Flying detección de insectos y Clasificación con Sensores Barato
15 de octubre de 2014
Hemos propuesto un sistema que utiliza sensores de bajo costo, no invasivo pseudo-acústico ópticos de forma automática y precisa de detectar, contar y clasificar los insectos sobre la base de su sonido del vuelo.
El objetivo general de este procedimiento es detectar e identificar insectos voladores en función del sonido de sus alas. Esto se logra utilizando primero un sensor pseudoacústico para registrar continuamente el sonido en una cámara de experimentos. El segundo paso es detectar automáticamente los sonidos de vuelo de los insectos a partir de la grabación en bruto.
El paso final es clasificar automáticamente los sonidos de vuelo detectados para identificar la especie de insecto y el sexo. En última instancia, se utilizan figuras y tablas para mostrar la precisión de la clasificación. La principal ventaja de esta técnica es que es simple, económica y se puede hacer tan omnipresente como los métodos actuales, como los viajes pegajosos y los viajes de intercesión, pero con ventajas digitales como una mayor precisión y un seguimiento en tiempo real.
Para comenzar el experimento, cría larvas de mosquitos en bandejas de esmalte en condiciones estándar de laboratorio. Aliméntalos con una mezcla de comida molida para roedores y levadura de cerveza en una proporción de tres a uno. A continuación, recoja los mosquitos pupi en vasos de 200 mililitros o recoja mosquitos adultos y colóquelos en cámaras experimentales.
Asegúrese de que cada cámara experimental contenga de 20 a 40 individuos de la misma especie y sexo. Coma mosquitos adultos, una mezcla de sacarosa y agua al 10%, y reemplace la comida una vez a la semana, toallas húmedas y de algodón dos veces por semana, y colóquelas encima de las cámaras experimentales para mantener la humedad. Además, mantenga una taza de 200 mililitros de agua del grifo en la cámara en todo momento.
Mantenga las cámaras experimentales en un ciclo de luz a oscuridad de 16 a ocho horas a 20,5 a 22 grados Celsius y de 30 a 50% de humedad durante la duración del experimento. Conecte la cámara experimental a una fuente de alimentación y encienda la alimentación. Alinee las luces láser con el conjunto de fotos ajustando los imanes hasta que el láser se centre en todos los fotodiodos individuales.
A continuación, realice dos comprobaciones de cordura asegurándose primero de que el sistema esté alimentado y de que el láser esté apuntando a la matriz de fotos. En segundo lugar, conecte el altavoz a la toma de audio para comprobar si las alineaciones del láser y la matriz de fotos son capaces de capturar el sonido. Sumerja una mano dentro y fuera de la jaula cerca del extremo de la fuente láser.
Asegúrese de que la luz láser esté en la mano y escuche para ver si el sonido cambia. A medida que la mano entra y sale, conecte una cuerda a un cepillo de dientes electrónico y encienda el cepillo de dientes. Asegúrese de que la luz láser esté encendida.
A continuación, mueva la cuerda al plano láser y escuche para ver si el sonido cambia. Una vez que el sistema esté configurado correctamente, agregue insectos a la jaula y cierre la tapa. Para comenzar la recopilación de datos, encienda la grabadora y haga una anotación de voz que incluya la siguiente información y pause la grabación.
A continuación, conecte la grabadora al sistema y reanude la grabación durante tres días. Descargue los datos de la grabadora en una nueva carpeta y vacíe la grabadora eliminando los datos. Repita el proceso de registro hasta que los insectos restantes hayan muerto y no queden más de cinco insectos vivos en la jaula.
Para procesar los datos, ejecute el software de detección de WBF circadiano para cada carpeta que contenga datos de una sesión de grabación, abra MATLAB y escriba en la ventana de comandos para cambiar el directorio de trabajo de MATLAB al directorio de código y ejecute el código WBF circadiano. A continuación, pulse Intro para iniciar. Una vez que finaliza el algoritmo, verifique los resultados de detección que el algoritmo genera en una nueva carpeta, el clasificador logra una precisión de más del 96% al clasificar no más de cinco especies de insectos como lo demuestra la tabla, que muestra la precisión de clasificación obtenida con el aumento del número de clases.
Cuando el número de clases aumenta a 10, la precisión nunca es inferior al 79%. Este tánico puede ayudar a combatir enfermedades inadas, como el material, produciendo información real que se puede utilizar para planificar eficazmente el programa de separación. También puede ayudar a los agricultores a limitar la propagación de los daños incidentes en sus cultivos mediante el seguimiento de las plagas en el campo.
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Resumen
Este estudio presenta un sistema que utiliza sensores ópticos pseudoacústicos económicos y no invasivos para detectar, clasificar y contar insectos voladores basándose en los sonidos de sus aleteos. El método ofrece una alternativa digital a las técnicas tradicionales de monitoreo de insectos, proporcionando mayor precisión y datos en tiempo real.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Monitoreo de insectos
- Tecnología de detección acústica
- Clasificación de especies
Antecedentes
- Los métodos tradicionales para el monitoreo de insectos incluyen trampas adhesivas y trampas de intercepción.
- Estos métodos pueden tener limitaciones en cuanto a precisión y recolección de datos en tiempo real.
- Los avances en la tecnología de detección acústica ofrecen nuevas oportunidades para la detección de insectos.
- Comprender las poblaciones de insectos es fundamental para los estudios ecológicos y el manejo de plagas.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un sistema para la detección automática de sonidos de insectos voladores.
- Clasificar los sonidos detectados para identificar la especie y el sexo de los insectos.
- Mostrar las ventajas de este método frente a las técnicas tradicionales de monitoreo.
Métodos Utilizados
- Grabación continua de sonido mediante sensores pseudoacústicos en una cámara experimental.
- Detección automática de sonidos de vuelo de insectos a partir de grabaciones de audio en bruto.
- Clasificación de los sonidos detectados para determinar la especie y el sexo.
- Uso de figuras y tablas para presentar los resultados de precisión de la clasificación.
Resultados principales
- El sistema detectó y clasificó con éxito diversas especies de insectos voladores.
- Los resultados indicaron una mayor precisión en comparación con los métodos tradicionales.
- Se demostraron capacidades de monitoreo en tiempo real.
- El método es rentable y fácil de implementar.
Conclusiones
- Este estudio presenta una alternativa viable para el monitoreo de insectos.
- El sistema propuesto mejora la precisión y eficiencia en la detección de insectos voladores.
- Aplicaciones futuras podrían conducir a estrategias mejoradas de monitoreo ecológico y control de plagas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este trabajo demuestra un sistema de sensores de bajo costo y no invasivo para detectar y clasificar insectos voladores basado en los sonidos de aleteo, ofreciendo una alternativa escalable a los métodos tradicionales de monitoreo entomológico. El enfoque proporciona datos en tiempo real con alta precisión que pueden apoyar programas de vigilancia de vectores y manejo de plagas en la entomología agrícola y médica. Al permitir un monitoreo continuo con infraestructura mínima, el sistema mejora la confianza predictiva en la validación temprana de objetivos para intervenciones destinadas a reducir la transmisión de enfermedades o las pérdidas de cultivos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la evaluación de fenotipos conductuales de insectos mediante el monitoreo continuo y no invasivo de los patrones de aleteo.
- Valor operativo: Facilita la comprobación de hipótesis en investigaciones sobre control de vectores al proporcionar datos cuantitativos de actividad específicos por especie y sexo.
- Valor predictivo: Mejora la confianza en la selección de objetivos al correlacionar la actividad de los insectos con variables ambientales o de intervención.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera firmas acústicas robustas y reproducibles que sirven como lecturas fenotípicas para la clasificación de insectos.
- Valor operativo: Estandariza la recopilación de datos entre cámaras experimentales, reduciendo la variabilidad en estudios longitudinales.
- Escalabilidad: Permite el monitoreo de alto rendimiento de grandes cohortes de insectos durante períodos prolongados, como se ha demostrado en grabaciones de varios días.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta estudios de comportamiento de insectos basados en laboratorio con herramientas de vigilancia aplicables en campo para modelos de enfermedades transmitidas por vectores.
- Reducción Mecanicista de Riesgos: Permite la evaluación en tiempo real del impacto de intervenciones sobre poblaciones de insectos, apoyando decisiones de avance o interrupción en el desarrollo preclínico.
- Sistema Relevante para Enfermedades: Proporciona una plataforma para evaluar la competencia vectorial y los comportamientos de búsqueda de hospedador bajo condiciones controladas.
Integración de la Línea de Producción y Flujo de Trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento desde la biología temprana de vectores hasta la evaluación preclínica de estrategias de control, particularmente cuando el monitoreo en tiempo real y resuelto por especies informa la comprensión mecanicista y la eficacia de las intervenciones.
- Biología del Descubrimiento: Facilita estudios basados en hipótesis sobre el comportamiento de vuelo de insectos, la actividad circadiana y las respuestas a estímulos.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos listos para ensayos (frecuencia de aleteo, modulación de amplitud) adecuados para cribado fenotípico de alta resolución.
- Análisis: Permite la comparación estadística de poblaciones de insectos en distintas condiciones utilizando la precisión de clasificación y las tasas de detección como métricas clave.
- Investigación Traducional: Apoya la continuidad desde el laboratorio hasta el campo mediante la validación de herramientas de monitoreo que pueden implementarse en entornos endémicos.
- Reutilización Empresarial: Representa una plataforma de sensores reutilizable adaptable a múltiples especies de insectos y contextos ambientales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en la validación de objetivos al reducir la ambigüedad en la fenotipificación de insectos y sus respuestas conductuales.
- Valor operativo: Ofrece un monitoreo estandarizado y en tiempo real con consumibles mínimos, reduciendo la carga operativa en comparación con trampas adhesivas o de interceptación.
- Valor estratégico: Mejora la eficiencia del capital al permitir iteraciones rápidas en campañas de cribado de control de vectores mediante retroalimentación inmediata sobre los efectos de las intervenciones.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo de candidatos para el control de vectores al proporcionar biomarcadores tempranos y medibles de supresión poblacional.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en bioacústica, procesamiento de señales y diseño de ensayos entomológicos.
- Depende de instrumentación óptica y acústica estable, incluyendo matrices de láser-fotodiodo y controles ambientales.
- Necesita estandarización entre equipos para la anotación de datos, verificación de especies y entrenamiento de modelos de clasificación.
- La adaptación entre sistemas modelo puede requerir recalibración de la sensibilidad del sensor y de los parámetros de extracción de características.
- Las limitaciones prácticas incluyen la sensibilidad al ruido ambiental y a las vibraciones ambientales, lo que puede afectar la fidelidad de detección en condiciones de campo.
