværktøj.
    1. Download og installer den gratis WinDAQ-dataoptagelses- og afspilningssoftware.
    2. Opret en ny mappe med titlen Flight_scripts på skrivebordet. Opret fem nye mapper med følgende nøjagtige navne i mappen Flight_scripts: data, files2split, recordings, split_filesog standardized_files. Hent dataarket.xlsx (Supplerende fil 1), og træk filen til datamappen i mappen Flight_scripts.
    3. Brug dataarket.xlsx som en manuel dataregistreringsskabelon. Der er behov for mindst fire kolonner: fejlens identifikationsnummer, om fejlen døde, før den blev testet, registreringssættets nummer og kammeret, der bestod af kanalbogstavet og kanalnummeret (f.eks. 'A-1', 'B-4'). Der henvises til figur 2A for én mulig kammerkonfiguration.
    4. Åbn WinDAQ Dashboard, vælg dataloggerne på afkrydsningsfeltlisten, og tryk på 'Start Windaq Software'. Der åbnes et nyt vindue for hver valgte datalogger, og indgangssignalet fra hver sensor vises.
    5. Definer en samplingfrekvens ved at klikke på Rediger > eksempelhastighed. Skriv en prøveudtagningsfrekvens på 100 prøver/sekund i feltet Prøvehastighed/kanal, og tryk på OK.
      BEMÆRK: Denne protokol foreslår 100 S / s, fordi trug, som er fald i spænding som følge af flaget afbryde IR sensor stråle, vil stadig nå et minimum fald i spænding på 0,36 V for hastigheder på 1,7 m / s. Til gengæld kan støj, som har et maksimalt fald i spænding på 0,10 V, stadig filtreres under standardiseringer uden at filtrere reelle trug. Derudover gør en prøvehastighed på 100 S/s det nemt for brugeren at se trugene på bølgeformen på skærmen under og efter optagelsen. Hvis der opstår fejl under optagelsen, kan brugeren hurtigt skelne trug fra fejl eller støj. Se supplerende figur 2 for sammenligninger mellem flere lave prøveudtagningsfrekvenser.
    6. Tryk på Filer > Optagefor at starte en ny optagelsessession. Vælg placeringen af optagelsesfilen i det første pop op-vindue. Skriv filnavnet omhyggeligt. Filer skal have mindst følgende i deres navne: registreringen sætnummer og kanalbogstav. Et eksempel på et filnavn, der er modelleret i Python-scripts, er følgende: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Se split_files.py linje 78-87 fra mappen Flight_scripts for at få yderligere oplysninger. Tryk derefter på OK.
    7. I det næste pop op-vindue skal du indtaste den forventede længde af flyoptagelsen. Tryk på OK, når insekterne er i stand til at begynde flyvningen. Når optagetiden er udløbet, skal du trykke på Ctrl-S for at færdiggøre filen. Tryk ikke på Ctrl-S, medmindre der er behov for at afslutte optagelsen tidligt.
      BEMÆRK: Hvis filen afsluttes for tidligt enten ved at skrive Ctrl+S, eller hvis ovennævnte tidsrum var for kort, skal du føje en ny optagelse til en eksisterende fil ved at klikke på Filer > Record. Vælg den fil, der skal føjes til, og klik på Ja i følgende pop op-vindue.
    8. Når du trækker testede insekter ud under optagelsen, skal du indsætte en kommenteret hændelsesmarkør for det indkommende insekt på det valgte kammer. Registrer altid id'et, kammeret og registreringssættet for det indkommende insekt manuelt i dataark.xlsx før du bytter insekter.
    9. Hvis du vil kommentere et hændelsesmærke, skal du klikke på kanalnummeret. Klik derefter på Rediger > Indsæt kommenteret mærke. Definer kommentaren med identifikationsnummeret på det nye insekt, der kommer ind i kammeret. Tryk på OK og læg insektet ind i kammeret.
  3. Visualiser hændelsesmærkekommentarer, og konverter filen fra WDH til TXT.
    1. Åbn en WDH-fil. Visualiser hændelsesmærkekommentarer ved at gå til Edit > Compression... og klik derefter på knappen Maksimum for at komprimere bølgeformen helt i ét vindue (Figur 6A).
    2. Kontroller, om der er abnormiteter i optagelsen.
      BEMÆRK: Typerne af abnormiteter eller fejl i optagelsen vises i figur 6. Disse diagnosticeres senere og korrigeres i Python-scripts.
    3. Gem filen i et .txt format ved at gå til > Gem som. Vælg mappen optagelser i Flight_scripts mappe som den placering, hvor filen skal gemmes. Vælg filtypen som CSV(Spreadsheet print) i pop op-vinduet, og skriv filnavnet med .txt i slutningen. Klik på Gem. Vælg Eksempelhastighed, Relativ tidog Dato og klokkeslæti følgende pop op-vindue . Skriv 1 mellem Kanalnummer og Hændelsesmærker. Fjern markeringen af alle andre indstillinger, og klik på OK for at gemme filen.

3. Analyser flydata

  1. Opdel filer efter hændelsesmærkekommentarer.
    1. Installer den nyeste version af Python. Alle scripts i denne protokol blev udviklet på Python version 3.8.0.
    2. Hent følgende Python-scripts: split_files.py, standardize_troughs.pyog flight_analysis.py (Supplerende kodningsfiler). Flyt scripts til Flight_scripts mappe.
    3. Sørg for, at Python er opdateret, og installer følgende biblioteker: csv, os, sys, re, datetime, tid, numpy, math og matplotlib. Hvis du vil observere de vigtigste funktioner og datastrukturer i scripts, skal du se skemaet i supplerende figur 3.
    4. Åbn dataarket.xlsx fil og gem som en CSV ved at ændre filformatet til CSV UTF-8 (Komma afgrænset), hvis du kører Windows eller Macintosh Comma Separated, hvis du kører Mac.
    5. Åbn ikonet split_files.py med den foretrukne teksteditor. Hvis der ikke er nogen præference, skal du højreklikke på scriptikonet og vælge Åbn med IDLE.
    6. Omkode linjer 133-135 og 232-233, hvis brugeren skrev et andet filnavn end den foreslåede skabelon ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Hvis du vil omkode scriptet, så der er plads til forskellige filnavne ved hjælp af split()-funktionen, skal du se linje 116-131.
    7. Skriv stien til mappen Flight_scripts i linje 266, og kør scriptet. Efter en vellykket kørsel genererer scriptet mellemliggende .txt filer med tilknyttede insekt-id'er i mappen files2split og .txt filer for hvert insekt, der er testet i hvert optagelsessæt i split_files mappe, i Flight_scripts-mappen.
      BEMÆRK: Derudover bør brugerne i Python Shell se trykte sætninger af filnavnet, hvilke insekter der byttes ved en nummereret hændelsesmarkør, og hvilke filer der opdeles og genereres i nye filer med insekt-id.
  2. Standardisere og vælge trug i det optagede signal.
    1. Åbn ikonet standardize_troughs.py med den foretrukne teksteditor. Hvis der ikke er nogen præference, skal du højreklikke på scriptikonet og vælge Åbn med IDLE.
    2. Skriv prøveudtagningshyppigheden i linje 158.
    3. Skriv stien til mappen Flight_scripts i linje 159, og kør scriptet. Hvis scriptet kører korrekt, genereres der filer i mappen standardized_files i mappen Flight_scripts.
      BEMÆRK: Alle filer skal starte med 'standardized_' og slutte med det oprindelige filnavn.
    4. Kontroller kvaliteten af optagelserne: Åbn den trough_diagnostic.png, der genereres af standardize_troughs.py, der er placeret i mappen Flight_scripts. Sørg for, at alle poster er robuste til ændringer i den minimale og maksimale spændingsværdi for det gennemsnitlige standardiseringsinterval.
      BEMÆRK: Optagelser kan have meget støj eller have alt for følsomme trug, hvis de udviser store fald i antallet af trug, der er identificeret, når minimums- og maksimumsafvigelsesværdierne øges. Yderligere diagnosticering for min-max normalisering faktor kan også kodes, udføres og plottet. En alternativ metode til kontrol af optagekvaliteten er beskrevet i trin 2.3.1. og 2.3.2. af Attisano et al. 2015-metodepapir13.
    5. Vurder diagnosticeringen, udkommenteringslinje 198, og angiv minimum- og maksimumsafvigelsesværdierne, som definerer minimum- og maksimumværdierne omkring den middelspænding, der bruges til at udføre standardiseringen for alle filer. Standardværdien er 0,1 V for hver afvigelsesværdi.
      BEMÆRK: I linje 53 kan brugeren også angive tærsklen for min-max normaliseringsfaktor for at identificere en spænding langt under tærskelværdien.
    6. Kommenter linje 189 efter indtastning af afvigelsesværdierne, og kør derefter scriptet. Scriptet vil køre standardiseringer effektivt for alle filer (næsten 25 gange hurtigere).
  3. Analyser flyvesporet ved hjælp af den standardiserede fil.
    1. Åbn ikonet flight_analysis.py med den foretrukne teksteditor. Hvis der ikke er nogen præference, skal du højreklikke på scriptikonet og vælge Åbn med IDLE.
    2. I linje 76-78 skal du redigere den valgfrie hastighedskorrektion, der undertrykker yderligere rotationer af møllens arm, efter at et insekt holder op med at flyve. Bestem denne tærskelværdi med forsigtighed, når du arbejder med langsomt flyvende insekter.
    3. I linje 121 skal du redigere hastighedstærsklerne for at korrigere for falske hastighedsaflæsninger, f.eks. ekstremt hurtige hastigheder eller negative hastigheder. I linje 130 skal du redigere tidskløftværdien for at bortfiltrere lange mellemrum, der opstår mellem to på hinanden følgende uafbrudte flyvekampe.
    4. Skriv stien til den mappe, hvor de .txt standardiserede filer gemmes, på linje 350.
    5. I linje 353 skal du indtaste den armsradiuslængde, der anvendes under forsøg, som definerer insektets cirkulære flyvebane, der flyves pr. omdrejning.
    6. Identificer afstands- og tids-SI-enhederne som strenge i henholdsvis linje 357 og 358.
    7. I linje 388-397 skal du bruge split() funktionen til at udtrække, som minimum, insektets identifikationsnummer og det indstillede antal og kammer, hvor insektet fløj fra filnavnet. Scriptet følger det omfattende filnavneksempel på 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Hvis det er nødvendigt, skal du forenkle filnavnet som foreslået i trin 2.2.6., og kommentere eller slette variabler som prøvetype på linje 392 og 401, hvis de ikke bruges.
    8. Angiv alle brugerindstillinger, gem og kør scriptet. Hvis scriptet køres er vellykket, udskriver det insektets tilsvarende ID-nummer, kammer og beregnede flyvestatistikker i Python Shell. Derudover genererer den en flight_stats_summary.csv fil, der består af de oplysninger, der udskrives i Python Shell, og gemmer .csv-filen i datamappen i Flight_scripts-mappen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flyvedata blev opnået eksperimentelt i løbet af vinteren 2020 ved hjælp af feltindlagt J. hæmatoloma fra Florida som modelinsekter (Bernat, A. V. og Cenzer, M. L. , 2020, ikke-offentliggjorte data). Repræsentative flyveforsøg blev udført i Institut for Økologi og Evolution ved University of Chicago, som vist nedenfor i figur 6, Figur 7, Figur 8og figur 9. Flyvemøllen blev sat op i en inkubator, der var indstillet til 28 °C/27 °C (dag/nat), 70 % relativ luftfugtighed og en 14 timers lys/10 timers mørk cyklus. For hvert forsøg blev flyvesporet af flere fejl registreret hver hundrededel af et sekund af WinDAQ-softwaren i op til 24 timer. Efter indledende forsøg blev flyveadfærd kategoriseret i sprængflyvning og kontinuerlig flyvning. Bursters fløj sporadisk i mindre end 10 minutter ad gangen, og kontinuerlige flyers fløj uafbrudt i 10 minutter eller længere. Enhver person, der ikke udviste kontinuerlig flyveadfærd inden for sin 30 minutters testfase, blev trukket ud af flyvemøllen og erstattet med en ny fejl og dens ledsagende ID i en begivenhedsmarkørkommentar. Alle fejl, der udviste kontinuerlig flyvning, forblev på flyvemøllen ud over 30 minutter, indtil de stoppede med at flyve. Bugs blev byttet fra 8 AM til 4 PM hver dag. Som repræsenteret i figur 9varierede forsøg med enkeltpersoner i en dags optagelse i længde fra 30 min til 11+ h. Ved at indsætte hændelsesmarkører ved tilføjelsen af nye individer behandles denne komplekse datastruktur med succes gennem Python-scripts, og koden hjælper effektivt brugerne med at visualisere omfanget af deres eksperimenter. Den foreslåede eksperimentelle opsætning indfanger insekternes fulde flyvekapacitet; det udelader dog muligvis at observere flyvningens periodicitet. Brugerne har derefter mulighed for at skræddersy deres flyforsøg til forskellige flymålinger og vælge, hvilken flyadfærd eller -strategier de ønsker at teste mest.

Bølgeformen på skærmen og diagnostiske heatmap(er) gør det også muligt at identificere huller eller løse uoverensstemmelser i flyvespordataene. Figur 6A viser et sæt forsøg, hvis flydata blev registreret med succes for alle kanaler uden støj eller forstyrrelser. Det viser også alle de begivenhedsmarkør kommentarer, der blev fremsat under optagelsen. Figur 6B viser et øjeblik, hvor det optagede signal gik tabt i kanal 3 og straks sænkede spændingen til 0 V. Dette skyldtes muligvis passagen over åbne ledninger eller løsning af ledninger. Der er også særlige begivenheder under optagelsen, der kan forekomme, men korrigeres for i Python scripts. Dette omfatter dobbelt trug, spejl trug, og spændingsstøj (Figur 6C,D). Disse hændelser fører til falske lavpunkter, men de kan pålideligt identificeres og fjernes under analyser. Figur 7 sammenligner tre datafiler for at vise, hvordan støj eller følsomme trug i registreringsdataene blev diagnosticeret under standardiseringsprocessen. Den første (Figur 7A) er en fil, hvis trug genereret af hver revolution af flyvemøllen arm var robust, hvilket betyder, at de i vid udstrækning afveg fra filens gennemsnitlige spænding. Til gengæld, som standardisering interval omkring gennemsnittet steg, var der ingen ændring i antallet af trug identificeret. Dette antydede, at der ikke var spændingsstøj, og brugeren kan derefter være sikker på nøjagtigheden af standardiseringen. På den anden side havde den tredje fil (Figur 7C) trug, der enten var for følsomme eller havde uvedkommende spændingsstøj, der ikke i vid udstrækning afviger fra filens gennemsnitlige spænding. Som følge heraf faldt antallet af lavpunkter betydeligt, da standardiseringsintervallet omkring gennemsnittet steg. Det ville så være tilrådeligt at se tilbage i den oprindelige WDH-optagelsesfil for at bekræfte, om insektet virkelig fløj.

Ved at plotte den enkeltes flyvehastighed og varighedsstatistik kan flyveadfærd yderligere karakteriseres i fire flyvekategorier: byger (B), bursts til kontinuerlig (BC), kontinuerlige til brister (CB) og kontinuerlig (C), som repræsenteret i figur 8. En person, der strengt udstillede kontinuerlig flyvning, fløj uafbrudt i 10 min eller mere i det mindste ved udgangen af sin 30 min testfase (Figur 8A). En person, der fløj sporadisk gennem sin 30 minutters testfase, udviste sprængflyvning (Figur 8B). En person, der oprindeligt udviste kontinuerlig flyvning i mere end 10 minutter og derefter tilspidset inden for sin 30 minutters testfase i sporadiske byger udstillet kontinuerlig til sprængflyvning (Figur 8C). Endelig viste en person, der oprindeligt demonstrerede sprængflyvning og derefter blev overført til kontinuerlig flyvning i resten af 30 minutters testfase og videre, sprængning til kontinuerlig flyvning (Figur 8D). Således, der er specifik for modelinsekt og eksperimentelle rammer, kan brugeren bruge denne grafiske output til at vurdere og identificere generelle flyveadfærdsmønstre på trods af unikke variationer i individuelle spor.

Figure 1
Figur 1: Design, der skal laserskåret til akryl plastplade struktur. Otte akryl plastplader blev laser skåret for at konstruere plast støtte struktur af flyvningen møllen. Fillinjer blev oprettet i Adobe Illustrator i RGB-tilstand, hvor RGB Red (255, 0, 0) klippede linjer og RGB Blue (0, 0, 255) ætsede linjer. For større læsbarhed i dette tal blev fillinjestrøg øget fra 0,0001 point til 1 point. Koordinatenheder er mm, og pren i øverste venstre hjørne af hvert design er oprindelsen, hvor flytning længere nede og til højre for oprindelsen fører til positive stigende værdier. Der er tre forskellige ark design: de udvendige lodrette vægge, en central lodret væg, og vandrette hylder. De to udvendige lodrette vægge glider ind i de vandrette hylder ved deres slidser, og deres rektangulære huller bruges til at montere den 3D-printede lineære styreskinne, blokke og understøtninger. Der er en central lodret væg med slidser, der opdeler flyvemøllen i otte celler og giver yderligere strukturel støtte. Der er også fem horisonthylder med slidser, ætsede cirkler for at markere placeringen af magnetrørsstøtterne og små rektangulære huller, så rørstøtterne kan skrues ind.

Figure 2
Figur 2: Samlet flyvemølle. A) Flight mill samling. Hver horisonthylde (HS) er indsat i de åbne slidser på de udvendige lodrette vægge (OW) og den centrale lodrette væg (CW). Desuden identificeres hver celle eller et "kammer" med et kanalbogstav (A eller B), der svarer til en datalogger og et kanalnummer (1-4), der svarer til kanalen på den specifikke datalogger. B) Flight mill celle samling med flight mill arm. Magnetiske lejer kan hæves eller sænkes ved at skubbe de indre rør i de ydre rør for at justere armens højde. IR-sensorerne kan også hæves eller sænkes for at justere sensorerne med flagets højde på armen. IR-sensorer kan også nemt fjernes fra deres lineære styreskinneblokke, hvis de skal udskiftes eller inspiceres, eller hvis flyvemøllen skal transporteres. Tværbeslag giver strukturel støtte til hver akrylcelle og kan nemt indsættes og fjernes. C) Lineær styreskinne og bloksamling i cellevinduet. Alle 3D-komponenter og respektive skruer i cellevinduet er mærket til klarere montering. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: 3D-printede design. Målingerne er i mm. A) Lineær styreskinne. B) Lineær styreskinneblok formet til at holde en infrarød sensor. C) Skrue, der bruges som støtte til at udskifte jernskruer. D) Tube støtte. E) Magnetstøtte. F) Tværbeslag, der anvendes som akrylramme aligner og stabilisator. G) Lang støtte og H) kort støtte til at holde de lineære styreskinner på plads. Kun lineære styreskinne understøtter, at hvile på ydersiden af akrylvæggen er vist. Lineære førerskinnestøttespejle vises ikke. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Flyvemølle elektriske kredsløb. A) Simpelt diagram over et elektrisk kredsløb, der forbinder IR-sensorerne til dataloggeren. Når flaget på møllearmen afbryder den stråle, der udsendes af IR-sensortransmitteren, holder strømmen op med at strømme til IR-sensormodtageren, og spændingen falder til nul. Dataloggeren registrerer alle fald i spænding. B) Elektriske kredsløb fremhævet. Hver gul boks afgrænser komponenterne i et kredsløb, der er tilsluttet brødbrættet. Flere elektriske kredsløb kan tilsluttes en enkelt breadboard i skiftende rækker. Størrelsen af det loddeløse brødbræt begrænser, hvor mange flyveceller der kan rummes. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Insekter i forskellige størrelser magnetisk malet og tøjret. A) Drosophila melanogaster (almindelige bananfluer) magnetisk malet og tøjret. Bananfluer er små insekter (kropslængde 5 mm; masse = 0,2 mg), der først skal bedøves med is eller CO2 under et mikroskop, før den magnetiske maling påføres deres brystkasse. B) Misforhold mellem insektstørrelse og magnetstørrelse. Magneten på flyvemøllearmen bør bedst rumme insektets størrelse. Her er insektets synsfelt blokeret, fordi magneten er for stor. En mindre konisk magnet eller magnetstrimmel ville løse dette misforhold. C-F) Oncopeltus fasciatus (milkweed bugs) og Jadera hæmatoloma (sæbebær bugs) magnetisk malet og tøjret. Større bugs (kropslængde > 5 mm; masse > 0,1 g) kan klemmes af deres ben, før de anvender et lag maling på deres brystkasse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Eksempler på WDH-flyoptagelser. Spændingstrug repræsenterer komplette omdrejninger af flyvemøllens arm. De røde stiplede linjer opdeler displayet, og sekunder pr. division (sek/div) i hvert panel fremhæves med blåt. Sorte lodrette linjer markerer markørens tid. A) Hændelsesmarkører. Sec/div blev ændret fra 0,2 sek/div til det maksimale, så hele bølgeformen kunne tegnes hen over skærmen. Alle hændelsesmarkører, der tages på tværs af alle kanaler, vil kun være synlige i den første kanal som linjer, der løber fra den maksimale spænding til bunden af kanalfeltvinduet. Alle event beslutningstagere for denne optagelse sæt er inden for den gule oval. B) Signaltab. I et andet optagelsessæt blev sec/div ændret fra 0,2 sek./div til 15 sek./div for at hjælpe med at visualisere et optaget signal, der er gået tabt fra 17:09 til 17:15 i kanal 3. Alle andre kanaler såsom kanal 4 fortsatte med at fungere korrekt. C) Dobbelt trug og spejl trug. Dobbelt trug er, når spændingen dips, stiger, og derefter hurtigt dips og stiger igen for at skabe, hvad der synes at være to fusionerede trug i en stråle-breaking begivenhed. Dobbelttrug afspejler også hinanden, hvilket tyder på, at flaget bevægede sig frem og tilbage mellem sensoren, hvilket normalt sker, når et insekt holder op med at flyve. Python-scripts korrekte for hvert enkelt tilfælde. D) Spændingsstøj. Kort efter 13:14, små bump i spændingen kan ses, hvilket tyder spændingsstøj i optagelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Repræsentativ trug diagnostiske data fra Jadera hæmatoloma (sæbebær bug). Potentielle støj eller alt for følsomme trug er let genkendes i flyvningen optagelser. A) En optimal, robust optagelse fra eksempel individuelle 318. Der var ingen ændring i antallet af lavpunkter, da minimums- og maksimumsafvigelsesværdierne steg, og så var lavpunkterne robuste nok til at blive identificeret på trods af et stort standardiseringsinterval. B) En suboptimal, men stadig robust optagelse fra eksempel individuel 371. Der er et fald i antallet af trug, da minimums- og maksimumsafvigelsesværdierne øges; faldet var dog minimalt (11 trug). Der kunne være støj og nogle følsomme trug, men intet væsentligt. C) En støjende optagelse fra eksempel person 176. Der er et klart og hurtigt fald i antallet af trug identificeret som minimum og maksimal afvigelse værdier steg indtil dens antal plateauer på 12 trug. Dette signalerer en masse potentiel støj eller alt for følsomme trug, mens de 12 trug forbliver som robuste trug. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Repræsentative flyvedata fra Jadera hæmatoloma (sæbebærbug). Fire kategorier af flyadfærd kan identificeres i flyoptagelserne. A) Kontinuerlig flyvning. Denne person fløj kontinuerligt i 1,67 timer, begyndende ved høje hastigheder og derefter tilspidset over tid i lavere hastigheder. B) Sprængflyvning. Denne person fløj kun i byger inden for de første 30 minutter af deres retssag. Bursters kan nå høj hastighed, men denne person kunne kun bevare lave hastigheder. C) Kontinuerlig til sprængflyvning. Denne person havde opretholdt kontinuerlig flyvning i 25 minutter og derefter tilspidset i byger for de resterende 5 minutter af deres retssag. D) Sprængning til kontinuerlig flyvning. Denne person begyndte som en burster, nåede høje sporadiske hastigheder, og derefter skiftet til kontinuerlig flyvning for omkring 4 timer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Repræsentativ kanalvisualisering af flere flyveforsøg i et enkelt optagelsessæt. Hver farve repræsenterer en individuel sæbebær bug på sin givne kanal brev og kanal nummer under sin retssag. Alle starttider, stoptider og filnavne blev udtrukket fra den enkeltes unikke flyvespor .txt fil. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 1: Kerf nøgle. Kerf er tykkelsen af det materiale, der fjernes eller tabt i processen med at skære dette materiale. For en laserskærer vil to vigtige faktorer bestemme bredden af kantstenen: strålebredden og materialetypen. For at teste og beregne den nøjagtige kant, laser skære nøglen og passe 20 mm bredde nøglen ind i åbningen, at det passer mest sikkert. Træk derefter værdien for slotbredden fra værdien for nøglebredden. For eksempel vil en nøgle med en bredde på 20 mm, der passer ind i en 19,5 mm slot, have en kerf tykkelse på 0,5 mm. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 2: Sammenligning af lave prøveudtagningsfrekvenser. A) Forholdet mellem spændingsfald og hastighed ved prøveudtagningsfrekvens. Hver linjefarve og punktfigur repræsenterer en samplingfrekvens (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz og 25 Hz). Spændingsfald er synonymt med størrelsen af truget. Linjer passer anden ordre regressioner, som beskriver faldet i trug størrelse som hastigheden stiger, og den følgende stigning i trug størrelse ved højere hastigheder. Den skyggefulde bjælke løber fra 0 V til 0,1 V, hvilket markerer det spændingsområde, hvor der opstår støj. Data blev indsamlet på celle B-4 ved hjælp af WinDAQ optagesoftware og med folie flag dimensioner 30 mm længde med 30 mm bredde. Flyvemøllen arm blev spundet hurtigt i hånden og overladt til at spinde, indtil det holdt op med at bevæge sig. Prøveudtagningsfrekvenser 25 Hz eller der lavere er i fare for at fejlidentificere lavpunkter som støj under standardiserings- og diagnostiske tests. Prøveudtagningsfrekvenser på 100 Hz eller derover er særligt robuste ved registrering af store lavpunkter for hastigheder på mindre end 1 m/s. B) Trugstørrelser af forskellige prøveudtagningsfrekvenser set gennem bølgeformen. Efterhånden som prøveudtagningsfrekvenserne falder, krymper deres repræsentation på bølgeformen også. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 3: Rutediagram over funktionerne og datastrukturerne i hvert Python-script. En oversigt over input, funktionelle processer og output fra hvert Python-script til den foreslåede flyvemølle opsummeres og beskrives gennem eksempler. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende 3D-print. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende kodningsfiler. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den enkle, moderne flyvemølle giver en række fordele for forskere, der er interesseret i at studere tøjret insektflyvning ved at levere et pålideligt og automatiseret design, der tester flere insekter effektivt og omkostningseffektivt13,31,35. Ligeledes er der et stærkt incitament for forskere til at vedtage hurtigt fremspirende teknologier og teknikker fra industrien og andre videnskabelige områder som et middel til at bygge eksperimentelle værktøjer til at studere økologiske systemer9,32,33. Denne protokol udnytter to hurtigt voksende teknologier, 3D-printeren og laserskæreren, som bliver mere og mere tilgængelige i kommunale makerspaces, for at forbedre den enkle, moderne flyvemølle. Disse forbedringer giver et mere fleksibelt, justerbart og sammenklappeligt design, der rummer insekter i forskellige størrelser, minimerer stress placeret på insektet og gør det nemt at transportere flyvemøllen til flere steder eller miljøer. Desuden er de ekstra udgifter til brug af teknologierne minimale eller endda gratis. Disse teknologier kan dog også være en udfordring at eksperimentere med, hvis det ikke er let tilgængeligt at nå færdigheder i at bruge vektorgrafikredaktører og 3D-billedsoftware. Til gengæld tjener den flymølle, der præsenteres her, til både at tilskynde forskere til at indarbejde tilgængelige nye teknologier i deres arbejdsgang og til at give forskerne mulighed for at bygge en tilpasselig, fleksibel og effektiv flyvemølle uden specialiseret viden om elektronik, programmering eller CAD-modeller.

De stærkeste aspekter af denne protokol er makerspaces teknologier, der udvider en brugers flight mill design muligheder, brugen af magnetisk maling for at minimere insekt stress, og automatisering af flyveoptagelser, der behandler flere insekter inden for en enkelt optagelse. Laserskæreren tilbyder præcise og nøjagtige skærefunktioner, der kan håndtere opgaver af næsten enhver kompleksitet. Brugeren kan ændre akryl støtte struktur til at montere yderligere 3D-udskrifter eller købte varer. 3D-printeren giver brugeren mulighed for at oprette komponenter til flymøller, der kan tilpasses, og som kan omgå dyre, færdiglavede produkter med snævert justerbare dimensioner. 3D-udskrifter, der ikke foreslås i dette papir, kan også bygges, såsom landingsplatforme, understøtter, der hurtigt kan udveksle mellem magnetiske lejer og kuglelejer eller endda en ny vedhæftet fil, der tøjr et insekt. Endelig gør brugen af automatiseret optagelsessoftware og Python-scripts til at differentiere flere flyforsøg inden for en enkelt optagelse det muligt at studere sporadiske anfald af flyvning til meget lange anfald af flyvning. I betragtning af, hvor variabel flyveaktivitet og varighed er på tværs af arter, foreslås det imidlertid, at brugeren gennemfører indledende forsøg for at forstå grænserne og de generelle mønstre for en arts flyveadfærd for at optimere dataindsamlingen. Brugeren kan også vurdere integriteten af deres optagelser ved hjælp af diagnostiske heatmap (r) og kan redegøre for eventuelle nødvendige hastighedskorrektioner i scripts.

Forskere bør også være opmærksomme på flyvemøllens generelle begrænsninger. Tidligere undersøgelser har gjort kendt og har forsøgt at afhjælpe begrænsningerne ved tøjret flyvning, herunder manglende tjærekontakt for at tillade insektet at hvile efter vilje18,31, fraværet af energi, der forbruges, når et insekt starter34, den ekstra træk insektet overvinder, når det skubber flyvemøllearmen, og insektet har brug for at kompensere for de ydre aerodynamiske kræfter, der opleves på grund af centrifugalaccelerationen af dets cirkulære flyvespor 6,35. Derudover fortsætter der med at være uoverensstemmelser om, hvordan man kategoriserer eller mere præcist kvantificerer de korte eller 'trivielle' bursts insekter display, især når man sammenligner flyvning adfærd og mekanismer af store vandrende insekter til de små insekter, der udviser det meste svævende flyvning24,36,37 . På trods af disse begrænsninger har der været betydelige fremskridt med at fange og kategorisere flyveadfærd inden for insektarter, og forskere har fortsat med at parre flyvemøllen med andre teknologier og metoder6,7,8.

Makerspace som et sted for kreativitet, samarbejde og lave barrierer vil yderligere inspirere forskere til at fejlfinde 3D print design begrænsninger eller laser cut mere indviklede designs. Undersøgelser har undersøgt effektiviteten af makerspaces ikke blot som iterative produktfremstilling rum, men også som steder for accelereret læring10,11,12. Ingeniørstuderende scorede generelt højere i designforståelse, designdokumentation og modelkvalitet, da deres design blev lavet ved hjælp af makerspace-teknologi11. Derudover faldt deres modeludviklingstid med 50%, hvilket indikerer, at makerspace udforskning udkonkurrerede traditionel rote teori og applikationskursus11. Til gengæld vil forskere med lidt design viden være i stand til at uddybe det, og forskere, der også er undervisere kan drage fordel af dette rum som et middel til at øge design organisation, håndværk, og teknisk fingerfærdighed for studerende. I en disciplin som økologi, der allerede gør brug af en række værktøjer til felt- og laboratoriearbejde, kan forskere også udvikle, dele og standardisere nye eller forbedrede værktøjer. Den flyvemølle, der foreslås i dette dokument, er kun begyndelsen på, hvad der kunne være en tilgang til demokratisering og hurtig spredning af nye midler til indsamling af data.

Flyvemøller har spillet en vigtig rolle i at gøre det muligt for forskere at forstå spredningen af insekter - et økologisk fænomen, der stadig i det væsentlige er uhåndterligt i marken. Fremtidige fremskridt inden for design og anvendelse af flyvemøllen kan opnås, efterhånden som forskerne bliver dygtigere til nye teknologier og den software, der ledsager disse teknologier. Dette kan omfatte design af flyvemøllearmlejer, der tillader lodret løft eller giver insektet større flyveorienteringsfleksibilitet. Derudover kan præcisionen af laserskærere og 3D-printere være nødvendig for forskere, der er interesseret i at skalere ned og kalibrere til små insekter med for det meste svævende evner. Til gengæld var målet med denne protokol at give en nem adgang til disse teknologier, mens du konstruerer en af de mest almindelige og nyttige enheder inden for adfærdsmæssig økologi - flyvemøllen. Hvis forskere har adgang til et fælles makerspace og er forpligtet til at navigere i dets teknologier, vil de resulterende forbedringer og forbedringer af den moderne flyvemølle føre til kreativ og kollaborativ flyvemølledesign og vil fortsætte med at give indsigt i de underliggende træk og mekanismer, der påvirker insektarters variationer og mønstre i bevægelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatteren har intet at afsløre.

Acknowledgments

Jeg vil gerne takke Meredith Cenzer for at købe alle flymøllematerialer og give løbende feedback fra konstruktionen til opskrivningen af projektet. Jeg takker også Ana Silberg for hendes bidrag til standardize_troughs.py. Endelig vil jeg takke Media Arts, Data, and Design Center (MADD) på University of Chicago for tilladelse til at bruge sin kommunale makerspace udstyr, teknologi og forsyninger gratis.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
180 Ω Resistor E-Projects 10EP514180R Carbon film; stiff 24 gauge lead.
19 Gauge Non-Magnetic Hypodermic Steel Tubing MicroGroup 304H19RW 
2.2 kΩ Resistor Adafruit 2782 Carbon film; stiff 24 gauge lead.
3D Printer FlashForge 700355100638
3D Printer Filament FlashForge 700355100638 Diameter 1.75 mm; 1kg/roll.
3D Printing Slicing Software FlashPrint 4.4.0
Acrylic Plastic Sheets Blick Art Supplies 28945-1006
Aluminum Foil Target 253-01-0860
Breadboard Power Supply HandsOn Tech MDU1025 Can take 6.5V to 12V input and can produce 3.3V and 5V.
DI-1100 USB Data Logger DATAQ Instruments DI-1100 Has 4 differential armored analog inputs.
Electrical Wires Striveday B077HWS5XV 24 gauge solid wire.
Entomological Pins BioQuip 1208S2 Size 2; diameter 0.45 mm.
Filtered 20 uL Pipette Tip Fisher Scientific 21-402-550
Hot Glue Gun with Hot Glue Joann Fabrics 17366956
IR Sensor Adafruit 2167 This is the 3 mm IR version; works up to 25 cm.
Large Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007008 Inner diameter 3/8 in; outer diameter 1/2 in; length 20 ft.
Large Magnets Bunting EP654 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.394 in; length 0.157 in; holding force 4.9 lb. 
Laser Cutter  Universal Laser Systems  PLS6.75
M5 Hex Nut Home Depot 204274112 Thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Long Iron Screws Home Depot 204283784 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Short Iron Screws Home Depot 203540129 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 10 mm; diameter 5 mm.
Neoprene Rubber Sheet Grainger 60DC16 Length 12 in; width 12 in; depth 1/8in.
Online 3D Modeling Software Autodesk 2019_10_14 Tinkercad.com offers a free account.
Power Adaptor Adafruit 63 9 VDC 1000mA regulated switching; input voltage DC 3.3V 5V.
Small Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007005 Inner diameter 1/4 in; outer diameter 3/8 in; 20 ft long.
Small Magnets Bunting N42P120060 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.120 in; length 0.060 in; holding force 0.5 lb.
Solderless MB-102 Breadboard  Adafruit 239 830 tie points; length 17 cm; width 5.5 cm; input voltage, DC 3.3 V 5 V.
Sophisticated Finishes Iron Metallic Surfacer Blick Art Supplies 27105-2584
Wire Cutters Target  84-031W

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Krogh, A., Weis-Fogh, T. Roundabout for studying sustained flight of locusts. Journal of Experimental Biology. 29, 211-219 (1952).
  2. Hocking, B. The intrinsic range and speed of flight of insects. Transactions of the Royal Entomological Society of London. 104 (8), 223 (1953).
  3. Chambers, D. L., O'Connell, T. B. A flight mill for studies with the mexican fruit fly. Annals of the Entomological Society of America. 62 (4), 917-920 (1969).
  4. Chambers, D. L., Sharp, J. L., Ashley, T. R. Tethered insect flight: A system for automated data processing of behavioral events. Behavior Research Methods & Instrumentation. 8 (4), 352-356 (1976).
  5. Naranjo, S. E. Assessing insect flight behavior in the laboratory: a primer on flight mill methodology and what can be learned. Annals of the Entomological Society of America. 112 (3), 18 (2019).
  6. Ribak, G., Barkan, S., Soroker, V. The aerodynamics of flight in an insect flight-mill. PLoS ONE. 12 (11), 0186441 (2017).
  7. Pollack, G. S., Martins, R. Flight and hearing: Ultrasound sensitivity differs between flight-capable and flight-incapable morphs of a wing-dimorphic cricket species. The Journal of Experimental Biology. 210, 3160-3164 (2007).
  8. Koehler, C., Liang, Z., Gaston, Z., Wan, H., Dong, H. 3D reconstruction and analysis of wing deformation in free-flying dragonflies. The Journal of Experimental Biology. 215, 3018-3027 (2012).
  9. Behm, J. E., Waite, B. R., Hsieh, S. T., Helmus, M. R. Benefits and limitations of three-dimensional printing technology for ecological research. BMC Ecology. 18, 1-13 (2018).
  10. Sheridan, K. M., et al. Learning in the making: A comparative case study of three makerspaces. Harvard Educational Review. 84, 505-531 (2014).
  11. Khalifa, S., Brahimi, T. Makerspace: A novel approach to creative learning. Institute of Electrical and Electronics Engineers Xplore. 1, 43-48 (2017).
  12. Smay, D., Walker, C. Makerspaces: A creative approach to education. Teacher Librarian. 42, 39-43 (2015).
  13. Attisano, A., Murphy, J. T., Vickers, A., Moore, P. J. A simple flight mill for the study of tethered flight in insects. Journal of Visualized Experiments. 106, e53377 (2015).
  14. Reynolds, D. R., Riley, J. R. Remote-sensing, telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement: A of existing and potential techniques. Computers and Electronics in Agriculture. 35 (2-3), 271-307 (2002).
  15. Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
  16. Taylor, R. A. J., Bauer, L. S., Poland, T. M., Windell, K. N. Flight performance of Agrilus planipennis (Cleoptera: Buprestidae) on a flight mill and in free flight. Journal of Insect Behavior. 23, 128-148 (2010).
  17. Irvin, N. A., Hoddle, M. S. Assessing the flight capabilities of fed and starved Allograpata obliqua (Diptera: Syrphidae), a natural enemy of Asian citrus psyllid, with computerized flight mills. Florida Entomologist. 103 (1), 139-140 (2020).
  18. Minter, M., et al. The tethered flight technique as a tool for studying life-history strategies associated with migration in insects. Ecological Entomology. 43 (4), 397-411 (2018).
  19. Dingle, H., Blakley, N. R., Miller, E. R. Variation in body size and flight performance in milkweed bugs (Oncopeltus). Evolution. 34 (2), 371-385 (1980).
  20. Martini, X., Hoyte, A., Stelinski, L. L. Abdominal color of the Asian citrus psyllid (Hempitera: Liviidae) is associated with flight capabilities. Annals of the Entomological Society of America. 107 (4), 842-847 (2014).
  21. Chen, M., et al. Flight capacity of Bactrocera dorsalis (Diptera: Tephritidae) adult females based on flight mill studies and flight muscle ultrastructure. Journal of Insect Science. 15 (1), 141 (2015).
  22. Guo, J., Li, X., Shen, X., Wang, M., Wu, K. Flight performance of Mamestra brassicae Noctuidae) under different biotic and abiotic conditions. Journal of Insect Science. 20 (1), 1-9 (2020).
  23. Johnson, M. W., Toscano, N. C., Jones, V. P., Bailey, J. B. Modified ultrasonic actograph for monitoring activity of lepidopterous larvae. Proceedings of the Hawaiian Entomological Society. 27, 141-146 (1986).
  24. Cheng, X., Sun, M. A. Wing-kinematics measurement and aerodynamics in a small insect in hovering flight. Scientific Reports. 6, 25706 (2016).
  25. Holland, J. D. Dispersal kernel determines symmetry of spread and geographical range for an insect. International Journal of Ecology. 2009, 4 (2009).
  26. Frouz, J., Kindlmann, P. Source-sink colonization as a possible strategry of insects living in temporary habitats. PLoS ONE. 10 (6), 1-10 (2015).
  27. Ventola, C. L. Medical applications for 3D printing: Current and projected uses. Pharmacy & Therapeutics. 39 (10), 704-711 (2014).
  28. Martí-Campoy, A., et al. Design of a computerized flight mill device to measure the flight potential of different insects. Sensors (Basel). 16 (4), 1-21 (2016).
  29. Dubois, G. F., Vernon, P., Brustel, H. A flight mill for large beetles such as Osmoderma eremita (Cleoptera: Cetoniidae). Saproxylic Beetles. Their Role and Diversity in European Woodland and Tree Habitats. 14, 219-224 (2009).
  30. Webster, M. N., Doner, J. P., Wikstrom, V., Lugt, P. Grease degradation in R0F bearing tests. Tribology Transactions. 50 (2), 187-197 (2007).
  31. Jones, H. B. C., Lim, K. S., Bell, J. R., Hill, J. K., Chapman, J. W. Quantifying interspecific variation in dispersal ability of noctuid moths using an advanced tethered flight technique. Ecology and Evolution. 6 (1), 181-190 (2016).
  32. Walker, M., Humphries, S. 3D Printing: applications in evolution and ecology. Ecology and Evolution. 9 (7), 4289-4301 (2019).
  33. Shahrubudin, N., Lee, T. C., Ramlan, R. An overview of 3D printing technology: technological, materials, and applications. Science Direct. 35, 1286-1296 (2019).
  34. Taylor, R. A. J., Nault, L. R., Styer, W. E., Cheng, Z. B. Computer-monitored, 16-channel flight mill for recording the flight of leafhoppers (Homoptera: Auchenorrhyncha). Journal of the Entomological Society of America. 85 (5), 627-632 (1992).
  35. Nachtigall, W., Hanauer-Thieser, U., Mörz, M. Flight of the honey bee VII: Metabolic power versus flight speed relation. Journal of Comparative Physiology B. 165, 484-489 (1995).
  36. Hardie, J. Flight behavior in migrating insects. Journal of Agricultural Entomology. 10 (4), 239-245 (1993).
  37. Blackmer, J. L., Naranjo, S. E., Williams, L. H. Tethered and untethered flight by Lyrgus Hesperus and Lygus lineolaris (Heteroptera: Miridae). Environmental Entomology. 33 (5), 1389-1400 (2004).

Tags

Teknik flight mill makerspace 3D-print laserskæring automatisering flyvning assay
Opbygning af en forbedret flight mill til undersøgelse af tøjret insektflyvning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bernat, A. Building an Enhanced… More

Bernat, A. Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight. J. Vis. Exp. (169), e62171, doi:10.3791/62171 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter