Name: 为系留昆虫飞行研究建造增强型飞行磨机 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 9 s
Description: 了解如何使用3D打印机和激光切割机等创客空间技术构建可定制的飞行磨机，用于系留昆虫飞行行为研究。该方法成本低廉、设计灵活，可轻松满足各种实验需求并确保结果可重复。

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我要感谢Meredith Cenzer购买了所有飞行转盘材料，并在项目从搭建到撰写报告的整个过程中提供了持续的反馈。我还要感谢Ana Silberg对standardize_troughs.py脚本的贡献。最后，我感谢芝加哥大学媒体艺术、数据与设计中心（MADD）允许我免费使用其公共创客空间的设备、技术和物资。

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

作者无任何利益冲突需要披露。

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&#160;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&#160;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...

鉴于昆虫在野外扩散行为的难以研究性，飞行磨已成为实验室中用于探讨一个重要生态现象——昆虫如何运动——的常用工具。因此，自飞行磨的先驱者1,2,3,4 开创这一技术并推动其六十年的设计与构建发展以来，随着技术的进步及其在科研群体中的日益融合，飞行磨的设计也出现了明显的演变。随着时间推移，自动数据采集软件取代了图表记录仪，飞行磨臂也从玻璃棒演变为碳棒和钢管5。仅在过去十年中，磁力轴承已取代聚四氟乙烯（Teflon）或玻璃轴承，成为最优的无摩擦选择，同时飞行磨装置与多种技术的结合日益增多，音频、视频及分层制造技术正逐步融入研究人员的工作流程。这些结合包括使用高速摄像机测量翅膀空气动力学6，利用数模转换板模拟感官刺激以研究听觉引导的飞行反应7，以及采用3D打印技术制作校准装置以追踪飞行过程中的翅膀形变8。随着创客空间中新兴技术的兴起，尤其是在由专业人员运营数字媒体中心的机构中9，现在有了更多可能性来改进飞行磨，以测试更广泛种类的昆虫，并将设备带入野外环境。研究人员也有极大潜力通过基于制作的研究工作跨越学科界限，加快技术学习进程9,10,11,12。本文所介绍的飞行磨（改编自Attisano及其同事的方法13）充分利用创客空间中的新兴技术，不仅能够1）制造出尺寸和规格可根据具体研究项目精确调整的飞行磨组件，而且还能2）为研究人员提供易于操作的激光切割和3D打印实验方案，同时无需高额预算或计算机辅助设计（CAD）方面的专业知识。
将新技术和新方法与飞行磨（flight mill）相结合具有显著优势，但飞行磨本身也是一种极具价值的独立设备。飞行磨用于测量昆虫的飞行表现，可帮助确定飞行速度、距离或周期性如何受到温度、相对湿度、季节、寄主植物、体重、形态特征、年龄和繁殖活动等环境或生态因素的影响。与活动记录仪（actographs）、跑台以及风洞和室内场地中飞行运动的视频记录等其他方法14不同，飞行磨的突出优势在于其能够在实验室条件下收集多种飞行性能统计数据。这有助于生态学家回答有关飞行扩散的重要科学问题，并推动其所在领域的研究进展——无论该领域是综合害虫管理15,16,17、种群动态、遗传学、生物地理学、生活史策略18，还是表型可塑性19,20,21,22。另一方面，高速摄像机和活动记录仪等设备可能需要严格、复杂且昂贵的设置，尽管它们能够提供更精细的运动参数，例如翅拍频率和昆虫的光相活动23,24。因此，本文所介绍的飞行磨为研究人员提供了一种灵活、经济且可定制的选择，用于研究飞行行为。
同样，随着研究扩散问题的思路和方法变得越来越富有创造性和复杂性，将新兴技术整合到生态学家工作流程中的动力也在持续增强。作为促进创新的场所，创客空间吸引了不同层次的专业人才，并为各个年龄段的用户提供了较低的学习门槛，使其能够快速掌握新的技术技能10,12。在创客空间中以及通过在线开源平台对科学设备进行原型设计具有迭代性和协作性，这可以加快理论的应用11，并促进生态科学领域的产品开发。此外，提高科研工具的可重复性将有助于更广泛的数据采集和开放科学实践。这可以帮助研究人员对测量扩散的设备或方法进行标准化。工具的标准化还可能使生态学家能够整合不同种群间的扩散数据，从而检验基于扩散核函数25或源-汇定殖动态26构建的集合种群模型。正如医学界正在采用3D打印技术用于患者治疗和解剖学教育27一样，生态学家也可以利用&#160;激光切割机和3D打印机来重新设计生态学研究工具和教育方式；在本研究的范围内，还可设计飞行磨的附加组件，例如着陆平台或可垂直移动的飞行磨臂。反过来，创客空间技术所提供的定制化能力、成本效益以及生产效率的提升，能够帮助有意自主研发工具和设备的研究人员以相对较低的门槛启动扩散相关研究项目。
在构建该飞行磨时，制作者还需考虑一些机械和仪器方面的限制。利用磁铁和3D打印的增强部件，除交叉支架的构建外，飞行磨可基本实现无胶组装，并能适应不同体型的昆虫。然而，随着昆虫质量和力量的增加，被 tether（固定）的昆虫更可能自行脱离。可使用强磁铁，但会增加扭转阻力；或者采用滚珠轴承替代磁力轴承，作为测试数克重昆虫飞行的更稳固方案28,29。不过，滚珠轴承也可能带来一些问题，主要是在高速和高温条件下长时间运行实验会降低轴承润滑性能，从而增加摩擦力30。因此，使用者需根据所研究的昆虫种类及实验设计，判断何种飞行磨机械结构最为合适。
同样，有多种方法可用于飞行转盘的仪器化，但这些内容超出了本文的讨论范围。本文介绍的飞行转盘使用红外传感器检测旋转次数，通过WinDAQ软件记录旋转数据，并利用编程脚本处理原始数据。尽管该软件易于使用，但其可用工具较为有限。&#160;用户无法为相应的通道添加注释，也无法在电路任何部件发生故障时收到警报。这些问题只能在数据采集完成后，通过代码进行检测和修正。或者，用户可采用具备可定制数据采集功能的多种软件28，或使用可直接获取速度和距离统计信息的传感器，例如自行车里程计29。然而，这些替代方案可能跳过有价值的原始数据，或将功能分散到过多的软件应用中，从而导致数据处理效率降低。最终，本方案并未重新设计飞行转盘的仪器设备，而是提供了稳健的编程解决方案，以应对当前软件的功能局限。
本文介绍了一种改进的简易飞行磨设计，旨在协助研究人员开展扩散行为研究，并推动新兴技术在行为生态学领域的应用。该飞行磨可置于培养箱内，同时承载多达八只昆虫，并实现了数据采集与处理的自动化。其显著特点是采用3D打印技术进行优化，用户可调节转臂和红外传感器的高度，以适应不同体型昆虫的测试需求，并可快速拆卸装置以便于存储或运输。得益于机构对公共创客空间的访问权限，所有改进均无需额外费用，成本与简易现代飞行磨相当。所需软件均为免费，电子电路结构简单，所有脚本均可根据实验设计的具体需求进行修改。此外，内置编码诊断功能可帮助用户检查记录数据的完整性与精确性。最后，本方案通过磁性涂料和磁力固定的方式将昆虫 tether&#160;于转臂上，最大限度地减少了昆虫所承受的应激。鉴于简易飞行磨本身已具备良好的可及性、经济性和灵活性，利用创客空间技术对其进行升级，不仅能够帮助研究人员满足各自特定的飞行研究需求，还可能激发超越本文所限的创新性飞行磨设计。

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

构建增强型飞行转盘以研究昆虫束缚飞行

Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight

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&#160;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。

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...

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。

创客空间在推动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。本方案……

本方案可用于利用创客空间技术（如激光切割机和3D打印机）构建一种经济实惠且性能增强的飞行转盘。激光切割机和3D打印机能够处理复杂的设计，因此您可以轻松地根据实验需求定制并复制飞行转盘。在创客空间中制作亚克力支撑结构时，请打开合适的矢量图形编辑软件，在RGB模式下创建文件，设置线宽为0.0001点，其中RGB红色用于切割线，RGB蓝色用于边缘线。作为预防措施，请按照图示设计曲线键。遵循创客空间关于激光切割机启动、使用和维护的指导规范。在激光切割软件中，选择材料为塑料，材料类型为亚克力。为获得更高的精度，使用卡尺测量材料厚度，并将测得的厚度值输入到材料厚度参数栏中。将材料放入打印机腔体内并切割出曲线键。使用该曲线键确定曲线宽度，然后根据需要，在激光切割有机玻璃支撑结构之前，对有机玻璃支撑设计中的所有狭缝和孔洞尺寸进行曲线补偿。要打印塑料支撑结构，请点击“3D设计”和“创建”以建立新设计。如需复制本研究中精确的3D打印设计，请下载压缩文件3D_Prints.zip，并将该文件夹移至桌面。打开文件夹。在在线 3D 建模程序的工作网页界面中，点击“导入”并从文件夹中选择所有 stl 文件。如需自行创建设计或对现有设计进行修改，请参考该网站提供的教程。进行修改并将新设计导出为 stl 文件。要获得设计的镜像，请单击对象，按 M 键，然后选择与对象宽度对应的箭头。进行 3D 打印时，双击 3D 打印切片软件图标，然后选择要打印的对象文件。选择打印设备和机型以选定3D打印机，双击移动图标以调整物体位置。单击平台，确保模型位于平台之上。然后单击移动并居中，将物体放置在构建区域的中心。当物体准备就绪后，单击“打印”以将打印文件保存为 gx 文件。接下来，根据标准操作规程校准3D打印机的挤出机，并确认打印耗材充足。当所有物体均完成修改后，将gx文件传输至3D打印机，并打印所有支撑结构和增强部件。每次打印时，请检查耗材是否牢固地粘附在打印平台上。本设计共需3D打印八个线性导轨、16个线性导轨滑块、12至20个螺钉、15个十字连接支架、16个磁体固定座、16个管支撑件、16个短型线性导轨支撑件以及16个长型线性导轨支撑件。组装亚克力侧壁后，将一段30毫米长的塑料管插入每个单元顶部的管支撑件中，再将一段15毫米长的塑料管插入底部的管支撑件中。将一段14毫米长的塑料管插入上方的管中，将一段20毫米长的塑料管插入下方的管中，确保管之间有足够的摩擦力，使管子能够固定就位，即使拉动内管也不会上下滑动。如果任何管段发生变形，将变形的管段浸入沸水中一分钟，然后在毛巾上将其矫直，并在将矫直后的管段插入管中前使其材料恢复至室温。在每个磁体支撑架中放入两个低摩擦钕磁铁和一段内管。将内管牢固地插入每个磁体支撑中，确保磁体及磁体支撑所受重力不足以使材料从内管中脱落。检查每对磁体是否相互排斥。将线性导轨滑块均朝上放置，滑入线性导轨中，并将线性导轨及其滑块垂直插入外侧竖直壁的窗口内。使用两个短直线导轨支架、两个长直线导轨支架、四个10毫米长的铁螺钉、两个20毫米长的铁螺钉以及两个六角螺母，将一条直线导轨固定到位。为构建摆动臂，将19号非磁性皮下注射钢质细管粘接到移液器吸头轴上，并将两个低摩擦钕磁铁粘接到摆动臂的弯曲端，以固定涂有金属的昆虫用于飞行实验。在摆动臂未弯曲的一端包裹一小片铝箔，作为配重旗，并用于阻断从红外传感器发射器传向接收器的红外光束。安装红外传感器和数据记录仪时，将红外传感器发射器置于上线性导轨块内，使光束发射端朝下，同时将红外传感器接收器置于下导轨块内，使其朝上。为在飞行试验中通过磁力将昆虫固定于飞行磨臂上，需先将磁性涂料涂抹于昆虫前胸背板，静置干燥至少10分钟。待涂料完全干燥后，将昆虫固定在飞行磨臂的磁铁上。固定最多八只昆虫后，点击飞行分析软件中的“文件”和“记录”，在第一个弹出窗口中选择记录文件的保存位置，确保文件名包含记录组编号和通道字母，然后点击“确定”。在下一个弹出窗口中，输入预期的飞行记录时长。当昆虫就位后，点击“确定”开始记录。记录结束后，按 Ctrl+S 键以完成文件保存。要创建事件标记注释，请单击通道编号，然后单击“编辑”并选择“插入带注释的标记”，使用进入腔室的新昆虫的编号定义注释，然后单击“确定”，并将昆虫装入腔室。将WDH记录文件转换为文本格式，并按事件标记注释拆分文本文件后，打开 Flight_scripts 文件夹中生成的 trough_diagnostic.png 文件，检查所有记录在均值标准化区间的最小和最大电压值变化下是否均保持稳定。如果记录无误，请设置所有用户参数，然后保存并运行 flight_analysis.py 脚本。如果脚本运行成功，昆虫对应的编号、通道以及计算出的飞行统计结果将在 Python Shell 中显示。相关信息的 flight_stats_summary.csv 文件也将在 flight_scripts 目录的 data 文件夹中的 Python Shell 中输出打印。这些代表性飞行数据是于 2020 年冬季通过实验获得的，实验中使用采自佛罗里达州的野外红棕象甲（J Hemmat Aloma）作为模型。在本组试验中，所有通道的飞行数据均被成功记录，无噪声或中断现象。然而，在本次分析中，第三通道的记录信号丢失，电压立即降至零伏，可能原因是导线交叉或导线松动所致。如本试验所观察到的，飞行磨臂每旋转一圈所产生的波谷诊断数据较为显著，表明这些数据与文件的平均电压存在较大偏离。在此分析中，随着均值附近标准化区间的增大，所识别出的波谷数量变化很小，表明电压噪声极小且标准化准确。相比之下，此次飞行中的波谷要么过于敏感，要么存在极端的电压噪声，这些噪声并未显著偏离文件的平均电压。因此，随着均值附近标准化区间的增大，其波谷数量显著减少。个体飞行行为可进一步划分为四种飞行类别：爆发式飞行、由爆发式转为持续飞行、由持续转为爆发式飞行以及持续飞行。因此，使用者可利用此图形输出结果，在个体轨迹存在独特差异的情况下，仍能评估并识别出一般的飞行行为模式。可测试的昆虫数量越多，该领域对昆虫运动方式的理解途径就越丰富。这些方法还鼓励生态学家使用新兴技术，以便他们能够自行构建工具。

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为系留昆虫飞行研究建造增强型飞行磨机

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