Un sistema preciso y autónomo para la detección de patrones de aparición de insectos
January 9th, 2019
Medición de patrones de aparición de insectos requiere precisión. Los sistemas existentes son sólo semiautomático y muestra el tamaño es limitado. Abordamos estas cuestiones mediante el diseño de un sistema con microcontroladores para medir con precisión el momento de la aparición de un gran número de insectos emergentes.
Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la cronobiología y la fisiología del estrés, como qué señales afectan el momento de la aparición de insectos. La principal ventaja de esta técnica es que está automatizada, y se puede utilizar para medir la aparición de un gran número de insectos. Las siguientes partes son necesarias para cada canal que se está construyendo.
Un colector, una tapa de extremo, seis soportes de plataforma, cuatro placas base de rack de tubo y cuatro placas frontales de bastidor de tubo. Con tres soportes de plataforma y una pieza de plástico corrugado de 33 por 30 centímetros, utilice pegamento caliente para ensamblar dos plataformas de rack de tubo por canal que se está construyendo. Instale la electrónica en el colector soldando primero una resistencia de 120 ohmios al ánodo tanto del emisor infrarrojo como del detector infrarrojo y un cable eléctrico de cinco centímetros de longitud de calibre 22 a ambos cátodos.
Inserte cuidadosamente el detector en una toma del colector y el emisor en la segunda toma. Ambos componentes deben encajar perfectamente. Alimente los cables del detector a través del canal de cableado y tire de ambos cables a través del orificio de acceso.
Soldar los cuatro cables a un conector Ethernet RJ45 utilizando la fila posterior de pines. Ambos ánodos deben ser soldados al pasador más a la izquierda, el cátodo del emisor al pasador más a la derecha, y el cátodo del detector a cualquiera de los pines centrales. Asegure el conector RJ45 sobre el orificio de acceso del colector con pegamento caliente, asegurando que no haya cables desnudos que toquen dentro del colector.
A continuación, comience la construcción del procesador central para el sistema soldando encabezados hembra en los orificios pasante etiquetados para Arduino nano, temp, reloj y módulo SD. Además, soldar un cabezal hembra en el orificio de dos por cinco a través sin etiquetar en la esquina superior izquierda de la placa PCB para la pantalla LCD. Apriete y suelde seis tomas RJ45 a lo largo del borde inferior de la placa PCB.
Soldar seis resistencias desplegables de 470 kilos ohmios en los sitios de orificios pasante, situados justo encima de las tomas RJ45. Instale el sensor de temperatura y humedad Arduino nano, DHT, el reloj y el módulo SD en la placa PCB. Por último, conecte un cable de cinta de diez conectores al conector de pantalla LCD de la placa PCB.
Una vez que el sistema de detección se ha montado, cargue y coloque dos bastidores inmediatamente antes de ejecutar un experimento. En primer lugar, asegúrese de que todos los orificios del bastidor contengan un tubo de micro centrífuga de 0,5 mililitros con la tapa quitada, y que los tubos encajen perfectamente. Llene cada tubo con una célula de cría de insectos, asegurándose de que el lado plano del borde esté mirando hacia la abertura.
A continuación, añadir un pellet suave de aire, y finalmente, un BB de metal. A continuación, utilice tornillos de nylon de un cuarto de pulgada para colocar la placa frontal del portatubos, con el borde redondeado hacia la parte inferior del bastidor. Coloca los bastidores de tubos en la plataforma del bastidor. Comience con las aberturas hacia arriba, y luego gire suavemente en su lugar para asegurarse de que los BBs de metal no se liberan.
Los bastidores deben colocarse en el borde de la plataforma para que un BB metálico pueda caer libremente en el colector sin rebotar contra otra porción de la estructura. Inserte una tarjeta SD en el adaptador y, a continuación, inicie el procesador central conectando un conector micro-USB en el Arduino y el otro extremo en cualquier adaptador USB adecuado. La pantalla LCD mostrará los números del uno al seis cuando esté listo.
Suelte un solo BB metálico en el colector de bolas de cada canal y observe si el recuento correspondiente aparece en la pantalla, y para el momento correcto para mostrar en la parte inferior de la pantalla. Después de que todos los insectos han surgido, apague el aparato desenchufando el Arduino. Los bastidores se pueden desmontar y limpiar para su reutilización.
Durante el experimento de emergencia, los datos se almacenan en la tarjeta SD en un archivo delimitado por comas. Utilice la tarjeta SD para transferir datos al ordenador y RStudio para generar automáticamente trazados de burbujas de los datos. Los datos de eventos y temperatura se guardan en el mismo archivo para la integridad de los datos.
Antes del análisis, importe el archivo delimitado por comas en un programa de hoja de cálculo. Las columnas I y J son la fecha y hora de aparición de las abejas. Consértalas en las columnas A y B cortando y pegando las columnas A a E en una segunda hoja de cálculo, y guárdelas como un archivo independiente de datos de temperatura para su posterior análisis.
Esta cifra muestra la aparición de las abejas en un termorresío de cuatro grados después de la exposición a un estrés frío durante el desarrollo. Esta figura muestra el mismo conjunto de datos que acaba de ver, pero con uno de los seis canales obstruidos con BBs, creando la burbuja grande en el gráfico, ya que la falta de señal se cuenta repetidamente. Los datos de este canal se pueden eliminar de forma justificable del análisis.
Al intentar este procedimiento, es importante recordar comprobar todas las piezas soldadas para asegurarse de que las conexiones funcionan. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la cronobiología y la fisiología del estrés exploraran qué señales afectan el momento de la aparición en las abejas solitarias.
Visión general
Este artículo presenta un sistema automatizado novedoso diseñado para medir los patrones de emergencia de insectos con alta precisión. Mediante el uso de microcontroladores, el sistema supera las limitaciones de los métodos semiautomatizados existentes, permitiendo tamaños de muestra más grandes en estudios de emergencia de insectos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Cronobiología
- Fisiología del estrés
- Comportamiento de los insectos
Antecedentes
- Los sistemas existentes para medir la emergencia de insectos son semiautomatizados.
- Los tamaños de muestra limitados dificultan la investigación en patrones de emergencia.
- La precisión en el tiempo es crucial para comprender el comportamiento de los insectos.
- La automatización puede mejorar la eficiencia en la recopilación de datos.
Propósito del estudio
- Desarrollar un sistema completamente automatizado para medir la emergencia de insectos.
- Facilitar tamaños de muestra más grandes en estudios de investigación.
- Explorar las señales que afectan el tiempo de emergencia de los insectos.
Métodos utilizados
- Construcción de un colector de conductos y plataformas de soporte para tubos.
- Integración de componentes electrónicos, incluyendo emisores y detectores infrarrojos.
- Uso de un Arduino nano para el procesamiento de datos.
- Almacenamiento de datos en una tarjeta SD para análisis posteriores.
Resultados principales
- El sistema mide con éxito el tiempo de emergencia de los insectos.
- La integridad de los datos se mantiene mediante el registro simultáneo de eventos y temperatura.
- Se logra un recuento automatizado de eventos de emergencia de insectos.
- Los resultados demuestran el impacto de las condiciones ambientales en el tiempo de emergencia.
Conclusiones
- El sistema desarrollado mejora el estudio de los patrones de emergencia de insectos.
- Proporciona un método confiable para investigadores en cronobiología y fisiología del estrés.
- Estudios futuros pueden utilizar esta técnica para investigar más a fondo las señales de emergencia.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Automated detection of insect emergence patterns enables high-throughput, quantitative analysis of biological timing and stress responses, supporting mechanistic de-risking in early discovery. The system's scalability and precision facilitate robust hypothesis testing and cross-condition comparisons, directly impacting target validation and translational research in chronobiology and stress physiology. Integration of automated data capture and visualization enhances predictive confidence and portfolio decision-making for R&D teams investigating environmental or genetic modulation of emergence phenotypes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous interrogation of environmental and genetic cues affecting emergence timing.
- Supports functional validation of candidate pathways involved in stress physiology.
- Facilitates mechanistic de-risking by providing high-resolution, quantitative emergence data.
- Improves predictive confidence for downstream biological hypotheses.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, scalable biological systems for compound or genetic screening.
- Standardizes emergence measurement across large sample sizes and multiple treatments.
- Delivers reproducible, quantitative outputs suitable for comparative analysis.
- Enables simultaneous evaluation of multiple experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns emergence phenotypes with disease-relevant stress and chronobiology models.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation of timing-related biomarkers.
- Provides risk-adjusted data for advancing candidate interventions targeting biological rhythms.
- Enhances translational relevance by enabling species-specific system adaptation.
Pipeline & Workflow Integration
This automated emergence detection system fits within the early discovery to preclinical continuum, supporting hypothesis testing, screening, and translational research workflows.
- Discovery Biology: Enables precise null hypothesis testing and pathway clarification for emergence timing.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible measurement platforms for high-throughput studies.
- Analytics: Generates quantitative, time-stamped outputs and visualizations for robust statistical analysis.
- Translational Research: Facilitates adaptation to diverse insect models for biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Modular, 3D-printed design supports broad reuse and customization across R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in emergence studies.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and automated data collection for large sample sizes.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust cross-condition comparisons.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of chronobiology and stress physiology programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electronics assembly and data analysis using R or similar platforms.
- Needs access to 3D printing, Arduino microcontrollers, and standard laboratory instrumentation.
- Demands cross-team standardization of data formats and analysis pipelines.
- Allows adaptation for different insect species via modular hardware design.
- Potential for channel clogging or hardware malfunction requires routine validation and troubleshooting.
