Article de méthode

Construction d’un moulin de vol amélioré pour l’étude du vol d’insectes attachés

DOI :

10.3791/62171

⸱

10 mars 2021

1Department of Ecology and Evolution, University of Chicago

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce protocole utilise des imprimantes tridimensionnelles (3D) et des découpeuses laser trouvées dans les makerspaces afin de créer une conception de fraise de vol plus flexible. En utilisant cette technologie, les chercheurs peuvent réduire les coûts, améliorer la flexibilité de la conception et générer des travaux reproductibles lors de la construction de leurs usines de vol pour les études de vol d’insectes attachés.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les makerspaces ont un fort potentiel pour permettre aux chercheurs de développer de nouvelles techniques et de travailler avec de nouvelles espèces dans la recherche écologique. Ce protocole montre comment tirer parti de la technologie trouvée dans les makerspaces afin de construire un moulin de vol plus polyvalent pour un coût relativement faible. Étant donné que cette étude a extrait son prototype des usines de vol construites au cours de la dernière décennie, ce protocole se concentre davantage sur la description des divergences faites à partir de l’usine de vol simple et moderne. Des études antérieures ont déjà montré à quel point les fraises de vol sont avantageuses pour mesurer des paramètres de vol tels que la vitesse, la distance ou la périodicité. De tels moulins ont permis aux chercheurs d’associer ces paramètres à des facteurs morphologiques, physiologiques ou génétiques. En plus de ces avantages, cette étude discute des avantages de l’utilisation de la technologie dans les makerspaces, comme les imprimantes 3D et les découpeuses laser, afin de construire une conception de broyeur de vol plus flexible, robuste et pliable. Plus particulièrement, les composants imprimés en 3D de cette conception permettent à l’utilisateur de tester des insectes de différentes tailles en rendant réglables les hauteurs du bras du moulin et des capteurs infrarouges (IR). Les impressions 3D permettent également à l’utilisateur de démonter facilement la machine pour un stockage rapide ou un transport sur le terrain. De plus, cette étude utilise davantage les aimants et la peinture magnétique pour attacher les insectes avec un minimum de stress. Enfin, ce protocole détaille une analyse polyvalente des données de vol grâce à des scripts informatiques qui séparent et analysent efficacement les essais en vol différentiables en un seul enregistrement. Bien que plus exigeant en main-d’œuvre, l’application des outils disponibles dans les makerspaces et sur les programmes de modélisation 3D en ligne facilite les pratiques multidisciplinaires et axées sur les processus et aide les chercheurs à éviter les produits préfabriqués coûteux aux dimensions étroitement réglables. En tirant parti de la flexibilité et de la reproductibilité de la technologie dans les makerspaces, ce protocole favorise la conception créative de moulins de vol et inspire la science ouverte.

Introduction

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Compte tenu de l’insoluble dispersion des insectes sur le terrain, le moulin à vol est devenu un outil de laboratoire commun pour traiter un phénomène écologique important - la façon dont les insectes se déplacent. En conséquence, depuis que les pionniers de l’usine de vol1, 2,3, 4ont inauguré six décennies de conception et de construction de laminoir de vol, il y a eu des changements de conception notables à mesure que les technologies s’amélioraient et s’intégraient davantage dans les communautés scientifiques. Au fil du temps, les logiciels automatisés de collecte de données ont remplacé les enregistreurs de cartes et les bras d’aérophilie sont passés des tiges de verre aux tiges de carbone et aux tubes en acier5. Au cours de la dernière décennie seulement, les roulements magnétiques ont remplacé les roulements en téflon ou en verre comme étant parfaitement sans friction, et les paires entre les machines de laminoir volante et la technologie polyvalente ont proliféré à mesure que la technologie de fabrication audio, visuelle et de couches s’intègre de plus en plus dans les flux de travail des chercheurs. Ces paires ont inclus des caméras vidéo à grande vitesse pour mesurer l’aérodynamique des ailes6,des cartes numériques à analogiques pour imiter les signaux sensoriels pour étudier les réponses de vol auditives7,et l’impression 3D pour fabriquer une plate-forme d’étalonnage pour suivre la déformation des ailes pendant le vol8. Avec l’essor récent des technologies émergentes dans les makerspaces, en particulier dans les institutions dotées de centres de médias numériques gérés par un personnel compétent9, il existe de plus grandes possibilités d’améliorer l’usine de vol pour tester une plus grande gamme d’insectes et transporter l’appareil sur le terrain. Il existe également un fort potentiel pour les chercheurs de franchir les frontières disciplinaires et d’accélérer l’apprentissage technique grâce à des travaux basés sur la production9,10,11,12. Le moulin de vol présenté ici (adapté d’Attisano et de ses collègues13)tire parti des technologies émergentes trouvées dans les makerspaces pour non seulement 1) créer des composants de fraises volantes dont les échelles et les dimensions sont adaptées au projet en cours, mais aussi 2) offrir aux chercheurs un protocole accessible en découpe laser et impression 3D sans exiger un budget élevé ou des connaissances spécialisées en conception assistée par ordinateur (CAO).

Les avantages de l’accouplement de nouvelles technologies et méthodes avec le broyeur volant sont considérables, mais les broyeurs volants sont également des machines autonomes précieuses. Les usines de vol mesurent les performances de vol des insectes et sont utilisées pour déterminer comment la vitesse, la distance ou la périodicité du vol sont liées à des facteurs environnementaux ou écologiques, tels que la température, l’humidité relative, la saison, la plante hôte, la masse corporelle, les traits morphologiques, l’âge et l’activité de reproduction. Distinct des méthodes alternatives telles que les actographes, les tapis roulants et l’enregistrement vidéo des mouvements de vol dans les souffleries et les arènes intérieures14,le moulin de vol se distingue par sa capacité à collecter diverses statistiques de performance de vol dans des conditions de laboratoire. Cela aide les écologistes à aborder des questions importantes sur la dispersion des vols, et cela les aide à progresser dans leur discipline - qu’il s’agisse de la lutte intégrée contre les ravageurs15,16,17, de la dynamique des populations, de la génétique, de la biogéographie, des stratégies de cycle biologique18, ou de la plasticité phénotypique19,20,21,22 . D’autre part, les appareils tels que les caméras à grande vitesse et les actographes peuvent nécessiter une configuration stricte, compliquée et coûteuse, mais ils peuvent également conduire à des paramètres de mouvement plus affinés, tels que les fréquences de battement d’ailes et l’activité de photophase des insectes23,24. Ainsi, le moulin de vol présenté ici sert d’option flexible, abordable et personnalisable pour les chercheurs afin d’étudier le comportement de vol.

De même, l’incitation à intégrer les technologies émergentes dans le flux de travail des écologistes continue de croître à mesure que les questions et les approches de l’étude de la dispersion deviennent plus créatives et complexes. En tant que lieux favorisant l’innovation, les makerspaces attirent de multiples niveaux d’expertise et offrent une courbe d’apprentissage faible aux utilisateurs de tout âge pour acquérir de nouvelles compétences techniques10,12. La nature itérative et collaborative du prototypage de dispositifs scientifiques dans le makerspace et par le biais de sources ouvertes en ligne peut accélérer l’application de la théorie11 et faciliter le développement de produits dans les sciences écologiques. En outre, l’augmentation de la reproductibilité des outils scientifiques encouragera une collecte de données plus large et une science ouverte. Cela peut aider les chercheurs à normaliser l’équipement ou les méthodes de mesure de la dispersion. La normalisation des outils pourrait en outre permettre aux écologistes d’unifier les données de dispersion entre les populations afin de tester des modèles de métapopulation qui se développent à partir de noyaux de dispersion25 ou de dynamique de colonisation source-puits26. Tout comme la communauté médicale adopte l’impression 3D pour les soins aux patients et l’éducation à l’anatomie27,les écologistes peuvent utiliser des découpeuses laser et des imprimantes 3D pour repenser les outils écologiques et l’éducation et, dans le cadre de cette étude, peuvent concevoir des composants de fraises de vol supplémentaires, tels que des plates-formes d’atterrissage ou un bras de broyeur de vol qui peut se déplacer verticalement. À leur tour, la personnalisation, la rentabilité et l’augmentation de la productivité offertes par la technologie makerspace peuvent aider à démarrer des projets de dispersion avec un obstacle relativement faible pour les chercheurs qui ont l’intention de développer leurs propres outils et appareils.

Pour construire ce moulin de vol, il existe également des limitations mécaniques et instrumentales qui peuvent être prises en compte par le fabricant. Les aimants et les améliorations imprimées en 3D permettent au moulin de vol d’être essentiellement sans colle, à l’exception de la construction des supports croisés, et d’être habitable aux insectes de différentes tailles. Cependant, à mesure que la masse et la force des insectes augmentent, les insectes peuvent être plus susceptibles de se démonter lorsqu’ils sont attachés. Des aimants puissants peuvent être utilisés au prix d’une traînée de torsion accrue, ou les roulements à billes peuvent remplacer les roulements magnétiques comme solution robuste pour les insectes d’essai en vol qui pèsent plusieurs grammes28,29. Néanmoins, les roulements à billes peuvent également présenter certains problèmes, principalement que la réalisation d’expériences prolongées avec des vitesses élevées et des températures élevées peut dégrader la lubrification des roulements à billes, ce qui augmente le frottement30. Ainsi, les utilisateurs devront discerner quelle mécanique de laminoir de vol conviendrait le mieux à leur(s) insecte(s) d’étude et de conception expérimentale.

De même, il existe plusieurs façons d’instrumenter une usine de vol qui vont au-delà des considérations du présent document. Le moulin de vol présenté ici utilise des capteurs IR pour détecter les révolutions, le logiciel WinDAQ pour enregistrer les révolutions et des scripts de programmation pour traiter les données brutes. Bien qu’il soit facile à utiliser, le logiciel WinDAQ dispose d’une gamme limitée d’outils disponibles. Les utilisateurs ne peuvent pas joindre de commentaires à leur canal correspondant et ne peuvent pas être alertés en cas de défaillance d’un composant du circuit. Ces cas sont résolus en les détectant et en les corrigeant via du code, mais uniquement après la collecte des données. Alternativement, les utilisateurs peuvent adopter plus d’un logiciel qui offre des fonctionnalités de collecte de données personnalisables28 ou des capteurs qui prennent des statistiques directes de vitesse et de distance, comme les milomètres de vélo29. Cependant, ces alternatives peuvent contourner des données brutes précieuses ou diffuser des fonctionnalités sur un trop grand nombre d’applications logicielles, ce qui peut rendre le traitement des données inefficace. En fin de compte, plutôt que de remodeler l’instrumentation du moulin de vol, ce protocole offre des solutions de programmation robustes aux limitations logicielles actuelles.

Dans cet article, une conception d’un moulin de vol simple amélioré est décrite pour aider les chercheurs dans leurs études de dispersion et pour encourager l’incorporation de technologies émergentes dans le domaine de l’écologie comportementale. Ce moulin volant s’adapte aux contraintes d’un incubateur, peut contenir jusqu’à huit insectes simultanément et automatise la collecte et le traitement des données. Notamment, ses améliorations imprimées en 3D permettent à l’utilisateur d’ajuster la hauteur du bras du broyeur et du capteur IR pour tester des insectes de différentes tailles et démonter l’appareil pour un stockage ou un transport rapide. Grâce à l’accès institutionnel à un makerspace communal, toutes les améliorations ont été gratuites et aucun coût supplémentaire n’a été accumulé par rapport au simple et moderne moulin à vol. Tous les logiciels nécessaires sont gratuits, les circuits électroniques sont simples et tous les scripts peuvent être modifiés pour répondre aux besoins spécifiques de la conception expérimentale. De plus, les diagnostics codés permettent à l’utilisateur de vérifier l’intégrité et la précision de ses enregistrements. Enfin, ce protocole minimise le stress subi par un insecte en peignant magnétiquement et en attachant les insectes au bras du moulin. L’assemblage de l’usine de vol simple étant déjà accessible, abordable et flexible, l’utilisation de technologies de makerspace pour améliorer l’usine de vol simple peut donner aux chercheurs l’espace nécessaire pour surmonter leurs propres besoins spécifiques en matière d’étude de vol et peut inspirer des conceptions créatives d’usines de vol au-delà des considérations de cet article.

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Protocole

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1. Construisez le moulin de vol dans un Makerspace

  1. Découpez et assemblez au laser la structure de support en plastique acrylique.
    1. Utilisez des feuilles d’acrylique transparentes de 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) d’épaisseur pour construire la structure de support en plastique acrylique. Assurez-vous que le matériau n’est pas en polycarbonate, qui ressemble à l’acrylique mais fondra au lieu d’être coupé sous le laser.
    2. Localisez la découpeuse laser dans le makerspace. Ce protocole suppose que le makerspace dispose d’une découpeuse laser comme indiqué dans la Table des matériaux. Pour les autres découpeuses laser, lisez les paramètres de la découpeuse laser pour déterminer la couleur ou l’épaisseur de ligne nécessaire pour définir les lignes de fichier à découper ou à graver au laser (à ne pas pixelliser).
    3. Ouvrez Adobe Illustrator, Inkscape (gratuit) ou un autre éditeur de graphiques vectoriels. Préparez un fichier qui lit la conception du support acrylique dans un format vectoriel avec les lignes susmentionnées illustrées à la figure 1. Créez des lignes de fichier dans Adobe Illustrator en mode Rouge, Vert et Bleu (RVB) avec un contour de ligne de 0,0001 point où le rouge RVB (255, 0, 0) coupe les lignes et le bleu RVB (0, 0, 255) grave les lignes.
    4. Par mesure de précaution, testez et tenez compte du kerf pour toutes les mesures de fente et de trou. Concevez et testez la clé kerf (Figure supplémentaire 1).
      REMARQUE: La largeur de Kerf peut varier en fonction de la largeur du faisceau de la découpeuse laser, de la largeur du matériau et du type de matériau utilisé.
    5. Enregistrez les conceptions de support acrylique et la clé kerf en tant que types de fichiers lisibles tels que des fichiers .ai, .dxf ou .svg. Pour envoyer la tâche à la découpeuse laser, imprimez le fichier sur la machine locale de la découpeuse laser, puis ouvrez le logiciel laser.
      REMARQUE: Si elles sont imprimées correctement, toutes les lignes de découpe vectorielle de la conception apparaîtront avec les couleurs correspondantes appropriées dans le panneau de commande du logiciel laser.
    6. Sélectionnez le matériau comme Plastique, puis le type de matériau comme Acrylique. Pour plus de précision, mesurez l’épaisseur du matériau avec un étrier et entrez son épaisseur dans le champ d’épaisseur du matériau. Activez automatiquement l’axe Z du point focal du matériau. Définissez le Type de figure sur Aucun et laissez l’intensité à 0 %. Pour modifier des mesures avancées sur la découpeuse laser, telles que le laser % Puissance ou % Vitesse, testez avec la touche kerf.
      REMARQUE: La règle de base est que plus le matériau est épais, plus la puissance est nécessaire à une vitesse inférieure.
    7. Avant de couper, suivez les directives du makerspace sur la mise sous tension, l’utilisation et l’entretien de la découpeuse laser. Placez les matériaux dans la cavité de l’imprimante et coupez les supports en acrylique.
      REMARQUE: Pour éviter d’éventuels dommages oculaires, ne regardez pas le laser et ne laissez aucune feuille d’acrylique sans surveillance pendant la coupe.
    8. Nettoyez l’excès de matériau de la cavité de l’imprimante et assemblez la structure de support. Assemblez en insérant chaque étagère horizontale dans les fentes ouvertes des murs verticaux extérieurs et du mur vertical central comme indiqué à la figure 2A. Assurez-vous que les trous entre les étagères horizontales sont alignés.
  2. Imprimez en 3D les supports en plastique.
    1. Ouvrez un navigateur Web et créez un compte sur un programme de modélisation 3D en ligne. Reportez-vous à la Table des matériaux pour une option de compte gratuit.
    2. Cliquez sur Conceptions 3D > Créer un nouveau design. Pour reproduire les conceptions imprimées en 3D exactes de cette étude, comme le montre la figure 3,téléchargez l’archive 3D_Prints.zip (Impressions 3D supplémentaires)et déplacez le dossier sur le bureau. Décompressez et ouvrez le dossier. Dans la page Web du plan de travail du programme de modélisation 3D en ligne, cliquez sur Importer dans le coin supérieur droit et sélectionnez le ou les fichiers .stl.
      Remarque : plusieurs répliques ou objets de conception peuvent remplir le plan de travail et être enregistrés en tant que fichier .stl unique tant que l’utilisateur restreint les objets dans les limites de la zone de construction de l’imprimante 3D. Le plus grand objet qu’une imprimante 3D peut imprimer mesure 140 mm de longueur x 140 mm de largeur x 140 mm de profondeur. Toutefois, ne faites pas pivoter les objets le long de leur axe z afin de maximiser le nombre d’objets sur une zone de construction. En effet, les objets téléchargés ont été positionnés de manière à minimiser les surplombs et peuvent donc être imprimés de manière optimale avec le minimum de supports nécessaires.
    3. Pour créer vous-même ou apporter des ajustements aux conceptions, suivez les didacticiels du site Web, apportez des modifications, puis exportez les nouvelles conceptions sous forme de fichiers .stl. Au total, 8 rails de guidage linéaires (100,05 mm de longueur x 23,50 mm de largeur x 7,00 mm de profondeur), 16 blocs de rails de guidage linéaires (22,08 mm de longueur x 11,47 mm de largeur x 12,47 mm de profondeur), 12 à 20 vis (longueur de 9,00 mm x 7,60 mm de largeur x 13,00 mm de profondeur), 15 supports croisés (longueur de 50,00 mm x 50,00 mm de largeur x 20,00 mm de profondeur), 16 supports magnétiques (12,75 mm de longueur x 12,50 mm de largeur x 15,75 mm de profondeur), 16 supports de tubes (longueur de 29,22 mm x 29,19 mm de largeur x 11,00 mm de profondeur), 16 supports de rails de guidage linéaires courts (longueur de 40,00 mm x 11,00 mm de largeur x 13,00 mm de profondeur) et 16 longs supports de rails de guidage linéaires (longueur de 40,00 mm x 16,00 mm de largeur x 13,00 mm de profondeur) doivent être imprimés en 3D. Pour obtenir le miroir de chaque conception de rail de guidage linéaire, cliquez sur l’objet, appuyez sur Met sélectionnez la flèche correspondant à la largeur de l’objet.
      REMARQUE : Voir l’étape 1.3.6. pour plus d’informations sur les chevilles de rail de guidage linéaire.
    4. Téléchargez et installez un logiciel de découpage d’impression 3D pour convertir les fichiers .stl en un fichier .gx lisible par imprimante 3D. Reportez-vous à la Table des matériaux pour télécharger le logiciel gratuit.
      REMARQUE: D’autres logiciels de conversion sont acceptables, mais ce protocole suppose que le makerspace utilise l’imprimante 3D et le logiciel de découpage d’impression comme indiqué dans la table des matériaux.
    5. Double-cliquez sur l’icône du logiciel de découpage d’impression 3D pour démarrer le logiciel. Cliquez sur Imprimer > Type de machine et sélectionnez l’imprimante 3D située dans le makerspace.
    6. Cliquez sur l’icône Charger pour charger un fichier de modèle .stl et afficher l’objet dans la zone de génération.
    7. Sélectionnez l’objet et double-cliquez sur l’icône Déplacer. Cliquez sur Sur la plate-forme pour vous assurer que le modèle est sur la plate-forme. Cliquez sur Centrer pour placer l’objet au centre de la zone de génération ou faites glisser l’objet avec le pointeur de la souris pour positionner l’objet sur la zone de génération.
    8. Cliquez sur l’icône Imprimer. Assurez-vous que le type de matériau est réglé sur PLA,que les supports et le radeau sont activés, que la résolution est définie sur Standardet que la température de l’extrudeuse correspond à la température suggérée par le guide de l’imprimante 3D. La température peut être modifiée dans Plus d’options >> Température.
    9. Appuyez sur OK et enregistrez le fichier .gx dans le dossier 3D_Prints ou sur une clé USB si le fichier ne peut pas être transféré sur l’imprimante 3D via un câble USB.
    10. Localisez la machine d’impression 3D d’un makerspace. Calibrez l’extrudeuse et assurez-vous qu’il y a suffisamment de filament pour l’impression. Transférez le fichier .gx sur l’imprimante 3D et imprimez tous les types et quantités de supports et d’améliorations en plastique. Pour chaque impression, vérifiez que le filament adhère correctement à la plaque.
  3. Assemblez des impressions 3D sur la structure de support en acrylique.
    1. Pour visualiser tous les supports en place, reportez-vous à la Figure 2B.
    2. Collez à chaud les feuilles de néoprène de 3,175 mm d’épaisseur sur les parois intérieures du support transversal. Une fois sec, insérez les supports croisés aux jonctions des étagères en acrylique et les parois à l’arrière de l’appareil pour stabiliser le broyeur de vol.
    3. Dans la mesure du possible, utilisez des vis imprimées en 3D afin de minimiser l’influence magnétique des vis en fer. Vissez les supports du tube sur le bas et le haut de chaque cellule. Assurez-vous que les supports des tubes supérieur et inférieur sont alignés.
    4. Insérer un tube en plastique de 30 mm de long (diamètre intérieur (ID) 9,525 mm; diamètre extérieur (OD) 12,7 mm) dans le support supérieur du tube et un tube en plastique de 15 mm de long (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) dans le support du tube inférieur de chaque cellule. Ensuite, insérez un tube en plastique de 40 mm de long (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) dans le tube supérieur et un tube en plastique de 20 mm de long (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) dans le tube inférieur. Assurez-vous qu’il y a suffisamment de friction entre les tubes pour maintenir les tubes en place, mais pas trop pour que la chambre à air puisse encore glisser de haut en bas si elle est tirée. Si les tubes sont déformés, immergez les segments des tubes pendant 1 min dans de l’eau bouillante. Redressez les tubes sur une serviette, laissez-les atteindre la température ambiante, puis insérez les tubes.
    5. Placez les deux aimants en néodyme à faible frottement (10 mm de diamètre; 4 mm de longueur; 2,22 kg de force de maintien) dans chaque support magnétique. Assurez-vous que chaque paire d’aimants se repousse mutuellement. Ensuite, logez fermement une chambre à air dans chaque support magnétique afin que la gravité agissant sur les aimants et le support magnétique ne soit pas assez forte pour déloger le support de la chambre à air.
    6. Dans la même direction, faites glisser deux blocs de rail de guidage linéaire dans le rail de guidage linéaire. Logez les rails de guidage linéaires et les blocs à la verticale dans les fenêtres des murs verticaux extérieurs. Assurez-vous que les ouvertures du bloc sont orientées vers le haut. Pour fixer un rail de guidage linéaire en place, utilisez deux supports de rail de guidage linéaire court, deux supports de rail de guidage linéaire long, quatre vis en fer de 10 mm de long (M5; pas de filetage de 0,8; diamètre de 5 mm), deux vis de fer de 20 mm de long (M5; pas de filetage de 0,8; diamètre de 5 mm) et deux écrous hexagonaux (M5; pas de filetage de 0,8; diamètre de 5 mm). La figure 2C montre l’assemblage complet du rail de guidage linéaire.
      REMARQUE: Les fentes ouvertes dans le rail de guidage linéaire sont destinées à être utilisées si et seulement si le rail de guidage linéaire est érodé par le glissement répété de son bloc. Si c’est le cas, imprimez en 3D une petite cheville en forme de T trouvée dans le dossier 3D_Prints.
  4. Construisez le bras pivotant.
    NOTE : Les sous-sections 1.4.1 et 1.4.2 sont équivalentes aux sous-sections 1.2.2. et 1.2.3. dans Attisano et al. 2015 methods paper13.
    1. Perforez le filtre d’une pointe de pipette filtrée de 20 μL à son point central à l’aide d’une broche entomologique. Ensuite, poussez la broche à travers l’extrémité de la pipette jusqu’à ce que les extrémités en acier de la broche dépassent du corps de la pointe de la pipette. Assurez-vous que le filtre de l’embout de la pipette fixe la broche en place. La broche sert d’axe au bras du moulin volant.
    2. Pour maximiser l’espace cellulaire, coupez un tube en acier hypodermique non magnétique de 19 G d’une longueur de 24 cm (1 cm de moins que la largeur d’une cellule de vol). Collez à chaud la broche saillante et la couronne de la pointe de la pipette à partir de l’étape 1.4.1. jusqu’au milieu du tube. Pliez une extrémité du tube à 2 cm de l’extrémité à un angle de 95°.
      REMARQUE: Pour prioriser la taille des insectes plutôt que de maximiser l’espace cellulaire, raccourcissez le rayon du bras pour les insectes plus petits ou les moucherons faibles. Un bras de vol plus long peut également être assemblé si la paroi acrylique centrale est enlevée pour les insectes plus gros ou les gros flyers. De plus, l’extrémité pliée du bras peut supporter différents angles afin de positionner l’insecte dans son orientation de vol naturelle.
    3. Pour tester sa suspension magnétique, positionnez le bras entre le jeu supérieur d’aimants. Assurez-vous que le bras rotatif tourne librement autour de la broche suspendue verticalement.
    4. Collez les deux aimants en néodyme à faible frottement (3,05 mm de diamètre; 1,58 mm de longueur; 0,23 kg de force de maintien) sur l’extrémité pliée du bras pivotant pour attacher l’insecte peint magnétiquement pour le vol (masse du bras du broyeur de vol avec aimants = 1,4 g). À l’extrémité non pliée du bras pivotant, enveloppez un morceau de papier d’aluminium (masse par zone = 0,01 g/cm2)pour créer un drapeau. Le drapeau à feuille agit comme un contrepoids et, en raison de ses propriétés hautement réfléchissantes, il brise de manière optimale le faisceau IR envoyé de l’émetteur du capteur IR au récepteur.
      REMARQUE: Le diamètre du faisceau IR est au maximum de 2,4 mm, de sorte que la largeur minimale optimale du drapeau de feuille est de 3 mm. Une largeur de drapeau de feuille de 3 mm et positionnée pour briser le faisceau de lumière IR devant la lentille de l’émetteur du capteur produira une chute de tension détectable lors des analyses.
  5. Configurez le capteur IR et l’enregistreur de données.
    1. Placez l’émetteur du capteur IR à l’intérieur du bloc de rail de guidage linéaire supérieur avec l’émetteur du faisceau tourné vers le bas. Ensuite, placez le récepteur du capteur IR à l’intérieur du bloc inférieur orienté vers le haut.
      REMARQUE: Les capteurs (20 mm de longueur x 10 mm de largeur x 8 mm de profondeur) peuvent être séparés jusqu’à une distance de 250 mm et fonctionnent toujours; par conséquent, ils fonctionneront même lorsqu’ils sont positionnés aux extrémités du rail de guidage linéaire d’environ 100 mm.
    2. Sur une breadboard sans soudure, connectez l’émetteur et le récepteur du capteur IR en série avec l’enregistreur de données d’entrée analogique à 4 canaux, comme illustré dans le circuit électronique de la figure 4A. Connectez d’abord l’entrée de l’émetteur du capteur IR (et non du récepteur), en suivant la résistance de 180 Ω. Placez une autre résistance de 2,2 kΩ avant la sortie de la connexion du récepteur IR. Configurez le circuit électronique de chaque canal en rangées alternées le long de la breadboard pour minimiser le bruit dans le signal de tension de plusieurs capteurs pendant l’enregistrement (Figure 4B).

2. Effectuer des essais en vol

  1. Attacher magnétiquement les insectes au bras du moulin volant.
    1. Pour minimiser le stress imposé à l’insecte, appliquez de la peinture magnétique sur le pronotum de l’insecte à l’aide d’un cure-dent ou d’un applicateur de précision fineline (pointe de 20 G). Laissez sécher la peinture pendant au moins 10 min. Une fois sec, fixez l’insecte aux aimants du bras du moulin volant. Reportez-vous à la figure 5 pour des exemples d’insectes peignant et attachant magnétiquement de différentes tailles. Ce protocole utilise Jadera haematoloma (punaise de la baie de savon) comme insecte modèle pour l’attache de vol et l’expérimentation d’essais.
      REMARQUE: Pour une attraction plus forte entre l’insecte et les aimants du bras, appliquez plusieurs couches de peinture magnétique. De plus, remplacez les aimants fixés à l’extrémité du bras du moulin de vol par des tailles d’aimants qui s’adaptent le mieux au champ de vision, à la masse et à la portée des ailes des insectes.
    2. Faites voler jusqu’à 8 insectes à la fois dans le moulin de vol. Préparez la peinture au moins 16 insectes afin de tester plusieurs insectes séquentiellement au cours d’une seule session d’enregistrement.
    3. Pour enlever la peinture magnétique après les tests, écaillez la peinture avec une pince fine et éliminez-la conformément aux réglementations de l’Environmental Protection Agency (EPA) et de l’Occupational Safety and Health Administration (OSHA).
  2. Enregistrez plusieurs insectes séquentiellement sans mettre fin à une session d’enregistrement à l’aide de l’outil de commentaire de marqueur d’événement de WinDAQ.
    1. Téléchargez et installez le logiciel gratuit d’enregistrement et de lecture de données WinDAQ.
    2. Créez un nouveau dossier intitulé Flight_scripts sur le bureau. Créez cinq nouveaux dossiers avec les noms exacts suivants dans le dossier Flight_scripts : data, files2split, recordings, split_fileset standardized_files. Téléchargez la feuille de données.xlsx (Fichier supplémentaire 1) et faites glisser le fichier dans le dossier de données du répertoire Flight_scripts.
    3. Utilisez la feuille de données.xlsx comme modèle d’enregistrement manuel des données. Un minimum de quatre colonnes est nécessaire : le numéro d’identification du bogue, si le bogue est mort avant d’être testé, le numéro de l’ensemble d’enregistrement et la chambre composée de la lettre de canal et du numéro de canal (par exemple, « A-1 », « B-4 »). Reportez-vous à la Figure 2A pour connaître une configuration possible de la chambre.
    4. Ouvrez le tableau de bord WinDAQ, sélectionnez la ou les centrales de mesure dans la liste des cases à cocher et appuyez sur 'Démarrer le logiciel Windaq'. Une nouvelle fenêtre s’ouvrira pour chaque enregistreur de données sélectionné et le signal d’entrée de chaque capteur sera affiché.
    5. Définissez une fréquence d’échantillonnage en cliquant sur Modifier > Fréquence d’échantillonnage. Tapez une fréquence d’échantillonnage de 100 échantillons/seconde dans la zone Fréquence d’échantillonnage/canal et appuyezsur OK .
      REMARQUE: Ce protocole suggère 100 S / s car les creux, qui sont des chutes de tension résultant de l’interruption du faisceau du capteur IR par le drapeau, atteindront toujours une chute de tension minimale de 0,36 V pour des vitesses de 1,7 m / s. À son tour, le bruit, qui a une chute de tension maximale de 0,10 V, peut toujours être filtré lors des normalisations sans filtrer les creux réels. De plus, une fréquence d’échantillonnage de 100 S/s permet à l’utilisateur de voir facilement les creux sur la forme d’onde à l’écran pendant et après l’enregistrement. Si des erreurs se produisent pendant l’enregistrement, l’utilisateur peut rapidement discerner les creux des erreurs ou du bruit. Voir la figure supplémentaire 2 pour les comparaisons entre plusieurs basses fréquences d’échantillonnage.
    6. Pour démarrer une nouvelle session d’enregistrement, appuyez sur Fichier > Enregistrer. Sélectionnez l’emplacement du fichier d’enregistrement dans la première fenêtre contextuelle. Écrivez le nom du fichier avec soin. Les fichiers doivent avoir au moins les éléments suivants dans leur nom: le numéro de l’ensemble d’enregistrement et la lettre de canal. Voici un exemple de nom de fichier modélisé dans les scripts Python : T1_set006-2-24-2020-B.txt. Reportez-vous aux lignes 78 à 87 de split_files.py du dossier Flight_scripts pour obtenir plus de détails. Ensuite, appuyez sur OK.
    7. Dans la fenêtre contextuelle suivante, entrez la durée prévue de l’enregistrement de vol. Appuyez sur OK lorsque les insectes sont en mesure de commencer le vol. Une fois le temps d’enregistrement écoulé, appuyez sur Ctrl-S pour finaliser le fichier. N’appuyez pas sur Ctrl-S, sauf s’il est nécessaire de mettre fin à l’enregistrement plus tôt.
      REMARQUE: Si le fichier se termine trop tôt en tapant Ctrl + S ou si la durée susmentionnée était trop courte, ajoutez un nouvel enregistrement à un fichier existant en cliquant sur Fichier > Enregistrer. Sélectionnez le fichier à ajouter et cliquez sur Oui dans la fenêtre contextuelle suivante.
    8. Lorsque vous retirez les insectes testés pendant l’enregistrement, insérez un marqueur d’événement commenté de l’insecte entrant dans sa chambre sélectionnée. Enregistrez toujours manuellement l’ID, la chambre et l’ensemble d’enregistrement de l’insecte entrant dans la fiche technique.xlsx avant d’échanger les insectes.
    9. Pour faire un commentaire de marqueur d’événement, cliquez sur le numéro de la chaîne. Cliquez ensuite sur Modifier > Insérer une marque commentée. Définissez le commentaire avec le numéro d’identification du nouvel insecte entrant dans la chambre. Appuyez sur OK et chargez l’insecte dans la chambre.
  3. Visualisez les commentaires des marqueurs d’événement et convertissez le fichier de WDH en TXT.
    1. Ouvrez un fichier WDH. Visualisez les commentaires des marqueurs d’événements en accédant à Modifier > Compression... , puis cliquez sur le bouton Maximum pour compresser complètement la forme d’onde dans une fenêtre(Figure 6A).
    2. Vérifiez s’il y a des anomalies dans l’enregistrement.
      REMARQUE : Les types d’anomalies ou d’échecs dans l’enregistrement sont affichés à la figure 6. Ceux-ci sont diagnostiqués plus tard et corrigés dans les scripts Python.
    3. Enregistrez le fichier dans un format .txt en accédant à Fichier > Enregistrer sous. Sélectionnez le dossier des enregistrements dans le répertoire Flight_scripts comme emplacement pour enregistrer le fichier. Sélectionnez le type de fichier comme Impression de feuille de calcul (CSV) dans la fenêtre contextuelle et écrivez le nom du fichier avec .txt à la fin. Cliquez sur Enregistrer. Dans la fenêtre contextuelle suivante, sélectionnez Fréquence d’échantillonnage, Heure relativeet Date et heure. Tapez 1 entre le numéro de canal et les marqueurs d’événement. Désélectionnez toutes les autres options et cliquez sur OK pour enregistrer le fichier.

3. Analyser les données de vol

  1. Fractionnez les fichiers par commentaires de marqueur d’événement.
    1. Installez la dernière version de Python. Tous les scripts de ce protocole ont été développés sur Python version 3.8.0.
    2. Téléchargez les scripts Python suivants : split_files.py, standardize_troughs.pyet flight_analysis.py ( Fichiers decodage supplémentaires). Déplacez les scripts dans le dossier Flight_scripts.
    3. Assurez-vous que Python est à jour et installez les bibliothèques suivantes : csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math et matplotlib. Pour observer les principales fonctions et structures de données des scripts, voir le schéma de la figure supplémentaire 3.
    4. Ouvrez la feuille de données.xlsx fichier et enregistrez-le au format CSV en changeant le format de fichier en CSV UTF-8 (délimité par des virgules) si vous exécutez Windows ou Macintosh Séparé par des virgules si vous exécutez Mac.
    5. Ouvrez l’icône split_files.py avec l’éditeur de texte de votre choix. S’il n’y a pas de préférence, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’icône du script et sélectionnez Ouvrir avec IDLE.
    6. Recodez les lignes 133-135 et 232-233 si l’utilisateur a écrit un nom de fichier différent du modèle suggéré (« T1_set006-2-24-2020-B.txt »). Pour recoder le script afin qu’il prenne en charge différents noms de fichiers à l’aide de la fonction split(), reportez-vous aux lignes 116 à 131.
    7. À la ligne 266, tapez le chemin d’accès au dossier Flight_scripts et exécutez le script. Après une exécution réussie, le script génère des fichiers .txt intermédiaires d’ID d’insectes mappés dans le dossier files2split et des fichiers .txt pour chaque insecte testé dans chaque jeu d’enregistrement du dossier split_files, dans le répertoire Flight_scripts.
      REMARQUE : En outre, dans le shell Python, les utilisateurs doivent voir les instructions d’impression du nom de fichier, les insectes qui sont échangés à un marqueur d’événement numéroté et les fichiers qui sont divisés et générés en nouveaux fichiers par ID d’insecte.
  2. Standardisez et sélectionnez les creux dans le signal enregistré.
    1. Ouvrez l’icône standardize_troughs.py avec l’éditeur de texte de votre choix. S’il n’y a pas de préférence, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’icône du script et sélectionnez Ouvrir avec IDLE.
    2. À la ligne 158, tapez la fréquence d’échantillonnage.
    3. À la ligne 159, tapez le chemin d’accès au dossier Flight_scripts et exécutez le script. Si le script s’exécute correctement, il génère des fichiers dans le dossier standardized_files du répertoire Flight_scripts.
      REMARQUE: Tous les fichiers doivent commencer par 'standardized_' et se terminer par le nom de fichier d’origine.
    4. Vérifiez la qualité des enregistrements : Ouvrez les trough_diagnostic.png générées par le standardize_troughs.py situé dans le dossier Flight_scripts. Assurez-vous que tous les enregistrements sont robustes aux changements dans la valeur de tension minimale et maximale de l’intervalle de normalisation moyen.
      REMARQUE: Les enregistrements peuvent avoir beaucoup de bruit ou avoir des creux trop sensibles s’ils présentent une forte diminution du nombre de creux identifiés lorsque les valeurs d’écart minimum et maximum sont augmentées. Des diagnostics supplémentaires pour le facteur de normalisation min-max peuvent également être codés, effectués et tracés. Une autre méthode de vérification de la qualité de l’enregistrement est décrite aux étapes 2.3.1. et 2.3.2. de l’article 13 sur les méthodes d’Attisano et al.2015.
    5. Évaluez les diagnostics, décommentez la ligne 198 et spécifiez les valeurs d’écart minimale et maximale, qui définissent les valeurs minimales et maximales autour de la tension moyenne utilisée pour effectuer la normalisation pour tous les fichiers. La valeur par défaut est de 0,1 V pour chaque valeur d’écart.
      REMARQUE: À la ligne 53, l’utilisateur peut également spécifier le seuil du facteur de normalisation min-max afin d’identifier une tension bien inférieure à la valeur seuil.
    6. Mettez en commentaire la ligne 189 après avoir entré les valeurs d’écart, puis exécutez le script. Le script exécutera les normalisations efficacement pour tous les fichiers (près de 25 fois plus rapidement).
  3. Analysez la piste de vol à l’aide du fichier standardisé.
    1. Ouvrez l’icône flight_analysis.py avec l’éditeur de texte de votre choix. S’il n’y a pas de préférence, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’icône du script et sélectionnez Ouvrir avec IDLE.
    2. Dans les lignes 76 à 78, modifiez la correction de vitesse facultative qui supprime les rotations supplémentaires du bras du moulin après qu’un insecte cesse de voler. Déterminez cette valeur seuil avec prudence lorsque vous travaillez avec des insectes volant lentement.
    3. À la ligne 121, modifiez les seuils de vitesse pour corriger les lectures de fausse vitesse, telles que les vitesses extrêmement rapides ou les vitesses négatives. À la ligne 130, modifiez la valeur de l’intervalle de temps pour filtrer les longs intervalles qui se produisent entre deux combats de vol ininterrompus consécutifs.
    4. À la ligne 350, tapez le chemin d’accès au dossier dans lequel les fichiers normalisés *.txt sont enregistrés.
    5. À la ligne 353, entrez la longueur du rayon du bras utilisée pendant les essais, qui définit la trajectoire de vol circulaire parcourue par tour par l’insecte.
    6. Identifiez les unités SI de distance et de temps sous forme de chaînes dans les lignes 357 et 358, respectivement.
    7. Dans les lignes 388 à 397, utilisez la fonction split() pour extraire, au minimum, le numéro d’identification de l’insecte ainsi que le numéro défini et la chambre dans laquelle l’insecte a volé à partir du nom du fichier. Le script suit l’exemple complet de nom de fichier 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Si nécessaire, simplifiez ce nom de fichier comme suggéré à l’étape 2.2.6., et commentez ou supprimez des variables telles que le type d’essai sur les lignes 392 et 401, si elles ne sont pas utilisées.
    8. Spécifiez tous les paramètres utilisateur, enregistrez et exécutez le script. Si l’exécution du script réussit, il imprime le numéro d’identification correspondant de l’insecte, la chambre et les statistiques de vol calculées dans le shell Python. En outre, il génère un fichier flight_stats_summary.csv comprenant les informations imprimées dans le shell Python et enregistre le fichier .csv dans le dossier de données du répertoire Flight_scripts.

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Résultats

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les données de vol ont été obtenues expérimentalement au cours de l’hiver 2020 en utilisant J. haematoloma collecté sur le terrain en Floride comme insectes modèles (Bernat, A. V. et Cenzer, M. L., 2020, données non publiées). Des essais en vol représentatifs ont été menés au Département d’écologie et d’évolution de l’Université de Chicago, comme le montrent ci-dessous la Figure 6, la Figure 7, la Figure 8et

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le moulin de vol simple et moderne offre une gamme d’avantages pour les chercheurs intéressés à étudier le vol des insectes attachés en fournissant une conception fiable et automatisée qui teste plusieurs insectes de manière efficace et rentable13,31,35. De même, les chercheurs sont fortement incités à adopter des technologies et des techniques émergentes de l’industrie et d’autres domaines scientifiques comme moyen de construir...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L’auteur n’a rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Je tiens à remercier Meredith Cenzer d’avoir acheté tous les matériaux de l’usine de vol et d’avoir fourni des commentaires continus de la construction à la rédaction du projet. Je remercie également Ana Silberg pour sa contribution à standardize_troughs.py. Enfin, je remercie le Media Arts, Data, and Design Center (MADD) de l’Université de Chicago pour l’autorisation d’utiliser gratuitement son équipement, sa technologie et ses fournitures de makerspace commun.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
180  ; et Oméga ; RésistanceE-Projects10EP514180RFilm carbone ; plomb rigide de calibre 24.
Tube en acier hypodermique non magnétique de calibre 19MicroGroup304H19RW  ;
2,2 k&Omega ; RésistanceAdafruit2782Film carbone ; plomb rigide de calibre 24.
Imprimante 3DFlashForge700355100638
Filament d’imprimante 3DFlashForge700355100638Diamètre 1,75 mm ; 1kg/rouleau.
Impression 3D Logiciel de découpageFlashPrint4.4.0
Feuilles de plastique acryliqueBlick Art Supplies28945-1006
Cible de feuille d’aluminium253-01-0860
Alimentation de la planche d’expérimentationHandsOn TechMDU1025Peut prendre une entrée de 6,5 V à 12 V et peut produire 3,3 V et 5 V.
Enregistreur de données USB DI-1100DATAQ Instruments LeDI-1100dispose de 4 entrées analogiques différentielles blindées.
Fils électriquesStrivedayB077HWS5XVfil solide de calibre 24.
Broches entomologiquesBioQuip1208S2Taille 2 ; diamètre 0,45 mm.
Filtré 20 uL Pipette Tip FisherScientific21-402-550
Pistolet à colle chaude avec colle chaudeJoann Fabrics17366956
Capteur IRAdafruit2167C’est le  ; 3 mm IR  ; Version; Fonctionne jusqu’à 25 cm.
Grand tube en vinyle transparentHome DepotT10007008Diamètre intérieur 3/8 po ; diamètre extérieur 1/2 po ; longueur 20 pi.
Néodyme N42 à faible frottement ; diamètre 0,394 po ; longueur 0,157 po ; force de maintien 4,9 lb
Découpeuse laser  ;Systèmes laser universels  ;PLS6.75
M5 Écrou hexagonalHome Depot204274112Pas de filetage 0,8 mm ; longueur de vis 20 mm ; diamètre 5 mm.
Vis longues en ferM5 Home Depot204283784tête cylindrique Philips ; pas de filetage 0,8 mm ; longueur de vis 20 mm ; diamètre 5 mm.
Vis à fer courtM5 Home Depot203540129tête cylindrique Philips ; pas de filetage 0,8 mm ; longueur de vis 10 mm ; diamètre 5 mm.
Feuille de caoutchouc néoprèneGrainger60DC16Longueur 12 po ; largeur 12 po ; profondeur 1/8 po.
Logiciel de modélisation 3D en ligneAutodesk2019_10_14Tinkercad.com offre un compte gratuit.
Adaptateur secteurAdafruit639 VDC 1000mA commutation régulée ; tension d’entrée DC 3.3V 5V.
Petit tube en vinyle transparentHome DepotT10007005Diamètre intérieur 1/4 po ; diamètre extérieur 3/8 po ; 20 pieds de long.
NéodymeN42 à faible frottement N42P120060 diamètre 0,120 po ; longueur 0,060 po ; force de maintien 0,5 lb.
Planche d’essai MB-102 sans soudure  ;Adafruit239830 points d’ancrage ; longueur 17 cm ; largeur 5,5 cm ; tension d’entrée, DC 3,3 V 5 V.
Finitions sophistiquées fer métallisé surfacerBlick Art Supplies27105-2584
Coupe-filCible  ; Référence 84-031W

Références

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