Este protocolo presenta los métodos para crear, adjuntar y rastrear etiquetas de radar armónicas para insectos.
Artículo de método
Etiquetas de radar armónico para el seguimiento de insectos: ligeras, de bajo coste y accesibles
En este artículo
Resumen
Resumen
El uso de dispositivos de rastreo para seguir los movimientos de los animales ha sido durante mucho tiempo un enfoque estándar para estudiar el comportamiento y la ecología de los vertebrados. Hasta hace relativamente poco, estos métodos de rastreo no han estado disponibles para los entomólogos debido al tamaño prohibitivo y la masa de los dispositivos de rastreo que deben colocarse. Las tecnologías aplicadas al seguimiento de insectos incluyen radiotelemetría, Bluetooth, RFID y radar de armónicos. Entre estos, la radiotelemetría es el método más utilizado para rastrear insectos más grandes. Ofrece un rango de detección más largo y señales únicas para cada insecto rastreado, pero requiere etiquetas costosas que tienen una vida útil y de campo limitadas y son pesadas, generalmente de al menos 150 miligramos. Por el contrario, las etiquetas de radar armónicas, utilizadas por primera vez en 1986, son más ligeras en al menos un orden de magnitud, baratas y tienen rangos de detección que permiten el seguimiento de campo de muchos insectos más pequeños. Aquí, demostramos el uso de un transceptor listo para usar comercializado para el rescate en el campo. Juntos, las etiquetas económicas y los transceptores listos para usar hacen que esta técnica de seguimiento de insectos sea muy accesible para los entomólogos que estudian el comportamiento y la ecología de los insectos. En este artículo, abordaremos la creación de etiquetas, la colocación de etiquetas a los insectos, el seguimiento de estos insectos marcados y presentaremos algunos resultados de seguimiento representativos.
Introducción
El empleo de dispositivos de rastreo para estudiar los movimientos de los vertebrados ha sido durante mucho tiempo un enfoque estándar para recopilar datos relacionados con el comportamiento y la ecología de animales más grandes como mamíferos, aves y peces, con el seguimiento utilizando principalmente radiotelemetría y rastreo GPS1. Sin embargo, hasta hace relativamente poco, estos métodos de seguimiento no han estado disponibles para los entomólogos debido al tamaño prohibitivo y la masa de los dispositivos de seguimiento que deben adjuntarse2. Las tecnologías aplicadas al rastreo de insectos incluyen radiotelemetría, Bluetooth, RFID y radar armónico2,3. De estos, la radiotelemetría es, con mucho, el método más utilizado para rastrear insectos más grandes2. Ofrece un rango de detección más largo y señales únicas para cada insecto rastreado. Este método, sin embargo, requiere etiquetas costosas que tienen una vida útil y de campo limitadas y son pesadas, generalmente de al menos 150 mg. Bluetooth es la técnica menos desarrollada actualmente, con etiquetas más pequeñas que la telemetría de radio, pero también un alcance más corto3. Las etiquetas RFID pueden ser de tamaño muy pequeño y son bastante económicas, pero tienen el alcance más corto (a menudo solo unos pocos mm)4. El marcaje de insectos con etiquetas RFID se ha utilizado más comúnmente para estudiar a las abejas obreras que entran y salen de la colmena5. Por el contrario, las etiquetas de radar armónico son más ligeras en al menos un orden de magnitud que las etiquetas de radiotelemetría, baratas y tienen rangos de detección que permiten el seguimiento de campo de insectos mucho más pequeños6 (Figura 1).
El radar armónico utiliza un transceptor que emite una señal que energiza la etiqueta que lleva el insecto y recibe la señal de retorno de frecuencia duplicada enviada por la etiqueta7,8,9 (Figura 2). Si bien varios estudios han descrito el uso de etiquetas de radar armónicas con insectos de tamaño mediano6,10,11,12,13, no existe una demostración adecuada de cómo fabricar una etiqueta. En este artículo, proporcionamos instrucciones paso a paso sobre cómo fabricar dos tamaños diferentes de etiquetas de radar armónico, cada una construida a partir de un diodo Schottky y un cable de nitinol. Las etiquetas más pequeñas son más ligeras y funcionan mejor para insectos más pequeños6, mientras que las etiquetas más grandes tienen un mayor alcance y pueden ser acomodadas por insectos más grandes11. El alambre de nitinol es un componente crítico del diseño porque este alambre es flexible, lo que permite que el insecto marcado se mueva con relativa libertad. También vuelve rápidamente a una orientación recta, lo que permite el máximo retorno de la señal6,10,11. También demostramos el uso de un transceptor listo para usar (consulte la sección 'Obtención de señales' a continuación) comercializado para rescate en el campo7,9,14. Juntos, las etiquetas económicas y los transceptores listos para usar hacen que esta técnica de seguimiento de insectos sea muy accesible para los entomólogos que estudian el comportamiento y la ecología de los insectos. En este artículo, abordamos la creación de etiquetas, la colocación de etiquetas a los insectos, el seguimiento de estos insectos marcados y proporcionamos algunos resultados de seguimiento representativos.
Protocolo
1. Preparación
- Reúna todos los materiales necesarios para la fabricación de etiquetas: alambre de nitinol (0,0254 mm para etiquetas pequeñas, 0,0762 mm para etiquetas grandes), diodos Schottky (uno por etiqueta), adhesivos conductores (se sugiere epoxi conductor de plata para una resistencia máxima, pintura plateada para etiquetas más ligeras) y plantillas impresas en 3D que se utilizarán para el corte de alambre y el montaje de etiquetas (ver Tabla de materiales).
- Garantizar la disponibilidad de dos hilos de nitinol de diferentes tamaños, 25 μm y 75 μm, para su uso en etiquetas pequeñas y grandes, respectivamente.
2. Etiqueta grande
NOTA: Esta sección presenta el montaje de etiquetas grandes. Es importante tener dos cables de la longitud de antena correcta (8,25 cm para que coincida con la frecuencia del transceptor) para las etiquetas grandes.
- Utilice la plantilla de medición para cortar los cables de forma reproducible a la longitud deseada (8,25 cm) con unas tijeras.
- Primero, use la cinta adhesiva de un solo lado para asegurar el cable a la plantilla.
- Enrolle el alambre alrededor de la plantilla (20-30 veces como máximo), manteniendo una tensión ligera.
- Corta los cables en el canal con unas tijeras. El tamaño del alambre obtenido es de 8,25 cm.
- A continuación, retire con cuidado los cables del cilindro.
NOTA: Se necesitan dos cables para cada etiqueta.
- Prepare el diodo para la conexión del cable.
- Asegure el empaque del diodo al microscopio con cinta adhesiva. Tire de la cubierta hacia atrás con pinzas y retire los diodos con cinta adhesiva de doble cara.
- Coloque cinta adhesiva de doble cara sobre el empaque para quitar los diodos fácilmente.
NOTA: En este punto, todos los diodos están en la orientación correcta, con los contactos hacia arriba para facilitar la unión de la antena.
- Fije la cinta a la plantilla con los diodos hacia arriba. Coloque la cartulina paralela a los diodos a cada lado y alise los bordes para evitar que la antena se pegue a la cinta.
- Alinee los cables junto a los diodos en preparación para la conexión y, bajo un microscopio, coloque los cables de modo que cada uno toque un solo contacto eléctrico><. NOTA: Los cables no deben tocar ambos contactos eléctricos.
- Aplique material conductor a cada contacto con un alfiler para insectos. Asegúrese de cubrir tanto el punto de contacto como el cable.
- Tenga cuidado de no esparcir el material conductor entre cada contacto. Si el material conductor se mezcla o toca el otro cable o contacto, esto reducirá en gran medida la intensidad de la señal de la etiqueta.
- Vuelva a aplicar material conductor según sea necesario para asegurar cada cable y garantizar la conductividad eléctrica.
- Deje que las etiquetas permanezcan inalteradas durante varias horas para que el material conductor se endurezca.
3. Etiqueta pequeña
NOTA: Esta sección presenta el montaje de etiquetas pequeñas.
- Corte los alambres a longitudes de 4,1 cm.
- Fije el cable a la plantilla con la cinta adhesiva de un solo lado, teniendo cuidado de no tensar demasiado el cable.
- Enrolle el alambre alrededor de la plantilla y córtelo a lo largo de la ranura con unas tijeras.
NOTA: Cada etiqueta requiere dos segmentos del cable preparado anteriormente. - Prepare los diodos para la fijación. Coloque cinta adhesiva de doble cara en la plantilla y transfiera los diodos a la cinta con pinzas, manteniendo un espacio adecuado entre ellos.
- Bajo un microscopio, asegúrese de que los contactos estén hacia arriba, lo que facilita la alineación del cable y el diodo. Vuelva a alinearlos según sea necesario y asegúrese de que estén presionados en la cinta para evitar que se muevan durante el proceso de montaje.
- Coloque cinta adhesiva de un solo lado a lo largo de los diodos para elevar el cable al nivel de contacto y evitar que se pegue a la cinta subyacente. Alise la cinta y coloque los cables en las proximidades generales del diodo.
- Bajo el microscopio, coloque el cable en cada punto de contacto con cuidado para evitar la superposición de cables.
- Aplique el material conductor al contacto y al cable y asegúrese de que el material conductor no fluya junto e inunde el plano del diodo.
- Deje que las etiquetas se asienten sin alteraciones durante varias horas para que el material conductor se endurezca.
4. Accesorio de etiqueta grande - Escarabajo de cuernos largos de Queensland (QLB)
- Use el equipo de protección personal adecuado para protegerse de la exposición a los rayos UV (se recomiendan gafas protectoras).
- Asegure el escarabajo para facilitar el acceso al sitio de fijación. Sostenga el escarabajo suavemente, aplicando una ligera presión sobre la superficie de la mesa.
- Aplique una gota de adhesivo UV en el sitio de fijación.
- Oriente la etiqueta y coloque el diodo con los contactos eléctricos hacia abajo sobre el tórax.
- Una vez que esté satisfecho con la posición de la etiqueta, cure el pegamento con luz ultravioleta en una variedad de ángulos diferentes durante un total de 5 a 10 s. Este adhesivo UV se ha utilizado anteriormente para fijar etiquetas a insectos más grandes sin efectos negativos aparentes de la exposición a los rayos UV11.
5. Adjunto de etiquetas pequeñas - moscas de la fruta tefrtítidas
- Use el equipo de protección personal adecuado para protegerse de la exposición a los rayos UV (se recomiendan gafas protectoras).
- Anestesia moscas a las 4 oC. Típicamente, las moscas experimentan un cese de movimiento después de 10-15 min.
- Dispense una gota de pegamento y sumerja el diodo de la etiqueta en el adhesivo UV. Asegúrese de enrollar el diodo en el pegamento para garantizar una cobertura completa. Tenga cuidado para evitar que el exceso de adhesivo cubra el alambre.
- Asegure el insecto entre el pulgar y el índice para presentar el sitio de fijación.
- Oriente la etiqueta y colóquela longitudinalmente en el lado dorsal del tórax de la mosca. Mueva la etiqueta hacia adelante y hacia atrás para extender el adhesivo y garantizar una conexión segura. Tenga cuidado de no aplicar pegamento en la cabeza o las alas.
- Cuando esté satisfecho con la colocación de la etiqueta, cure el adhesivo con una luz ultravioleta. Varios estudios han utilizado este adhesivo UV para adherir etiquetas a las moscas sin efectos negativos aparentes de la exposición a los rayos UV6,10,12,13.
6. Obtención de señales
- Pruebe la capacidad de vuelo de los insectos después de la colocación de la etiqueta. Hazlo haciendo la prueba en un tubo de vuelo.
- Luego deja que las moscas despeguen hacia su hábitat.
- Utilice un transceptor (ver Tabla de Materiales) para obtener señales de insectos grandes y pequeños.
NOTA: Cuando está alineado con una etiqueta, el transceptor produce un sonido. Cuando el transceptor se gira 90 grados, se obtiene una señal débil o nula debido a la desalineación de la etiqueta y el transceptor.
Resultados
El rango de detección y el tamaño de la etiqueta son probablemente las dos características más importantes de las etiquetas para el seguimiento de insectos. A continuación, presentamos resultados representativos del rango máximo de detección de las etiquetas grandes y pequeñas fabricadas en este artículo. Los rangos máximos de detección se determinaron fijando longitudinalmente las etiquetas a una varilla de madera gruesa (~1,5 m) con cinta adhesiva de doble cara. Luego, se determinó la distancia máxima a la que se podían detectar las señales de las etiquetas alejando el transceptor de la etiqueta hasta que no se escuchara ninguna señal. Se probaron diez etiquetas de cada tamaño en un campo abierto. La distancia máxima de detección de las etiquetas más grandes es aproximadamente cuatro veces mayor que la de las etiquetas más pequeñas (Tabla 1). El desalineamiento entre la etiqueta y el transceptor, junto con la interferencia de la vegetación, suele reducir el rango de detección en condiciones de campo. Según nuestra experiencia, asumimos una distancia de detección de ~10 m para las etiquetas grandes y ~5 m para las pequeñas al trabajar en cultivos arbóreos.
Finalmente, nos gustaría compartir los resultados de un estudio representativo de seguimiento con el escarabajo longicornio de Queensland (QLB). El objetivo de este estudio fue investigar la ecología del movimiento del QLB, ya que se conoce poco sobre dónde pasan el tiempo los escarabajos adultos en el ambiente. Dado que los escarabajos son crípticos, es bastante difícil localizarlos en el entorno sin una técnica de rastreo como la HR. Este estudio se realizó en un bosquecillo de árboles de kukui (Aleurites moluccana) en la Isla Grande de Hawái. Durante el estudio, se marcaron y liberaron varios escarabajos. Posteriormente, se localizaron los escarabajos utilizando las técnicas de rastreo demostradas anteriormente en este artículo. Un ejemplo de la trayectoria seguida por un escarabajo durante 10 días se puede observar en la Figura 4. Obsérvese que el escarabajo fue rastreado hasta múltiples ubicaciones, incluyendo zonas altas de los árboles de kukui y hojas muertas. Este fue un hallazgo importante del estudio. Debido a que el QLB puede ser altamente críptico, los agricultores a menudo han preguntado dónde se "esconden" los escarabajos alrededor de los árboles. Al rastrear escarabajos individuales de QLB, pudimos determinar que con frecuencia se ocultan en hojas secas, lo que dificulta su detección. Este estudio ofrece nuevos conocimientos importantes sobre dónde pasan el tiempo los adultos de QLB durante el día y sobre sus movimientos durante la noche.
Figura 1: Comparación de dispositivos comúnmente utilizados para rastrear insectos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: El radar armónico funciona enviando una señal a una frecuencia (azul) y luego recibiendo la señal devuelta (con frecuencia duplicada) (roja). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: La intensidad de la señal está relacionada con la orientación de la etiqueta y el transceptor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Resultados representativos del seguimiento de un escarabajo longicornio de Queensland individual en árboles de kukui. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Etiquetas grandes | Etiquetas pequeñas |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabla 1: Distancias máximas de detección (media ± EE, m) para etiquetas de radar armónico en insectos (N = 10).
Discusión
En este protocolo, describimos y demostramos cómo fabricar dos tamaños de etiquetas de radar armónico. Además, hemos mostrado cómo unir estas etiquetas a insectos utilizando adhesivos curados con UV y hemos demostrado la intensidad de la señal del transceptor. Este protocolo se ha refinado para permitir la fabricación optimizada de muchas etiquetas HR de bajo costo con un equipo de laboratorio especializado mínimo. Además, el protocolo debe ser accesible para investigadores con experiencia en la manipulación de objetos bajo un microscopio de disección. Recomendamos que las personas que intentan hacer etiquetas comiencen con etiquetas más grandes para desarrollar habilidades en la manipulación de los diodos y la aplicación de los adhesivos conductores. Estas habilidades pueden ser difíciles al principio, pero hemos descubierto por experiencia (enseñando a más de 20 personas) que la curva de aprendizaje permite a las personas progresar relativamente rápido para hacer etiquetas más pequeñas con velocidad y reproducibilidad.
Si bien se mostró la fabricación de dos tamaños de etiquetas, también hemos hecho etiquetas con un diodo6 de tamaño intermedio, utilizando el alambre de nitinol de diámetro más pequeño y más grande. Las diferentes aplicaciones, como el tamaño de los insectos y el rango de detección requerido, influyen en la elección de los tamaños de diodos y cables.
El diseño de etiqueta utilizado en este protocolo es más simple que otros utilizados para rastrear insectos 15,16,17,18. Un diseño comúnmente utilizado es tener un bucle en la antena, creando así un cortocircuito de CC a través del diodo18,19. Las etiquetas con bucles en sus antenas generalmente se montan verticalmente en el tórax en lugar de longitudinalmente, como se muestra en este protocolo. La orientación vertical permite potencialmente una mejor alineación de la etiqueta y el transceptor mientras el insecto está en vuelo (ya que los insectos generalmente no vuelan boca abajo o con las patas hacia un lado). Sin embargo, la orientación vertical de la etiqueta aleja el centro de la masa de la etiqueta del centro de masa del insecto, lo que potencialmente tiene una mayor influencia en el equilibrio y la capacidad de vuelo.
Divulgaciones
No tenemos conflictos de intereses que divulgar.
Agradecimientos
Nos gustaría agradecer a Kate Fairbanks y James Snyder (Departamento de Agricultura y Servicios al Consumidor de Florida), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Universidad Menonita del Este) y Stefano De Faveri (Departamento de Agricultura y Pesca de Queensland) por revisar este protocolo.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Plantilla | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Plantilla | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Alambre de nitinol (pequeño) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, EE. UU.) | 17822174 | |
| Detector de mano RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· &punto medio; , Suecia) | Frecuencias de operación: Europa, 866,9 MHz (transmisión), 1733,8 MHz (recepción); EE. UU., 902.85 MHz (transmisión), 1805.7 MHz (recepción) | |
| Diodo Schottky RF (pequeño) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, EE. UU.) | MA4E2501L-1290 | Comprado a través de Richardson RFPD |
| Diodo Schottky (Grande) | RECCO AB (Lidingo· &punto medio; , Suecia) | ||
| Adhesivo epoxi conductor de plata | MG Chemicals | 12642-14 (Amazonas: 8331D) | Comprado a través de Amazon |
| Plantilla | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Plantilla | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Alambre de nitinol superelástico (grande) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, EE. UU.) | 8320K31 | 0.003" de diámetro x 30 pies de largo |
| Ted Pella Inc Epoxi conductor de plata | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, EE. UU.) | ||
| Adhesivo UV | Bondic (Cataratas del Niágara, NY, EE. UU.) | Comprado a través de Amazon y/o Bondic en línea (notaglue.com) |
Referencias
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