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Engineering

Construindo uma usina de voo aprimorada para o estudo do voo de insetos amarrados

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

Summary

Este protocolo usa impressoras tridimensionais (3D) e cortadores a laser encontrados em espaços maker, a fim de criar um design de moinho de voo mais flexível. Usando essa tecnologia, os pesquisadores podem reduzir custos, aumentar a flexibilidade do design e gerar trabalhos reprodutíveis na construção de suas fábricas de voo para estudos de voo de insetos amarrados.

Abstract

Os makerspaces têm um alto potencial de permitir que os pesquisadores desenvolvam novas técnicas e trabalhem com novas espécies em pesquisas ecológicas. Este protocolo demonstra como aproveitar a tecnologia encontrada nos makerspaces, a fim de construir uma fábrica de voo mais versátil por um custo relativamente baixo. Dado que este estudo extraiu seu protótipo de usinas de voo construídas na última década, este protocolo se concentra mais em delinear divergências feitas a partir da simples e moderna fábrica de voo. Estudos anteriores já mostraram como as usinas de voo são vantajosas para medir parâmetros de voo, como velocidade, distância ou periodicidade. Tais usinas permitiram aos pesquisadores associar esses parâmetros a fatores morfológicos, fisiológicos ou genéticos. Além dessas vantagens, este estudo discute os benefícios do uso da tecnologia em espaços maker, como impressoras 3D e cortadores a laser, a fim de construir um design de moinho de voo mais flexível, robusto e dobrável. Mais notavelmente, os componentes impressos em 3D deste design permitem ao usuário testar insetos de vários tamanhos, tornando ajustáveis as alturas do braço do moinho e sensores infravermelhos (IR). As impressões 3D também permitem que o usuário desmonte facilmente a máquina para armazenamento rápido ou transporte para o campo. Além disso, este estudo faz maior uso de ímãs e tinta magnética para amarrar insetos com o mínimo de estresse. Por fim, este protocolo detalha uma análise versátil dos dados de voo através de scripts de computador que separam e analisam eficientemente testes de voo diferentes dentro de uma única gravação. Embora mais trabalhoso, a aplicação das ferramentas disponíveis em makerspaces e em programas de modelagem 3D on-line facilita práticas multidisciplinares e orientadas a processos e ajuda os pesquisadores a evitar produtos pré-fabricados e caros com dimensões estritamente ajustáveis. Ao aproveitar a flexibilidade e a reprodutibilidade da tecnologia nos makerspaces, este protocolo promove o design criativo da fábrica de voo e inspira a ciência aberta.

Introduction

Dado o quão intratável é a dispersão de insetos no campo, a usina de voo tornou-se uma ferramenta de laboratório comum para abordar um importante fenômeno ecológico - como os insetos se movem. Como consequência, desde que os pioneiros da usina de voo1,2,3,4 inauguraram seis décadas de projeto e construção de moinhos de voo, houve mudanças notáveis de design à medida que as tecnologias melhoraram e se tornaram mais integradas às comunidades científicas. Com o tempo, o software automatizado de coleta de dados substituiu gravadores de gráficos, e os braços da usina de voo erram-se de barras de vidro para barras de carbono e tubos de aço5. Somente na última década, os rolamentos magnéticos substituíram os rolamentos de Teflon ou vidro como sem atrito, e os pares entre máquinas de moinhos de voo e tecnologia versátil têm se proliferado à medida que a tecnologia de fabricação de áudio, visual e camadas se torna cada vez mais integrada aos fluxos de trabalho dos pesquisadores. Esses pares incluíram câmeras de vídeo de alta velocidade para medir a aerodinâmica de asa6,placas digitais-analógicas para imitar pistas sensoriais para estudar respostas de voo auditiva7e impressão 3D para fazer uma plataforma de calibração para rastrear a deformação das asas durante o voo8. Com o recente surgimento de tecnologias emergentes em espaços maker, particularmente em instituições com centros de mídia digital administrados por funcionários experientes9,há maiores possibilidades de melhorar a fábrica de voo para testar uma gama maior de insetos e transportar o dispositivo para o campo. Há também um alto potencial para os pesquisadores cruzarem limites disciplinares e acelerarem o aprendizado técnico através do trabalho baseado na produção9,10,11,12. A usina de voo apresentada aqui (adaptada a partir de Attisano e colegas13) aproveita tecnologias emergentes encontradas em espaços makers para não apenas 1) criar componentes de moinhos de voo cujas escalas e dimensões são afinadas para o projeto em mãos, mas também 2) oferecem aos pesquisadores um protocolo acessível em corte a laser e impressão 3D sem exigir um conhecimento de alto orçamento ou qualquer conhecimento especializado em design auxiliado por computador (CAD).

Os benefícios do acoplamento de novas tecnologias e métodos com a usina de voo são substanciais, mas as usinas de voo também são valiosas máquinas autônomas. As usinas de voo medem o desempenho do voo de insetos e são usadas para determinar como a velocidade de voo, a distância ou a periodicidade se relacionam com fatores ambientais ou ecológicos, como temperatura, umidade relativa, estação, planta hospedeira, massa corporal, traços morfológicos, idade e atividade reprodutiva. Diferente de métodos alternativos como actógrafos, esteiras e gravação de vídeo do movimento de voo em túneis de vento e arenas internas14,a usina de voo é notável por sua capacidade de coletar várias estatísticas de desempenho de voo em condições laboratoriais. Isso ajuda os ecologistas a abordar questões importantes sobre a dispersão de voo, e ajuda-os a progredir em sua disciplina - seja o manejo integrado de pragas15,16,17, dinâmica populacional, genética, biogeografia, estratégias de história de vida18, ou plasticidade fenotípica19,20,21,22 . Por outro lado, dispositivos como câmeras de alta velocidade e actógrafos podem exigir uma configuração rigorosa, complicada e cara, mas também podem levar a parâmetros de movimento mais afinados, como frequências de batida de asa e atividade fotográfica de insetos23,24. Assim, a fábrica de voo aqui apresentada serve como uma opção flexível, acessível e personalizável para os pesquisadores investigarem o comportamento de voo.

Da mesma forma, o incentivo à integração de tecnologias emergentes no fluxo de trabalho dos ecologistas continua a aumentar à medida que as questões e abordagens para estudar a dispersão se tornam mais criativas e complexas. Como locais que promovem a inovação, os makerspaces se baseiam em múltiplos níveis de experiência e oferecem uma curva de aprendizado baixa para usuários de qualquer idade adquirirem novas habilidades técnicas10,12. A natureza iterativa e colaborativa de prototipar dispositivos científicos no espaço maker e através de fontes abertas on-line pode acelerar a aplicação da teoria11 e facilitar o desenvolvimento de produtos nas ciências ecológicas. Além disso, o aumento da reprodutibilidade das ferramentas científicas incentivará a coleta mais ampla de dados e a ciência aberta. Isso pode ajudar os pesquisadores a padronizar equipamentos ou métodos para medir a dispersão. A padronização das ferramentas poderia permitir ainda que os ecologistas unificassem dados de dispersão entre populações, a fim de testar modelos de metapopulação que se desenvolvem a partir de núcleos de dispersão25 ou dinâmica de colonização de pia-fonte26. Assim como a comunidade médica está adotando a impressão 3D para o cuidado do paciente e educação de anatomia27,os ecologistas podem usar cortadores a laser e impressoras 3D para redesenhar ferramentas ecológicas e educação e, no âmbito deste estudo, podem projetar componentes adicionais da fábrica de voo, como plataformas de pouso ou um braço de moinho de voo que pode se mover verticalmente. Por sua vez, a personalização, o custo-efetividade e o aumento da produtividade oferecido pela tecnologia makerspace podem ajudar a iniciar projetos de dispersão com uma barreira relativamente baixa para pesquisadores que pretendem desenvolver suas próprias ferramentas e dispositivos.

Para construir esta usina de voo, há também limitações mecânicas e instrumentais que podem ser consideradas pelo fabricante. Ímãs e melhorias impressas em 3D permitem que a usina de voo seja essencialmente sem cola, exceto para a construção dos suportes cruzados, e seja acomodada a insetos de diferentes tamanhos. No entanto, à medida que a massa e a força dos insetos aumentam, os insetos podem ser mais propensos a desmontar-se enquanto amarrados. Ímãs fortes podem ser usados ao custo de arrasto torcional aumentado, ou rolamentos de esferas podem substituir rolamentos magnéticos como uma solução robusta para insetos de teste de voo que pesam vários gramas28,29. No entanto, os rolamentos de esferas também podem apresentar alguns problemas, principalmente que a execução de experimentos prolongados com altas velocidades e altas temperaturas pode degradar a lubrificação dos rolamentos de esferas, o que aumenta o atrito30. Assim, os usuários terão que discernir qual mecânica de moinho de voo se adequaria melhor ao seu (s) insetos de estudo e design experimental.

Da mesma forma, existem várias maneiras de instrumentar uma usina de voo que está além das considerações deste artigo. A usina de voo apresentada aqui usa sensores de IR para detectar revoluções, software WinDAQ para registrar revoluções e scripts de programação para processar os dados brutos. Embora seja fácil de usar, o software WinDAQ tem uma matriz limitada de ferramentas disponíveis. Os usuários não podem anexar comentários ao canal correspondente e não podem ser alertados se algum componente do circuito falhar. Esses casos são resolvidos detectando-os e corrigindo-os através do código, mas somente após a coleta de dados. Alternativamente, os usuários podem adotar mais de um software que ofereça recursos de coleta de dados personalizáveis28 ou sensores que levam estatísticas diretas de velocidade e distância, como os milômetros de bicicleta29. No entanto, essas alternativas podem contornar dados brutos valiosos ou funcionalidades difusas em muitos aplicativos de software, o que pode tornar o processamento de dados ineficiente. Em última análise, em vez de remodelar a instrumentação da usina de voo, este protocolo oferece soluções robustas de programação para as limitações atuais do software.

Neste artigo, um projeto para uma usina de voo simples aprimorada é descrito para auxiliar os pesquisadores em seus estudos de dispersão e incentivar a incorporação de tecnologias emergentes no campo da ecologia comportamental. Esta usina de voo se encaixa dentro das restrições de uma incubadora, sustenta até oito insetos simultaneamente e automatiza a coleta e o processamento de dados. Notavelmente, seus aprimoramentos impressos em 3D permitem ao usuário ajustar as alturas do braço do moinho e do sensor IR para testar insetos de vários tamanhos e desmontar o dispositivo para armazenamento ou transporte rápido. Graças ao acesso institucional a um espaço de maker comum, todos os aprimoramentos foram gratuitos, e nenhum custo adicional foi acumulado em comparação com a simples e moderna fábrica de voo. Todos os softwares necessários são gratuitos, os circuitos eletrônicos são simples, e todos os scripts podem ser modificados para seguir as necessidades específicas do design experimental. Além disso, os diagnósticos codificados permitem que o usuário verifique a integridade e precisão de suas gravações. Por fim, este protocolo minimiza o estresse sustentado por um inseto pintando magneticamente e amarrando insetos ao braço do moinho. Com a montagem da usina de voo simples já acessível, acessível e flexível, o uso de tecnologias makerspace para melhorar a simples fábrica de voo pode dar aos pesquisadores o espaço para superar suas próprias necessidades específicas de estudo de voo e pode inspirar projetos criativos de moinhos de voo além das considerações deste artigo.

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Protocol

1. Construa o moinho de voo em um Makerspace

  1. Corte a laser e monte a estrutura de suporte plástico acrílico.
    1. Utilize folhas de acrílico transparentes de 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) grossas para construir a estrutura de suporte plástico acrílico. Certifique-se de que o material não é policarbonato, que se parece com acrílico, mas vai derreter em vez de ser cortado sob o laser.
    2. Localize o cortador de laser no espaço maker. Este protocolo pressupõe que o makerspace tenha um cortador a laser como referenciado na Tabela de Materiais. Para outros cortadores a laser, leia as configurações do cortador de laser para determinar qual cor ou espessura da linha é necessária para definir as linhas de arquivo para serem cortadas a laser ou gravadas (para não serem rasteradas).
    3. Abra o Adobe Illustrator, o Inkscape (gratuito) ou outro editor gráfico vetorial. Prepare um arquivo que leia o design de suporte acrílico em formato vetorial com as linhas acima mencionadas mostradas na Figura 1. Crie linhas de arquivos no modo Adobe Illustrator no modo Vermelho, Verde e Azul (RGB) com um traço de linha de 0,0001 ponto onde RGB Red (255, 0, 0) corta linhas e linhas de etches RGB Blue (0, 0, 255).
    4. Como precaução, teste e responda por kerf para todas as medidas de fenda e orifício. Projete e teste a tecla kerf(Figura Suplementar 1).
      NOTA: A largura do kerf pode variar de acordo com a largura do feixe do cortador a laser, a largura do material e o tipo de material utilizado.
    5. Salve os designs de suporte acrílico e a chave kerf como tipos de arquivos legívels, como .ai, .dxf ou arquivos .svg. Para enviar o trabalho para o cortador de laser, imprima o arquivo na máquina local do cortador de laser e, em seguida, abra o software laser.
      NOTA: Se impressas corretamente, todas as linhas de corte vetoriais no design aparecerão com as cores correspondentes apropriadas no painel de controle do software laser.
    6. Selecione o material como Plástico e, em seguida, o tipo de material como Acrílico. Para maior precisão, meça a espessura do material com uma pinça e digite sua espessura no campo de espessura do material. Habilite automaticamente o eixo Z do ponto focal do material. Defina o tipo de figura para nenhum e deixe a Intensidade em 0%. Para alterar quaisquer métricas avançadas no cortador de laser, como o laser % potência ou % velocidade, teste com a tecla kerf.
      NOTA: A regra geral é que quanto mais grosso o material, mais energia é necessária em uma velocidade menor.
    7. Antes de cortar, siga as diretrizes do makerspace sobre ligar, usar e manter o cortador a laser. Coloque os materiais na cavidade da impressora e corte os suportes acrílicos.
      NOTA: Para evitar possíveis danos oculares, não olhe para o laser ou deixe qualquer folha de acrílico sem vigilância durante o corte.
    8. Limpe o excesso de material da cavidade da impressora e monte a estrutura de suporte. Monte inserindo cada prateleira horizontal nas fendas abertas das paredes verticais externas e na parede vertical central, conforme rotulado na Figura 2A. Certifique-se de que os orifícios entre as prateleiras horizontais estejam alinhados.
  2. Imprima em 3D os suportes plásticos.
    1. Abra um navegador da Web e crie uma conta em um programa de modelagem 3D online. Consulte a Tabela de Materiais para uma opção de conta gratuita.
    2. Clique em Designs 3D > Crie um novo design. Para replicar os designs impressos 3D exatos deste estudo, como visto na Figura 3,baixe o arquivo 3D_Prints.zip (Impressões 3D Suplementares)e mova a pasta para a área de trabalho. Descompacte e abra a pasta. Na página web do programa de modelagem 3D on-line, clique em Importar no canto superior direito e selecione o arquivo .stl(s).
      NOTA: Várias réplicas de design ou objetos podem preencher o plano de trabalho e serem salvos como um único arquivo .stl, desde que o usuário contenha os objetos dentro dos limites da área de construção da impressora 3D. O maior objeto que uma impressora 3D pode imprimir tem 140 mm de comprimento x largura de 140 mm x 140 mm de profundidade. No entanto, não gire os objetos ao longo de seu eixo z como um meio de maximizar o número de objetos em uma área de construção. Isso porque os objetos baixados foram posicionados para minimizar as saliências, e assim podem ser impressos de forma ideal com os suportes mínimos necessários.
    3. Para auto-criar ou fazer ajustes nos designs, siga os tutoriais do site, faça edições e, em seguida, exporte os novos designs como arquivos .stl. No total, 8 trilhos de guia linear (100,05 mm de comprimento x 23,50 mm de largura x 7,00 mm de profundidade), 16 blocos ferroviários guias lineares (22,08 mm de comprimento x 11,47 mm de largura x 12,47 mm de profundidade), 1 12 a 20 parafusos (9,00 mm de comprimento x 7,60 mm de largura x 13,00 mm de profundidade), 15 suportes cruzados (50,00 mm de comprimento x 50,00 mm de largura x 20,00 mm de profundidade), 16 suportes de ímã (12,75 mm de comprimento x 12,50 mm de largura x 15,75 mm de profundidade), suportes de tubo de 16 tubos (29,22 mm de comprimento x 29,19 mm de largura x 11,00 mm de profundidade), 16 suportes de trilhos guia lineares curtos (40,00 mm de comprimento x 11,00 mm de largura x 13,00 mm de profundidade) e suportes ferroviários de guia linear longo de 16,00 mm (40,00 mm de comprimento x 16,00 mm de largura x 13,00 mm de profundidade) precisam ser impressos em 3D. Para obter o espelho de cada desenho linear do trilho guia, clique no objeto, pressione Me selecione a seta correspondente à largura do objeto.
      NOTA: Veja o passo 1.3.6. para obter mais informações sobre os pinos de trilhos guia lineares.
    4. Baixe e instale um software de corte de impressão 3D para converter arquivos .stl em um arquivo .gx legível para impressora 3D. Consulte a Tabela de Materiais para baixar o programa de software livre.
      NOTA: Outros programas de software de conversão são aceitáveis, mas este protocolo pressupõe que o makerspace esteja usando a impressora 3D e o software de corte de impressão como referenciado na Tabela de Materiais.
    5. Clique duas vezes no ícone do software de corte de impressão 3D para iniciar o software. Clique em Imprimir > Tipo de Máquina e selecione a impressora 3D que está localizada no espaço maker.
    6. Clique no ícone Carregar para carregar um arquivo modelo .stl e exibir o objeto na área de compilação.
    7. Selecione o objeto e clique duas vezes no ícone Mover. Clique na plataforma para garantir que o modelo esteja na plataforma. Clique em Central para colocar o objeto no centro da área de compilação ou arraste o objeto com o ponteiro do mouse para posicionar o objeto na área de compilação.
    8. Clique no ícone Imprimir. Certifique-se de que o Tipo de Material está definido como PLA,os suportes e a balsa estão ativados, a resolução é definida como Padrãoe a temperatura do extrusor corresponde à temperatura sugerida pelo guia da impressora 3D. A temperatura pode ser alterada dentro de Mais Opções >> Temperatura.
    9. Pressione OK e salve o arquivo .gx na pasta 3D_Prints ou em um pendrive se o arquivo não puder ser transferido para a impressora 3D através de um cabo USB.
    10. Localize a máquina de impressão 3D do makerspace. Calibrar a extrusora e garantir que haja filamento suficiente para impressão. Transfira o arquivo .gx para a impressora 3D e imprima todos os tipos e quantidades de suportes e melhorias plásticas. Para cada impressão, verifique se o filamento está grudado corretamente na placa.
  3. Monte impressões 3D na estrutura de suporte acrílico.
    1. Para visualizar todos os suportes no local, consulte Figura 2B.
    2. Cola quente as folhas de neoprene de 3,175 mm de espessura nas paredes internas do suporte cruzado. Quando estiver seco, insira os suportes cruzados nas junções das prateleiras acrílicas e nas paredes na parte de trás do dispositivo para estabilizar a usina de voo.
    3. Sempre que possível, use parafusos impressos em 3D para minimizar a influência magnética dos parafusos de ferro. O parafuso no tubo suporta na parte inferior e na parte superior de cada célula. Certifique-se de que os suportes do tubo superior e inferior estejam alinhados.
    4. Insira um tubo plástico de 30 mm de comprimento (diâmetro interno (ID) 9,525 mm; diâmetro externo (OD) 12,7 mm) no suporte superior do tubo e um tubo plástico de 15 mm de comprimento (ID 9.525 mm; OD 12,7 mm) no suporte do tubo inferior de cada célula. Em seguida, insira um tubo plástico de 40 mm de comprimento (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) no tubo superior e um tubo plástico de 20 mm de comprimento (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) no tubo inferior. Certifique-se de que há forte atrito suficiente entre os tubos para manter os tubos no lugar, mas não muito que o tubo interno ainda possa deslizar para cima e para baixo se puxado para cima. Se os tubos forem deformados, submersa segmentos dos tubos por 1 min em água fervente. Endireitar os tubos em uma toalha, permitir que eles atinjam a temperatura ambiente e, em seguida, inserir os tubos.
    5. Coloque os dois ímãs de neodímio de baixa fricção (10 mm de diâmetro; 4 mm de comprimento; 2,22 kg de força de retenção) em cada suporte de ímã. Certifique-se de que cada par de ímãs está se repelindo. Em seguida, aloque firmemente um tubo interno em cada suporte de ímã para que a gravidade que age sobre os ímãs e o suporte do ímã não seja forte o suficiente para desalojar o suporte do tubo interno.
    6. De frente para a mesma direção, deslize dois blocos lineares de trilhos-guia para o trilho guia linear. Aloja os trilhos de guia lineares e bloqueie ereto nas janelas das paredes verticais externas. Certifique-se de que as aberturas do bloco estão voltadas para cima. Para fixar um trilho guia linear no lugar, utilize dois suportes ferroviários de guia lineares curtos, dois suportes ferroviários longos e lineares, quatro parafusos de ferro longos de 10 mm (M5; 0,8 de linha; 5 mm de diâmetro), dois parafusos de ferro de 20 mm de comprimento (M5; 0,8 passo de linha; 5 mm de diâmetro) e duas porcas hexais (M5; 0,8 de comprimento; 5 mm de diâmetro). A Figura 2C mostra a montagem completa do trilho guia linear.
      NOTA: As ranhuras abertas no trilho guia linear destinam-se a ser usadas se e somente se o trilho guia linear for corroído pelo repetido deslizamento de seu bloco. Se assim for, imprima em 3D um pequeno pino em forma de T encontrado na pasta 3D_Prints.
  4. Construa o braço pivotante.
    NOTA: As sub seções 1.4.1 e 1.4.2 equivalem às sub seções 1.2.2. e 1.2.3. em Attisano et al. 2015 métodos papel13.
    1. Puna o filtro de uma ponta de pipeta filtrada de 20 μL em seu ponto central usando um pino entomológico. Em seguida, empurre o pino através da ponta da pipeta até que as extremidades de aço do pino se projetem do corpo da ponta da pipeta. Certifique-se de que o filtro da ponta da pipeta fixa o pino no lugar. O pino serve como o eixo do braço da usina de voo.
    2. Para maximizar o espaço celular, corte uma tubulação de aço hipodérmica não magnética de 19 G a um comprimento de 24 cm (1 cm a menos que a largura de uma célula de voo). Cola quente o pino saliente e a coroa da ponta pipeta do passo 1.4.1. até o ponto médio da tubulação. Dobre uma extremidade da tubulação a 2 cm da extremidade até um ângulo de 95°.
      NOTA: Para priorizar o tamanho do inseto em vez de maximizar o espaço celular, encurte o raio do braço para insetos menores ou panfletos fracos. Um braço de voo mais longo também pode ser montado se a parede acrílica central for removida para insetos maiores ou panfletos fortes. Além disso, a parte inferior do braço pode suportar diferentes ângulos para posicionar o inseto em sua orientação natural de voo.
    3. Para testar sua suspensão magnética, posicione o braço entre o conjunto superior dos ímãs. Certifique-se de que o braço rotativo gire livremente ao redor do pino suspenso verticalmente.
    4. Cole os dois ímãs de neodímio de baixa fricção (3,05 mm de diâmetro; 1,58 mm de comprimento; 0,23 kg de força de retenção) na extremidade dobrada do braço pivô para amarrar o inseto pintado magneticamente para o voo (massa de braço do moinho de voo com ímãs = 1,4 g). Na extremidade nãobente do braço pivô, enrole um pedaço de papel alumínio (massa por área = 0,01 g/cm2) para criar uma bandeira. A bandeira de folha age como um contrapeso, e, devido às suas propriedades altamente reflexivas, quebra o feixe de RI enviado do transmissor do sensor IR para o receptor.
      NOTA: O diâmetro do feixe IR é de no máximo 2,4 mm, de modo que a largura mínima ideal da bandeira de folha é de 3 mm. Uma largura de bandeira de folha de 3 mm e posicionada para quebrar o feixe de luz IR na frente da lente do emissor do sensor produzirá uma queda de tensão que é detectável durante as análises.
  5. Configure o sensor de RI e o data logger.
    1. Coloque o transmissor do sensor IR dentro do bloco ferroviário guia linear superior com o emissor do feixe voltado para baixo. Em seguida, coloque o receptor do sensor IR dentro do bloco inferior voltado para cima.
      NOTA: Os sensores (20 mm de comprimento x 10 mm de largura x 8 mm de profundidade) podem ser separados até uma distância de 250 mm e ainda funcionam; portanto, funcionarão mesmo quando posicionados nas extremidades do trilho guia linear de aproximadamente 100 mm.
    2. Em uma prancha sem solda, conecte o transmissor do sensor IR e o receptor em série com o data-logger de entrada analógico de 4 canais, como mostrado no circuito eletrônico na Figura 4A. Conecte primeiro a entrada do transmissor do sensor IR (não o receptor), seguindo o resistor de 180 Ω. Coloque outro resistor de 2,2 kΩ antes da saída da conexão do receptor IR. Configure o circuito eletrônico de cada canal em linhas alternativas ao longo da placa para minimizar o ruído no sinal de tensão a partir de múltiplos sensores durante a gravação(Figura 4B).

2. Realizar testes de voo

  1. Magneticamente amarra insetos ao braço da usina de voo.
    1. Para minimizar o estresse colocado no inseto, aplique tinta magnética no pronoto do inseto usando um palito ou um aplicador de precisão de linha fina (ponta de 20 G). Deixe a tinta secar por pelo menos 10 minutos. Uma vez seco, conecte o inseto aos ímãs de braço da usina de voo. Consulte a Figura 5 para exemplos de pintura magnética e insetos amarrados de diferentes tamanhos. Este protocolo usa o haematoloma de Jadera (inseto de sabão) como o inseto modelo para a amarração de voo e experimentação experimental.
      NOTA: Para uma atração mais forte entre o inseto e os ímãs do braço, aplique várias camadas de tinta magnética. Além disso, troque os ímãs ligados ao braço da usina de voo por tamanhos de ímãs que melhor acomodam o campo de visão, massa e asa dos insetos.
    2. Voe até 8 insetos por vez na fábrica de voo. Prepare a pintura pelo menos 16 insetos para testar vários insetos sequencialmente durante uma única sessão de gravação.
    3. Para remover a tinta magnética após o teste, retire a tinta com fórceps finos e descarte-a de acordo com as normas da Agência de Proteção Ambiental (EPA) e da Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA).
  2. Grave vários insetos sequencialmente sem encerrar uma sessão de gravação usando a ferramenta De comentário marcador de eventos do WinDAQ.
    1. Baixe e instale o software gratuito windaq de gravação e reprodução de dados.
    2. Crie uma nova pasta intitulada Flight_scripts na área de trabalho. Crie cinco novas pastas com os seguintes nomes exatos dentro da pasta Flight_scripts: dados, arquivos2split, gravações, split_filese standardized_files. Baixe a folha de dados.xlsx (Arquivo Suplementar 1) e arraste o arquivo para a pasta de dados no diretório Flight_scripts.
    3. Use a folha de dados.xlsx como modelo manual de gravação de dados. É necessário um mínimo de quatro colunas: o número de identificação do bug, se o bug morreu antes de ser testado, o número do conjunto de gravação e a câmara composta pela letra do canal e o número do canal (por exemplo, 'A-1', 'B-4'). Consulte a Figura 2A para uma possível configuração de câmara.
    4. Abra o Painel WinDAQ, selecione o data-logger(s) da lista de caixas de seleção e pressione 'Start Windaq Software'. Uma nova janela será aberta para cada data-logger selecionado, e o sinal de entrada de cada sensor será mostrado.
    5. Defina uma frequência amostral clicando em Editar > Taxa de Amostra. Digite uma frequência amostral de 100 amostras/segundo na caixa Taxa de Amostra/Canal e pressione OK.
      NOTA: Este protocolo sugere 100 S/s porque os cochos, que são gotas de tensão resultantes da sinalização interrompendo o feixe do sensor IR, ainda atingirão uma queda mínima de tensão de 0,36 V para velocidades de 1,7 m/s. Por sua vez, o ruído, que tem uma queda máxima de tensão de 0,10 V, ainda pode ser filtrado durante as padronizações sem filtrar calhas reais. Além disso, uma taxa de amostra de 100 S/s facilita que o usuário veja os cochos na forma de onda na tela durante e após a gravação. Se erros acontecerem durante a gravação, o usuário poderá discernir rapidamente os cochos de erros ou ruídos. Consulte Figura Suplementar 2 para comparações entre várias frequências de baixa amostragem.
    6. Para iniciar uma nova sessão de gravação, pressione Arquivo > Gravar. Selecione a localização do arquivo de gravação na primeira janela pop-up. Escreva o nome do arquivo com cuidado. Os arquivos devem ter pelo menos o seguinte em seus nomes: o número do conjunto de gravação e a letra do canal. Um exemplo de nome de arquivo modelado nos scripts Python é o seguinte: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Consulte split_files.py linhas 78-87 da pasta Flight_scripts para obter mais detalhes. Então, pressione OK.
    7. Na próxima janela pop-up, entre no comprimento antecipado da gravação do voo. Pressione OK quando os insetos estiverem em posição de começar a voar. Após o tempo de gravação, pressione Ctrl-S para finalizar o arquivo. Não pressione Ctrl-S a menos que haja necessidade de encerrar a gravação mais cedo.
      NOTA: Se o arquivo terminar muito cedo, digitando Ctrl+S ou o tempo acima mencionado for muito curto, adquiree uma nova gravação para um arquivo existente clicando em Arquivo > Registro. Selecione o arquivo para anexar e clique em Sim na janela pop-up a seguir.
    8. Ao retirar insetos testados durante a gravação, insira um marcador de evento comentado do inseto de entrada em sua câmara selecionada. Registoste sempre o conjunto de 16 000 000 000 000 000 000 000 000 000m do inseto de entrada na folha de dados.xlsx antes de trocar insetos.
    9. Para fazer um comentário marcador de evento, clique no número do canal. Em seguida, clique em Editar > inserir marca comentou. Defina o comentário com o número de identificação do novo inseto entrando na câmara. Pressione ok e carregue o inseto na câmara.
  3. Visualize os comentários do marcador de eventos e converta o arquivo do WDH para o TXT.
    1. Abra um arquivo WDH. Visualize os comentários do marcador de eventos indo editar > Compressão... e, em seguida, clique no botão Máximo para comprimir totalmente a forma de onda em uma janela(Figura 6A).
    2. Verifique se há anormalidades na gravação.
      NOTA: Os tipos de anormalidades ou falhas na gravação são exibidos na Figura 6. Estes são diagnosticados mais tarde e corrigidos nos scripts Python.
    3. Salve o arquivo em um formato .txt indo para Arquivo > Salvar Como. Selecione a pasta de gravações dentro do diretório Flight_scripts como o local para salvar o arquivo. Selecione o tipo de arquivo como Impressão de planilha (CSV) na janela pop-up e escreva o nome do arquivo com .txt no final. Clique em Salvar. Na janela pop-up a seguir, selecione Taxa de Amostra, Hora Relativae Data e Hora. Tipo 1 entre o número do canal e os marcadores de eventos. Desmarque todas as outras opções e clique em OK para salvar o arquivo.

3. Analisar dados de voo

  1. Dividir arquivos por comentários marcadores de eventos.
    1. Instale a versão mais recente do Python. Todos os scripts deste protocolo foram desenvolvidos na versão Python 3.8.0.
    2. Baixe os seguintes scripts Python: split_files.py, standardize_troughs.pye flight_analysis.py (Arquivos de Codificação Suplementar). Mova os scripts para a pasta Flight_scripts.
    3. Certifique-se de que o Python está atualizado e instale as seguintes bibliotecas: csv, os, sys, re, datatime, hora, numpy, matemática e matplotlib. Para observar as principais funções e estruturas de dados dos scripts, consulte o esquema na Figura Suplementar 3.
    4. Abra o arquivo datasheet.xlsx e salve como um CSV alterando o formato de arquivo para CSV UTF-8 (Comma delimitado) se executar Windows ou Macintosh Comma Separated se executar Mac.
    5. Abra o ícone split_files.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
    6. Recodificar as linhas 133-135 e 232-233 se o usuário escreveu um nome de arquivo diferente do modelo sugerido ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Para codificar o script para acomodar diferentes nomes de arquivos usando a função split(), consulte as linhas 116-131.
    7. Na linha 266, digite o caminho para a pasta Flight_scripts e execute o script. Após uma execução bem sucedida, o script gera arquivos intermediários .txt de IDs de insetos mapeados na pasta files2split e .txt arquivos para cada inseto testado em cada conjunto de gravação na pasta split_files, dentro do diretório Flight_scripts.
      NOTA: Além disso, no Python Shell, os usuários devem ver declarações de impressão do nome do arquivo, quais insetos estão sendo trocados em um marcador de evento numerado e quais arquivos estão sendo divididos e gerados em novos arquivos por ID de insetos.
  2. Padronize e selecione os cochos no sinal gravado.
    1. Abra o ícone standardize_troughs.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
    2. Na linha 158, digite a frequência amostral.
    3. Na linha 159, digite o caminho para a pasta Flight_scripts e execute o script. Se o script for executado com sucesso, ele gerará arquivos na pasta standardized_files no diretório Flight_scripts.
      NOTA: Todos os arquivos devem começar com 'standardized_' e terminar com o nome de arquivo original.
    4. Confira a qualidade das gravações: Abra o trough_diagnostic.png gerado pelo standardize_troughs.py localizado na pasta Flight_scripts. Certifique-se de que todos os registros são robustos para alterações no valor mínimo e máximo de tensão do intervalo médio de padronização.
      NOTA: As gravações podem ter muito ruído ou ter cochos excessivamente sensíveis se apresentarem grandes reduções no número de cochos identificados quando os valores mínimos e máximos de desvio são aumentados. Diagnósticos adicionais para o fator de normalização min-max também podem ser codificados, realizados e plotados. Um método alternativo para verificar a qualidade da gravação é descrito nas etapas 2.3.1. e 2.3.2. dos métodos Attisano et al. 2015 artigo13.
    5. Avalie os diagnósticos, a linha 198 do não compartimentação, e especifique os valores mínimos e máximos de desvio, que definem os valores mínimos e máximos em torno da tensão média utilizada para realizar a padronização de todos os arquivos. O padrão é de 0,1 V para cada valor de desvio.
      NOTA: Na linha 53, o usuário também pode especificar o limiar do fator de normalização min-max, a fim de identificar uma tensão muito abaixo do valor do limiar.
    6. Comente a linha 189 após inserir os valores de desvio e, em seguida, execute o script. O script executará as padronizações de forma eficiente para todos os arquivos (quase 25 vezes mais rápido).
  3. Analise a faixa de voo usando o arquivo padronizado.
    1. Abra o ícone flight_analysis.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
    2. Nas linhas 76-78, edite a correção de velocidade opcional que suprime rotações adicionais do braço do moinho depois que um inseto pára de voar. Determine este valor limiar com cautela ao trabalhar com insetos voadores lentos.
    3. Na linha 121, edite os limites de velocidade para corrigir para leituras de velocidade falsas, como velocidades extremamente rápidas ou velocidades negativas. Na linha 130, edite o valor da diferença de tempo para filtrar longas lacunas que ocorrem entre duas lutas de voo ininterruptas consecutivas.
    4. Na linha 350, digite o caminho para a pasta em que os arquivos *.txt padronizados são salvos.
    5. Na linha 353, insira o comprimento do raio do braço usado durante os ensaios, que define o trajeto circular de voo voado por revolução pelo inseto.
    6. Identifique as unidades si de distância e tempo como cordas nas linhas 357 e 358, respectivamente.
    7. Nas linhas 388-397, utilize a função split() para extrair, no mínimo, o número de identificação do inseto e o número e câmara definidos em que o inseto voou do nome do arquivo. O script segue o exemplo abrangente de nome de arquivo de 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Se necessário, simplifique esse nome de arquivo conforme sugerido na etapa 2.2.6.6., e comente ou exclua variáveis como tipo de ensaio nas linhas 392 e 401, se não for usada.
    8. Especifique todas as configurações do usuário, salve e execute o script. Se a execução do script for bem sucedida, ele imprime o número de identificação correspondente do inseto, câmara e estatísticas de voo calculadas na Concha Python. Além disso, ele gera um arquivo flight_stats_summary.csv composto pelas informações impressas no Python Shell e salva o arquivo .csv na pasta de dados do diretório Flight_scripts.

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Representative Results

Os dados de voo foram obtidos experimentalmente durante o inverno de 2020 usando o campo coletado J. haematoloma da Flórida como os insetos modelo (Bernat, A. V. e Cenzer, M. L. , 2020, dados inéditos). Os ensaios de voo representativos foram realizados no Departamento de Ecologia e Evolução da Universidade de Chicago, conforme mostrado abaixo na Figura 6, Figura 7, Figura 8e Figura 9. A usina de voo foi montada dentro de uma incubadora com 28 °C/27 °C (dia/noite), 70% de umidade relativa e um ciclo escuro de 14h de luz/10 h. Para cada teste, a faixa de voo de vários bugs foi registrada a cada centésimo de segundo pelo software WinDAQ por até 24 horas. Após testes preliminares, o comportamento de voo foi categorizado em voo estourado e voo contínuo. Os bursters voaram esporadicamente por menos de 10 minutos de cada vez, e os panfletos contínuos voaram ininterruptos por 10 minutos ou mais. Qualquer indivíduo que não exibisse comportamento contínuo de voo dentro de sua fase de testes de 30 minutos foi retirado da fábrica de voo e substituído por um novo bug e seu ID de acompanhamento em um comentário de marcador de eventos. Todos os insetos que exibiam voo contínuo permaneceram na usina de voo além de 30 minutos até que pararam de voar. Os bugs eram trocados das 8h às 16h todos os dias. Como representado na Figura 9,os ensaios de voo de indivíduos em um dia de gravação variaram em comprimento de 30 min a 11+ h. Ao inserir marcadores de eventos na adição de novos indivíduos, essa complexa estrutura de dados torna-se processada com sucesso através dos scripts Python, e o código ajuda efetivamente os usuários a visualizar o escopo de seus experimentos. A configuração experimental proposta captura toda a capacidade de voo dos insetos; no entanto, omite a possibilidade de observar a periodicidade de voo. Os usuários, então, têm a opção de adaptar seus testes de voo para diferentes métricas de voo e escolher qual comportamento de voo ou estratégias eles mais desejam testar.

O formato de onda na tela e os mapas de calor diagnóstico também possibilitam identificar lacunas ou resolver inconsistências nos dados da faixa de voo. A Figura 6A mostra um conjunto de testes cujos dados de voo foram registrados com sucesso para todos os canais sem ruído ou interrupção. Ele também mostra todos os comentários marcadores de eventos feitos durante a gravação. A Figura 6B mostra um momento em que o sinal gravado foi perdido no canal 3, baixando a tensão imediatamente para 0 V. Isso possivelmente deveu-se à travessia de fios abertos ou ao afrouxamento de fios. Há também eventos particulares durante a gravação que podem ocorrer, mas são corrigidos nos scripts Python. Isso inclui cochos duplos, cochos de espelho e ruído de tensão(Figura 6C,D). Esses eventos levam a leituras falsas, mas podem ser identificados e removidos de forma confiável durante as análises. A Figura 7 compara três arquivos de dados para mostrar como ruídos ou cochos sensíveis nos dados de gravação foram diagnosticados durante o processo de padronização. A primeira (Figura 7A) é um arquivo cujos cochos gerados por cada revolução do braço da usina de voo eram robustos, o que significa que eles se desviaram em grande parte da tensão média do arquivo. Por sua vez, à medida que o intervalo de padronização em torno da média aumentou, não houve alteração no número de cochos identificados. Isso sugere que não houve ruído de tensão, e o usuário pode então estar confiante na precisão da padronização. Por outro lado, o terceiro arquivo (Figura 7C) tinha cochos que eram muito sensíveis ou tinham ruído de tensão estranho que não se desviava em grande parte da tensão média do arquivo. Como resultado, seu número de cochos diminuiu substancialmente à medida que o intervalo de padronização em torno da média aumentou. Seria então aconselhável olhar para trás no arquivo original de gravação WDH para confirmar se o inseto estava realmente voando.

Ao traçar as estatísticas de velocidade e duração de voo do indivíduo, o comportamento de voo pode ser ainda mais caracterizado em quatro categorias de voo: rajadas (B), rajadas para contínua (BC), contínuas para rajadas (CB) e contínuas (C), conforme representado na Figura 8. Um indivíduo que exibia rigorosamente o voo contínuo voou ininterrupto por 10 minutos ou mais pelo menos até o final de sua fase de teste de 30 minutos(Figura 8A). Um indivíduo que voou esporadicamente ao longo de sua fase de testes de 30 min exibiu o voo estourando(Figura 8B). Um indivíduo que inicialmente exibiu voo contínuo por mais de 10 minutos e depois afunilou dentro de sua fase de testes de 30 min em rajadas esporádicas exibiu voo contínuo a estouro(Figura 8C). Finalmente, um indivíduo que inicialmente demonstrou o voo estourado e, em seguida, transitou para o voo contínuo para o restante da fase de testes de 30 min e além exibido estourando para voo contínuo(Figura 8D). Assim, específico para o modelo de inseto e estrutura experimental, o usuário pode usar essa saída gráfica para avaliar e identificar padrões gerais de comportamento de voo, apesar de variações únicas em faixas individuais.

Figure 1
Figura 1: Projeta ser cortado a laser para estrutura de folha de plástico acrílico. Oito folhas plásticas acrílicas foram cortadas a laser para construir a estrutura de suporte plástico da usina de voo. As linhas de arquivos foram criadas no Adobe Illustrator no modo RGB, onde rgb vermelho (255, 0, 0) linhas de corte e RGB Blue (0, 0, 255) linhas gravadas. Para maior legibilidade neste número, os traços da linha de arquivo foram aumentados de 0,0001 ponto para 1 ponto. As unidades de coordenadas são mm, e o ponto no canto superior esquerdo de cada desenho é a origem, onde mover-se mais para baixo e para a direita da origem leva a valores ascendentes positivos. Existem três diferentes desenhos de folhas: as paredes verticais externas, uma parede vertical central e prateleiras horizontais. As duas paredes verticais externas deslizam para as prateleiras horizontais em suas fendas, e seus orifícios retangulares são usados para montar o trilho de guia linear impresso em 3D, blocos e suportes. Há uma parede vertical central com fendas que divide o moinho de voo em oito células e fornece suporte estrutural adicional. Há também cinco prateleiras horizonais com fendas, círculos gravados para marcar a localização dos suportes do tubo magnético e pequenos orifícios retangulares para permitir que os suportes do tubo sejam parafusados. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Moinho de voo montado. A) Montagem da usina de voo. Cada prateleira horizonal (HS) foi inserida nas fendas abertas das paredes verticais externas (OW) e na parede vertical central (CW). Além disso, cada célula, ou 'câmara', é identificada com uma letra de canal (A ou B) que corresponde a um data logger e um número de canal (1-4) que corresponde ao canal no data logger específico. B) Montagem de células de moinho de voo com braço de moinho de voo. Os rolamentos magnéticos podem ser elevados ou abaixados deslizando os tubos internos dentro dos tubos externos para ajustar a altura do braço. Os sensores IR também podem ser levantados ou abaixados para alinhar os sensores com a altura da bandeira no braço. Os sensores IR também podem ser removidos de seus blocos ferroviários guias lineares facilmente se eles precisarem ser substituídos ou inspecionados ou se a usina de voo precisa ser transportada. Os suportes cruzados fornecem suporte estrutural para cada célula acrílica e podem ser facilmente inseridos e removidos. C) Trilho de guia linear e montagem de blocos na janela da cela. Todos os componentes 3D e os respectivos parafusos na janela da célula são rotulados para uma montagem mais clara. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Desenhos impressos em 3D. As medidas estão em mm. A) Trilho guia linear. B) Bloco ferroviário guia linear em forma de conter um sensor IR. C) Parafuso usado como suporte para substituir parafusos de ferro. D) Suporte do tubo. E) Suporte de ímã. F) Suporte cruzado usado como alinhador e estabilizador de quadro acrílico. G) Suporte longo e H) suporte curto para manter os trilhos-guia lineares no lugar. Apenas os suportes de trilhos de guia linear que repousam sobre a face externa da parede acrílica são mostrados. Espelhos de suporte ferroviário guia linear não são mostrados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Circuito elétrico da usina devoo. A) Diagrama simples de um circuito elétrico conectando os sensores IR ao data logger. Quando a bandeira no braço do moinho interrompe o feixe emitido pelo transmissor do sensor IR, a corrente pára de fluir para o receptor do sensor IR e a tensão cai para zero. O data logger registra todas as quedas na tensão. B) Circuitos elétricos destacados. Cada caixa amarela delimita os componentes de um circuito conectado à tábua de pão. Vários circuitos elétricos podem ser conectados a uma única prancha em linhas alternadas. O tamanho da prancha sem solda limita quantas células de voo podem ser acomodadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Insetos de diferentes tamanhos pintados magneticamente e amarrados. A) Drosophila melanogaster (moscas comuns) pintadas magneticamente e amarradas. Moscas frutíferas são pequenos insetos (comprimento do corpo 5 mm; massa = 0,2 mg) que precisam primeiro ser anestesiados com gelo ou CO2 sob um microscópio antes de aplicar a tinta magnética em seu tórax. B) Incompatibilidade entre o tamanho do inseto e o tamanho do ímã. O ímã no braço da usina de voo deve acomodar melhor o tamanho do inseto. Aqui o campo de visão do inseto está obstruído porque o ímã é muito grande. Um ímã cônico menor ou tira magnética resolveria essa incompatibilidade. C-F) Oncopeltus fasciatus (insetos de ervas daninhas) e Jadera hematoma (insetos de sabão) pintados magneticamente e amarrados. Insetos maiores (comprimento do corpo > 5 mm; massa > 0,1 g) podem ser beliscados pelas pernas antes de aplicar uma camada de tinta no tórax. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Exemplos de gravações de voo WDH. Os cochos de tensão representam revoluções completas do braço da usina de voo. As linhas pontilhadas vermelhas dividem o display, e as segundos por divisão (sec/div) de cada painel são destacadas em azul. Linhas verticais pretas marcam o tempo do cursor. A) Marcadores de eventos. O sec/div foi alterado de 0,2 seg/div para o máximo, permitindo que toda a forma de onda fosse desenhada através da tela. Todos os marcadores de eventos levados em todos os canais só serão visíveis no primeiro canal como linhas que vão da tensão máxima até a parte inferior da janela do campo do canal. Todos os criadores de eventos para este conjunto de gravação estão dentro do oval amarelo. B) Perda de sinal. Em outro conjunto de gravação, o sec/div foi alterado de 0,2 seg/div para 15 seg/div para ajudar a visualizar um sinal gravado perdido das 17:09 às 17:15 no canal 3. Todos os outros canais, como o canal 4, continuaram funcionando corretamente. C) Cochos duplos e cochos de espelho. Cochos duplos são quando a tensão mergulha, sobe, e então rapidamente mergulha e sobe novamente para criar o que parece ser dois cochos fundidos em um evento de quebra de feixe. Os cochos duplos também se espelham uns aos outros, o que sugere que a bandeira se moveu para frente e para trás entre o sensor, o que geralmente acontece quando um inseto para de voar. Os scripts Python são corretos para cada caso. D) Ruído de tensão. Logo após as 13:14, pequenas lombadas na tensão podem ser vistas, o que sugere ruído de tensão na gravação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Representantes de dados diagnósticos de Jadera haematoloma (inseto de sabão). Ruídos potenciais ou cochos excessivamente sensíveis são facilmente reconhecidos nas gravações de voo. A) Uma gravação ótima e robusta do exemplo individual 318. Não houve alteração no número de cochos à medida que os valores mínimos e máximos de desvio aumentaram, e por isso os cochos foram robustos o suficiente para serem identificados, apesar de um grande intervalo de padronização. B) Uma gravação sub-ótima, mas ainda robusta do exemplo individual 371. Há uma queda no número de cochos à medida que os valores mínimos e máximos de desvio aumentam; no entanto, a queda foi mínima (11 cochos). Pode haver barulho e alguns cochos sensíveis, mas nada substancial. C) Uma gravação ruiva do exemplo individual 176. Há uma queda clara e rápida no número de cochos identificados como os valores mínimos e máximos de desvio aumentados até que seu número de platôs seja de 12 cochos. Isso sinaliza um monte de ruído potencial ou cochos excessivamente sensíveis, enquanto os 12 cochos permanecem como cochos robustos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Dados de voo representativos de Jadera haematoloma (bug de sabão). Quatro categorias de comportamento de voo podem ser identificadas nas gravações de voo. A) Voo contínuo. Este indivíduo voou continuamente por 1,67 h, começando em altas velocidades e, em seguida, afunilando ao longo do tempo em velocidades mais baixas. B) Voo estourando. Este indivíduo voou apenas em rajadas nos primeiros 30 minutos de seu julgamento. Os bursters podem atingir alta velocidade, mas este indivíduo só poderia manter baixas velocidades. C) Contínua ao voo estourado. Este indivíduo manteve o voo contínuo por 25 minutos e, em seguida, afunilou em rajadas para os 5 minutos restantes de seu julgamento. D) Estourando para voo contínuo. Este indivíduo começou como um estouro, atingindo altas velocidades esporádicas, e depois fez a transição para o voo contínuo por cerca de 4 horas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Visualização representativa do canal de vários testes de voo dentro de um único conjunto de gravação. Cada cor representa um bug de soapberry individual em sua carta de canal e número de canal durante seu teste. Todos os horários de início, horários de parada e nomes de arquivos foram extraídos da faixa de voo exclusiva de cada indivíduo .txt arquivo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura suplementar 1: Chave kerf. Kerf é a espessura do material removido ou perdido no processo de corte desse material. Para um cortador a laser, dois fatores importantes determinarão a largura do kerf: a largura do feixe e o tipo de material. Para testar e calcular o kerf exato, corte a chave a laser e encaixe a chave de largura de 20 mm no slot que ele se encaixa mais com segurança. Em seguida, subtraia o valor da largura do slot do valor da largura da chave. Por exemplo, uma chave com uma largura de 20 mm que se encaixa em um slot de 19,5 mm terá uma espessura de kerf de 0,5 mm. Por favor, clique aqui para baixar este Arquivo.

Figura Suplementar 2: Comparação de baixas frequências amostrais. A) Relação entre queda de tensão e velocidade por frequência amostral. Cada cor de linha e forma de ponto representa uma frequência amostral (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz e 25 Hz). Queda de tensão é sinônimo do tamanho do cocho. As linhas se encaixam em regressões de segunda ordem, que descrevem a diminuição do tamanho do cocho à medida que a velocidade aumenta e o aumento seguinte no tamanho do cocho em velocidades mais altas. A barra sombreada vai de 0 V a 0,1 V, que marca a faixa de tensão em que ocorre o ruído. Os dados foram coletados na célula B-4 usando o software de gravação WinDAQ e com dimensões de bandeira de folha de 30 mm de comprimento por 30 mm de largura. O braço da usina de voo foi girado rapidamente à mão e deixado para girar até que parou de se mover. As frequências amostrais de 25 Hz ou inferiores correm o risco de identificar mal os cochos como ruído durante os testes de padronização e diagnóstico. As frequências amostrais de 100 Hz ou superior são especialmente robustas na gravação de cochos grandes para velocidades inferiores a 1 m/s. B) Tamanhos de cocho de diferentes frequências amostrais vistas através da forma de onda. À medida que as frequências amostrais diminuem, sua representação na forma de onda também encolhe. Clique aqui para baixar este Arquivo.

Figura suplementar 3: Fluxograma das funções e estruturas de dados de cada script Python. Uma visão geral das entradas, processos funcionais e saídas de cada script Python para a usina de voo proposta é resumida e descrita através de exemplos. Clique aqui para baixar este Arquivo.

Impressão 3D suplementar. Clique aqui para baixar este Arquivo.

Arquivos de codificação suplementar. Clique aqui para baixar este Arquivo.

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Discussion

A fábrica de voo simples e moderna oferece uma gama de vantagens para pesquisadores interessados em estudar o voo de insetos amarrados, fornecendo um design confiável e automatizado que testa vários insetos de forma eficiente e econômica13,31,35. Da mesma forma, há um forte incentivo para que os pesquisadores adotem tecnologias e técnicas emergentes rápidas da indústria e de outros campos científicos como forma de construir ferramentas experimentais para estudar sistemas ecológicos9,32,33. Este protocolo aproveita duas tecnologias emergentes rapidamente, a impressora 3D e o cortador a laser, que estão se tornando cada vez mais disponíveis em espaços de makers comunitários, a fim de melhorar a fábrica de voo simples e moderna. Esses aprimoramentos fornecem um design mais flexível, ajustável e dobrável que acomoda insetos de diferentes tamanhos, minimiza o estresse colocado no inseto e permite que a usina de voo seja transportada facilmente para vários locais ou ambientes. Além disso, os gastos adicionais de uso das tecnologias são mínimos ou até mesmo gratuitos. No entanto, essas tecnologias também podem ser um desafio para experimentar se alcançar a proficiência no uso de editores gráficos vetoriais e software de imagem 3D não está prontamente disponível. Por sua vez, a fábrica de voo aqui apresentada serve tanto para incentivar os pesquisadores a incorporar tecnologias emergentes disponíveis em seu fluxo de trabalho quanto para permitir que os pesquisadores construam uma fábrica de voo personalizável, flexível e eficaz sem conhecimento especializado em modelos eletrônicos, de programação ou CAD.

Os aspectos mais fortes deste protocolo são as tecnologias do makerspace que expandem as opções de design de moinhos de voo do usuário, o uso de tinta magnética para minimizar o estresse dos insetos e a automação de gravações de voo que processam vários insetos dentro de uma única gravação. O cortador a laser oferece recursos precisos e exatos de corte que podem lidar com trabalhos de quase qualquer complexidade. O usuário pode modificar a estrutura de suporte acrílico para montar impressões 3D adicionais ou itens comprados. A impressora 3D permite que o usuário crie componentes personalizáveis da fábrica de voo que podem contornar produtos pré-fabricados caros e com dimensões estreitamente ajustáveis. Impressões 3D não propostas neste artigo também podem ser construídas, como plataformas de pouso, suportes que podem rapidamente trocar entre rolamentos magnéticos e rolamentos de esferas, ou mesmo um novo acessório que amarra um inseto. Finalmente, o uso de software de gravação automatizado e scripts Python para diferenciar vários testes de voo dentro de uma única gravação torna possível estudar ataques esporádicos de voo para ataques de voo muito longos. No entanto, dada a forma como a atividade e a duração de voo variável são entre as espécies, sugere-se que o usuário realize testes preliminares a fim de entender os limites e padrões gerais do comportamento de voo de uma espécie, de modo a otimizar a coleta de dados. O usuário também pode avaliar a integridade de suas gravações usando o mapa de calor diagnóstico e pode responder por quaisquer correções de velocidade necessárias nos scripts.

Os pesquisadores também devem estar cientes das restrições gerais da usina de voo. Estudos anteriores tornaram-se conhecidos e tentaram remediar as limitações do voo amarrado, incluindo a falta de contato tarsal para permitir que o inseto descanse na18,31, a ausência de energia gasta quando um inseto decola34, o arrasto adicional que o inseto supera ao empurrar o braço da usina de voo, e o inseto que precisa compensar as forças aerodinâmicas externas experimentadas devido à aceleração centrífuga de sua pista de voo circular, e o inseto que precisa compensar as forças aerodinâmicas externas experimentadas devido à aceleração centrífuga de sua pista de voo circular 6,35. Além disso, continuam a haver inconsistências sobre como categorizar ou quantificar com mais precisão as rajadas curtas ou 'triviais' que os insetos exibem, especialmente quando comparam o comportamento de voo e os mecanismos dos grandes insetos migratórios com os de pequenos insetos que exibem principalmente o voo24,36,37 . Apesar dessas limitações, houve progressos significativos na captura e categorização do comportamento de voo dentro de espécies de insetos, e os pesquisadores continuaram a associar a usina de voo com outras tecnologias e métodos6,7,8.

O espaço maker como um local de criatividade, colaboração e barreiras baixas inspirará ainda mais os pesquisadores a solucionar problemas com limitações de design de impressão 3D ou projetos mais complexos de corte a laser. Estudos têm pesquisado a eficácia dos espaços makerspaces não apenas como espaços iterativos de fabricação deprodutos,mas também como locais de aprendizagem acelerada10,11,12. Os alunos de engenharia em geral obtiveram maior pontuação em compreensão de design, documentação de design e qualidade do modelo quando seus projetos foram feitos usando a tecnologia makerspace11. Além disso, seu tempo de desenvolvimento de modelos caiu 50%, indicando que a exploração makerspace superou a teoria tradicional do rote e o trabalho de aplicação11. Por sua vez, pesquisadores com pouco conhecimento em design poderão aprofundá-lo, e pesquisadores que também são educadores podem aproveitar esse espaço como um meio de aumentar a organização do design, o artesanato e a destreza técnica para os alunos. Em uma disciplina como a ecologia que já faz uso de uma variedade de ferramentas para o trabalho de campo e laboratório, os pesquisadores também podem desenvolver, compartilhar e padronizar ferramentas novas ou aprimoradas. A usina de voo proposta neste artigo é apenas o início do que poderia ser uma abordagem para democratizar e rapidamente difundir novos meios de coleta de dados.

As usinas de voo têm desempenhado um papel importante em permitir que os pesquisadores entendam a dispersão dos insetos - um fenômeno ecológico ainda essencialmente intratável no campo. Futuros avanços no design e aplicação da usina de voo podem ser alcançados à medida que os pesquisadores se tornam mais proficientes em tecnologias emergentes e no software que acompanha essas tecnologias. Isso pode incluir o desenho de rolamentos de braço da usina de voo que permitem o levantamento vertical ou dão ao inseto maior flexibilidade de orientação de voo. Além disso, a precisão dos cortadores a laser e impressoras 3D pode ser necessária para pesquisadores interessados em reduzir e calibrar para pequenos insetos com capacidades majoritariamente flutuantes. Por sua vez, o objetivo deste protocolo era proporcionar uma entrada fácil para essas tecnologias, ao mesmo tempo em que construía um dos dispositivos mais comuns e úteis no campo da ecologia comportamental - a usina de voo. Se os pesquisadores tiverem acesso a um espaço maker comunitário e estiverem comprometidos em navegar em suas tecnologias, os aprimoramentos e melhorias resultantes da moderna fábrica de voo levarão ao design criativo e colaborativo da fábrica de voo e continuarão a oferecer insights sobre os traços e mecanismos subjacentes que influenciam as variações e padrões de movimento das espécies de insetos.

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Disclosures

O autor não tem nada a revelar.

Acknowledgments

Gostaria de agradecer a Meredith Cenzer por comprar todos os materiais da fábrica de voo e fornecer feedback contínuo da construção para a gravação do projeto. Agradeço também a Ana Silberg por suas contribuições para standardize_troughs.py. Finalmente, agradeço ao Media Arts, Data e Design Center (MADD) da Universidade de Chicago pela permissão para usar seus equipamentos, tecnologia e suprimentos comunitários.

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
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