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Engineering

Construyendo un molino de vuelo mejorado para el estudio del vuelo de insectos atados

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

Summary

Este protocolo utiliza impresoras tridimensionales (3D) y cortadoras láser que se encuentran en los espacios de fabricación para crear un diseño de molino de vuelo más flexible. Mediante el uso de esta tecnología, los investigadores pueden reducir costos, mejorar la flexibilidad del diseño y generar trabajo reproducible al construir sus molinos de vuelo para estudios de vuelo de insectos atados.

Abstract

Los makerspaces tienen un alto potencial para permitir a los investigadores desarrollar nuevas técnicas y trabajar con nuevas especies en la investigación ecológica. Este protocolo demuestra cómo aprovechar la tecnología que se encuentra en los makerspaces para construir un molino de vuelo más versátil a un costo relativamente bajo. Dado que este estudio extrajo su prototipo de molinos de vuelo construidos en la última década, este protocolo se centra más en delinear las divergencias hechas del molino de vuelo simple y moderno. Estudios anteriores ya han demostrado cuán ventajosos son los molinos de vuelo para medir parámetros de vuelo como la velocidad, la distancia o la periodicidad. Tales molinos han permitido a los investigadores asociar estos parámetros con factores morfológicos, fisiológicos o genéticos. Además de estas ventajas, este estudio analiza los beneficios de usar la tecnología en makerspaces, como impresoras 3D y cortadoras láser, para construir un diseño de molino de vuelo más flexible, robusto y plegable. En particular, los componentes impresos en 3D de este diseño permiten al usuario probar insectos de varios tamaños al hacer que las alturas del brazo del molino y los sensores infrarrojos (IR) sean ajustables. Las impresiones 3D también permiten al usuario desmontar fácilmente la máquina para un rápido almacenamiento o transporte al campo. Además, este estudio hace un mayor uso de imanes y pintura magnética para atar insectos con un estrés mínimo. Por último, este protocolo detalla un análisis versátil de los datos de vuelo a través de scripts informáticos que separan y analizan de manera eficiente las pruebas de vuelo diferenciables dentro de una sola grabación. Aunque requiere más mano de obra, la aplicación de las herramientas disponibles en los espacios de creación y en los programas de modelado 3D en línea facilita las prácticas multidisciplinarias y orientadas a los procesos y ayuda a los investigadores a evitar productos costosos y prefabricados con dimensiones estrechamente ajustables. Al aprovechar la flexibilidad y la reproducibilidad de la tecnología en los espacios de creación, este protocolo promueve el diseño creativo de molinos de vuelo e inspira la ciencia abierta.

Introduction

Dado lo intratable que es la dispersión de insectos en el campo, el molino de vuelo se ha convertido en una herramienta de laboratorio común para abordar un fenómeno ecológico importante: cómo se mueven los insectos. Como consecuencia, desde que los pioneros del molino devuelo1,2,3, 4marcaron el comienzo de seis décadas de diseño y construcción de molinos de vuelo, ha habido cambios notables en el diseño a medida que las tecnologías mejoraron y se integraron más en las comunidades científicas. Con el tiempo, el software automatizado de recopilación de datos reemplazó a los registradores de gráficos, y los brazos del molino de vuelo pasaron de varillas de vidrio a varillas de carbono y tubos de acero5. Solo en la última década, los rodamientos magnéticos reemplazaron a los rodamientos de teflón o vidrio como óptimamente sin fricción, y los pares entre la maquinaria del molino de vuelo y la tecnología versátil han proliferado a medida que la tecnología de fabricación de audio, visual y de capas se integra cada vez más en los flujos de trabajo de los investigadores. Estos emparejamientos han incluido cámaras de video de alta velocidad para medir la aerodinámica del ala6,placas digitales a analógicas para imitar señales sensoriales para estudiar las respuestas auditivas de vuelo7e impresión 3D para hacer una plataforma de calibración para rastrear la deformación del ala durante el vuelo8. Con el reciente aumento de las tecnologías emergentes en los makerspaces, particularmente en instituciones con centros de medios digitales dirigidos por personal experto9,hay mayores posibilidades de mejorar el molino de vuelo para probar una gama más amplia de insectos y transportar el dispositivo al campo. También existe un alto potencial para que los investigadores crucen las fronteras disciplinarias y aceleren el aprendizaje técnico a través del trabajo basado en la producción9,10,11,12. El molino de vuelo presentado aquí (adaptado de Attisano y colegas13)aprovecha las tecnologías emergentes que se encuentran en los espacios de fabricación no solo para 1) crear componentes de molino de vuelo cuyas escalas y dimensiones se ajustan al proyecto en cuestión, sino también 2) ofrecer a los investigadores un protocolo accesible en corte por láser e impresión 3D sin exigir un alto presupuesto o ningún conocimiento especializado en diseño asistido por computadora (CAD).

Los beneficios de acoplar nuevas tecnologías y métodos con el molino de vuelo son sustanciales, pero los molinos de vuelo también son valiosas máquinas independientes. Los molinos de vuelo miden el rendimiento del vuelo de los insectos y se utilizan para determinar cómo la velocidad, la distancia o la periodicidad del vuelo se relacionan con factores ambientales o ecológicos, como la temperatura, la humedad relativa, la estación, la planta huésped, la masa corporal, los rasgos morfológicos, la edad y la actividad reproductiva. A diferencia de métodos alternativos como actógrafos, cintas de correr y la grabación de video del movimiento de vuelo en túneles de viento y arenas interiores14,el molino de vuelo es notable por su capacidad para recopilar varias estadísticas de rendimiento de vuelo en condiciones de laboratorio. Esto ayuda a los ecologistas a abordar preguntas importantes sobre la dispersión de vuelos, y les ayuda a progresar en su disciplina, ya sea el manejo integrado de plagas15,16,17,la dinámica de poblaciones, la genética, la biogeografía, las estrategias de historia de vida18o la plasticidad fenotípica19,20,21,22 . Por otro lado, dispositivos como cámaras de alta velocidad y actógrafos pueden requerir una configuración estricta, complicada y costosa, pero también pueden conducir a parámetros de movimiento más ajustados, como frecuencias de latido de alas y actividad de fotofase de insectos23,24. Por lo tanto, el molino de vuelo presentado aquí sirve como una opción flexible, asequible y personalizable para que los investigadores investiguen el comportamiento del vuelo.

Del mismo modo, el incentivo para integrar las tecnologías emergentes en el flujo de trabajo de los ecologistas continúa aumentando a medida que las preguntas y los enfoques para estudiar la dispersión se vuelven más creativos y complejos. Como ubicaciones que promueven la innovación, los makerspaces atraen múltiples niveles de experiencia y ofrecen una curva de aprendizaje baja para que los usuarios de cualquier edad adquieran nuevas habilidades técnicas10,12. La naturaleza iterativa y colaborativa de la creación de prototipos de dispositivos científicos en el makerspace y a través de fuentes abiertas en línea puede acelerar la aplicación de la teoría11 y facilitar el desarrollo de productos en las ciencias ecológicas. Además, el aumento de la reproducibilidad de las herramientas científicas fomentará una recopilación de datos más amplia y una ciencia abierta. Esto puede ayudar a los investigadores a estandarizar equipos o métodos para medir la dispersión. Las herramientas de estandarización podrían permitir a los ecologistas unificar los datos de dispersión entre poblaciones para probar modelos de metapoblación que se desarrollan a partir de núcleos de dispersión25 o dinámicas de colonización fuente-sumidero26. Al igual que la comunidad médica está adoptando la impresión 3D para la atención al paciente y la educación en anatomía27,los ecologistas pueden usar cortadores láser e impresoras 3D para rediseñar las herramientas ecológicas y la educación y, dentro del alcance de este estudio, pueden diseñar componentes adicionales del molino de vuelo, como plataformas de aterrizaje o un brazo de molino de vuelo que pueda moverse verticalmente. A su vez, la personalización, la rentabilidad y el aumento de la productividad que ofrece la tecnología makerspace pueden ayudar a iniciar proyectos de dispersión con una barrera relativamente baja para los investigadores que tienen la intención de desarrollar sus propias herramientas y dispositivos.

Para construir este molino de vuelo, también hay limitaciones mecánicas e instrumentales que pueden ser consideradas por el fabricante. Los imanes y las mejoras impresas en 3D permiten que el molino de vuelo sea esencialmente sin pegamento, excepto por la construcción de los soportes transversales, y que sea acomodable a insectos de diferentes tamaños. Sin embargo, a medida que aumenta la masa y la fuerza de los insectos, es más probable que los insectos se desmonten mientras están atados. Los imanes fuertes se pueden usar a costa de una mayor resistencia a la torsión, o los rodamientos de bolas pueden reemplazar a los rodamientos magnéticos como una solución robusta para los insectos de prueba de vuelo que pesan varios gramos28,29. Sin embargo, los rodamientos de bolas también pueden presentar algunos problemas, principalmente porque la ejecución de experimentos prolongados con altas velocidades y altas temperaturas puede degradar la lubricación de los rodamientos de bolas, lo que aumenta la fricción30. Por lo tanto, los usuarios tendrán que discernir qué mecánica de molino de vuelo se adaptaría mejor a su(s) insecto(s) de estudio y diseño experimental.

Del mismo modo, hay varias formas de instrumentar un molino de vuelo que está más allá de las consideraciones de este documento. El molino de vuelo que se presenta aquí utiliza sensores IR para detectar revoluciones, software WinDAQ para registrar revoluciones y scripts de programación para procesar los datos sin procesar. Aunque es fácil de usar, el software WinDAQ tiene una gama limitada de herramientas disponibles. Los usuarios no pueden adjuntar comentarios a su canal correspondiente, y no se les puede alertar si algún componente de los circuitos falla. Estos casos se resuelven detectándolos y corrigiéndolos a través del código, pero solo después de la recopilación de datos. Alternativamente, los usuarios pueden adoptar más de un software que ofrece funciones de recopilación de datos personalizables28 o sensores que toman estadísticas directas de velocidad y distancia, como milómetros de bicicleta29. Sin embargo, estas alternativas pueden eludir valiosos datos sin procesar o difundir la funcionalidad en demasiadas aplicaciones de software, lo que puede hacer que el procesamiento de datos sea ineficiente. En última instancia, en lugar de remodelar la instrumentación del molino de vuelo, este protocolo ofrece soluciones de programación robustas para las limitaciones de software actuales.

En este artículo, se describe un diseño para un molino de vuelo simple mejorado para ayudar a los investigadores en sus estudios de dispersión y para alentar la incorporación de tecnologías emergentes en el campo de la ecología del comportamiento. Este molino de vuelo se ajusta a las limitaciones de una incubadora, contiene hasta ocho insectos simultáneamente y automatiza la recopilación y el procesamiento de datos. En particular, sus mejoras impresas en 3D permiten al usuario ajustar el brazo del molino y las alturas del sensor IR para probar insectos de varios tamaños y desmontar el dispositivo para un almacenamiento o transporte rápidos. Gracias al acceso institucional a un espacio de creación comunal, todas las mejoras fueron gratuitas y no se acumularon costos adicionales en comparación con el molino de vuelo simple y moderno. Todo el software necesario es gratuito, los circuitos electrónicos son simples y todos los scripts se pueden modificar para seguir las necesidades específicas del diseño experimental. Además, los diagnósticos codificados permiten al usuario comprobar la integridad y precisión de sus grabaciones. Por último, este protocolo minimiza el estrés sufrido por un insecto al pintar magnéticamente y atar insectos al brazo del molino. Dado que el ensamblaje del molino de vuelo simple ya es accesible, asequible y flexible, el uso de tecnologías makerspace para mejorar el molino de vuelo simple puede otorgar a los investigadores el espacio para superar sus propias necesidades específicas de estudio de vuelo y puede inspirar diseños creativos de molinos de vuelo más allá de las consideraciones de este documento.

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Protocol

1. Construye el molino de vuelo en un Makerspace

  1. Corte y montaje con láser de la estructura de soporte de plástico acrílico.
    1. Utilice 8 láminas de acrílico transparente de espesor (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) para construir la estructura de soporte de plástico acrílico. Asegúrese de que el material no sea policarbonato, que se parece al acrílico, pero se derretirá en lugar de cortarse bajo el láser.
    2. Localice el cortador láser en el makerspace. Este protocolo asume que el makerspace tiene un cortador láser como se hace referencia en la Tabla de Materiales. Para otros cortadores láser, lea la configuración del cortador láser para determinar qué color o grosor de línea se necesita para establecer las líneas de archivo que se cortarán o grabarán con láser (no se rasterizarán).
    3. Abra Adobe Illustrator, Inkscape (gratis) u otro editor de gráficos vectoriales. Prepare un archivo que lea el diseño de soporte acrílico en un formato vectorial con las líneas antes mencionadas que se muestran en la Figura 1. Cree líneas de archivo en Adobe Illustrator en modo Rojo, Verde y Azul (RGB) con un trazo de línea de 0,0001 punto donde RGB Red (255, 0, 0) corta líneas y RGB Blue (0, 0, 255) graba líneas.
    4. Como medida de precaución, pruebe y tenga en cuenta el kerf para todas las mediciones de hendiduras y agujeros. Diseñar y probar la clave kerf (Figura suplementaria 1).
      NOTA: El ancho de Kerf puede variar según el ancho del haz de la cortadora láser, el ancho del material y el tipo de material utilizado.
    5. Guarde los diseños de soporte acrílico y la clave kerf como tipos de archivo legibles, como archivos de .ai, .dxf o .svg. Para enviar el trabajo a la cortadora láser, imprima el archivo en la máquina local de la cortadora láser y luego abra el software láser.
      NOTA: Si se imprimen correctamente, todas las líneas de corte vectorial en el diseño aparecerán con los colores correspondientes apropiados en el panel de control del software láser.
    6. Seleccione el material como Plástico y luego el tipo de material como Acrílico. Para mayor precisión, mida el espesor del material con una pinza e introduzca su grosor en el campo de espesor del material. Habilite automáticamente el eje Z del punto focal del material. Establezca el Tipo de figura en Ninguno y deje la Intensidad en 0%. Para cambiar cualquier métrica avanzada en el cortador láser, como el láser % Power o % Speed, pruebe con la tecla kerf.
      NOTA: La regla general es que cuanto más grueso sea el material, más potencia se requiere a una velocidad menor.
    7. Antes de cortar, siga las pautas del makerspace sobre cómo encender, usar y mantener el cortador láser. Coloque los materiales en la cavidad de la impresora y corte los soportes acrílicos.
      NOTA: Para prevenir posibles daños oculares, no mire el láser ni deje ninguna hoja de acrílico desatendida mientras corta.
    8. Limpie el exceso de material de la cavidad de la impresora y ensamble la estructura de soporte. Ensamble insertando cada estante horizonte en las rendijas abiertas de las paredes verticales exteriores y la pared vertical central como se etiqueta en la Figura 2A. Asegúrese de que los orificios entre los estantes horizontales estén alineados.
  2. Impresión 3D de los soportes de plástico.
    1. Abra un navegador web y cree una cuenta en un programa de modelado 3D en línea. Consulte la Tabla de materiales para obtener una opción de cuenta gratuita.
    2. Haga clic en Diseños 3D > Crear un nuevo diseño. Para replicar los diseños impresos en 3D exactos de este estudio, como se ve en la Figura 3,descargue el archivo 3D_Prints.zip (Impresiones 3D suplementarias)y mueva la carpeta al escritorio. Descomprima y abra la carpeta. En la página web del plano de trabajo del programa de modelado 3D en línea, haga clic en Importar en la esquina superior derecha y seleccione los archivos .stl.
      Nota : varias réplicas de diseño u objetos pueden llenar el plano de trabajo y guardarse como un único archivo .stl siempre que el usuario restrinja los objetos dentro de los límites del área de compilación de la impresora 3D. El objeto más grande que una impresora 3D puede imprimir es de 140 mm de largo x 140 mm de ancho x 140 mm de profundidad. Sin embargo, no gire los objetos a lo largo de su eje z como un medio para maximizar el número de objetos en un área de construcción. Esto se debe a que los objetos descargados se han colocado para minimizar los voladizos, y así se pueden imprimir de manera óptima con los soportes mínimos necesarios.
    3. Para autocrear o realizar ajustes en los diseños, siga los tutoriales del sitio web, realice ediciones y, a continuación, exporte los nuevos diseños como archivos .stl. En total, 8 rieles de guía lineal (100,05 mm de largo x 23,50 mm de ancho x 7,00 mm de profundidad), 16 bloques de carril de guía lineal (22,08 mm de largo x 11,47 mm de ancho x 12,47 mm de profundidad), de 12 a 20 tornillos (9,00 mm de largo x 7,60 mm de ancho x 13,00 mm de profundidad), 15 soportes transversales (50,00 mm de largo x 50,00 mm de ancho x 20,00 mm de profundidad), 16 soportes magnéticos (12,75 mm de largo x 12,50 mm de ancho x 15,75 mm de profundidad), 16 soportes de tubo (29,22 mm de largo x 29,19 mm de ancho x 11,00 mm de profundidad), 16 soportes de riel guía lineal corto (40,00 mm de largo x 11,00 mm de ancho x 13,00 mm de profundidad) y 16 soportes de riel guía lineal largo (40,00 mm de largo largo x 16,00 mm de ancho x 13,00 mm de profundidad) deben imprimirse en 3D. Para obtener el espejo de cada diseño de riel de guía lineal, haga clic en el objeto, presione My seleccione la flecha correspondiente al ancho del objeto.
      NOTA: Consulte el paso 1.3.6. para obtener más información sobre las clavijas de riel de guía lineal.
    4. Descargue e instale un software de corte de impresión 3D para convertir archivos .stl en un archivo .gx legible por impresora 3D. Consulte la Tabla de materiales para descargar el programa de software gratuito.
      NOTA: Otros programas de software de conversión son aceptables, pero este protocolo asume que el makerspace está utilizando la impresora 3D y el software de corte de impresión como se hace referencia en la Tabla de materiales.
    5. Haga doble clic en el icono del software de corte de impresión 3D para iniciar el software. Haga clic en Imprimir > Tipo de máquina y seleccione la impresora 3D que se encuentra en el espacio de creación.
    6. Haga clic en el icono Cargar para cargar un archivo de modelo .stl y mostrar el objeto en el área de compilación.
    7. Seleccione el objeto y haga doble clic en el icono Mover. Haga clic en La plataforma para asegurarse de que el modelo está en la plataforma. Haga clic en Centro para colocar el objeto en el centro del área de compilación o arrastre el objeto con el puntero del mouse para colocar el objeto en el área de compilación.
    8. Haga clic en el icono Imprimir. Asegúrese de que el tipo de material esté configurado en PLA,los soportes y la balsa estén habilitados, la resolución esté establecida en Estándary la temperatura de la extrusora coincida con la temperatura sugerida por la guía de la impresora 3D. La temperatura se puede cambiar dentro de Más opciones >> Temperatura.
    9. Presione OK y guarde el archivo .gx en la carpeta 3D_Prints o en una memoria USB si el archivo no se puede transferir a la impresora 3D a través de un cable USB.
    10. Localice la máquina de impresión 3D de un makerspace. Calibre el extrusor y asegúrese de que haya suficiente filamento para imprimir. Transfiera el archivo .gx a la impresora 3D e imprima todos los tipos y cantidades de soportes y mejoras de plástico. Para cada impresión, compruebe que el filamento se adhiere correctamente a la placa.
  3. Ensamble impresiones 3D en la estructura de soporte de acrílico.
    1. Para visualizar todos los soportes en su lugar, consulte la Figura 2B.
    2. Pega en caliente las láminas de neopreno de 3.175 mm de espesor sobre las paredes interiores del soporte transversal. Cuando esté seco, inserte los soportes transversales en las uniones de los estantes de acrílico y las paredes en la parte posterior del dispositivo para estabilizar el molino de vuelo.
    3. Siempre que sea posible, utilice tornillos impresos en 3D para minimizar la influencia magnética de los tornillos de hierro. Atornille el tubo en soportes en la parte inferior y superior de cada celda. Asegúrese de que los soportes del tubo superior e inferior estén alineados.
    4. Inserte un tubo de plástico de 30 mm de largo (diámetro interior (ID) 9.525 mm; diámetro exterior (OD) 12.7 mm) en el soporte del tubo superior y un tubo de plástico de 15 mm de largo (ID 9.525 mm; OD 12,7 mm) en el soporte del tubo inferior de cada celda. A continuación, inserte un tubo de plástico de 40 mm de largo (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) en el tubo superior y un tubo de plástico de 20 mm de largo (ID 6.35 mm; OD 9.525 mm) en el tubo inferior. Asegúrese de que haya una fricción lo suficientemente fuerte entre los tubos para mantener los tubos en su lugar, pero no tanto como para que el tubo interior pueda deslizarse hacia arriba y hacia abajo si se tira de él. Si los tubos están deformados, sumerja los segmentos de los tubos durante 1 minuto en agua hirviendo. Enderece los tubos en una toalla, deja que alcancen la temperatura ambiente y luego inserta los tubos.
    5. Coloque los dos imanes de neodimio de baja fricción (10 mm de diámetro; 4 mm de longitud; fuerza de retención de 2,22 kg) en cada soporte de imán. Asegúrese de que cada par de imanes se repela entre sí. Luego, aloje firmemente un tubo interior en cada soporte del imán para que la gravedad que actúa sobre los imanes y el soporte del imán no sea lo suficientemente fuerte como para desalojar el soporte del tubo interior.
    6. Mirando hacia la misma dirección, deslice dos bloques de riel de guía lineal en el riel de guía lineal. Aloje los rieles de guía lineales y los bloques verticales en las ventanas de las paredes verticales exteriores. Asegúrese de que las aberturas del bloque estén orientadas hacia arriba. Para asegurar un riel de guía lineal en su lugar, use dos soportes de riel de guía lineal corto, dos soportes de riel de guía lineal largo, cuatro tornillos de hierro de 10 mm de largo (M5; paso de rosca de 0.8; diámetro de 5 mm), dos tornillos de hierro de 20 mm de largo (M5; paso de rosca de 0.8; diámetro de 5 mm) y dos tuercas hexagonales (M5; paso de rosca de 0.8; diámetro de 5 mm). La Figura 2C muestra el conjunto completo del riel guía lineal.
      NOTA: Las ranuras abiertas en el riel de guía lineal están diseñadas para ser utilizadas si y solo si el riel de guía lineal se erosiona por el deslizamiento repetido de su bloque. Si es así, imprima en 3D una pequeña clavija en forma de T que se encuentra en la carpeta 3D_Prints.
  4. Construye el brazo pivotante.
    NOTA: Las subsecciones 1.4.1 y 1.4.2 son equivalentes a las subsecciones 1.2.2. y 1.2.3. en Attisano et al. 2015 métodos documento13.
    1. Perfore el filtro de una punta de pipeta filtrada de 20 μL en su punto central utilizando un pasador entomológico. Luego, empuje el pasador a través de la punta de la pipeta hasta que los extremos de acero del pasador sobresalgan del cuerpo de la punta de la pipeta. Asegúrese de que el filtro de la punta de la pipeta asegure el pasador en su lugar. El pasador sirve como eje del brazo del molino de vuelo.
    2. Para maximizar el espacio celular, corte un tubo de acero hipodérmico no magnético de 19 G a una longitud de 24 cm (1 cm menos que el ancho de una celda de vuelo). Pega en caliente el pasador que sobresale y la corona de la punta de la pipeta del paso 1.4.1. hasta el punto medio del tubo. Doble un extremo del tubo a 2 cm desde el extremo hasta un ángulo de 95°.
      NOTA: Para priorizar el tamaño de los insectos en lugar de maximizar el espacio celular, acorte el radio del brazo para insectos más pequeños o voladores débiles. También se puede ensamblar un brazo de vuelo más largo si se retira la pared de acrílico central para insectos más grandes o voladores fuertes. Además, el extremo doblado del brazo puede soportar diferentes ángulos para posicionar al insecto en su orientación de vuelo natural.
    3. Para probar su suspensión magnética, coloque el brazo entre el conjunto superior de imanes. Asegúrese de que el brazo giratorio gire libremente alrededor del pasador suspendido verticalmente.
    4. Pegue los dos imanes de neodimio de baja fricción (3,05 mm de diámetro; 1,58 mm de longitud; 0,23 kg de fuerza de retención) en el extremo doblado del brazo pivotante para atar el insecto pintado magnéticamente para el vuelo (masa del brazo del molino de vuelo con imanes = 1,4 g). En el extremo no doblado del brazo pivotante, envuelva un trozo de papel de aluminio (masa por área = 0,01 g/cm2) para crear una bandera. La bandera de lámina actúa como un contrapeso y, debido a sus propiedades altamente reflectantes, rompe de manera óptima el haz IR enviado desde el transmisor del sensor IR al receptor.
      NOTA: El diámetro de la viga IR es como máximo de 2,4 mm, por lo que el ancho mínimo óptimo de la bandera de lámina es de 3 mm. Un ancho de bandera de lámina de 3 mm y posicionado para romper el haz de luz IR frente a la lente emisora del sensor producirá una caída de voltaje que es detectable durante los análisis.
  5. Configure el sensor IR y el registrador de datos.
    1. Coloque el transmisor del sensor IR dentro del bloque de riel de guía lineal superior con el emisor del haz mirando hacia abajo. Luego, coloque el receptor del sensor IR dentro del bloque inferior mirando hacia arriba.
      NOTA: Los sensores (20 mm de largo x 10 mm de ancho x 8 mm de profundidad) se pueden separar hasta una distancia de 250 mm y aún funcionan; por lo tanto, funcionarán incluso cuando se coloquen en los extremos del riel guía lineal de aproximadamente 100 mm.
    2. En una placa de pruebas sin soldadura, conecte el transmisor y el receptor del sensor IR en serie con el registrador de datos de entrada analógica de 4 canales, como se muestra en el circuito electrónico de la Figura 4A. Conecte primero la entrada del transmisor del sensor IR (no el receptor), siguiendo la resistencia de 180 Ω. Coloque otra resistencia de 2,2 kΩ antes de la salida de la conexión del receptor IR. Configure el circuito electrónico de cada canal en filas alternativas a lo largo de la placa de pruebas para minimizar el ruido en la señal de voltaje de múltiples sensores durante la grabación(Figura 4B).

2. Realizar pruebas de vuelo

  1. Atar magnéticamente a los insectos al brazo del molino de vuelo.
    1. Para minimizar el estrés ejercido sobre el insecto, aplique pintura magnética en el pronoto del insecto usando un palillo de dientes o un aplicador de precisión de línea fina (punta de 20 G). Deje que la pintura se seque durante al menos 10 min. Una vez seco, conecte el insecto a los imanes del brazo del molino de vuelo. Consulte la Figura 5 para ver ejemplos de insectos de pintura y atadura magnética de diferentes tamaños. Este protocolo utiliza el heematoloma de Jadera (insecto de la baya) como el insecto modelo para el anclaje de vuelo y la experimentación de prueba.
      NOTA: Para una atracción más fuerte entre el insecto y los imanes del brazo, aplique múltiples capas de pintura magnética. Además, cambie los imanes unidos al extremo del brazo del molino de vuelo por tamaños de imán que mejor se adapten al campo de visión, la masa y el rango de las alas de los insectos.
    2. Vuela hasta 8 insectos a la vez en el molino de vuelo. Prepara con pintura al menos 16 insectos para probar múltiples insectos secuencialmente durante una sola sesión de grabación.
    3. Para eliminar la pintura magnética después de la prueba, corte la pintura con fórceps finos y deséchela de acuerdo con las regulaciones de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA).
  2. Grabe varios insectos secuencialmente sin terminar una sesión de grabación utilizando la herramienta de comentarios de marcador de eventos de WinDAQ.
    1. Descargue e instale el software gratuito de grabación y reproducción de datos WinDAQ.
    2. Cree una nueva carpeta titulada Flight_scripts en el escritorio. Cree cinco nuevas carpetas con los siguientes nombres exactos dentro de la carpeta Flight_scripts: datos, archivos2split, grabaciones, split_filesy standardized_files. Descargue la hoja de datos.xlsx (Archivo suplementario 1) y arrastre el archivo a la carpeta de datos en el directorio Flight_scripts.
    3. Utilice la hoja de datos.xlsx como plantilla de registro manual de datos. Se necesita un mínimo de cuatro columnas: el número de identificación del error, si el error murió antes de ser probado, el número del conjunto de grabación y la cámara compuesta por la letra del canal y el número de canal (por ejemplo, 'A-1', 'B-4'). Consulte la Figura 2A para ver una posible configuración de la cámara.
    4. Abra el panel de control de WinDAQ,seleccione los registradores de datos de la lista de casillas de verificación y presione ' Iniciar softwareWindaq'. Se abrirá una nueva ventana para cada registrador de datos seleccionado, y se mostrará la señal de entrada de cada sensor.
    5. Defina una frecuencia de muestreo haciendo clic en Editar > frecuencia de muestreo. Escriba una frecuencia de muestreo de 100 muestras/segundo en el cuadro Frecuencia de muestreo/canal y pulse OK.
      NOTA: Este protocolo sugiere 100 S / s porque los valles, que son caídas de voltaje resultantes de la bandera que interrumpe el haz del sensor IR, aún alcanzarán una caída mínima de voltaje de 0.36 V para velocidades de 1.7 m / s. A su vez, el ruido, que tiene una caída máxima en el voltaje de 0.10 V, aún se puede filtrar durante las estandarizaciones sin filtrar los canales reales. Además, una frecuencia de muestreo de 100 S / s facilita al usuario ver los canales en la forma de onda en pantalla durante y después de la grabación. Si ocurren errores durante la grabación, entonces el usuario puede discernir rápidamente los canales de los errores o el ruido. Consulte la Figura suplementaria 2 para obtener comparaciones entre varias frecuencias de muestreo bajas.
    6. Para iniciar una nueva sesión de grabación, presione Archivo > Grabar. Seleccione la ubicación del archivo de grabación en la primera ventana emergente. Escriba el nombre del archivo cuidadosamente. Los archivos deben tener al menos lo siguiente en sus nombres: el número del conjunto de grabación y la letra del canal. Un ejemplo de un nombre de archivo modelado en los scripts de Python es el siguiente: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Consulte split_files.py líneas 78-87 de la carpeta Flight_scripts para obtener más detalles. A continuación, pulse OK.
    7. En la siguiente ventana emergente, introduzca la duración prevista de la grabación del vuelo. Presione OK cuando los insectos estén en condiciones de comenzar el vuelo. Una vez transcurrido el tiempo de grabación, presione Ctrl-S para finalizar el archivo. No presione Ctrl-S a menos que sea necesario finalizar la grabación antes de tiempo.
      NOTA: Si el archivo termina demasiado pronto, ya sea escribiendo Ctrl + S o el período de tiempo mencionado anteriormente fue demasiado corto, agregue una nueva grabación a un archivo existente haciendo clic en Archivo > Registro. Seleccione el archivo al que desea anexar y haga clic en Sí en la siguiente ventana emergente.
    8. Cuando extraiga los insectos probados durante la grabación, inserte un marcador de evento comentado del insecto entrante en su cámara seleccionada. Siempre registre manualmente la identificación, la cámara y el conjunto de registro del insecto entrante en la hoja de datos.xlsx antes de intercambiar insectos.
    9. Para hacer un comentario de marcador de evento, haga clic en el número de canal. A continuación, haga clic en Editar > Insertar marca comentada. Defina el comentario con el número de identificación del nuevo insecto que ingresa a la cámara. Presione OK y cargue el insecto en la cámara.
  3. Visualice los comentarios del marcador de eventos y convierta el archivo de WDH a TXT.
    1. Abra un archivo WDH. Visualice los comentarios del marcador de eventos yendo a Editar > Compresión... y, a continuación, haga clic en el botón Máximo para comprimir completamente la forma de onda en una ventana (Figura 6A).
    2. Compruebe si hay anomalías en la grabación.
      NOTA: Los tipos de anomalías o fallos en la grabación se muestran en la Figura 6. Estos se diagnostican más tarde y se corrigen en los scripts de Python.
    3. Guarde el archivo en un formato .txt yendo a Archivo > Guardar como. Seleccione la carpeta de grabaciones dentro del directorio Flight_scripts como la ubicación para guardar el archivo. Seleccione el tipo de archivo como Impresión de hoja de cálculo (CSV) en la ventana emergente y escriba el nombre del archivo con .txt al final. Haga clic en Guardar. En la siguiente ventana emergente, seleccione Frecuencia de muestreo, Hora relativay Fecha y hora. Escriba 1 entre el número de canal y los marcadores de evento. Anule la selección de todas las demás opciones y haga clic en Aceptar para guardar el archivo.

3. Analizar datos de vuelo

  1. Divida los archivos por comentarios de marcadores de eventos.
    1. Instale la última versión de Python. Todos los scripts de este protocolo fueron desarrollados en Python versión 3.8.0.
    2. Descargue los siguientes scripts de Python: split_files.py, standardize_troughs.pyy flight_analysis.py (archivos de codificación suplementarios). Mueva los scripts a la carpeta Flight_scripts.
    3. Asegúrese de que Python esté actualizado e instale las siguientes bibliotecas: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math y matplotlib. Para observar las principales funciones y estructuras de datos de los scripts, consulte el esquema en la Figura suplementaria 3.
    4. Abra la hoja de datos.xlsx archivo y guárdelo como CSV cambiando el formato de archivo a CSV UTF-8 (delimitado por comas) si ejecuta Windows o Macintosh Comma Separated si ejecuta Mac.
    5. Abra el icono de split_files.py con el editor de texto de su elección. Si no hay preferencia, haga clic con el botón derecho en el icono de script y seleccione Abrir con IDLE.
    6. Recodificar las líneas 133-135 y 232-233 si el usuario escribió un nombre de archivo diferente de la plantilla sugerida ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Para recodificar el script para acomodar diferentes nombres de archivo mediante la función split(), consulte las líneas 116-131.
    7. En la línea 266, escriba la ruta de acceso a la carpeta Flight_scripts y ejecute el script. Después de una ejecución exitosa, el script genera archivos intermedios .txt de identificadores de insectos asignados en la carpeta files2split y archivos .txt para cada insecto probado en cada conjunto de grabación en la carpeta split_files, dentro del directorio Flight_scripts.
      NOTA: Además, en el shell de Python, los usuarios deben ver las instrucciones de impresión del nombre del archivo, qué insectos se intercambian en un marcador de eventos numerado y qué archivos se dividen y generan en nuevos archivos por ID de insecto.
  2. Estandarice y seleccione los canales en la señal grabada.
    1. Abra el icono de standardize_troughs.py con el editor de texto de su elección. Si no hay preferencia, haga clic con el botón derecho en el icono de script y seleccione Abrir con IDLE.
    2. En la línea 158, escriba la frecuencia de muestreo.
    3. En la línea 159, escriba la ruta de acceso a la carpeta Flight_scripts y ejecute el script. Si el script se ejecuta correctamente, genera archivos en la carpeta standardized_files del directorio Flight_scripts.
      NOTA: Todos los archivos deben comenzar con 'standardized_' y terminar con el nombre de archivo original.
    4. Compruebe la calidad de las grabaciones: Abra el trough_diagnostic.png generado por el standardize_troughs.py ubicado en la carpeta Flight_scripts. Asegúrese de que todos los registros sean robustos a los cambios en el valor de voltaje mínimo y máximo del intervalo de estandarización medio.
      NOTA: Las grabaciones pueden tener mucho ruido o tener canales demasiado sensibles si exhiben grandes disminuciones en el número de canales identificados cuando se aumentan los valores mínimos y máximos de desviación. También se pueden codificar, realizar y trazar diagnósticos adicionales para el factor de normalización mín-máx. En los pasos 2.3.1 se describe un método alternativo para comprobar la calidad de la grabación. y 2.3.2. del documento de métodos attisano et al. 201513.
    5. Evalúe los diagnósticos, quite los comentarios de la línea 198 y especifique los valores de desviación mínima y máxima, que definen los valores mínimos y máximos en torno a la tensión media utilizada para realizar la estandarización de todos los archivos. El valor predeterminado es 0,1 V para cada valor de desviación.
      NOTA: En la línea 53, el usuario también puede especificar el umbral del factor de normalización mínimo-máximo para identificar un voltaje muy por debajo del valor umbral.
    6. Comente la línea 189 después de introducir los valores de desviación y, a continuación, ejecute el script. El script ejecutará las estandarizaciones de manera eficiente para todos los archivos (casi 25 veces más rápido).
  3. Analice la pista de vuelo utilizando el archivo estandarizado.
    1. Abra el icono de flight_analysis.py con el editor de texto de su elección. Si no hay preferencia, haga clic con el botón derecho en el icono de script y seleccione Abrir con IDLE.
    2. En las líneas 76-78, edite la corrección de velocidad opcional que suprime las rotaciones adicionales del brazo del molino después de que un insecto deja de volar. Determine este valor umbral con precaución cuando trabaje con insectos voladores lentos.
    3. En la línea 121, edite los umbrales de velocidad para corregir las lecturas de velocidad falsas, como velocidades extremadamente rápidas o velocidades negativas. En la línea 130, edite el valor de intervalo de tiempo para filtrar los intervalos largos que se producen entre dos episodios de vuelo ininterrumpidos consecutivos.
    4. En la línea 350, escriba la ruta de acceso a la carpeta en la que se guardan los archivos estandarizados *.txt.
    5. En la línea 353, ingrese la longitud del radio del brazo utilizada durante las pruebas, que define la trayectoria de vuelo circular volada por revolución por el insecto.
    6. Identifique las unidades SI de distancia y tiempo como cadenas en las líneas 357 y 358, respectivamente.
    7. En las líneas 388-397, use la función split() para extraer, como mínimo, el número de identificación del insecto y el número establecido y la cámara en la que el insecto voló desde el nombre del archivo. El script sigue el ejemplo completo del nombre de archivo de 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Si es necesario, simplifique este nombre de archivo como se sugiere en el paso 2.2.6., y comente o elimine variables como el tipo de prueba en las líneas 392 y 401, si no se usa.
    8. Especifique toda la configuración del usuario, guarde y ejecute el script. Si la ejecución del script se ejecuta correctamente, imprime el número de identificación correspondiente del insecto, la cámara y las estadísticas de vuelo calculadas en el shell de Python. Además, genera un archivo flight_stats_summary.csv compuesto por la información impresa en el Shell de Python y guarda el archivo .csv en la carpeta de datos del directorio Flight_scripts.

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Representative Results

Los datos de vuelo se obtuvieron experimentalmente durante el invierno de 2020 utilizando J. haematoloma recolectado en el campo de Florida como insectos modelo (Bernat, A. V. y Cenzer, M. L., 2020, datos no publicados). Se realizaron ensayos de vuelo representativos en el Departamento de Ecología y Evolución de la Universidad de Chicago, como se muestra a continuación en la Figura 6, figura 7, Figura 8y Figura 9. El molino de vuelo se instaló dentro de una incubadora configurada a 28 ° C / 27 ° C (día / noche), 70% de humedad relativa y un ciclo de luz de 14 h / 10 h de oscuridad. Para cada prueba, la pista de vuelo de múltiples errores se registró cada centésima de segundo por el software WinDAQ durante un máximo de 24 h. Después de las pruebas preliminares, el comportamiento de vuelo se clasificó en vuelo estallido y vuelo continuo. Los bursters volaron esporádicamente durante menos de 10 minutos a la vez, y los voladores continuos volaron ininterrumpidamente durante 10 minutos o más. Cualquier individuo que no exhibiera un comportamiento de vuelo continuo dentro de su fase de prueba de 30 minutos fue sacado del molino de vuelo y reemplazado por un nuevo error y su IDENTIFICACIÓN acompañante en un comentario de marcador de evento. Todos los insectos que exhibieron vuelo continuo permanecieron en el molino de vuelo más allá de los 30 minutos hasta que dejaron de volar. Los errores se intercambiaban de 8 a.m. a 4 p.m. cada día. Como se representa en la Figura 9,las pruebas de vuelo de individuos en la grabación de un día variaron en duración de 30 minutos a más de 11 h. Al insertar marcadores de eventos en la adición de nuevos individuos, esta compleja estructura de datos se procesa con éxito a través de los scripts de Python, y el código ayuda efectivamente a los usuarios a visualizar el alcance de sus experimentos. La configuración experimental propuesta captura toda la capacidad de vuelo de los insectos; sin embargo, omite la posibilidad de observar la periodicidad del vuelo. Los usuarios tienen la opción de adaptar sus pruebas de vuelo para diferentes métricas de vuelo y elegir qué comportamiento o estrategias de vuelo desean probar más.

La forma de onda en pantalla y los mapas de calor de diagnóstico también permiten identificar brechas o resolver inconsistencias en los datos de la pista de vuelo. La Figura 6A muestra un conjunto de ensayos cuyos datos de vuelo se registraron con éxito para todos los canales sin ruido ni interrupción. También muestra todos los comentarios del marcador de eventos realizados durante la grabación. La Figura 6B muestra un momento en el que la señal grabada se perdió en el canal 3, bajando el voltaje inmediatamente a 0 V. Esto posiblemente se debió al cruce de cables abiertos o al aflojamiento de cables. También hay eventos particulares durante la grabación que podrían ocurrir pero que se corrigen en los scripts de Python. Esto incluye canales dobles, canales de espejo y ruido de voltaje(Figura 6C,D). Estos eventos conducen a lecturas falsas, pero pueden identificarse y eliminarse de manera confiable durante los análisis. La Figura 7 compara tres archivos de datos para mostrar cómo se diagnosticó el ruido o los valles sensibles en los datos de registro durante el proceso de estandarización. El primero(Figura 7A)es un archivo cuyos canales generados por cada revolución del brazo del molino de vuelo eran robustos, lo que significa que se desviaron en gran medida del voltaje medio del archivo. A su vez, a medida que aumentaba el intervalo de estandarización en torno a la media, no hubo cambios en el número de valles identificados. Esto sugirió que no había ruido de voltaje, y el usuario puede confiar en la precisión de la estandarización. Por otro lado, el tercer archivo(Figura 7C)tenía canales que eran demasiado sensibles o tenían un ruido de voltaje extraño que no se desviaba en gran medida del voltaje medio del archivo. Como resultado, su número de valles disminuyó sustancialmente a medida que aumentaba el intervalo de estandarización alrededor de la media. Entonces sería aconsejable mirar hacia atrás en el archivo de grabación original de WDH para confirmar si el insecto realmente estaba volando.

Al trazar las estadísticas de velocidad y duración del vuelo del individuo, el comportamiento de vuelo se puede caracterizar en cuatro categorías de vuelo: ráfagas (B), ráfagas a continuas (BC), continuas a ráfagas (CB) y continuas (C), como se representa en la Figura 8. Un individuo que exhibió estrictamente vuelo continuo voló ininterrumpidamente durante 10 minutos o más al menos al final de su fase de prueba de 30 minutos(Figura 8A). Un individuo que voló esporádicamente a lo largo de su fase de prueba de 30 minutos exhibió un vuelo estallido(Figura 8B). Un individuo que inicialmente exhibió vuelo continuo durante más de 10 minutos y luego disminuyó dentro de su fase de prueba de 30 minutos en ráfagas esporádicas exhibió vuelo continuo a estallido(Figura 8C). Finalmente, un individuo que inicialmente demostró un vuelo de explosión y luego hizo la transición al vuelo continuo durante el resto de la fase de prueba de 30 minutos y más allá exhibió estallido a vuelo continuo(Figura 8D). Por lo tanto, específico para el modelo de insectos y el marco experimental, el usuario puede usar esta salida gráfica para evaluar e identificar patrones generales de comportamiento de vuelo a pesar de las variaciones únicas en las pistas individuales.

Figure 1
Figura 1: Diseños a cortar con láser para estructura de lámina de plástico acrílico. Ocho láminas de plástico acrílico fueron cortadas con láser para construir la estructura de soporte de plástico del molino de vuelo. Las líneas de archivo se crearon en Adobe Illustrator en modo RGB, donde RGB Red (255, 0, 0) cortó líneas y RGB Blue (0, 0, 255) grabó líneas. Para una mayor legibilidad en esta figura, los trazos de línea de archivo se incrementaron de 0,0001 punto a 1 punto. Las unidades de coordenadas son mm, y el punto en la esquina superior izquierda de cada diseño es el origen, donde moverse más abajo y a la derecha del origen conduce a valores ascendentes positivos. Hay tres diseños de láminas diferentes: las paredes verticales exteriores, una pared vertical central y estantes horizontales. Las dos paredes verticales exteriores se deslizan en los estantes horizontales en sus rendijas, y sus orificios rectangulares se utilizan para montar el riel guía lineal impreso en 3D, los bloques y los soportes. Hay una pared vertical central con hendiduras que divide el molino de vuelo en ocho celdas y proporciona un soporte estructural adicional. También hay cinco estantes horizontes con ranuras, círculos grabados para marcar la ubicación de los soportes del tubo magnético y pequeños orificios rectangulares para permitir que los soportes del tubo se atornillen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Molino de vuelo ensamblado. A) Montaje del molino devuelo. Cada plataforma horizonte (HS) se ha insertado en las rendijas abiertas de las paredes verticales exteriores (OW) y la pared vertical central (CW). Además, cada celda, o 'cámara', se identifica con una letra de canal (A o B) que corresponde a un registrador de datos y un número de canal (1-4) que corresponde al canal en el registrador de datosespecífico. B) Montaje de celdas de molino de vuelo con brazo de molino de vuelo. Los rodamientos magnéticos se pueden subir o bajar deslizando los tubos interiores dentro de los tubos exteriores para ajustar la altura del brazo. Los sensores IR también se pueden subir o bajar para alinear los sensores con la altura de la bandera en el brazo. Los sensores IR también se pueden quitar fácilmente de sus bloques de carril guía lineal si necesitan ser reemplazados o inspeccionados o si el molino de vuelo necesita ser transportado. Los soportes transversales proporcionan soporte estructural para cada celda acrílica y se pueden insertar y quitar fácilmente. C) Conjunto lineal de carril guía y bloque en la ventana de la celda. Todos los componentes 3D y los tornillos respectivos en la ventana de la celda están etiquetados para un ensamblaje más claro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3:Diseños impresos en 3D. Las medidas son en mm. A) Carril guía lineal. B) Bloque de riel guía lineal en forma de soporte para sostener un sensor IR. C) Tornillo utilizado como soporte para sustituir tornillos de hierro. D) Soporte de tubo. E) Soporte magnético. F) Soporte transversal utilizado como alineador y estabilizador de marco acrílico. G) Soporte largo y H) soporte corto para mantener los rieles de guía lineales en su lugar. Solo se muestran soportes de riel guía lineal que descansan en la cara exterior de la pared acrílica. No se muestran espejos de soporte de riel de guía lineal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4:Circuitos eléctricos del molino de vuelo. A) Diagrama simple de un circuito eléctrico que conecta los sensores IR al registrador de datos. Cuando la bandera en el brazo del molino interrumpe el haz emitido por el transmisor del sensor IR, la corriente deja de fluir hacia el receptor del sensor IR y el voltaje cae a cero. El registrador de datos registra todas las caídas de voltaje. B) Circuitos eléctricos resaltados. Cada caja amarilla delimita los componentes de un circuito conectado a la placa de pruebas. Se pueden conectar múltiples circuitos eléctricos a una sola placa de pruebas en filas alternas. El tamaño de la placa de pruebas sin soldadura limita la cantidad de celdas de vuelo que se pueden acomodar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Insectos de diferentes tamaños pintados magnéticamente y atados. A) Drosophila melanogaster (moscas comunes de la fruta) pintadas magnéticamente y atadas. Las moscas de la fruta son insectos pequeños (longitud corporal 5 mm; masa = 0,2 mg) que primero deben anestesiarse con hielo o CO2 bajo un microscopio antes de aplicar la pintura magnética en el tórax. B) Desajuste entre el tamaño del insecto y el tamaño del imán. El imán en el brazo del molino de vuelo debe acomodar mejor el tamaño del insecto. Aquí el campo de visión del insecto está obstruido porque el imán es demasiado grande. Un imán cónico más pequeño o una banda magnética resolvería este desajuste. C-F) Oncopeltus fasciatus (insectos algodoncillos) y Jadera haematoloma (insectos jaboneros) pintados magnéticamente y atados. Los insectos más grandes (longitud del cuerpo > 5 mm; masa > 0,1 g) pueden ser pellizcados por sus patas antes de aplicar una capa de pintura en el tórax. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Ejemplos de grabaciones de vuelos WDH. Los canales de voltaje representan revoluciones completas del brazo del molino de vuelo. Las líneas punteadas rojas dividen la pantalla y los segundos por división (sec/div) de cada panel se resaltan en azul. Las líneas verticales negras marcan el tiempo del cursor. A) Marcadores de eventos. El sec/div se cambió de 0.2 seg/div a su máximo, permitiendo que toda la forma de onda se dibujara a través de la pantalla. Todos los marcadores de eventos tomados a través de todos los canales solo serán visibles en el primer canal como líneas que van desde el voltaje máximo hasta la parte inferior de la ventana de campo del canal. Todos los creadores de eventos para este conjunto de grabación están dentro del óvalo amarillo. B) Pérdida de señal. En otro conjunto de grabación, el sec/div se cambió de 0.2 seg/div a 15 seg/div para ayudar a visualizar una señal grabada perdida de 17:09 a 17:15 en el canal 3. Todos los demás canales, como el canal 4, continuaron funcionando correctamente. C) Canales dobles y canales espejo. Los canales dobles son cuando el voltaje baja, sube y luego cae y sube rápidamente de nuevo para crear lo que parecen ser dos canales fusionados en un evento de ruptura del haz. Los canales dobles también se reflejan entre sí, lo que sugiere que la bandera se movió hacia adelante y hacia atrás entre el sensor, lo que generalmente sucede cuando un insecto deja de volar. Los scripts de Python son correctos para cada caso. D) Ruido de voltaje. Poco después de las 13:14, se pueden ver pequeños golpes en el voltaje, que sugieren ruido de voltaje en la grabación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Datos diagnósticos representativos de Hematotoloma de Jadera (insecto soapberry). El ruido potencial o los canales demasiado sensibles se reconocen fácilmente en las grabaciones de vuelo. A) Una grabación óptima y robusta del ejemplo individual 318. No hubo cambios en el número de valles a medida que aumentaban los valores de desviación mínima y máxima, por lo que los valles eran lo suficientemente robustos como para ser identificados a pesar de un gran intervalo de estandarización. B) Un registro subóptimo, pero aún robusto del ejemplo individual 371. Hay una caída en el número de valles a medida que aumentan los valores mínimos y máximos de desviación; sin embargo, la caída fue mínima (11 valles). Podría haber ruido y algunos canales sensibles, pero nada sustancial. C) Una grabación ruidosa del ejemplo individual 176. Hay una caída clara y rápida en el número de vaguadas identificadas como los valores mínimos y máximos de desviación aumentados hasta que su número se estabiliza en 12 valles. Esto indica una gran cantidad de ruido potencial o canales demasiado sensibles, mientras que los 12 canales permanecen como canales robustos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: Datos representativos de vuelo de Jadera haematoloma (soapberry bug). Se pueden identificar cuatro categorías de comportamiento de vuelo en las grabaciones de vuelo. A) Vuelo continuo. Este individuo voló continuamente durante 1,67 h, comenzando a altas velocidades y luego disminuyendo con el tiempo a velocidades más bajas. B) Vuelo reventado. Este individuo voló solo en ráfagas dentro de los primeros 30 minutos de su prueba. Los bursters pueden alcanzar altas velocidades, pero este individuo solo podría retener velocidades bajas. C) Vuelo continuo a reventado. Este individuo había mantenido un vuelo continuo durante 25 minutos y luego se redujo a ráfagas durante los 5 minutos restantes de su prueba. D) Estallido a vuelo continuo. Este individuo comenzó como un burster, alcanzando altas velocidades esporádicas, y luego hizo la transición al vuelo continuo durante aproximadamente 4 h. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Visualización de canales representativos de múltiples ensayos de vuelo dentro de un solo conjunto de grabación. Cada color representa un error de soapberry individual en su letra de canal y número de canal dados durante su prueba. Todas las horas de inicio, las horas de parada y los nombres de archivo se extrajeron de la pista de vuelo única de cada individuo .txt archivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura suplementaria 1:Clave Kerf. Kerf es el espesor del material eliminado o perdido en el proceso de corte de ese material. Para un cortador láser, dos factores importantes determinarán el ancho del kerf: el ancho del haz y el tipo de material. Para probar y calcular el kerf exacto, corte con láser la llave y ajuste la tecla de 20 mm de ancho en la ranura que se ajuste de manera más segura. A continuación, reste el valor de ancho de ranura del valor de ancho de clave. Por ejemplo, una llave con un ancho de 20 mm que cabe en una ranura de 19,5 mm tendrá un grosor de bordillo de 0,5 mm. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 2:Comparación de frecuencias de muestreo bajas. A) Relación entre caída de tensión y velocidad por frecuencia de muestreo. Cada color de línea y forma de punto representa una frecuencia de muestreo (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz y 25 Hz). La caída de voltaje es sinónimo del tamaño del canal. Las líneas se ajustan a regresiones de segundo orden, que describen la disminución en el tamaño del canal a medida que aumenta la velocidad y el siguiente aumento en el tamaño del canal a velocidades más altas. La barra sombreada va de 0 V a 0.1 V, lo que marca el rango de voltaje en el que se produce el ruido. Los datos se recogieron en la celda B-4 utilizando el software de grabación WinDAQ y con dimensiones de bandera de lámina de 30 mm de largo por 30 mm de ancho. El brazo del molino de vuelo se giró rápidamente a mano y se dejó girar hasta que dejó de moverse. Las frecuencias de muestreo de 25 Hz o menos corren el riesgo de identificar erróneamente los valles como ruido durante las pruebas de estandarización y diagnóstico. Las frecuencias de muestreo de 100 Hz o superiores son especialmente robustas para registrar grandes valles para velocidades inferiores a 1m/s. B) Tamaños de canal de diferentes frecuencias de muestreo vistas a través de la forma de onda. A medida que las frecuencias de muestreo disminuyen, su representación en la forma de onda también se reduce. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 3:Diagrama de flujo de las funciones y estructuras de datos de cada script de Python. Se resume y describe una descripción general de las entradas, procesos funcionales y salidas de cada script de Python para el molino de vuelo propuesto y se describe a través de ejemplos. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Impresión 3D suplementaria. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivos de codificación suplementarios. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

El molino de vuelo simple y moderno proporciona una gama de ventajas para los investigadores interesados en estudiar el vuelo de insectos atados al ofrecer un diseño confiable y automatizado que prueba múltiples insectos de manera eficiente y rentable13,31,35. Del mismo modo, existe un fuerte incentivo para que los investigadores adopten tecnologías y técnicas de rápida aparición de la industria y otros campos científicos como un medio para construir herramientas experimentales para estudiar los sistemas ecológicos9,32,33. Este protocolo aprovecha dos tecnologías que emergen rápidamente, la impresora 3D y la cortadora láser, que están cada vez más disponibles en los espacios de fabricación comunales, con el fin de mejorar el molino de vuelo simple y moderno. Estas mejoras proporcionan un diseño más flexible, ajustable y plegable que acomoda insectos de diferentes tamaños, minimiza el estrés colocado en el insecto y permite que el molino de vuelo se transporte fácilmente a múltiples ubicaciones o entornos. Además, los gastos adicionales del uso de las tecnologías son mínimos o incluso gratuitos. Sin embargo, estas tecnologías también pueden ser un desafío para experimentar si alcanzar la competencia en el uso de editores de gráficos vectoriales y software de imágenes 3D no está fácilmente disponible. A su vez, el molino de vuelo que se presenta aquí sirve tanto para alentar a los investigadores a incorporar las tecnologías emergentes disponibles en su flujo de trabajo como para permitir a los investigadores construir un molino de vuelo personalizable, flexible y efectivo sin conocimientos especializados de electrónica, programación o modelos CAD.

Los aspectos más fuertes de este protocolo son las tecnologías del makerspace que amplían las opciones de diseño del molino de vuelo de un usuario, el uso de pintura magnética para minimizar el estrés de los insectos y la automatización de las grabaciones de vuelo que procesa múltiples insectos dentro de una sola grabación. El cortador láser ofrece capacidades de corte precisas y exactas que pueden manejar trabajos de casi cualquier complejidad. El usuario puede modificar la estructura de soporte de acrílico para montar impresiones 3D adicionales o artículos comprados. La impresora 3D permite al usuario crear componentes de molino de vuelo personalizables que pueden evitar productos costosos y prefabricados con dimensiones estrechamente ajustables. También se pueden construir impresiones 3D no propuestas en este documento, como plataformas de aterrizaje, soportes que pueden intercambiar rápidamente entre rodamientos magnéticos y rodamientos de bolas, o incluso un nuevo accesorio que ata a un insecto. Finalmente, el uso de software de grabación automatizado y scripts Python para diferenciar múltiples pruebas de vuelo dentro de una sola grabación permite estudiar episodios esporádicos de vuelo a episodios de vuelo muy largos. Sin embargo, dado lo variable que es la actividad y la duración del vuelo entre las especies, se sugiere que el usuario realice ensayos preliminares para comprender los límites y los patrones generales del comportamiento de vuelo de una especie para optimizar la recopilación de datos. El usuario también puede evaluar la integridad de sus grabaciones utilizando los mapas de calor de diagnóstico y puede tener en cuenta las correcciones de velocidad necesarias en los scripts.

Los investigadores también deben ser conscientes de las limitaciones generales de la fábrica de vuelo. Estudios previos han dado a conocer y han intentado remediar las limitaciones del vuelo atado, incluida la falta de contacto con el tarso para permitir que el insecto descanse a voluntad18,31, la ausencia de energía gastada cuando un insecto despega34, el arrastre adicional que el insecto supera al empujar el brazo del molino de vuelo, y el insecto que necesita compensar las fuerzas aerodinámicas hacia el exterior experimentadas debido a la aceleración centrífuga de su pista de vuelo circular 6,35. Además, sigue habiendo inconsistencias sobre cómo categorizar o cuantificar con mayor precisión las ráfagas cortas o "triviales" que muestran los insectos, especialmente cuando se comparan el comportamiento de vuelo y los mecanismos de los insectos migratorios grandes con los de los insectos pequeños que exhiben principalmente vuelos flotantes24,36,37 . A pesar de estas limitaciones, ha habido un progreso significativo en la captura y categorización del comportamiento de vuelo dentro de las especies de insectos, y los investigadores han continuado emparejando el molino de vuelo con otras tecnologías y métodos6,7,8.

El makerspace como un lugar de creatividad, colaboración y bajas barreras inspirará aún más a los investigadores a solucionar problemas de limitaciones de diseño de impresión 3D o diseños más intrincados cortados con láser. Los estudios han estudiado la efectividad de los makerspaces no solo como espacios iterativos de fabricación de productos, sino también como lugares de aprendizaje acelerado10,11,12. Los estudiantes de ingeniería en general obtuvieron puntajes más altos en comprensión de diseño, documentación de diseño y calidad del modelo cuando sus diseños se hicieron utilizando la tecnología makerspace11. Además, su tiempo de desarrollo del modelo se redujo en un 50%, lo que indica que la exploración makerspace superó a los cursos tradicionales de teoría memorística y aplicación11. A su vez, los investigadores con poco conocimiento de diseño podrán profundizarlo, y los investigadores que también son educadores pueden aprovechar este espacio como un medio para aumentar la organización del diseño, la artesanía y la destreza técnica para los estudiantes. En una disciplina como la ecología que ya hace uso de una variedad de herramientas para el trabajo de campo y de laboratorio, los investigadores también pueden desarrollar, compartir y estandarizar herramientas nuevas o mejoradas. La fábrica de vuelo propuesta en este documento es solo el comienzo de lo que podría ser un enfoque para democratizar y difundir rápidamente nuevos medios de recopilación de datos.

Las fábricas de vuelo han desempeñado un papel importante para permitir a los investigadores comprender la dispersión de insectos, un fenómeno ecológico que aún es esencialmente intratable en el campo. Los avances futuros en el diseño y la aplicación de la fresa de vuelo se pueden lograr a medida que los investigadores se vuelven más competentes en las tecnologías emergentes y el software que acompaña a esas tecnologías. Esto podría incluir el diseño de rodamientos de brazo de molino de vuelo que permitan la elevación vertical o le den al insecto una mayor flexibilidad de orientación de vuelo. Además, la precisión de los cortadores láser y las impresoras 3D puede ser necesaria para los investigadores interesados en reducir y calibrar para insectos pequeños con capacidades en su mayoría flotantes. A su vez, el objetivo de este protocolo era proporcionar una entrada fácil a estas tecnologías mientras se construía uno de los dispositivos más comunes y útiles en el campo de la ecología del comportamiento: el molino de vuelo. Si los investigadores tienen acceso a un espacio de creación comunal y se comprometen a navegar por sus tecnologías, las mejoras y mejoras resultantes del molino de vuelo moderno conducirán a un diseño creativo y colaborativo del molino de vuelo y continuarán ofreciendo información sobre los rasgos y mecanismos subyacentes que influyen en las variaciones y patrones de movimiento de las especies de insectos.

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Disclosures

El autor no tiene nada que revelar.

Acknowledgments

Me gustaría agradecer a Meredith Cenzer por comprar todos los materiales del molino de vuelo y proporcionar comentarios continuos desde la construcción hasta la redacción del proyecto. También agradezco a Ana Silberg sus contribuciones a standardize_troughs.py. Finalmente, agradezco al Media Arts, Data, and Design Center (MADD) de la Universidad de Chicago por el permiso para usar su equipo, tecnología y suministros de espacio de creación comunal de forma gratuita.

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

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