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Engineering

Bau einer verbesserten Flugmühle für die Untersuchung des Fluges mit angebundenen Insekten

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

Summary

Dieses Protokoll verwendet dreidimensionale (3D) Drucker und Laserschneider, die in Makerspaces zu finden sind, um ein flexibleres Flugmühlendesign zu erstellen. Durch den Einsatz dieser Technologie können Forscher Kosten senken, die Designflexibilität erhöhen und reproduzierbare Arbeit beim Bau ihrer Flugmühlen für angebundene Insektenflugstudien generieren.

Abstract

Makerspaces haben ein hohes Potenzial, Forscher in die Lage zu versetzen, neue Techniken zu entwickeln und mit neuartigen Arten in der ökologischen Forschung zu arbeiten. Dieses Protokoll zeigt, wie man die Technologie in Makerspaces nutzen kann, um eine vielseitigere Flugmühle zu relativ niedrigen Kosten zu bauen. Angesichts der Tatsache, dass diese Studie ihren Prototyp aus Flugmühlen extrahiert hat, die in den letzten zehn Jahren gebaut wurden, konzentriert sich dieses Protokoll mehr auf die Darstellung von Divergenzen aus der einfachen, modernen Flugmühle. Frühere Studien haben bereits gezeigt, wie vorteilhaft Flugmühlen für die Messung von Flugparametern wie Geschwindigkeit, Abstand oder Periodizität sind. Solche Mühlen haben es den Forschern ermöglicht, diese Parameter mit morphologischen, physiologischen oder genetischen Faktoren in Verbindung zu bringen. Zusätzlich zu diesen Vorteilen werden in dieser Studie die Vorteile des Einsatzes der Technologie in Makerspaces wie 3D-Druckern und Laserschneidern diskutiert, um ein flexibleres, robusteres und zusammenklappbares Flugmühlendesign zu erstellen. Vor allem die 3D-gedruckten Komponenten dieses Designs ermöglichen es dem Benutzer, Insekten verschiedener Größen zu testen, indem er die Höhen des Mühlenarms und der Infrarotsensoren (IR) einstellbar macht. Die 3D-Drucke ermöglichen es dem Benutzer auch, die Maschine für eine schnelle Lagerung oder den Transport zum Feld einfach zu zerlegen. Darüber hinaus verwendet diese Studie verstärkt Magnete und Magnetfarbe, um Insekten mit minimalem Stress zu binden. Schließlich beschreibt dieses Protokoll eine vielseitige Analyse von Flugdaten durch Computerskripte, die differenzierbare Flugversuche innerhalb einer einzigen Aufzeichnung effizient trennen und analysieren. Obwohl arbeitsintensiver, erleichtert die Anwendung der in Makerspaces und Online-3D-Modellierungsprogrammen verfügbaren Werkzeuge multidisziplinäre und prozessorientierte Praktiken und hilft Forschern, kostspielige, vorgefertigte Produkte mit eng einstellbaren Abmessungen zu vermeiden. Durch die Nutzung der Flexibilität und Reproduzierbarkeit der Technologie in Makerspaces fördert dieses Protokoll das kreative Design von Flugmühlen und inspiriert die offene Wissenschaft.

Introduction

Angesichts der Hartnäckigkeit der Ausbreitung von Insekten auf dem Feld ist die Flugmühle zu einem gängigen Laborwerkzeug geworden, um ein wichtiges ökologisches Phänomen anzugehen - wie sich Insekten bewegen. Seit die Pioniere der Flugmühle1, 2 ,3,4sechs Jahrzehnte Flugmühlenkonstruktion und -konstruktion einleiteten, gab es spürbare Konstruktionsänderungen, da sich die Technologien verbesserten und stärker in wissenschaftliche Gemeinschaften integriert wurden. Im Laufe der Zeit ersetzte eine automatisierte Datenerfassungssoftware die Kartenschreiber, und die Arme der Flugmühle wechselten von Glasstäben zu Kohlenstoffstäben und Stahlrohren5. Allein in den letzten zehn Jahren ersetzten Magnetlager Teflon- oder Glaslager als optimal reibungsfrei, und Paare zwischen Flugmühlenmaschinen und vielseitiger Technologie haben sich vermehrt, da die Audio-, Video- und Schichtherstellungstechnologie zunehmend in die Arbeitsabläufe der Forscher integriert wird. Zu diesen Paarungen gehörten Hochgeschwindigkeits-Videokameras zur Messung der Flügelaerodynamik6, Digital-Analog-Boards zur Nachahmung sensorischer Hinweise zur Untersuchung auditiver Flugreaktionen7und 3D-Druck zur Herstellung eines Kalibrierriggs zur Verfolgung der Flügelverformung während Flug8. Mit dem jüngsten Aufkommen neuer Technologien in Makerspaces, insbesondere in Institutionen mit digitalen Medienzentren, die von sachkundigen Mitarbeitern geleitet werden9, gibt es größere Möglichkeiten, die Flugmühle zu verbessern, um eine größere Auswahl an Insekten zu testen und das Gerät auf das Feld zu transportieren. Es besteht auch ein hohes Potenzial für Forscher, disziplinäre Grenzen zu überschreiten und das technische Lernen durch produktionsbasierte Arbeit zu beschleunigen9,10,11,12. Die hier vorgestellte Flugmühle (angepasst von Attisano und Kollegen13)nutzt die neuen Technologien, die in Makerspaces zu finden sind, um nicht nur 1) Flugmühlenkomponenten zu erstellen, deren Maßstäbe und Abmessungen auf das vorliegende Projekt abgestimmt sind, sondern auch 2) den Forschern ein zugängliches Protokoll im Laserschneiden und 3D-Druck zu bieten, ohne ein hohes Budget oder spezielle Kenntnisse in computergestütztem Design (CAD) zu erfordern.

Die Vorteile der Kopplung neuer Technologien und Methoden mit der Flugmühle sind beträchtlich, aber Flugmühlen sind auch wertvolle Einzelmaschinen. Flugmühlen messen die Flugleistung von Insekten und werden verwendet, um zu bestimmen, wie Fluggeschwindigkeit, Entfernung oder Periodizität mit umweltbedingten oder ökologischen Faktoren wie Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Jahreszeit, Wirtspflanze, Körpermasse, morphologischen Merkmalen, Alter und Fortpflanzungsaktivität zusammenhängen. Im Gegensatz zu alternativen Methoden wie Aktographen, Laufbändern und der Videoaufzeichnung von Flugbewegungen in Windkanälen und Indoor-Arenen14zeichnet sich die Flugmühle durch ihre Fähigkeit aus, verschiedene Flugleistungsstatistiken unter Laborbedingungen zu sammeln. Dies hilft Ökologen, wichtige Fragen zur Fluchtausbreitung zu beantworten, und es hilft ihnen, in ihrer Disziplin voranzukommen - sei es integrierte Schädlingsbekämpfung15, 16,17, Populationsdynamik, Genetik, Biogeographie, Lebensverlaufsstrategien18oder phänotypische Plastizität19,20,21,22 . Auf der anderen Seite können Geräte wie Hochgeschwindigkeitskameras und Aktographen eine strenge, komplizierte und teure Einrichtung erfordern, aber sie können auch zu feiner abgestimmten Bewegungsparametern wie Flügelschlagfrequenzen und Insektenphotophasenaktivitätführen 23,24. Somit dient die hier vorgestellte Flugmühle als flexible, erschwingliche und anpassbare Option für Forscher, um das Flugverhalten zu untersuchen.

Ebenso steigt der Anreiz, neue Technologien in den Workflow von Ökologen zu integrieren, da Fragen und Ansätze zur Untersuchung der Verbreitung immer kreativer und komplexer werden. Als Standorte, die Innovation fördern, ziehen Makerspaces mehrere Ebenen des Fachwissens an und bieten eine geringe Lernkurve für Benutzer jeden Alters, um neue technische Fähigkeiten zu erwerben10,12. Die iterative und kollaborative Natur des Prototypings wissenschaftlicher Geräte im Makerspace und durch Online-Open-Source kann die Anwendung von Theorie11 beschleunigen und die Produktentwicklung in den ökologischen Wissenschaften erleichtern. Darüber hinaus wird die Erhöhung der Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Instrumente eine breitere Datenerhebung und offene Wissenschaft fördern. Dies kann Forschern helfen, Geräte oder Methoden zur Messung der Ausbreitung zu standardisieren. Die Standardisierung von Werkzeugen könnte es Ökologen weiter ermöglichen, Streuungsdaten über Populationen hinweg zu vereinheitlichen, um Metapopulationsmodelle zu testen, die sich aus dispersalen Kernen25 oder der Quell-Sink-Kolonisationsdynamikentwickeln 26. Ähnlich wie die medizinische Gemeinschaft den 3D-Druck für die Patientenversorgung und anatomierische Ausbildung einsetzt27,können Ökologen Laserschneider und 3D-Drucker verwenden, um ökologische Werkzeuge und Bildung neu zu gestalten und im Rahmen dieser Studie zusätzliche Flugmühlenkomponenten wie Landeplattformen oder einen Flugmühlenarm zu entwerfen, der sich vertikal bewegen kann. Im Gegenzug können die Anpassung, Kosteneffizienz und erhöhte Produktivität, die die Makerspace-Technologie bietet, dazu beitragen, Dispersal-Projekte mit einer relativ niedrigen Barriere für Forscher zu starten, die beabsichtigen, ihre eigenen Werkzeuge und Geräte zu entwickeln.

Um diese Flugmühle zu konstruieren, gibt es auch mechanische und instrumentelle Einschränkungen, die vom Hersteller berücksichtigt werden können. Magnete und 3D-gedruckte Verbesserungen ermöglichen es der Flugmühle, mit Ausnahme der Konstruktion der Kreuzhalterungen, im Wesentlichen klebstofffrei zu sein und für Insekten unterschiedlicher Größe geeignet zu sein. Wenn jedoch die Masse und die Stärke von Insekten zunehmen, können Insekten eher selbst absteigen, während sie angebunden sind. Starke Magnete können auf Kosten eines erhöhten Torsionswiderstands verwendet werden, oder Kugellager können Magnetlager als robuste Lösung für Flugversuchsinsekten ersetzen, die mehrere Grammwiegen 28,29. Dennoch können Kugellager auch einige Probleme aufwerfen, vor allem, dass längere Experimente mit hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen die Schmierung von Kugellagern beeinträchtigen können, was die Reibung erhöht30. Daher müssen die Benutzer unterscheiden, welche Flugmühlenmechanik am besten zu ihren Insekten des Studiums und des experimentellen Designs passt.

Ebenso gibt es mehrere Möglichkeiten, eine Flugmühle zu instrumentieren, die über die Überlegungen dieses Papiers hinausgeht. Die hier vorgestellte Flugmühle verwendet IR-Sensoren zur Erkennung von Drehungen, WinDAQ-Software zur Erfassung von Umdrehungen und Programmierskripte zur Verarbeitung der Rohdaten. Obwohl sie einfach zu bedienen ist, verfügt die WinDAQ-Software über eine begrenzte Auswahl an Tools. Benutzer können keine Kommentare an den entsprechenden Kanal anhängen, und sie können nicht benachrichtigt werden, wenn eine Komponente der Schaltung ausfällt. Diese Fälle werden gelöst, indem sie durch Code erkannt und korrigiert werden, jedoch erst nach der Datenerfassung. Alternativ können Benutzer mehr als eine Software verwenden, die anpassbare Datenerfassungsfunktionen28 oder Sensoren bietet, die direkte Geschwindigkeits- und Entfernungsstatistiken erfassen, wie Fahrradmilometer29. Diese Alternativen können jedoch wertvolle Rohdaten umgehen oder Die Funktionalität über zu viele Softwareanwendungen hinweg diffundieren, was die Datenverarbeitung ineffizient machen kann. Anstatt die Flugmühleninstrumentierung umzugestalten, bietet dieses Protokoll robuste Programmierlösungen für die heutigen Softwarebeschränkungen.

In diesem Artikel wird ein Entwurf für eine verbesserte einfache Flugmühle beschrieben, um Forscher bei ihren Ausbreitungsstudien zu unterstützen und die Integration neuer Technologien auf dem Gebiet der Verhaltensökologie zu fördern. Diese Flugmühle passt in die Grenzen eines Inkubators, fasst bis zu acht Insekten gleichzeitig und automatisiert die Datenerfassung und -verarbeitung. Insbesondere die 3D-gedruckten Verbesserungen ermöglichen es dem Benutzer, die Höhe des Mühlenarms und des IR-Sensors einzustellen, um Insekten verschiedener Größen zu testen und das Gerät für eine schnelle Lagerung oder einen schnellen Transport zu zerlegen. Dank des institutionellen Zugangs zu einem kommunalen Makerspace waren alle Erweiterungen kostenlos und es fielen keine zusätzlichen Kosten im Vergleich zur einfachen, modernen Flugmühle an. Die gesamte benötigte Software ist kostenlos, die elektronische Schaltung ist einfach und alle Skripte können modifiziert werden, um den spezifischen Anforderungen des experimentellen Designs zu entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht die codierte Diagnose dem Benutzer, die Integrität und Präzision seiner Aufzeichnungen zu überprüfen. Schließlich minimiert dieses Protokoll den Stress, den ein Insekt erleidet, indem Insekten magnetisch bemalt und an den Mühlenarm gebunden werden. Da die Montage der einfachen Flugmühle bereits zugänglich, erschwinglich und flexibel ist, kann der Einsatz von Makerspace-Technologien zur Verbesserung der einfachen Flugmühle den Forschern den Raum geben, ihre eigenen spezifischen Flugstudienanforderungen zu überwinden und kreative Flugmühlendesigns über die Überlegungen dieses Papiers hinaus zu inspirieren.

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Protocol

1. Baue die Flight Mill in einem Makerspace

  1. Laserschneiden und montieren Sie die Trägerstruktur aus Acrylkunststoff.
    1. Verwenden Sie 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) dicke transparente Acrylplatten, um die Trägerstruktur aus Acrylkunststoff zu konstruieren. Stellen Sie sicher, dass das Material nicht aus Polycarbonat besteht, das Acryl ähnelt, aber schmilzt, anstatt unter dem Laser geschnitten zu werden.
    2. Suchen Sie den Laserschneider im Makerspace. Dieses Protokoll geht davon aus, dass der Makerspace über einen Laserschneider verfügt, wie in der Materialtabelle angegeben. Lesen Sie bei anderen Laserschneidern die Laserschneidereinstellungen, um zu bestimmen, welche Linienfarbe oder -dicke erforderlich ist, um die Dateilinien so einzustellen, dass sie lasergeschnitten oder graviert (nicht gerastert) werden.
    3. Öffnen Sie Adobe Illustrator, Inkscape (kostenlos) oder einen anderen Vektorgrafikeditor. Bereiten Sie eine Datei vor, die das Acrylträgerdesign in einem Vektorformat mit den oben genannten Linien in Abbildung 1 liest. Erstellen Sie Dateizeilen in Adobe Illustrator im RGB-Modus (Rot, Grün und Blau) mit einem Zeilenstrich von 0,0001 Punkt, wobei RGB-Rot (255, 0, 0) Linien schneidet und RGB-Blau (0, 0, 255) Linien ätzt.
    4. Testen und berücksichtigen Sie vorsorglich die Schnittfuge für alle Spalt- und Lochmessungen. Entwerfen und testen Sie den Schnittfugenschlüssel (Ergänzende Abbildung 1).
      HINWEIS: Die Kerbbreite kann je nach Strahlbreite des Laserschneiders, der Breite des Materials und dem verwendeten Materialtyp variieren.
    5. Speichern Sie die Acryl-Unterstützungsdesigns und den Kerf-Schlüssel als lesbare Dateitypen wie .ai, .dxf oder .svg Dateien. Um den Auftrag an den Laserschneider zu senden, drucken Sie die Datei auf dem lokalen Computer des Laserschneiders und öffnen Sie dann die Lasersoftware.
      HINWEIS: Wenn sie korrekt gedruckt werden, werden alle Vektorschneidelinien im Design mit den entsprechenden Farben im Bedienfeld der Lasersoftware angezeigt.
    6. Wählen Sie das Material als Kunststoff und dann den Materialtyp als Acryl aus. Für zusätzliche Präzision messen Sie die Materialdicke mit einem Messschieber und geben Ihre Dicke in das Materialdickenfeld ein. Aktivieren Sie automatisch die Z-Achse des Brennpunkts des Materials. Setzen Sie den Figurentyp auf Keine und lassen Sie die Intensität bei 0%. Um erweiterte Metriken auf dem Laserschneider zu ändern, z. B. den Laser % Leistung oder % Geschwindigkeit, testen Sie mit der Schnittfugentaste.
      HINWEIS: Als Faustregel gilt: Je dicker das Material, desto mehr Leistung wird bei einer niedrigeren Geschwindigkeit benötigt.
    7. Befolgen Sie vor dem Schneiden die Richtlinien des Makerspace zum Einschalten, Verwenden und Warten des Laserschneiders. Legen Sie die Materialien in den Druckerhohlraum und schneiden Sie die Acrylstützen aus.
      HINWEIS: Um mögliche Augenschäden zu vermeiden, schauen Sie beim Schneiden nicht auf den Laser oder lassen Sie eine Acrylplatte unbeaufsichtigt.
    8. Reinigen Sie überschüssiges Material aus dem Druckerhohlraum und montieren Sie die Stützstruktur. Montieren Sie, indem Sie jedes Horizontregal in die offenen Schlitze der vertikalen Außenwände und der zentralen vertikalen Wand einsetzen, wie in Abbildung 2Agekennzeichnet. Stellen Sie sicher, dass die Löcher zwischen den horizontalen Regalen ausgerichtet sind.
  2. 3D-Druck der Kunststoffstützen.
    1. Öffnen Sie einen Webbrowser und erstellen Sie ein Konto für ein Online-3D-Modellierungsprogramm. Eine kostenlose Kontooption finden Sie in der Materialtabelle.
    2. Klicken Sie auf 3D-Konstruktionen > Neues Design erstellen. Um die exakten 3D-gedruckten Designs dieser Studie zu replizieren, wie in Abbildung 3zu sehen, laden Sie das Archiv 3D_Prints.zip (Supplemental 3D Prints) herunter und verschieben Sie den Ordner auf den Desktop. Entpacken und öffnen Sie den Ordner. Klicken Sie auf der Webseite der Online-Arbeitsebene des 3D-Modellierungsprogramms in der oberen rechten Ecke auf Importieren und wählen Sie die .stl-Datei(en)aus.
      HINWEIS: Mehrere Konstruktionsreplikate oder Objekte können die Arbeitsebene füllen und als eine einzige STL-Datei gespeichert werden, solange der Benutzer die Objekte innerhalb der Grenzen des Erstellungsbereichs des 3D-Druckers hält. Das größte Objekt, das ein 3D-Drucker drucken kann, ist 140 mm Länge x 140 mm Breite x 140 mm Tiefe. Drehen Sie die Objekte jedoch nicht entlang ihrer z-Achse, um die Anzahl der Objekte in einem Build-Bereich zu maximieren. Das liegt daran, dass die heruntergeladenen Objekte so positioniert wurden, dass Überhänge minimiert werden und so mit den minimal notwendigen Stützen optimal gedruckt werden können.
    3. Um die Designs selbst zu erstellen oder anzupassen, folgen Sie den Tutorials der Website, nehmen Sie Änderungen vor und exportieren Sie dann die neuen Designs als STL-Dateien. Insgesamt 8 Linearführungsschienen (100,05 mm Länge x 23,50 mm Breite x 7,00 mm Tiefe), 16 Linearführungsschienenblöcke (22,08 mm Länge x 11,47 mm Breite x 12,47 mm Tiefe), 12 bis 20 Schrauben (9,00 mm Länge x 7,60 mm Breite x 13,00 mm Tiefe), 15 Kreuzhalterungen (50,00 mm Länge x 50,00 mm Breite x 20,00 mm Tiefe), 16 Magnethalter (12,75 mm Länge x 12,50 mm Breite x 15,75 mm Tiefe), 16 Rohrstützen (29,22 mm Länge x 29,19 mm Breite x 11,00 mm Tiefe), 16 kurze Linearführungsschienenstützen (40,00 mm Länge x 11,00 mm Breite x 13,00 mm Tiefe) und 16 lange Linearführungsschienenstützen (40,00 mm Länge x 16,00 mm Breite x 13,00 mm Tiefe) müssen 3D-gedruckt werden. Um den Spiegel jeder linearen Führungsschienenkonstruktion zu erhalten, klicken Sie auf das Objekt, drücken Sie M, und wählen Sie den Pfeil aus, der der Breite des Objekts entspricht.
      HINWEIS: Siehe Schritt 1.3.6. weitere Informationen zu den Linearführungsschienenheringen.
    4. Laden Sie eine 3D-Druck-Slicing-Software herunter und installieren Sie sie, um .stl-Dateien in eine im 3D-Drucker lesbare .gx-Datei zu konvertieren. Informationen zum Herunterladen des kostenlosen Softwareprogramms finden Sie in der Materialtabelle.
      HINWEIS: Andere Konvertierungssoftwareprogramme sind akzeptabel, aber dieses Protokoll geht davon aus, dass der Makerspace den 3D-Drucker und die Druckschneidesoftware verwendet, wie in der Materialtabelleangegeben.
    5. Doppelklicken Sie auf das Symbol der 3D-Druckschneidesoftware, um die Software zu starten. Klicken Sie auf Druck > Maschinentyp und wählen Sie den 3D-Drucker aus, der sich im Makerspace befindet.
    6. Klicken Sie auf das Symbol Laden, um eine STL-Modelldatei zu laden und das Objekt im Buildbereich anzuzeigen.
    7. Wählen Sie das Objekt aus und doppelklicken Sie auf das Symbol Verschieben. Klicken Sie auf Plattform, um sicherzustellen, dass sich das Modell auf der Plattform befindet. Klicken Sie auf Zentriert, um das Objekt in der Mitte des Erstellungsbereichs zu platzieren, oder ziehen Sie das Objekt mit dem Mauszeiger, um das Objekt im Erstellungsbereich zu positionieren.
    8. Klicken Sie auf das Symbol Drucken. Stellen Sie sicher, dass Der Materialtyp auf PLAeingestellt ist, Stützen und Floß aktiviert sind, die Auflösung auf Standardfestgelegt ist und die Temperatur des Extruders der im 3D-Druckerhandbuch vorgeschlagenen Temperatur entspricht. Die Temperatur kann unter Weitere Optionen >> Temperaturgeändert werden.
    9. Drücken Sie OK und speichern Sie die .gx-Datei im 3D_Prints Ordner oder auf einem USB-Stick, wenn die Datei nicht über ein USB-Kabel auf den 3D-Drucker übertragen werden kann.
    10. Suchen Sie die 3D-Druckmaschine eines Makerspace. Kalibrieren Sie den Extruder und stellen Sie sicher, dass genügend Filament für den Druck vorhanden ist. Übertragen Sie die .gx-Datei auf den 3D-Drucker und drucken Sie alle Arten und Mengen von Kunststoffträgern und Verbesserungen. Überprüfen Sie bei jedem Druck, ob das Filament ordnungsgemäß auf der Platte haftet.
  3. Montieren Sie 3D-Drucke auf der Acryl-Stützstruktur.
    1. Informationen zum Visualisieren aller vorhandenen Stützen finden Sie in Abbildung 2B.
    2. Kleben Sie die 3,175 mm dicken Neoprenplatten heiß auf die Innenwände der Kreuzhalterung. Wenn sie trocken sind, setzen Sie die Kreuzhalterungen an den Verbindungen der Acrylböden und den Wänden an der Rückseite des Geräts ein, um die Flugmühle zu stabilisieren.
    3. Verwenden Sie nach Möglichkeit 3D-gedruckte Schrauben, um den magnetischen Einfluss von Eisenschrauben zu minimieren. Schrauben Sie die Rohrstützen auf die Unterseite und die Oberseite jeder Zelle. Stellen Sie sicher, dass die oberen und unteren Rohrstützen ausgerichtet sind.
    4. Setzen Sie ein 30 mm langes Kunststoffrohr (Innendurchmesser (ID) 9,525 mm; Außendurchmesser (OD) 12,7 mm) in die Oberrohrstütze und ein 15 mm langes Kunststoffrohr (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) in die Unterrohrstütze jeder Zelle. Setzen Sie dann ein 40 mm langes Kunststoffrohr (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) in das Oberrohr und ein 20 mm langes Kunststoffrohr (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) in das Unterrohr. Stellen Sie sicher, dass die Reibung zwischen den Rohren stark genug ist, um die Rohre an Ort und Stelle zu halten, aber nicht zu viel, dass das Innenrohr beim Anziehen immer noch auf und ab gleiten kann. Wenn Rohre verzogen sind, tauchen Sie Segmente der Rohre für 1 min in kochendes Wasser. Richten Sie die Schläuche auf einem Handtuch aus, lassen Sie sie Raumtemperatur erreichen und führen Sie dann die Rohre ein.
    5. Legen Sie die beiden reibungsarmen Neodym-Magnete (10 mm Durchmesser; 4 mm Länge; 2,22 kg Haltekraft) in jede Magnethalterung. Stellen Sie sicher, dass sich jedes Magnetpaar gegenseitig abstößt. Setzen Sie dann ein innenliegendes Rohr fest in jede Magnetstütze ein, so dass die auf die Magnete wirkende Schwerkraft und die Magnetstütze nicht stark genug ist, um die Stütze vom Innenrohr zu lösen.
    6. In die gleiche Richtung schieben Sie zwei Linearführungsschienenblöcke in die Linearführungsschiene. Platzieren Sie die linearen Führungsschienen und Blöcke aufrecht in den Fenstern an den äußeren vertikalen Wänden. Stellen Sie sicher, dass die Blocköffnungen nach oben zeigen. Um eine Linearführungsschiene an Ort und Stelle zu sichern, verwenden Sie zwei kurze Linearführungsschienenstützen, zwei lange Linearführungsschienenstützen, vier 10 mm lange Eisenschrauben (M5; 0,8 Gewindesteigung; 5 mm Durchmesser), zwei 20 mm lange Eisenschrauben (M5; 0,8 Gewindesteigung; 5 mm Durchmesser) und zwei Sechskantmuttern (M5; 0,8 Gewindesteigung; 5 mm Durchmesser). Abbildung 2C zeigt die vollständige Montage der Linearführungsschiene.
      HINWEIS: Offene Schlitze in der Linearführungsschiene sind nur dann vorgesehen, wenn die Linearführungsschiene durch wiederholtes Gleiten ihres Blocks erodiert wird. Wenn ja, drucken Sie einen kleinen T-förmigen Stift in 3D, der sich im Ordner 3D_Prints befindet.
  4. Konstruieren Sie den schwenkbaren Arm.
    ANMERKUNG: Die Unterabschnitte 1.4.1 und 1.4.2 entsprechen den Unterabschnitten 1.2.2. und 1.2.3. in Attisano et al. 2015 Methodenpapier13.
    1. Punktieren Sie den Filter einer 20 μL gefilterten Pipettenspitze in ihrem Mittelpunkt mit einem entomologischen Stift. Drücken Sie dann den Stift durch die Pipettenspitze, bis die Stahlenden des Stiftes aus dem Körper der Pipettenspitze herausragen. Stellen Sie sicher, dass der Filter der Pipettenspitze den Stift an Ort und Stelle fixiert. Der Stift dient als Achse des Flugfräsarms.
    2. Um den Zellraum zu maximieren, schneiden Sie ein 19 G nichtmagnetisches Injektionsstahlrohr auf eine Länge von 24 cm (1 cm weniger als die Breite einer Flugzelle). Den hervorstehenden Stift und die Krone der Pipettenspitze aus Schritt 1.4.1 heiß kleben. bis zur Mitte des Schlauches. Biegen Sie ein Ende des Rohres um 2 cm vom Ende auf einen Winkel von 95°.
      HINWEIS: Um die Insektengröße zu priorisieren, anstatt den Zellraum zu maximieren, verkürzen Sie den Radius des Arms für kleinere Insekten oder schwache Flieger. Ein längerer Flugarm kann auch montiert werden, wenn die mittlere Acrylwand für größere Insekten oder starke Flieger entfernt wird. Darüber hinaus kann das gebogene Ende des Arms verschiedene Winkel unterstützen, um das Insekt in seiner natürlichen Flugausrichtung zu positionieren.
    3. Um seine magnetische Aufhängung zu testen, positionieren Sie den Arm zwischen dem oberen Magnetsatz. Stellen Sie sicher, dass sich der rotierende Arm frei um den vertikal aufgehängten Stift dreht.
    4. Kleben Sie die beiden reibungsarmen Neodym-Magnete (3,05 mm Durchmesser; 1,58 mm Länge; 0,23 kg Haltekraft) auf das gebogene Ende des Schwenkarms, um das magnetisch lackierte Insekt für den Flug zu binden (Masse des Flugfräsarms mit Magneten = 1,4 g). Wickeln Sie am ungefederten Ende des Schwenkarms ein Stück Aluminiumfolie (Masse pro Fläche = 0,01 g/cm2)ein, um eine Flagge zu erstellen. Die Folienfahne fungiert als Gegengewicht und bricht aufgrund ihrer hohen Reflexionseigenschaften den vom IR-Sensorsender zum Empfänger gesendeten IR-Strahl optimal.
      HINWEIS: Der Durchmesser des IR-Strahls beträgt höchstens 2,4 mm, so dass die optimale Mindestbreite der Folienflagge 3 mm beträgt. Eine Folienflaggenbreite von 3 mm, die so positioniert ist, dass sie den IR-Lichtstrahl vor der Emitterlinse des Sensors unterbricht, erzeugt einen Spannungsabfall, der während der Analysen nachweisbar ist.
  5. Richten Sie den IR-Sensor und den Datenlogger ein.
    1. Platzieren Sie den IR-Sensorsender innerhalb des oberen linearen Führungsschienenblocks, wobei der Emitter des Strahls nach unten zeigt. Platzieren Sie dann den IR-Sensorempfänger im unteren Block nach oben.
      HINWEIS: Die Sensoren (20 mm Länge x 10 mm Breite x 8 mm Tiefe) können bis zu einem Abstand von 250 mm getrennt werden und funktionieren trotzdem; Daher funktionieren sie auch dann, wenn sie an den Enden der ca. 100 mm langen Linearführungsschiene positioniert sind.
    2. Verbinden Sie auf einer lötfreien Steckplatine den IR-Sensorsender und -empfänger in Reihe mit dem 4-Kanal-Analogeingangsdatenlogger, wie in der elektronischen Schaltung in Abbildung 4Adargestellt. Schließen Sie zuerst den Eingang des IR-Sensorsenders (nicht des Empfängers) an, nachdem der Widerstand mit 180 Ω. Platzieren Sie einen weiteren 2,2 kΩ Widerstand vor dem Ausgang des IR-Empfängeranschlusses. Konfigurieren Sie die elektronische Schaltung jedes Kanals in abwechselnden Reihen entlang der Steckplatine, um das Rauschen im Spannungssignal mehrerer Sensoren während der Aufnahme zu minimieren (Abbildung 4B).

2. Durchführung von Flugversuchen

  1. Binden Sie Insekten magnetisch an den Flügel der Flugmühle.
    1. Um die Belastung des Insekts zu minimieren, tragen Sie Magnetfarbe auf das Halsschild des Insekts auf, indem Sie entweder einen Zahnstocher oder einen Feinlinien-Präzisionsapplikator (20 G Spitze) verwenden. Lassen Sie die Farbe mindestens 10 min trocknen. Nach dem Trocknen befestigen Sie das Insekt an den Armmagneten der Flugmühle. In Abbildung 5 finden Sie Beispiele für magnetisches Malen und Anbinden von Insekten unterschiedlicher Größe. Dieses Protokoll verwendet Jadera haematoloma (Seifenbeerwanze) als Modellinsekt für Flug-Tethering und Testexperimente.
      HINWEIS: Für eine stärkere Anziehung zwischen dem Insekt und den Armmagneten tragen Sie mehrere Schichten Magnetfarbe auf. Tauschen Sie außerdem die am Ende des Flugmühlenarms angebrachten Magnete gegen Magnetgrößen aus, die dem Sichtfeld, der Masse und der Flügelreichweite der Insekten am besten entsprechen.
    2. Fliegen Sie bis zu 8 Insekten gleichzeitig in der Flugmühle. Malen Sie mindestens 16 Insekten vor, um mehrere Insekten während einer einzigen Aufnahmesitzung nacheinander zu testen.
    3. Um die Magnetfarbe nach dem Testen zu entfernen, hacken Sie die Farbe mit einer feinen Pinzette ab und entsorgen Sie sie gemäß den Vorschriften der Environmental Protection Agency (EPA) und der Occupational Safety and Health Administration (OSHA).
  2. Zeichnen Sie mehrere Insekten nacheinander auf, ohne eine Aufzeichnungssitzung mit dem Event Marker Comment-Tool von WinDAQ zu beenden.
    1. Laden Sie die kostenlose WinDAQ-Datenaufzeichnungs- und -wiedergabesoftware herunter und installieren Sie sie.
    2. Erstellen Sie einen neuen Ordner mit dem Titel Flight_scripts auf dem Desktop. Erstellen Sie fünf neue Ordner mit den folgenden genauen Namen innerhalb des Flight_scripts Ordners: Daten, Dateien2Split, Aufzeichnungen , split_filesund standardized_files. Laden Sie das Datenblatt.xlsx (Supplemental File 1) herunter und ziehen Sie die Datei in den Datenordner im Verzeichnis Flight_scripts.
    3. Verwenden Sie das Datenblatt.xlsx als Vorlage für die manuelle Datenaufzeichnung. Es werden mindestens vier Spalten benötigt: die Identifikationsnummer des Fehlers, ob der Fehler vor dem Testen gestorben ist, die Nummer des Aufzeichnungssatzes und die Kammer, die aus dem Kanalbuchstaben und der Kanalnummer besteht (z. B. "A-1", "B-4"). Eine mögliche Kammerkonfiguration finden Sie in Abbildung 2A.
    4. Öffnen Sie das WinDAQDashboard , wählen Sie den/die Datenlogger aus der Liste der Kontrollkästchen aus und drücken Sie 'Windaq Software starten'. Für jeden ausgewählten Datenlogger öffnet sich ein neues Fenster und das Eingangssignal jedes Sensors wird angezeigt.
    5. Definieren Sie eine Abtastfrequenz, indem Sie auf Edit > Sample Rateklicken. Geben Sie im Feld Abtastrate/Kanal eine Abtastfrequenz von 100 Samples/Sekunde ein, und drücken Sie OK.
      HINWEIS: Dieses Protokoll schlägt 100 S/ s vor, da Tröge, bei denen es sich um Spannungsabfälle handelt, die sich aus der Flagge ergeben, die den IR-Sensorstrahl unterbricht, bei Geschwindigkeiten von 1,7 m/s immer noch einen minimalen Spannungsabfall von 0,36 V erreichen. Rauschen wiederum, das einen maximalen Spannungsabfall von 0,10 V aufweist, kann bei Standardisierungen noch gefiltert werden, ohne reale Täler zu filtern. Darüber hinaus macht es eine Abtastrate von 100 S/s dem Benutzer leicht, die Täler auf der Wellenform auf dem Bildschirm während und nach der Aufnahme zu sehen. Wenn während der Aufnahme Fehler auftreten, kann der Benutzer die Tröge schnell von Fehlern oder Geräuschen unterscheiden. Siehe ergänzende Abbildung 2 für Vergleiche zwischen mehreren niedrigen Abtastfrequenzen.
    6. Um eine neue Aufnahmesitzung zu starten, drücken Sie Datei > Aufnahme. Wählen Sie im ersten Popup-Fenster den Speicherort der Aufnahmedatei aus. Schreiben Sie den Dateinamen sorgfältig ein. Dateien müssen mindestens folgende Namen haben: die Aufnahmesatznummer und den Kanalbuchstaben. Ein Beispiel für einen in den Python-Skripten modellierten Dateinamen ist der folgende: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Weitere Informationen finden Sie in split_files.py Zeilen 78-87 aus dem Ordner Flight_scripts. Drücken Sie dann OK.
    7. Geben Sie im nächsten Popup-Fenster die voraussichtliche Länge der Flugaufzeichnung ein. Drücken Sie OK, wenn die Insekten in der Lage sind, den Flug zu beginnen. Drücken Sie nach Ablauf der Aufnahmezeit Strg-S, um die Datei fertigzustellen. Drücken Sie Strg-S nur, wenn die Aufzeichnung vorzeitig beendet werden muss.
      HINWEIS: Wenn die Datei zu früh durch Eingabe von Strg+S beendet wird oder die oben genannte Zeitspanne zu kurz war, hängen Sie eine neue Aufzeichnung an eine vorhandene Datei an, indem Sie auf Datei > Datensatzklicken. Wählen Sie die Datei aus, an die sie angehängt werden soll, und klicken Sie im folgenden Popup-Fenster auf Ja.
    8. Wenn Sie während der Aufnahme getestete Insekten herausziehen, fügen Sie einen kommentierten Ereignismarker des ankommenden Insekts in die ausgewählte Kammer ein. Notieren Sie die ID, die Kammer und den Aufzeichnungssatz des ankommenden Insekts immer manuell im Datenblatt.xlsx bevor Sie Insekten austauschen.
    9. Um einen Kommentar zur Ereignismarkierung abzugeben, klicken Sie auf die Kanalnummer. Klicken Sie dann auf Bearbeiten > Kommentierte Markierung einfügen. Definieren Sie den Kommentar mit der Identifikationsnummer des neuen Insekts, das die Kammer betritt. Drücken Sie OK und laden Sie das Insekt in die Kammer.
  3. Visualisieren Sie Ereignismarkerkommentare und konvertieren Sie die Datei von WDH in TXT.
    1. Öffnen Sie eine WDH-Datei. Visualisieren Sie Ereignismarkierungskommentare, indem Sie zu Bearbeiten > Komprimierunggehen ... und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Maximum, um die Wellenform vollständig in einem Fenster zu komprimieren (Abbildung 6A).
    2. Überprüfen Sie die Aufzeichnung auf Anomalien.
      HINWEIS: Die Arten von Anomalien oder Fehlern in der Aufzeichnung sind in Abbildung 6dargestellt. Diese werden später diagnostiziert und in den Python-Skripten korrigiert.
    3. Speichern Sie die Datei in einem .txt Format, indem Sie zu Datei > Speichern unter wechseln. Wählen Sie den Aufnahmeordner im Verzeichnis Flight_scripts als Speicherort für die Datei aus. Wählen Sie im Popup-Fenster den Dateityp Spreadsheet print (CSV) aus und schreiben Sie den Dateinamen mit .txt am Ende. Klicken Sie auf Speichern. Wählen Sie im folgenden Popup-Fenster Abtastrate, Relative Zeit undDatum und Uhrzeitaus . Geben Sie 1 zwischen Kanalnummer und Ereignismarken ein. Deaktivieren Sie alle anderen Optionen und klicken Sie auf OK, um die Datei zu speichern.

3. Flugdaten analysieren

  1. Teilen Sie Dateien nach Ereignismarkierungskommentaren auf.
    1. Installieren Sie die neueste Version von Python. Alle Skripte in diesem Protokoll wurden auf Python Version 3.8.0 entwickelt.
    2. Laden Sie die folgenden Python-Skripts herunter: split_files.py, standardize_troughs.pyund flight_analysis.py (Supplemental Coding Files). Verschieben Sie die Skripts in den Ordner Flight_scripts.
    3. Stellen Sie sicher, dass Python auf dem neuesten Stand ist, und installieren Sie die folgenden Bibliotheken: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math und matplotlib. Informationen zu den Hauptfunktionen und Datenstrukturen der Skripte finden Sie im Schema in ergänzender Abbildung 3.
    4. Öffnen Sie das Datenblatt.xlsx Datei und speichern Sie es als CSV, indem Sie das Dateiformat in CSV UTF-8 (kommagetrennt) ändern, wenn Sie Windows ausführen, oder Macintosh Comma Separated, wenn Sie mac ausführen.
    5. Öffnen Sie das split_files.py-Symbol mit dem Texteditor Ihrer Wahl. Wenn es keine Präferenz gibt, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Skriptsymbol und wählen Sie Mit LEERLAUF öffnen.
    6. Codieren Sie die Zeilen 133-135 und 232-233 neu, wenn der Benutzer einen anderen Dateinamen als die vorgeschlagene Vorlage geschrieben hat ("T1_set006-2-24-2020-B.txt"). Informationen zum Umcodieren des Skripts, um unterschiedliche Dateinamen mit der funktion split() aufzunehmen, finden Sie in den Zeilen 116-131.
    7. Geben Sie in Zeile 266 den Pfad zum ordner Flight_scripts ein, und führen Sie das Skript aus. Nach einem erfolgreichen Lauf generiert das Skript zwischengeschaltete .txt Dateien von zugeordneten Insekten-IDs im Ordner files2split und .txt Dateien für jedes in jedem Aufnahmesatz getestete Insekt im Ordner split_files im Verzeichnis Flight_scripts.
      HINWEIS: Darüber hinaus sollten Benutzer in der Python-Shell Druckanweisungen des Dateinamens sehen, welche Insekten bei einer nummerierten Ereignismarkierung ausgetauscht werden und welche Dateien aufgeteilt und nach Insekten-ID in neue Dateien generiert werden.
  2. Standardisieren und wählen Sie die Täler im aufgezeichneten Signal aus.
    1. Öffnen Sie das standardize_troughs.py Symbol mit dem Texteditor Ihrer Wahl. Wenn es keine Präferenz gibt, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Skriptsymbol und wählen Sie Mit LEERLAUF öffnen.
    2. Geben Sie in Zeile 158 die Abtastfrequenz ein.
    3. Geben Sie in Zeile 159 den Pfad zum Ordner Flight_scripts ein, und führen Sie das Skript aus. Wenn das Skript erfolgreich ausgeführt wird, generiert es Dateien im Ordner standardized_files im Verzeichnis Flight_scripts.
      HINWEIS: Alle Dateien sollten mit 'standardized_' beginnen und mit dem ursprünglichen Dateinamen enden.
    4. Überprüfen Sie die Qualität der Aufnahmen: Öffnen Sie die trough_diagnostic.png, die von der standardize_troughs.py generiert wurde, die sich im Ordner Flight_scripts befindet. Stellen Sie sicher, dass alle Datensätze robust gegenüber Änderungen des minimalen und maximalen Spannungswerts des mittleren Standardisierungsintervalls sind.
      HINWEIS: Aufnahmen können viel Rauschen oder überempfindliche Täler aufweisen, wenn sie eine starke Abnahme der Anzahl der identifizierten Täler aufweisen, wenn die minimalen und maximalen Abweichungswerte erhöht werden. Zusätzliche Diagnosen für den Min-Max-Normalisierungsfaktor können ebenfalls codiert, durchgeführt und geplottet werden. Eine alternative Methode zur Überprüfung der Aufzeichnungsqualität wird in Schritt 2.3.1 beschrieben. und 2.3.2. des Attisano et al. 2015Methodenpapiers 13.
    5. Bewerten Sie die Diagnose, heben Sie die Auskommentierungszeile 198 auf und geben Sie die minimalen und maximalen Abweichungswerte an, die die Minimal- und Maximalwerte um die mittlere Spannung definieren, die zur Durchführung der Standardisierung für alle Dateien verwendet wird. Der Standardwert ist 0,1 V für jeden Abweichungswert.
      HINWEIS: In Zeile 53 kann der Anwender auch den Min-Max-Normalisierungsfaktor-Schwellenwert angeben, um eine Spannung weit unter dem Schwellenwert zu identifizieren.
    6. Kommentieren Sie Zeile 189 aus, nachdem Sie die Abweichungswerte eingegeben haben, und führen Sie dann das Skript aus. Das Skript führt die Standardisierungen effizient für alle Dateien aus (fast 25-mal schneller).
  3. Analysieren Sie die Flugspur anhand der standardisierten Datei.
    1. Öffnen Sie das flight_analysis.py-Symbol mit dem Texteditor Ihrer Wahl. Wenn es keine Präferenz gibt, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Skriptsymbol und wählen Sie Mit LEERLAUF öffnen.
    2. Bearbeiten Sie in den Zeilen 76-78 die optionale Geschwindigkeitskorrektur, die zusätzliche Drehungen des Mühlenarms unterdrückt, nachdem ein Insekt aufgehört hat zu fliegen. Bestimmen Sie diesen Schwellenwert mit Vorsicht, wenn Sie mit langsam fliegenden Insekten arbeiten.
    3. Bearbeiten Sie in Zeile 121 die Geschwindigkeitsschwellenwerte, um falsche Geschwindigkeitswerte wie extrem hohe Geschwindigkeiten oder negative Geschwindigkeiten zu korrigieren. Bearbeiten Sie in Zeile 130 den Zeitlückenwert, um lange Lücken herauszufiltern, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden ununterbrochenen Flugkämpfen auftreten.
    4. Geben Sie in Zeile 350 den Pfad zu dem Ordner ein, in dem die *.txt standardisierten Dateien gespeichert sind.
    5. Geben Sie in Zeile 353 die während der Versuche verwendete Armradiuslänge ein, die die kreisförmige Flugbahn definiert, die das Insekt pro Umdrehung geflogen hat.
    6. Identifizieren Sie die Entfernungs- und Zeit-SI-Einheiten als Zeichenfolgen in den Zeilen 357 bzw. 358.
    7. Verwenden Sie in den Zeilen 388-397 die Funktion split(), um mindestens die Identifikationsnummer des Insekts sowie die Setnummer und die Kammer, in der das Insekt geflogen ist, aus dem Dateinamen zu extrahieren. Das Skript folgt dem umfassenden Dateinamenbeispiel 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Vereinfachen Sie diesen Dateinamen bei Bedarf wie in Schritt 2.2.6. vorgeschlagen, und kommentieren oder löschen Sie Variablen wie den Testtyp in den Zeilen 392 und 401, falls sie nicht verwendet werden.
    8. Geben Sie alle Benutzereinstellungen an, speichern Sie es, und führen Sie das Skript aus. Wenn der Skriptlauf erfolgreich ist, gibt es die entsprechende ID-Nummer des Insekts, die Kammer und die berechneten Flugstatistiken in der Python-Shell aus. Darüber hinaus generiert es eine flight_stats_summary.csv Datei, die aus den in der Python-Shell gedruckten Informationen besteht, und speichert die .csv Datei im Datenordner des Flight_scripts-Verzeichnisses.

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Representative Results

Flugdaten wurden experimentell im Winter 2020 unter Verwendung des feldmassierten J. haematoloma aus Florida als Modellinsekten gewonnen (Bernat, A. V. und Cenzer, M. L., 2020, unveröffentlichte Daten). Repräsentative Flugversuche wurden in der Abteilung für Ökologie und Evolution an der Universität von Chicago durchgeführt, wie unten in Abbildung 6, Abbildung 7, Abbildung 8und Abbildung 9 dargestellt. Die Flugmühle wurde in einem Inkubator aufgestellt, der auf 28 °C/27 °C (Tag/Nacht), 70% relative Luftfeuchtigkeit und einen 14 h Licht/10 h Dunkelzyklus eingestellt ist. Für jeden Versuch wurde die Flugspur mehrerer Fehler jede Hundertstelsekunde von der WinDAQ-Software für bis zu 24 Stunden aufgezeichnet. Nach Vorversuchen wurde das Flugverhalten in Berstflug und Dauerflug eingeteilt. Burster flogen sporadisch für weniger als 10 Minuten am Stück, und Dauerflieger flogen ununterbrochen für 10 Minuten oder länger. Jede Person, die innerhalb ihrer 30-minütigen Testphase kein kontinuierliches Flugverhalten zeigte, wurde von der Flugmühle gezogen und durch einen neuen Fehler und die zugehörige ID in einem Ereignismarkerkommentar ersetzt. Alle Käfer, die einen kontinuierlichen Flug zeigten, blieben über 30 Minuten hinaus auf der Flugmühle, bis sie aufhörten zu fliegen. Bugs wurden jeden Tag von 8 bis 16 Uhr ausgetauscht. Wie in Abbildung 9dargestellt, variierten flugversuche von Individuen in einer Tagesaufzeichnung von 30 min bis 11+ h. Durch das Einfügen von Ereignismarkierungen beim Hinzufügen neuer Personen wird diese komplexe Datenstruktur erfolgreich durch die Python-Skripte verarbeitet, und der Code hilft Benutzern effektiv, den Umfang ihrer Experimente zu visualisieren. Der vorgeschlagene Versuchsaufbau erfasst die volle Flugkapazität von Insekten; es lässt jedoch die Möglichkeit der Beobachtung der Flugperiodizität aus. Benutzer haben dann die Möglichkeit, ihre Flugversuche für verschiedene Flugmetriken anzupassen und auszuwählen, welches Flugverhalten oder welche Strategien sie am meisten testen möchten.

Die On-Screen-Wellenform und die Diagnose-Heatmap(s) ermöglichen es auch, Lücken zu identifizieren oder Inkonsistenzen in den Flugspurdaten zu beheben. Abbildung 6A zeigt eine Reihe von Versuchen, deren Flugdaten für alle Kanäle ohne Lärm oder Unterbrechung erfolgreich aufgezeichnet wurden. Es zeigt auch alle Ereignismarkerkommentare an, die während der Aufzeichnung gemacht wurden. Abbildung 6B zeigt einen Moment, in dem das aufgezeichnete Signal in Kanal 3 verloren ging, wodurch die Spannung sofort auf 0 V gesenkt wurde. Dies war möglicherweise auf das Überqueren offener Drähte oder das Lösen von Drähten zurückzuführen. Es gibt auch bestimmte Ereignisse während der Aufzeichnung, die auftreten können, aber in den Python-Skripten korrigiert werden. Dazu gehören Doppeltröge, Spiegeltröge und Spannungsrauschen(Abbildung 6C,D). Diese Ereignisse führen zu falschen Talmesswerten, können aber bei Analysen zuverlässig identifiziert und entfernt werden. Abbildung 7 vergleicht drei Datendateien, um zu zeigen, wie während des Standardisierungsprozesses Rauschen oder empfindliche Täler in den Aufzeichnungsdaten diagnostiziert wurden. Die erste (Abbildung 7A) ist eine Datei, deren Tröge, die durch jede Umdrehung des Flugfräsarms erzeugt wurden, robust waren, was bedeutet, dass sie weitgehend von der mittleren Spannung der Datei abwichen. Als das Standardisierungsintervall um den Mittelwert herum zunahm, änderte sich wiederum die Anzahl der identifizierten Täler nicht. Dies deutete darauf hin, dass es kein Spannungsrauschen gab, und der Benutzer kann sich dann auf die Genauigkeit der Standardisierung verlassen. Auf der anderen Seite hatte die dritte Datei (Abbildung 7C) Täler, die entweder zu empfindlich waren oder ein Fremdspannungsrauschen aufwiesen, das nicht wesentlich von der mittleren Spannung der Datei abwich. Infolgedessen nahm die Anzahl der Täler erheblich ab, da das Standardisierungsintervall um den Mittelwert zunahm. Es wäre dann ratsam, in die ursprüngliche WDH-Aufnahmedatei zurückzublicken, um zu bestätigen, ob das Insekt wirklich geflogen ist.

Durch die Darstellung der Fluggeschwindigkeits- und Dauerstatistik des Individuums kann das Flugverhalten weiter in vier Flugkategorien unterteilt werden: Bursts (B), Bursts zu Continuous (BC), Continuous to Bursts (CB) und Continuous (C), wie in Abbildung 8dargestellt. Eine Person, die strikt kontinuierlichen Flug zeigte, flog mindestens am Ende ihrer 30-minütigen Testphase ununterbrochen für 10 Minuten oder mehr(Abbildung 8A). Eine Person, die während ihrer 30-minütigen Testphase sporadisch flog, zeigte einen Berstflug (Abbildung 8B). Eine Person, die zunächst einen kontinuierlichen Flug für mehr als 10 Minuten zeigte und sich dann innerhalb ihrer 30-minütigen Testphase zu sporadischen Ausbrüchen verjüngte, zeigte einen kontinuierlichen bis berstenden Flug (Abbildung 8C). Schließlich zeigte eine Person, die zunächst den Berstflug demonstrierte und dann für den Rest der 30-minütigen Testphase und darüber hinaus in den Dauerflug überging (Abbildung 8D). So kann der Benutzer, spezifisch für das Modellinsekt und den experimentellen Rahmen, diese grafische Ausgabe verwenden, um allgemeine Flugverhaltensmuster trotz einzigartiger Variationen in einzelnen Spuren zu bewerten und zu identifizieren.

Figure 1
Abbildung 1:Zu lasergeschnittene Designs für die Acrylkunststoffplattenstruktur. Acht Acrylkunststoffplatten wurden lasergeschnitten, um die Kunststofftragstruktur der Flugmühle zu konstruieren. Dateizeilen wurden in Adobe Illustrator im RGB-Modus erstellt, wobei RGB Rot (255, 0, 0) Linien schnitt und RGB Blau (0, 0, 255) Linien ätzte. Für eine bessere Lesbarkeit in dieser Abbildung wurden die Dateilinienstriche von 0,0001 Punkt auf 1 Punkt erhöht. Koordinateneinheiten sind mm, und der Punkt in der oberen linken Ecke jedes Designs ist der Ursprung, wobei das Verschieben weiter nach unten und rechts vom Ursprung zu positiven aufsteigenden Werten führt. Es gibt drei verschiedene Plattendesigns: die vertikalen Außenwände, eine zentrale vertikale Wand und horizontale Regale. Die beiden vertikalen Außenwände gleiten an ihren Schlitzen in die horizontalen Regale und ihre rechteckigen Löcher werden zur Montage der 3D-gedruckten linearen Führungsschiene, der Blöcke und der Stützen verwendet. Es gibt eine zentrale vertikale Wand mit Schlitzen, die die Flugmühle in acht Zellen unterteilt und zusätzliche strukturelle Unterstützung bietet. Es gibt auch fünf horizontförmige Regale mit Schlitzen, geätzten Kreisen, um die Position der magnetischen Rohrstützen zu markieren, und kleine rechteckige Löcher, in denen die Rohrstützen eingeschraubt werden können.

Figure 2
Abbildung 2: Montierte Flugmühle. A) Montage der Flugmühle. Jedes Horizonal Shelf (HS) wurde in die offenen Schlitze der äußeren vertikalen Wände (OW) und der zentralen vertikalen Wand (CW) eingefügt. Darüber hinaus wird jede Zelle oder "Kammer" mit einem Kanalbuchstaben (A oder B) identifiziert, der einem Datenlogger entspricht, und einer Kanalnummer (1-4), die dem Kanal auf dem spezifischen Datenloggerentspricht. B) Flugmühlenzellenmontage mit Flugmühlenarm. Magnetlager können angehoben oder abgesenkt werden, indem die Innenrohre innerhalb der Außenrohre verschoben werden, um die Höhe des Arms einzustellen. Die IR-Sensoren können auch angehoben oder abgesenkt werden, um die Sensoren an der Höhe der Flagge am Arm auszurichten. IR-Sensoren können auch einfach von ihren Linearführungsschienenblöcken entfernt werden, wenn sie ausgetauscht oder inspiziert werden müssen oder wenn die Flugmühle transportiert werden muss. Kreuzhalterungen bieten strukturelle Unterstützung für jede Acrylzelle und können einfach eingesetzt und entfernt werden. C) Lineare Führungsschiene und Blockbaugruppe im Zellenfenster. Alle 3D-Bauteile und die entsprechenden Schrauben im Zellenfenster sind für eine übersichtlichere Montage beschriftet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: 3D-gedruckte Designs. Die Maße sind in mm. A) Lineare Führungsschiene. B) Linearer Führungsschienenblock in Form eines IR-Sensors. C) Schraube, die als Stütze verwendet wird, um Eisenschrauben zu ersetzen. D) Rohrhalterung. E) Magnetunterstützung. F) Kreuzbügel als Acrylrahmen aligner und Stabilisator verwendet. G) Lange Stütze und H) kurze Stütze, um die linearen Führungsschienen an Ort und Stelle zu halten. Es werden nur lineare Führungsschienenträger gezeigt, die auf der Außenseite der Acrylwand aufliegen. Lineare Führungsschienenstützspiegel werden nicht angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Elektrische Schaltung derFlugmühle. A) Einfaches Diagramm eines Stromkreises, der die IR-Sensoren mit dem Datenlogger verbindet. Wenn die Fahne am Mühlenarm den vom IR-Sensorsender emittierten Strahl unterbricht, hört der Strom auf, zum IR-Sensorempfänger zu fließen, und die Spannung sinkt auf Null. Der Datenlogger zeichnet alle Spannungsabfälle auf. B) Hervorgehobene elektrische Stromkreise. Jedes gelbe Kästchen grenzt die Komponenten einer Schaltung ab, die mit der Steckplatine verbunden ist. Mehrere Stromkreise können in abwechselnden Reihen an eine einzige Steckplatine angeschlossen werden. Die Größe der lötfreien Steckplatine begrenzt, wie viele Flugzellen untergebracht werden können. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Insekten unterschiedlicher Größe magnetisch lackiert und angebunden. A) Drosophila melanogaster (gewöhnliche Fruchtfliegen) magnetisch bemalt und angebunden. Fruchtfliegen sind kleine Insekten (Körperlänge 5 mm; Masse = 0,2 mg), die zuerst mit Eis oder CO 2 unterdem Mikroskop betäubt werden müssen, bevor sie die Magnetfarbe auf ihren Brustkorb auftragen. B) Diskrepanz zwischen Insektengröße und Magnetgröße. Der Magnet am Flugmühlenarm sollte der Größe des Insekts am besten gerecht werden. Hier wird das Sichtfeld des Insekts behindert, weil der Magnet zu groß ist. Ein kleinerer konischer Magnet oder Magnetstreifen würde diese Diskrepanz lösen. C-F) Oncopeltus fasciatus (Wolfsmilchwanzen) und Jadera haematoloma (Seifenbeerwanzen) magnetisch bemalt und angebunden. Größere Käfer (Körperlänge > 5 mm; Masse > 0,1 g) können an ihren Beinen eingeklemmt werden, bevor sie einen Anstrich auf ihren Brustkorb auftragen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Beispiele für WDH-Flugaufzeichnungen. Spannungströge stellen komplette Umdrehungen des Armes der Flugmühle dar. Die rot gepunkteten Linien unterteilen die Anzeige, und die Sekunden pro Division (sec/div) jedes Panels sind blau hervorgehoben. Schwarze vertikale Linien markieren die Cursorzeit. A) Ereignismarkierungen. Die sec/div wurde von 0,2 sec/div auf ihr Maximum geändert, so dass die gesamte Wellenform über den Bildschirm gezeichnet werden kann. Alle Ereignismarkierungen, die über alle Kanäle hinweg aufgenommen werden, sind nur im ersten Kanal als Linien sichtbar, die von der maximalen Spannung bis zum unteren Rand des Kanalfeldfensters verlaufen. Alle Eventmacher für dieses Aufnahmeset befinden sich innerhalb des gelben Ovals. B) Signalverlust. In einem anderen Aufzeichnungssatz wurde sec/div von 0,2 sec/div auf 15 sec/div geändert, um ein aufgezeichnetes Signal zu visualisieren, das von 17:09 bis 17:15 Uhr in Kanal 3 verloren ging. Alle anderen Kanäle wie Kanal 4 funktionierten weiterhin einwandfrei. C) Doppeltröge und Spiegeltröge. Doppeltröge sind, wenn die Spannung sinkt, steigt und dann schnell wieder ein- und aufsteigt, um zwei verschmolzene Täler in einem Strahlbruchereignis zu erzeugen. Die Doppeltröge spiegeln sich auch gegenseitig, was darauf hindeutet, dass sich die Flagge zwischen dem Sensor hin und her bewegt hat, was normalerweise passiert, wenn ein Insekt aufhört zu fliegen. Die Python-Skripte sind für jeden Fall korrekt. D) Spannungsrauschen. Kurz nach 13:14 Uhr sind kleine Unebenheiten in der Spannung zu sehen, die auf Spannungsrauschen in der Aufnahme hindeuten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Repräsentative Durchgangsdiagnosedaten von Jadera haematoloma (Seifenbeerwanze). Potenzielle Geräusche oder überempfindliche Täler werden in den Flugaufnahmen leicht erkannt. A) Eine optimale, robuste Aufnahme von Beispielperson 318. Die Anzahl der Täler änderte sich nicht, da die minimalen und maximalen Abweichungswerte zunahmen, und so waren die Täler robust genug, um trotz eines großen Standardisierungsintervalls identifiziert zu werden. B) Eine suboptimale, aber dennoch robuste Aufnahme von Beispiel-Individuum 371. Die Anzahl der Täler nimmt ab, wenn die minimalen und maximalen Abweichungswerte zunehmen; der Rückgang war jedoch minimal (11 Täler). Es könnte Lärm und einige empfindliche Täler geben, aber nichts Wesentliches. C) Eine verrauschte Aufnahme von Beispielperson 176. Es gibt einen klaren und schnellen Abfall in der Anzahl der Täler, die identifiziert wurden, da die minimalen und maximalen Abweichungswerte zugenommen haben, bis ihre Anzahl bei 12 Tälern plateaut. Dies signalisiert viel potenzielles Rauschen oder überempfindliche Täler, während die 12 Täler als robuste Täler erhalten bleiben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Repräsentative Flugdaten von Jadera haematoloma (Soapberry-Bug). Vier Kategorien des Flugverhaltens können in den Flugaufzeichnungen identifiziert werden. A) Kontinuierlicher Flug. Diese Person flog kontinuierlich für 1,67 h, beginnend mit hohen Geschwindigkeiten und dann im Laufe der Zeit in niedrigere Geschwindigkeiten. B) Berstflug. Diese Person flog nur in Schüben innerhalb der ersten 30 Minuten ihres Versuchs. Burster können eine hohe Geschwindigkeit erreichen, aber diese Person konnte nur niedrige Geschwindigkeiten halten. C) Kontinuierlicher bis berstender Flug. Diese Person hatte 25 Minuten lang einen kontinuierlichen Flug aufrechterhalten und sich dann für die restlichen 5 Minuten ihres Versuchs in Ausbrüche verjüngt. D) Bersten zum Dauerflug. Dieses Individuum begann als Burster, erreichte hohe sporadische Geschwindigkeiten und ging dann für etwa 4 h in den Dauerflug über.

Figure 9
Abbildung 9: Repräsentative Kanalvisualisierung mehrerer Flugversuche innerhalb eines einzigen Aufzeichnungssatzes. Jede Farbe stellt einen einzelnen Soapberry-Bug mit dem angegebenen Kanalbuchstaben und der Kanalnummer während der Testphase dar. Alle Startzeiten, Stoppzeiten und Dateinamen wurden aus der eindeutigen Flugspur jedes Einzelnen .txt Datei extrahiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 1:Kerf-Schlüssel. Schnittfuge ist die Dicke des Materials, das beim Schneiden dieses Materials entfernt wird oder verloren geht. Für einen Laserschneider bestimmen zwei wichtige Faktoren die Breite der Schnittfuge: die Strahlbreite und die Materialart. Um die genaue Schnittfuge zu testen und zu berechnen, schneiden Sie den Schlüssel lasergeschnitten und stecken Sie den 20 mm breiten Schlüssel in den Schlitz, in den er am sichersten passt. Subtrahieren Sie dann den Wert für die Steckplatzbreite vom Wert für die Schlüsselbreite. Zum Beispiel hat ein Schlüssel mit einer Breite von 20 mm, der in einen 19,5 mm Steckplatz passt, eine Schnittfuge von 0,5 mm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Vergleich niedriger Abtastfrequenzen. A) Beziehung zwischen Spannungsabfall und Geschwindigkeit durch Abtastfrequenz. Jede Linienfarbe und Punktform stellt eine Abtastfrequenz dar (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz und 25 Hz). Der Spannungsabfall ist gleichbedeutend mit der Größe der Mulde. Linien passen zu Regressionen zweiter Ordnung, die die Abnahme der Troggröße mit zunehmender Geschwindigkeit und den folgenden Anstieg der Troggröße bei höheren Geschwindigkeiten beschreiben. Der schattierte Balken läuft von 0 V bis 0,1 V, was den Spannungsbereich markiert, in dem Rauschen auftritt. Die Daten wurden auf Zelle B-4 mit der Aufzeichnungssoftware WinDAQ und mit Folienflaggenabmessungen von 30 mm Länge und 30 mm Breite gesammelt. Der Flugmühlenarm wurde schnell von Hand gedreht und gedreht, bis er sich nicht mehr bewegte. Abtastfrequenzen von 25 Hz oder weniger laufen Gefahr, Tröge bei Standardisierungs- und Diagnosetests fälschlicherweise als Rauschen zu identifizieren. Abtastfrequenzen von 100 Hz oder höher sind besonders robust bei der Aufnahme großer Mulden für Geschwindigkeiten unter 1m/s. B) Durchgangsgrößen unterschiedlicher Abtastfrequenzen, die durch die Wellenform gesehen werden. Wenn die Abtastfrequenzen abnehmen, schrumpft auch ihre Darstellung auf der Wellenform. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3:Flussdiagramm der Funktionen und Datenstrukturen jedes Python-Skripts. Ein Überblick über die Eingaben, funktionalen Prozesse und Ausgaben jedes Python-Skripts für die vorgeschlagene Flugmühle wird zusammengefasst und anhand von Beispielen beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzender 3D-Druck. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Codierungsdateien. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Die einfache, moderne Flugmühle bietet eine Reihe von Vorteilen für Forscher, die an der Untersuchung des Fluges von angebundenen Insekten interessiert sind, indem sie ein zuverlässiges und automatisiertes Design liefert, das mehrere Insekten effizient und kostengünstig testet13,31,35. Ebenso besteht ein starker Anreiz für Forscher, schnell aufkommende Technologien und Techniken aus der Industrie und anderen wissenschaftlichen Bereichen zu übernehmen, um experimentelle Werkzeuge zur Untersuchung ökologischer Systeme zu entwickeln9,32,33. Dieses Protokoll nutzt zwei sich schnell entwickelnde Technologien, den 3D-Drucker und den Laserschneider, die zunehmend in kommunalen Makerspaces verfügbar werden, um die einfache, moderne Flugmühle zu verbessern. Diese Verbesserungen bieten ein flexibleres, einstellbareres und zusammenklappbareres Design, das Insekten unterschiedlicher Größe aufnimmt, die Belastung des Insekts minimiert und den einfachen Transport der Flugmühle an mehrere Orte oder Umgebungen ermöglicht. Darüber hinaus sind die zusätzlichen Kosten für die Nutzung der Technologien minimal oder sogar kostenlos. Diese Technologien können jedoch auch eine Herausforderung sein, mit denen man experimentieren kann, wenn die Fähigkeit zur Verwendung von Vektorgrafik-Editoren und 3D-Bildsoftware nicht ohne weiteres verfügbar ist. Die hier vorgestellte Flugmühle wiederum dient dazu, Forscher zu ermutigen, verfügbare neue Technologien in ihren Workflow zu integrieren, als auch Forschern zu ermöglichen, eine anpassbare, flexible und effektive Flugmühle ohne Spezialkenntnisse in Elektronik, Programmierung oder CAD-Modellen zu bauen.

Die stärksten Aspekte dieses Protokolls sind die Technologien des Makerspace, die die Designoptionen der Flugmühle eines Benutzers erweitern, die Verwendung von Magnetfarbe zur Minimierung von Insektenstress und die Automatisierung von Flugaufzeichnungen, die mehrere Insekten innerhalb einer einzigen Aufnahme verarbeiten. Der Laserschneider bietet präzise und exakte Schneidemöglichkeiten, die Aufträge nahezu jeder Komplexität bewältigen können. Der Benutzer kann die Acryl-Stützstruktur ändern, um zusätzliche 3D-Drucke oder gekaufte Gegenstände zu montieren. Der 3D-Drucker ermöglicht es dem Benutzer, anpassbare Flugmühlenkomponenten zu erstellen, die teure, vorgefertigte Produkte mit eng einstellbaren Abmessungen umgehen können. 3D-Drucke, die in diesem Papier nicht vorgeschlagen werden, können ebenfalls gebaut werden, z. B. Landeplattformen, Stützen, die schnell zwischen Magnetlagern und Kugellagern ausgetauscht werden können, oder sogar ein neues Aufsatz, der ein Insekt bindet. Schließlich ermöglicht die Verwendung von automatisierter Aufzeichnungssoftware und Python-Skripten zur Unterscheidung mehrerer Flugversuche innerhalb einer einzigen Aufzeichnung die Untersuchung sporadischer Flugabschnitte bis hin zu sehr langen Flugabschnitten. Angesichts der variablen Flugaktivität und -dauer zwischen den Arten wird jedoch vorgeschlagen, dass der Benutzer Vorversuche durchführt, um die Grenzen und allgemeinen Muster des Flugverhaltens einer Art zu verstehen und so die Datenerhebung zu optimieren. Der Benutzer kann auch die Integrität seiner Aufzeichnungen anhand der Diagnose-Heatmap(s) beurteilen und notwendige Geschwindigkeitskorrekturen in den Skripten berücksichtigen.

Die Forscher sollten sich auch der allgemeinen Einschränkungen der Flugmühle bewusst sein. Frühere Studien haben die Einschränkungen des angebundenen Fluges bekannt gemacht und versucht, sie zu beheben, einschließlich eines Mangels an Tarsalkontakt, damit das Insekt nach Belieben ruhen kann18,31, das Fehlen von Energie, die aufgewendet wird, wenn ein Insekt abhebt34, der zusätzliche Widerstand, den das Insekt beim Schieben des Flugmühlenarms überwindet, und das Insekt muss die aerodynamischen Kräfte nach außen ausgleichen, die aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung seiner kreisförmigen Flugbahn auftreten 6,35. Darüber hinaus gibt es nach wie vor Inkonsistenzen bei der Kategorisierung oder genaueren Quantifizierung der kurzen oder "trivialen" Ausbrüche, die Insekten zeigen, insbesondere wenn das Flugverhalten und die Mechanismen großer wandernder Insekten mit denen kleiner Insekten verglichen werden, die meist schwebeflugen24,36,37 . Trotz dieser Einschränkungen gab es erhebliche Fortschritte bei der Erfassung und Kategorisierung des Flugverhaltens innerhalb von Insektenarten, und die Forscher haben die Flugmühle weiterhin mit anderen Technologien und Methodengekoppelt 6,7,8.

Der Makerspace als Ort der Kreativität, Zusammenarbeit und niedrigen Barrieren wird die Forscher weiter dazu inspirieren, 3D-Druck-Designbeschränkungen zu beheben oder kompliziertere Designs zu laserschneiden. Studien haben die Wirksamkeit von Makerspaces nicht nur als iterative Produktherstellungsräume, sondern auch als Orte des beschleunigten Lernens untersucht10,11,12. Ingenieurstudenten erzielten insgesamt höhere Werte in Bezug auf Designverständnis, Designdokumentation und Modellqualität, wenn ihre Entwürfe mit Makerspace-Technologie11erstellt wurden. Darüber hinaus sank ihre Modellentwicklungszeit um 50%, was darauf hindeutet, dass die Makerspace-Exploration die traditionelle Rottheorie und anwendungsorientierte Kursarbeitübertraf 11. Im Gegenzug werden Forscher mit wenig Designwissen in der Lage sein, es zu vertiefen, und Forscher, die auch Pädagogen sind, können diesen Raum nutzen, um die Designorganisation, das Handwerk und die technische Geschicklichkeit der Schüler zu verbessern. In einer Disziplin wie der Ökologie, die bereits eine Vielzahl von Werkzeugen für Feld- und Laborarbeiten nutzt, können Forscher auch neuartige oder verbesserte Werkzeuge entwickeln, teilen und standardisieren. Die in diesem Papier vorgeschlagene Flugmühle ist nur der Anfang dessen, was ein Ansatz zur Demokratisierung und raschen Verbreitung neuer Mittel zur Datenerhebung sein könnte.

Flugmühlen haben eine wichtige Rolle dabei gespielt, dass Forscher die Ausbreitung von Insekten verstehen konnten - ein ökologisches Phänomen, das im Feld immer noch im Wesentlichen unlösbar ist. Zukünftige Fortschritte bei der Konstruktion und Anwendung der Flugmühle können erreicht werden, wenn die Forscher mit neuen Technologien und der software, die diese Technologien begleitet, besser vertraut werden. Dies könnte die Entwicklung von Flugmühlenarmlagern umfassen, die einen vertikalen Auftrieb ermöglichen oder dem Insekt eine größere Flexibilität bei der Flugausrichtung geben. Darüber hinaus kann die Präzision von Laserschneidern und 3D-Druckern für Forscher erforderlich sein, die daran interessiert sind, kleine Insekten mit meist schwebenden Fähigkeiten zu verkleinern und zu kalibrieren. Das Ziel dieses Protokolls war es wiederum, einen einfachen Einstieg in diese Technologien zu ermöglichen und gleichzeitig eines der gebräuchlichsten und nützlichsten Geräte auf dem Gebiet der Verhaltensökologie zu konstruieren - die Flugmühle. Wenn Forscher Zugang zu einem kommunalen Makerspace haben und sich der Navigation durch seine Technologien verschrieben haben, werden die daraus resultierenden Verbesserungen und Verbesserungen der modernen Flugmühle zu einem kreativen und kollaborativen Flugmühlendesign führen und weiterhin Einblicke in die zugrunde liegenden Merkmale und Mechanismen bieten, die die Variationen und Bewegungsmuster von Insektenarten beeinflussen.

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Disclosures

Der Autor hat nichts preiszugeben.

Acknowledgments

Ich möchte Meredith Cenzer für den Kauf aller Flugmühlenmaterialien und das kontinuierliche Feedback vom Bau bis zur Erstellung des Projekts danken. Ich danke auch Ana Silberg für ihre Beiträge zu standardize_troughs.py. Abschließend danke ich dem Media Arts, Data, and Design Center (MADD) an der University of Chicago für die Erlaubnis, seine kommunale Makerspace-Ausrüstung, -Technologie und -Zubehör kostenlos zu nutzen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
180 Ω Resistor E-Projects 10EP514180R Carbon film; stiff 24 gauge lead.
19 Gauge Non-Magnetic Hypodermic Steel Tubing MicroGroup 304H19RW 
2.2 kΩ Resistor Adafruit 2782 Carbon film; stiff 24 gauge lead.
3D Printer FlashForge 700355100638
3D Printer Filament FlashForge 700355100638 Diameter 1.75 mm; 1kg/roll.
3D Printing Slicing Software FlashPrint 4.4.0
Acrylic Plastic Sheets Blick Art Supplies 28945-1006
Aluminum Foil Target 253-01-0860
Breadboard Power Supply HandsOn Tech MDU1025 Can take 6.5V to 12V input and can produce 3.3V and 5V.
DI-1100 USB Data Logger DATAQ Instruments DI-1100 Has 4 differential armored analog inputs.
Electrical Wires Striveday B077HWS5XV 24 gauge solid wire.
Entomological Pins BioQuip 1208S2 Size 2; diameter 0.45 mm.
Filtered 20 uL Pipette Tip Fisher Scientific 21-402-550
Hot Glue Gun with Hot Glue Joann Fabrics 17366956
IR Sensor Adafruit 2167 This is the 3 mm IR version; works up to 25 cm.
Large Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007008 Inner diameter 3/8 in; outer diameter 1/2 in; length 20 ft.
Large Magnets Bunting EP654 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.394 in; length 0.157 in; holding force 4.9 lb. 
Laser Cutter  Universal Laser Systems  PLS6.75
M5 Hex Nut Home Depot 204274112 Thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Long Iron Screws Home Depot 204283784 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Short Iron Screws Home Depot 203540129 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 10 mm; diameter 5 mm.
Neoprene Rubber Sheet Grainger 60DC16 Length 12 in; width 12 in; depth 1/8in.
Online 3D Modeling Software Autodesk 2019_10_14 Tinkercad.com offers a free account.
Power Adaptor Adafruit 63 9 VDC 1000mA regulated switching; input voltage DC 3.3V 5V.
Small Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007005 Inner diameter 1/4 in; outer diameter 3/8 in; 20 ft long.
Small Magnets Bunting N42P120060 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.120 in; length 0.060 in; holding force 0.5 lb.
Solderless MB-102 Breadboard  Adafruit 239 830 tie points; length 17 cm; width 5.5 cm; input voltage, DC 3.3 V 5 V.
Sophisticated Finishes Iron Metallic Surfacer Blick Art Supplies 27105-2584
Wire Cutters Target  84-031W

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References

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

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