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

Resumen

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

Resumen

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

Introducción

Dado lo intratable que es la dispersión de insectos en el campo, el molino de vuelo se ha convertido en una herramienta de laboratorio común para abordar un fenómeno ecológico importante: cómo se mueven los insectos. Como consecuencia, desde que los pioneros del molino devuelo^{1,2,3, 4}marcaron el comienzo de seis décadas de diseño y construcción de molinos de vuelo, ha habido cambios notables en el diseño a medida que las tecnologías mejoraron y se integraron más en las comunidades científicas. Con el tiempo, el software automatizado de recopilación de datos reemplazó a los registradores de gráficos, y los brazos del molino de vuelo pasaron de varillas de vidrio a varillas de carbono y tubos de acero⁵. Solo en la última década, los rodamientos magnéticos reemplazaron a los rodamientos de teflón o vidrio como óptimamente sin fricción, y los pares entre la maquinaria del molino de vuelo y la tecnología versátil han proliferado a medida que la tecnología de fabricación de audio, visual y de capas se integra cada vez más en los flujos de trabajo de los investigadores. Estos emparejamientos han incluido cámaras de video de alta velocidad para medir la aerodinámica del ala^6,placas digitales a analógicas para imitar señales sensoriales para estudiar las respuestas auditivas de vuelo⁷e impresión 3D para hacer una plataforma de calibración para rastrear la deformación del ala durante el vuelo^8. Con el reciente aumento de las tecnologías emergentes en los makerspaces, particularmente en instituciones con centros de medios digitales dirigidos por personal experto^9,hay mayores posibilidades de mejorar el molino de vuelo para probar una gama más amplia de insectos y transportar el dispositivo al campo. También existe un alto potencial para que los investigadores crucen las fronteras disciplinarias y aceleren el aprendizaje técnico a través del trabajo basado en la producción^9,10,11,12. El molino de vuelo presentado aquí (adaptado de Attisano y colegas¹³⁾aprovecha las tecnologías emergentes que se encuentran en los espacios de fabricación no solo para 1) crear componentes de molino de vuelo cuyas escalas y dimensiones se ajustan al proyecto en cuestión, sino también 2) ofrecer a los investigadores un protocolo accesible en corte por láser e impresión 3D sin exigir un alto presupuesto o ningún conocimiento especializado en diseño asistido por computadora (CAD).

Los beneficios de acoplar nuevas tecnologías y métodos con el molino de vuelo son sustanciales, pero los molinos de vuelo también son valiosas máquinas independientes. Los molinos de vuelo miden el rendimiento del vuelo de los insectos y se utilizan para determinar cómo la velocidad, la distancia o la periodicidad del vuelo se relacionan con factores ambientales o ecológicos, como la temperatura, la humedad relativa, la estación, la planta huésped, la masa corporal, los rasgos morfológicos, la edad y la actividad reproductiva. A diferencia de métodos alternativos como actógrafos, cintas de correr y la grabación de video del movimiento de vuelo en túneles de viento y arenas interiores^14,el molino de vuelo es notable por su capacidad para recopilar varias estadísticas de rendimiento de vuelo en condiciones de laboratorio. Esto ayuda a los ecologistas a abordar preguntas importantes sobre la dispersión de vuelos, y les ayuda a progresar en su disciplina, ya sea el manejo integrado de plagas^15,16,17,la dinámica de poblaciones, la genética, la biogeografía, las estrategias de historia de vida¹⁸o la plasticidad fenotípica^19,20,21,22 . Por otro lado, dispositivos como cámaras de alta velocidad y actógrafos pueden requerir una configuración estricta, complicada y costosa, pero también pueden conducir a parámetros de movimiento más ajustados, como frecuencias de latido de alas y actividad de fotofase de insectos^23,24. Por lo tanto, el molino de vuelo presentado aquí sirve como una opción flexible, asequible y personalizable para que los investigadores investiguen el comportamiento del vuelo.

Del mismo modo, el incentivo para integrar las tecnologías emergentes en el flujo de trabajo de los ecologistas continúa aumentando a medida que las preguntas y los enfoques para estudiar la dispersión se vuelven más creativos y complejos. Como ubicaciones que promueven la innovación, los makerspaces atraen múltiples niveles de experiencia y ofrecen una curva de aprendizaje baja para que los usuarios de cualquier edad adquieran nuevas habilidades técnicas^10,12. La naturaleza iterativa y colaborativa de la creación de prototipos de dispositivos científicos en el makerspace y a través de fuentes abiertas en línea puede acelerar la aplicación de la teoría¹¹ y facilitar el desarrollo de productos en las ciencias ecológicas. Además, el aumento de la reproducibilidad de las herramientas científicas fomentará una recopilación de datos más amplia y una ciencia abierta. Esto puede ayudar a los investigadores a estandarizar equipos o métodos para medir la dispersión. Las herramientas de estandarización podrían permitir a los ecologistas unificar los datos de dispersión entre poblaciones para probar modelos de metapoblación que se desarrollan a partir de núcleos de dispersión²⁵ o dinámicas de colonización fuente-sumidero²⁶. Al igual que la comunidad médica está adoptando la impresión 3D para la atención al paciente y la educación en anatomía^27,los ecologistas pueden usar cortadores láser e impresoras 3D para rediseñar las herramientas ecológicas y la educación y, dentro del alcance de este estudio, pueden diseñar componentes adicionales del molino de vuelo, como plataformas de aterrizaje o un brazo de molino de vuelo que pueda moverse verticalmente. A su vez, la personalización, la rentabilidad y el aumento de la productividad que ofrece la tecnología makerspace pueden ayudar a iniciar proyectos de dispersión con una barrera relativamente baja para los investigadores que tienen la intención de desarrollar sus propias herramientas y dispositivos.

Para construir este molino de vuelo, también hay limitaciones mecánicas e instrumentales que pueden ser consideradas por el fabricante. Los imanes y las mejoras impresas en 3D permiten que el molino de vuelo sea esencialmente sin pegamento, excepto por la construcción de los soportes transversales, y que sea acomodable a insectos de diferentes tamaños. Sin embargo, a medida que aumenta la masa y la fuerza de los insectos, es más probable que los insectos se desmonten mientras están atados. Los imanes fuertes se pueden usar a costa de una mayor resistencia a la torsión, o los rodamientos de bolas pueden reemplazar a los rodamientos magnéticos como una solución robusta para los insectos de prueba de vuelo que pesan varios gramos^28,29. Sin embargo, los rodamientos de bolas también pueden presentar algunos problemas, principalmente porque la ejecución de experimentos prolongados con altas velocidades y altas temperaturas puede degradar la lubricación de los rodamientos de bolas, lo que aumenta la fricción³⁰. Por lo tanto, los usuarios tendrán que discernir qué mecánica de molino de vuelo se adaptaría mejor a su(s) insecto(s) de estudio y diseño experimental.

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

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

Protocolo

1. Construye el molino de vuelo en un Makerspace

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

2. Realizar pruebas de vuelo

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

3. Analizar datos de vuelo

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

Resultados

Los datos de vuelo se obtuvieron experimentalmente durante el invierno de 2020 utilizando J. haematoloma recolectado en el campo de Florida como insectos modelo (Bernat, A. V. y Cenzer, M. L., 2020, datos no publicados). Se realizaron ensayos de vuelo representativos en el Departamento de Ecología y Evolución de la Universidad de Chicago, como se muestra a continuación en la Figura 6, figura 7, Figura 8y

Discusión

El molino de vuelo simple y moderno proporciona una gama de ventajas para los investigadores interesados en estudiar el vuelo de insectos atados al ofrecer un diseño confiable y automatizado que prueba múltiples insectos de manera eficiente y rentable^13,31,35. Del mismo modo, existe un fuerte incentivo para que los investigadores adopten tecnologías y técnicas de rápida aparición de la industria y otros campos científicos como u...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
180  Ω Resistencia	E-Projects	10EP514180R	Película de carbono; plomo rígido de calibre 24.
Tubo de acero hipodérmico no magnético de calibre 19	MicroGroup	304H19RW
2.2 kΩ Resistencia	Adafruit	2782	Película de carbono; plomo rígido de calibre 24.
Impresora 3D	FlashForge	700355100638
Filamento de impresora 3D	FlashForge	700355100638	Diámetro 1,75 mm; 1kg/rollo.
Software de corte de impresión 3D	FlashPrint	4.4.0
Láminas de plástico acrílico	Blick Art Supplies	28945-1006
Papel de aluminio	Target	253-01-0860
Fuente de alimentación de placa de pruebas	HandsOn Tech	MDU1025	Puede tomar una entrada de 6.5V a 12V y puede producir 3.3V y 5V.
DI-1100 Registrador de Datos USB	DATAQ Instruments	DI-1100 Dispone de	4 entradas analógicas diferenciales blindadas.
Cables eléctricos	Striveday	B077HWS5XV	alambre sólido de calibre 24.
Alfileres Entomológicos	BioQuip	1208S2	Tamaño 2; diámetro 0,45 mm.
Punta de pipeta filtrada de 20 uL	Fisher Scientific	21-402-550
Pistola de pegamento caliente con pegamento caliente	Joann Fabrics	17366956
Sensor IR	Adafruit	2167	Este es el  3 mm IR  Versión; Funciona hasta 25 cm.
Tubo de vinilo transparente grande	Home Depot T10007008		Diámetro interior 3/8 pulg.; diámetro exterior 1/2 pulg.; longitud 20 pies.
Manes grandes	Bunting	EP654	Neodimio N42 de baja fricción; diámetro 0.394 pulgadas; longitud 0.157 pulgadas; fuerza de sujeción 4.9 lb.
Cortador láser	Sistemas Láser Universales	PLS6.75
Tuerca hexagonal M5	Home Depot 204274112		Paso de rosca 0,8 mm; longitud del tornillo 20 mm; diámetro 5 mm.
Tornillos largos de hierro M5	Home Depot	204283784	cabeza plana Philips; paso de rosca 0,8 mm; longitud del tornillo 20 mm; diámetro 5 mm.
Tornillos de hierro cortos M5	Home Depot 203540129		cabeza plana Philips; paso de rosca 0,8 mm; longitud del tornillo 10 mm; diámetro 5 mm.
Lámina de caucho de neopreno	Grainger	60DC16	Longitud 12 pulgadas; ancho 12 pulgadas; profundidad 1/8 pulgadas.
Software de modelado 3D en línea	Autodesk	2019_10_14	Tinkercad.com ofrece una cuenta gratuita.
Adaptador de corriente	Adafruit	63	9 VDC 1000mA conmutación regulada; voltaje de entrada DC 3.3V 5V.
Tubo de vinilo transparente pequeño	Home Depot	T10007005	Diámetro interior 1/4 pulg.; diámetro exterior 3/8 pulg.; 20 pies de largo.
Imanes pequeños Bunting		N42P120060	Neodimio N42 de baja fricción; diámetro 0.120 pulgadas; longitud 0.060 pulgadas; fuerza de sujeción 0.5 lb.
Placa de pruebas MB-102 sin soldadura	Adafruit	239	830 puntos de unión; longitud 17 cm; ancho 5,5 cm; voltaje de entrada, DC 3.3 V 5 V.
Acabados sofisticados Hierro Aparejo metálico	Blick Art Supplies	27105-2584
Cortadores de alambre	Target	84-031W