Name: 一个简单的飞行磨的系留飞行的昆虫研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 42 s
Description: 学习使用简易飞行磨在实验室控制条件下记录昆虫飞行行为。该方法采用亚克力结构和红外传感器，适用于研究昆虫 dispersal、迁徙模式及害虫管理策略。

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Alfredo Attisano 获得了欧洲社会基金研究生奖学金的支持。James T. Murphy 获得了美国农业部国家食品与农业研究所资助项目 2013-34103-21437 的支持。

1. 构建飞行磨
<ol>
	<li>构建亚克力塑料支撑结构：
	<ol>
		<li>根据图1所示设计，将3 mm厚的透明亚克力板切割成两个外侧垂直壁、一个中央垂直壁以及五个水平搁板。</li>
		<li>通过将搁板（图1和图2；HS）插入垂直壁（图1和图2；OW和CW）中，组装成支撑结构（图2A）。</li>
		<li>在装置背面的外部角落插入聚苯乙烯柱以增强结构稳定性（图2A和图2C）。如有需要，可沿中央垂直壁的接缝处粘贴短段直角边缘保护条，为水平搁板提供额外支撑。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>构建旋转臂组件：
	<ol>
		<li>将一段5 cm长、直径1 cm的塑料管粘接在每个细胞室顶部中央位置；将一段2 cm长、直径1 cm的塑料管粘接在每个细胞室底部中央位置，确保每个细胞室内上下塑料管对齐。使用热熔胶将两个尺寸为10 mm × 4 mm的N42钕铁硼磁铁固定在每个支撑端部，形成研磨臂的磁性轴承。</li>
		<li>将一根昆虫针插入一个20 µl移液器吸头中，并用热熔胶固定。调整针的位置，使其两端均伸出吸头外部，构成飞行磨的电枢。 
		注：在飞行试验期间，针的上端由上方一组磁铁固定；下方一组磁铁用于保持电枢处于垂直状态，使其能够绕轴旋转。</li>
		<li>截取一段24 cm长的19号非磁性皮下注射用钢质管。使用热熔胶将其中心点固定在步骤1.2.2中的移液器吸头顶部。将钢管的一端距末端2 cm处弯折至95°角，使从中心点起的长臂长度为12 cm，短臂从中心到弯折处的半径为10 cm（图2B）。 
		注：可根据需要调整半径长度，以适应不同的旋转距离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置红外传感器与数据记录仪：
	<ol>
		<li>使用可重复使用的黏性胶泥将红外传感器固定在每个细胞室的外侧，使传感器穿过外侧垂直壁支撑上的开孔伸入细胞室内（图2C）。</li>
		<li>通过在无焊面包板上搭建的简易电子电路，将红外传感器连接至数据记录仪（图3）。在面包板上的红外连接输入端和输出端分别连接一个180 Ω和2.2 kΩ的电阻（图3A,B）。将电阻放置在面包板的不同行中，以尽量减少多个传感器同时记录时电压信号的下降（见图3C）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 飞行试验
<ol>
	<li>通过昆虫针将昆虫间接固定在飞行磨臂上:
	<ol>
		<li>在旋转臂未弯曲端的末端放置一个小箔片标志，以最大程度干扰传感器中的红外光束，并起到配重作用。</li>
		<li>根据昆虫的大小及可用于固定的体壁区域，使用可重复使用的黏性胶泥或无毒皮肤胶水将实验昆虫固定在昆虫针上。如有必要，可通过低温或CO2对昆虫进行麻醉。</li>
		<li>将少量黏性胶泥包裹在昆虫针的圆头端，并在其表面滴加一滴无毒皮肤胶水。轻轻将其粘附于昆虫前胸背板区域，等待5–10秒直至胶水干燥。 
		注意：步骤2.1.3中的操作适用于具有坚硬（如甲虫、蝽类）或柔软（如黄蜂、蝇类）体壁的昆虫。对于体表多毛的昆虫（如蛾类、蝴蝶），在固定前需用极细的画笔轻轻去除局部毛发。</li>
		<li>将带有昆虫的昆虫针插入旋转臂组件弯曲的一端。</li>
		<li>飞行测试结束后，使用精细镊子小心移除固定装置。 
		注意：数据记录仪的设置与采集参数已针对材料表中列出的特定设备进行了优化，若使用其他设备，应相应调整。&#160;</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用免费的WinDAQ Lite软件启动记录会话
	<ol>
		<li>下载并安装免费软件WinDAQ Lite（见设备列表）。</li>
		<li>打开仪器硬件管理器，从弹出列表中选择数据记录仪，然后点击“Start Windaq”。新窗口将打开，并显示每个传感器的输入信号。</li>
		<li>选择数据记录仪读取和显示传感器输出信号的采样频率。 
		注意：采样频率取决于昆虫的飞行速度，但通常30–45 Hz的采样频率已足以捕捉中小型昆虫的飞行活动。</li>
		<li>按下Ctrl-F4开始记录会话。在第一个弹出窗口中选择记录文件的存储路径。根据特定昆虫和实验需求选择合适的记录时长，并在第二个弹出窗口中设定记录时间。记录时间结束后，按下Ctrl-S以完成文件保存。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>检查记录质量.
	<ol>
		<li>打开已记录的飞行轨迹文件，选择一个电压通道。按下Ctrl-T，弹出窗口将显示各通道的电压统计信息。</li>
		<li>确保未因电路中电压下降而导致最小值出现大幅降低（图4）。若某通道的平均电压与最小电压之差超过0.1 V，则应舍弃该通道数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将文件保存为*.CSV格式: 点击文件 &#62; 另存为，在弹出窗口中选择“Spreadsheet print (CSV)”。在“Spreadsheet Comments”弹出窗口中选择“Relative Time”，并取消选中所有其他选项。点击“确定”以保存文件。</li>
</ol>
3. 使用 Python 3.4.x 分析飞行数据
<ol>
	<li>安装最新版本的 Python 3.4.x. 下载存档文件 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/Python_scripts.zip">Python_scripts.zip</a> （补充文件），打开后将 standardize_peaks.py 和 flight_analysis.py 保存到桌面。</li>
	<li>按照以下步骤对记录信号中的峰进行标准化和选择
	<ol>
		<li>右键点击 standardize_peaks.py 图标，选择“用 IDLE 打开”。 
		注：IDLE 是 Python 的默认编辑器，但也可使用任何其他文本编辑器来完成此项工作。</li>
		<li>在第18-19行中，指定用于对每个通道的电压信号进行标准化处理时所采用的围绕平均电压的阈值。 
		注意：默认值设置用于实现精细调谐的信号标准化，但用户可根据每个通道的平均电压值自定义任意所需的阈值。这些值可在电压统计窗口中找到（参见步骤 2.3）。</li>
		<li>在第45行，输入保存录制的*.CSV文件的文件夹路径。</li>
		<li>在第 91 行，输入用于保存 *.TXT 峰值文件的文件夹路径。</li>
		<li>在第61行和第72行中，指定所需的通道数量。通过删除第61–63行和第72–74行开头的#符号来添加或删除通道，最多可支持8个通道。</li>
		<li>保存文件后，按 F5 键运行脚本。</li>
		<li>在弹出窗口中输入 *.CSV 文件的名称（包括任何附加的子文件夹），然后按回车键，以在指定文件夹中保存包含标准化信号的新 *.TXT 文件。 
		注意：根据所使用的通道数 n，该文件包含 n+1 列：第一列为采样事件的相对时间，其余 n 列代表用于记录的 n 个通道的基线和峰信号。数值 0 表示基线电压，数值 1 表示由标志物通过红外传感器时产生的峰信号。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用标准化文件分析飞行轨迹: 编辑 flight_analysis.py 脚本以适应用户的实验条件：
	<ol>
		<li>右键点击 flight_analysis.py 图标，选择“用 IDLE 打开”。</li>
		<li>在第39行和第80行，根据手臂半径调整圆形飞行路径的长度。</li>
		<li>如有需要，通过删除第50-52行中的#来激活可选的速度校正循环。相应地调整速度值。</li>
		<li>在第77行和第85行中，修改速度阈值和时间间隔值，以校正飞行轨迹中的错误速度读数，并考虑连续两次长时间不间断飞行之间出现的极短时间间隔。</li>
		<li>在第198行中，指定总记录时间（单位为秒）。从第287行开始，修改输出行中的数值范围。 
		注意：默认范围可根据用户的实验需求进行修改。为此，需将函数内的所有数值（包括变量名中的数值，例如变量“flight_300_900”中的数值）更改为所需值。</li>
		<li>在第 248 行输入保存 *.txt 标准化文件的文件夹路径。</li>
		<li>指定通道数量。通过在第257-259行、第270-272行以及第279-281行的行首添加或删除#符号，增减通道数量，最多支持8个通道。</li>
		<li>在第 304 行输入你希望保存输出文件的文件夹路径。</li>
		<li>所有用户设置指定完毕后，保存文件并按 F5 键运行脚本。</li>
		<li>在弹出窗口中输入要分析的 *.TXT 文件名称（包括任何附加的子文件夹），然后按回车键。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Hardie, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flight+Behavior+in+Migrating+Insects%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Agric.+Entomol%22%5BJournal%5D)">Flight Behavior in Migrating Insects.</a> J. Agric. Entomol. 10, 239-245 (1993).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

一种经济、灵活且可调节的飞行转盘设计。
昆虫飞行行为引起了众多科学家的关注，其研究范围从关注昆虫在不同环境条件下的基本行为，到生物防治领域的专家需要了解环境条件如何影响害虫的扩散倾向。飞行行为可通过多种方法进行研究，包括模拟田间条件的飞行“跑步机”和风洞，以及静态的固定飞行装置。固定式飞行转轮（如本文所述装置）的局限性在于，某些飞行特征（例如飞行高度的变化）无法被测量14。然而，固定式飞行转轮能够使昆虫持续飞行，从而让研究人员量化飞行的速度、距离和周期性等参数，并将这些参数与环境条件、生理状态及形态特征进行关联分析。
本文介绍的飞行磨装置旨在使不具备电子学专业知识的研究人员也能够搭建并使用一种固定式飞行磨来研究昆虫的飞行行为。该设计的一个优势是，与其他设计相比，飞行磨的总体成本较低，总成本可控制在300美元以下。其中塑料亚克力板是最昂贵的部件。第二个优势是，该飞行磨适用于许多实验室中有限的受控工作空间，而无需使用专用风洞。采用3毫米厚的透明亚克力塑料板，使得装置既具有透明性，便于对昆虫进行观察，又具有轻质特性，便于将飞行磨移动到适合飞行试验的位置。飞行磨单元的堆叠式结构在最小化设备占地空间的同时，最大化了可同时运行的样本数量。此外，该设备可轻松拆卸，便于储存。同时，该飞行磨的设计还允许相对容易地对大量个体进行采样。每台飞行磨包含8个单元，使研究人员能够同时记录多个个体的飞行活动。通过昆虫针将昆虫间接固定在旋转臂上，可实现昆虫快速装入和取出飞行磨。最后，数据记录电子系统结构简单、易于操作，并配有免费的数据分析软件。组装完成后，飞行磨利用简单的红外传感器记录飞行活动。旋转臂末端的金属箔标志片穿过红外光束时，可记录每一次旋转。通过旋转速率，可将速度、飞行距离、总飞行时间及飞行模式等数据记录到数据记录仪中。
飞行磨装置可适用于多种不同类型的昆虫。与木棍或吸管等其他选项相比，使用皮下注射用钢制管材作为旋转臂更为有效，因为尽管其重量较大，但其较小的直径减小了空气阻力，从而使得即使是小型昆虫也能进行飞行测试。最近，已有研究在小型昆虫的飞行磨中使用了小段光纤25。旋转臂的弯曲末端可相对于支撑轴以不同角度粘接到昆虫固定装置上，以便将实验昆虫调整至其自然飞行姿态。在本设计中，旋转半径为10 cm，完成一圈飞行的距离为62.8 cm。若移除中心垂直隔板，可将飞行磨配置为另一种结构形式，使旋转臂半径长度加倍，以适应体型更大的昆虫，单圈飞行距离可达1.20 m。在此情况下，建议使用磁性更强的磁铁，以支撑并稳定更长的飞行磨臂。
如文中多处所述，飞行磨设计具有灵活性和适应性，研究人员可根据目标昆虫物种的特点，针对其特定需求进行定制。这不仅包括昆虫的生理需求，例如体型、力量、体壁结构等参数，还包括不同物种间的生物学差异。所有飞行磨存在一个潜在缺点，即缺乏跗节支撑会“迫使”昆虫飞行，甚至可能导致其精疲力竭。虽然在某些物种中确实如此（例如，在马利筋蝽实验中我们观察到了自动飞行反应），但并非所有我们测试过的昆虫都表现出该现象（例如 N. vespilloides）。然而，即使存在自动飞行反应，我们也从未观察到昆虫因飞行而达到衰竭或死亡的程度，部分原因在于我们选择的记录时间充分考虑了昆虫的生物学特性。因此，对目标昆虫进行初步观察以了解其在飞行磨中的行为表现，对于优化数据采集至关重要。飞行磨另一个广为人知的问题是，即使昆虫已停止主动飞行，惯性仍可能维持装置的运动。所提供的脚本能够校正因飞行磨惯性导致的误读信号，这类信号的特征是飞行速度迅速下降且峰间距逐渐增大。脚本“flight_analysis.py”会剔除这些“伪峰”，并构建新的信号用于分析。用户可根据脚本中提供的注释说明，自行选择用于校正的速度阈值。
5 V 的电源足以获得可读的电压信号，但使用具有可变输出电压的电源装置作为电源，可以调节输入功率，从而为每个传感器优化工作电压。这种方案还有助于提高软件记录界面中峰信号的可视化质量。传感器的输出在软件界面中表现为基线电压和峰值电压：基线电压代表传感器静止时（红外光束未被阻断时）的最低输出电压，而峰值电压则是当手臂穿过光束、阻断红外光束时，从基线电压上升的部分。5 V 的输入电压可产生约 100 mV 的上升，而将输入电压提高至 7 V 时，峰值上升可达 300 mV，从而更清晰地区分基线电压与峰值电压。所选无焊面包板的尺寸决定了可容纳的飞行单元数量。为了在从多个传感器记录信号时尽量减少电压信号的下降，建议将电阻沿面包板的不同行交替放置（见图 3C）。
为开源编程语言 Python 编写的可定制信号标准化与分析脚本。
电压信号的标准化与分析通过使用 Python 编写的自定义脚本完成。Python 是一种免费、广泛使用的通用高级编程语言。最终用户可轻松自定义脚本以适配自身设定的参数。自定义操作仅需修改数值或变量名称即可实现。有关如何自定义参数的说明可在脚本内部找到。脚本中的默认值已设置为可实现精细的信号标准化，但用户也可根据每个通道的平均电压值自定义任意所需的阈值。在飞行分析脚本中，第 105 行的函数 flying_bouts 用于计算最长和最短飞行片段的持续时间（秒）、飞行时间占总记录时间的百分比，以及指定持续时间范围内的飞行片段事件数量。这些范围可根据用户的实验需求进行修改。为此，函数内的所有数值（包括变量名中的数值，例如变量 “flight_300_900” 中的数值）均需更改为所需值。范围的数量及其持续时间完全取决于用户的设定。脚本将在屏幕上输出每个通道的分析结果，包括：平均飞行速度、总飞行时间、飞行距离、最短和最长飞行片段以及飞行构成。此外，脚本将为每个通道生成一个 *.DAT 文件，并保存至用户指定的输出文件夹中。每个 *.DAT 文件包含两列：第一列为峰值事件的相对时间，第二列为两个连续峰值事件之间的详细速度变化。该文件可导入 Excel 或 R 软件，用于绘制速度随时间变化的图表，从而可视化飞行活动模式。
综上所述，这些结果表明，该飞行磨设计可被轻松且成功地应用于收集不同昆虫模型飞行活动模式行为研究的数据。此类数据可用于研究运动模式的个体差异，例如这些差异依赖于生理和形态特征的情况。这有助于深入理解决定个体运动模式（如觅食或迁徙活动）差异的潜在生理和形态特征，而这些差异最终会影响整个种群。随时间变化的详细速度数据可与详细的生理和形态测量数据结合使用，为研究资源消耗模式或身体部位形态变异对飞行活动的影响提供了有力工具。

已开发出多种实验室技术用于研究昆虫飞行行为1,2。这些技术从简单的静态固定3,4到可使固定昆虫获得更大活动自由度的复杂装置不等5。迄今为止，飞行室6-9是在受控条件下实现最高飞行自由度的设备。该技术存在两个主要缺点：难以用于大型昆虫的研究，且数据采集的手动操作耗时较长。
飞行磨是实验室条件下研究昆虫飞行最常用且成本较低的技术之一10-12。该技术优于静态 tethering（固定束缚），因为它能提供运动刺激13，但其与自由飞行行为反应有所不同14-16。飞行磨上的部分飞行行为特征与野外自然状态下的行为相似5,17，因此尽管存在某些局限性，飞行磨仍是一种可行的方法，可用于探究特定飞行行为反应（例如迁飞类型）是否发生。此外，飞行磨比风洞或飞行室更容易构建，数据采集也易于实现自动化。因此，研究飞行行为的科研人员通常认为飞行磨是最佳选择，但也应意识到该方法可能存在的局限性。本文介绍一种灵活且可定制的飞行磨设计，供选择使用飞行磨研究飞行行为的研究者参考。
多位作者描述了不同的飞行磨设计。总体而言，飞行磨系统的主要部分 即，旋转式飞行磨的臂部结构实现起来相当简单。较为复杂的是飞行磨系统的电子部分，它用于记录数据。电子电路设计可能具有挑战性，尤其对于缺乏电子学背景知识的昆虫学家或行为生态学家而言。一些作者在其飞行磨设计中描述了复杂或已过时的电子电路组件 18-21，或飞行磨电子部件的描述缺失 22,23. 其他设计描述了机械结构复杂的活动记录仪，其实现较为复杂，但可帮助研究人员开展更复杂的行为观察 5.
本文介绍了一种结构简单、成本相对较低的飞行磨装置的设计，用于研究昆虫的束缚飞行。该设计结合了极为简单的电子元件，具有多项优势。飞行磨的结构设计适用于标准昆虫生态学实验室中通常有限的空间。整个结构采用透明的丙烯酸塑料制成，使得单一光源能够均匀地照射到飞行磨各个独立腔室中的每一只昆虫。由于材料透明且体积小巧，该飞行磨可置于培养箱中，以实现标准化的光照和温度条件。此外，整个装置易于组装和拆卸，拆解后可节省存放空间。该结构设计的另一优点是可对飞行磨进行修改，以适应不同体型昆虫的研究，并可调整旋转半径。该飞行磨已成功用于研究体型和形态差异较大的多种昆虫，包括马利筋虫（Oncopeltus fasciatus24）、葛藤蝽（Megacopta cribraria）以及埋葬甲虫（Nicrophorus vespilloides）。该飞行磨设计还能满足需要大样本量研究所需的高通量要求。每个数据记录仪可同时使用8个通道采集数据，从而实现对大量个体的同步分析，并可在同一天内处理大量样本。数据的记录与可视化无需昂贵的软件，且可根据实验设计的具体需求修改自定义编写的数据分析脚本。不同昆虫物种的飞行反应差异显著，因此，在开展完整的飞行磨实验之前，建议先对目标昆虫模型的飞行反应进行初步测试。这些测试有助于了解飞行反应行为变异的程度，进而优化飞行分析中的各项参数，例如记录时间或飞行速度范围。

<table><tbody><tr><td>数据记录仪</td><td>DATAQ Instruments, Ohio, USA</td><td>DI-149</td><td>选择此类数据记录仪的原因在于其可通过USB轻松连接至计算机，并附带免费的专用软件（WinDaq/Lite, DATAQ Instruments, Ohio, USA），可用于可视化和记录传感器输出，从而降低飞行磨具设计的成本。</td></tr><tr><td>数据记录仪 - 潜在替代方案</td><td></td><td></td><td>DATAQ数据记录仪&amp;nbsp;的一种潜在替代方案是RS232转USB适配器，可在办公用品或电子器材商店轻松购得。&amp;nbsp;这些适配器应可通过pyserial模块直接从串行端口读取数据。</td></tr><tr><td>昆虫学用针</td><td>BioQuip</td><td></td><td></td></tr><tr><td>19号规格不锈钢套管</td><td>Small Parts</td><td>B000FN5Q3I</td><td>可通过Amazon.com购买；其他供应商也可提供，但请确保购买奥氏体不锈钢套管，以保证臂部无磁性</td></tr><tr><td>红外传感器</td><td>Optek Technology Inc., Texas USA</td><td>OPB800W</td><td></td></tr><tr><td>N42钕铁硼磁铁</td><td></td><td></td><td>易于获取，可通过专业磁材供应商、 hobby商店或Amazon购买</td></tr><tr><td>有机玻璃/亚克力板</td><td></td><td></td><td>在任何五金商店均可轻松购得</td></tr><tr><td>用于支撑的聚苯乙烯柱</td><td></td><td></td><td>任何原本将被丢弃或回收的聚苯乙烯或泡沫塑料包装材料均可用于制作飞行磨具的支撑柱。&amp;nbsp;此外，泡沫绝缘板在任何五金商店均有销售。</td></tr><tr><td>无焊面包板电源模块</td><td>Arrela</td><td>MB102</td><td>5V电源单元、面包板以及无焊公对公跳线可作为套件轻松购买。</td></tr></tbody></table>

一种用于研究昆虫束缚飞行的简易飞行转盘

A Simple Flight Mill for the Study of Tethered Flight in Insects

昆虫的飞行可以是长距离迁徙飞行、中距离扩散飞行或短距离寄主搜寻飞行。先前的研究表明，飞行磨是一种研究昆虫飞行行为的宝贵工具，可使研究人员探究年龄、寄主植物或种群来源等因素如何影响昆虫的扩散倾向。飞行磨能够测量飞行的多个参数，例如飞行速度和飞行距离。由于缺乏有关如何构建此类装置的详细信息，其制作过程可能显得过于复杂。本文介绍一种用于研究昆虫束缚飞行的简单且相对低成本的飞行磨装置。实验昆虫可通过无毒粘合剂固定，并借助极低摩擦的磁力轴承绕轴旋转。该装置适用于在受控条件下研究飞行行为，因其可在培养箱或环境控制舱内使用。其主要优势在于电子电路极为简单、设计上可同时容纳16只昆虫飞行，从而在短时间内收集和分析大量样本，以及可在空间极为有限的环境中使用。该设计具有极强的灵活性，我们已调整该装置以适应不同大小的多种昆虫物种。

图5展示了使用上一节所述脚本可获得的图形类型的代表性示例。飞行数据来自剑桥大学动物学系的实验研究，该研究以埋葬甲虫Nicrophorus vespilloides为模型（Attisano，未发表数据）。两只约20日龄的年轻未交配雄性甲虫被固定在飞行转轮上，并置于14:10光:暗循环和21 °C的受控环境条件下。甲虫在飞行转轮中持续停留8小时，期间记录其飞行活动。屏幕上的分析和图形输出使得解析个体间飞行活动模式的差异成为可能。例如，第一只雄性甲虫（图5A）在记录开始的第一个小时内表现出强烈的飞行活动，其特征是高速且持续的飞行，持续约三小时。这一长时间的活动阶段表现为飞行速度从约1.6 m/s逐渐下降至约1 m/s。在初始的飞行阶段之后，该个体表现出近乎周期性的较短飞行活动，每次持续约10–15分钟。第二只雄性甲虫则表现出截然不同的飞行模式，其飞行持续时间从未超过15–20分钟（图5B）。该个体在记录的前4小时内飞行活动分布广泛，之后其活动几乎呈现周期性。此外，该个体的飞行速度非常低，仅偶尔超过0.4 m/s。
另一个代表性示例使用了不同的昆虫模型——乳草蝽 Oncopeltus fasciatus。数据来自一项关于乳草蝽雌虫迁徙行为及其对食物胁迫生理反应的研究24。该研究中，记录时长设定为一小时，以区分雌虫属于迁徙型或定居型。这两种行为类型表现出“全或无”的反应特征：迁徙型雌虫会进行持续且不间断的飞行，通常持续数小时；而定居型雌虫的飞行活动从不超过几分钟。因此，迁徙型雌虫的飞行模式如图6A所示，而定居型雌虫的运动模式则如图6B所示。
<img alt="带尺寸的架子结构设计；外侧和中央垂直墙板及水平搁板。" src="/files/ftp_upload/53377/53377fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
图1. 丙烯酸塑料支撑结构的设计构型。 飞行磨装置的丙烯酸塑料支撑结构由三个不同部件构成。两个外侧垂直墙板（OW）上设有用于安装搁板的槽口，以及用于容纳红外传感器（A）的开口；一个中央垂直墙板（CW）上设有用于安装搁板的槽口；以及5个水平搁板（HS），其上设有用于安装墙板的槽口。磁力支点在位置B处粘接固定于水平搁板上。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="静态平衡实验装置；带有标注的导线和杆的结构示意图。" src="/files/ftp_upload/53377/53377fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 组装好的飞行磨装置。（A）丙烯酸塑料支撑结构通过将五个水平搁板（HS）插入两侧壁（OW）和中央壁（CW）的槽口中组装而成，形成一个包含8个独立单元的结构，每个单元均配有磁性支点和红外传感器，可同时用于8个个体的飞行实验。（B）用于固定昆虫的支点臂可根据不同大小和形态的昆虫进行定制构造。（C）当被固定的昆虫带动悬于磁铁之间的支点臂运动时，臂另一端的金属箔标志物会触发红外传感器（箭头所示）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="晶体管电路图，用于传感器和LED数据记录实验的面包板接线设置。" src="/files/ftp_upload/53377/53377fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 将红外传感器连接至数据记录仪的电路设计。（A）一个简单电路将红外传感器的输入连接至数据记录仪。（B）可根据该图示，通过无焊面包板为每个数据记录仪供电并将其连接至数据记录仪。（C）可使用同一面包板将多个传感器连接至单个数据记录仪。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示周期性信号、数据分析、电脉冲模式的电压-时间波形图" src="/files/ftp_upload/53377/53377fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 记录飞行事件的示例。 电压峰值代表飞行转臂完成一次完整旋转。(A) 一次高质量的飞行事件记录，记录信号中无电压下降。(B) 一次记录信号中出现电压下降的飞行事件。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="Speed analysis graph; two plots show speed vs. time; data comparison; experiment result." src="/files/ftp_upload/53377/53377fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 5"> 
图5. 埋葬甲虫的代表性飞行数据 Nicrophorus vespilloides个体在飞行行为上的差异在飞行记录中很容易识别。A) 一名个体在试验开始后连续飞行约三小时，随后在试验剩余时间内以高速间歇性飞行。B) 该个体的行为表现不同，此甲虫在整个实验过程中仅断续飞行，从未达到图A个体所表现出的高速飞行状态（注意Y轴刻度的差异）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="Speed analysis graph showing velocity vs. time; two charts compare stability over 5000, 250 seconds." src="/files/ftp_upload/53377/53377fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 6"> 
图6. 来自马利筋虫的代表性飞行数据 Oncopeltus fasciatus飞行数据记录中明显观察到两种不同的行为模式。A这种记录是迁徙个体典型飞行行为的表现。迁徙个体会在较长时间内以相对稳定的速度飞行。B图A中的行为与留居个体的典型飞行行为形成对比。留居个体飞行速度较低，且飞行持续时间较短（注意A和B图X轴尺度的差异）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53377/53377fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

昆虫的飞行受到多种因素的影响，而扩散倾向是理解昆虫生态学和生物防治策略的一个重要变量。本文描述了一种简单、相对 inexpensive 且灵活的飞行磨装置的构建与使用方法，用于测量昆虫束缚飞行的参数。

昆虫的飞行可分为长距离迁徙飞行、中距离扩散飞行或短距离寄主搜寻飞行。先前的研究已……

该飞行转轮装置的总体目标是在实验室受控条件下记录昆虫的飞行行为。因此，该方法有助于回答行为生态学中的关键问题，例如相较于其他飞行转轮，哪些条件能够刺激昆虫的扩散或迁徙行为。该装置成本相对较低，且易于组装和构建，使其成为非专门研究昆虫飞行行为实验室的理想设备。尽管该方法可为昆虫基础生物学研究提供见解，但也可通过为综合害虫管理策略提供依据，应用于害虫的防控。飞行磨的构建与组装方法在实验方案文本中进行了描述。通过将五个水平隔板插入两侧壁和中央壁的槽口中，组装出丙烯酸塑料支撑结构，形成一个包含八个独立单元的装置，每个单元均配有磁性转轴和红外传感器，可同时用于八只昆虫的飞行实验。用于固定昆虫的转轴臂可根据不同昆虫的大小和形态采用多种材料制作。红外传感器使用可重复利用的黏性橡皮固定在每个单元的外侧，使传感器能够通过开口伸入单元内部。切割外部垂直墙支撑，将安装在无焊面包板上的简单电路连接至数据记录仪的输入端。在面包板上的红外传感器连接的输入端和输出端分别接入一个180欧姆和2.2千欧的电阻，并将其放置在面包板的不同行中，以在记录多个传感器信号时最大限度减少电压信号的下降。在开始束缚实验前，将一小片铝箔标志物固定在摆动臂未弯曲端的末端。这将最大化干扰传感器中的红外光束，并起到配重作用。根据实验昆虫的大小和可用于固定的角质层面积，必要时可使用热熔胶或无毒皮肤胶将昆虫固定在昆虫针上。本演示中使用的葛藤蝽无需使用皮肤胶模具。在昆虫针圆形针尖周围涂抹少量粘合剂，轻轻涂抹于昆虫的前胸背板区域。该方法适用于具有非毛状硬质或软质外骨骼的昆虫。将带有昆虫的昆虫针插入摆动臂组件的弯曲端。开始飞行实验时，将摆动臂悬置于两磁铁之间，并使昆虫开始飞行。此处使用数据记录仪配套的适当软件来记录飞行试验数据，即随数据队列提供的 Windex 软件。使用数据记录仪。打开仪器硬件管理器。从弹出列表中选择数据记录仪，然后按“启动风力作用”（Start Wind Act）。新窗口将打开，并显示每个传感器的输入信号。选择数据记录仪读取和显示传感器输出的所需采样频率。采样频率将取决于昆虫的飞行速度。然而，30 至 45 赫兹之间的采样频率足以捕捉小型至中型昆虫的飞行过程。按 Ctrl F 四次。开始录制会话。在第一个弹出窗口中选择录制文件的保存路径。在第二个弹出窗口中，根据特定昆虫和实验需求，选择并输入相应的飞行录制时长。记录时间结束后，按 Ctrl+S 键以完成录制文件的保存。飞行试验结束后，取下被固定住的昆虫。在进行数据分析之前，应先检查录音质量。打开记录的飞行轨迹并选择一个电压通道。按 CTRL T 键，弹出显示各通道电压统计信息的窗口。确保最小值未因电路中的电压下降而出现大幅降低。高质量的飞行事件记录中，记录信号不应出现电压下降。相反，如果飞行事件的记录信号中出现电压下降，则应舍弃那些通道平均电压与最小电压之差大于 0.1 伏特的通道。将文件保存为星型 CSV 格式。转到“文件”，选择“另存为”，在弹出窗口中选择电子表格，打印电子表格中的 CSV，在注释弹出窗口中选择相对时间，并取消选择所有其他选项。点击确定以保存文件。随后，使用附录中提供的 Python 脚本分析飞行数据。这些可根据方案中详述的实验设置进行编辑。来自埋葬甲虫Nicrophorus vespilloides的代表性飞行数据显示，个体间飞行行为的差异很容易被识别。其中一个个体在试验开始后连续飞行约三小时，随后在试验剩余时间内以高速间歇性飞行。在另一名个体中，飞行活动表现为在记录的前四个小时内飞行片段分布广泛，此后其活动几乎呈现周期性。该个体也从未达到第一个个体所表现出的高速飞行状态。请注意两个图表Y轴刻度上的差异。另一个代表性示例是利用马利筋虫（cap pelus fasciatus）开展的研究。在本研究中，记录时间设定为一小时，以区分雌性个体为迁徙型或定居型。此类记录典型地反映了迁徙型雌性个体的飞行行为特征：迁徙个体在较长时间内以相对稳定的速度飞行。相比之下，留居型雌性飞行速度较低，且飞行持续时间较短。请注意两张图中横轴比例尺的差异。本实验方案最大的挑战在于针对研究物种对设备和软件进行定制化调整。因此，在采集完飞行数据后，可以将昆虫从飞行仪上取下，用于收集相关的生命史数据，例如体重或寿命。现在，您应该已经充分了解如何在受控条件下采集和分析昆虫的飞行行为。

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