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....

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....

结果

飞行数据于2020年冬季通过实验获得，实验所用模式昆虫为从佛罗里达采集的野外J. haematoloma（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。飞行磨装置置于人工气候箱中，设定条件为28 °C/27 °C（昼/夜）、相对湿度70%、光周期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。经过初步试验后，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，而持续飞行者可连续飞行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磨上移除，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行为的昆虫将在.......

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