Ce protocole présente les méthodes de création, d’attache et de suivi des balises radar harmoniques pour les insectes.
Article de méthode
Balises radar harmoniques pour le suivi des insectes : légères, peu coûteuses et accessibles
Dans cet article
Résumé
Résumé
L’utilisation de dispositifs de suivi pour suivre les mouvements des animaux est depuis longtemps une approche standard pour étudier le comportement et l’écologie des vertébrés. Jusqu’à récemment, ces méthodes de suivi n’étaient pas disponibles pour les entomologistes en raison de la taille et de la masse prohibitives des dispositifs de suivi qui doivent être attachés. Les technologies appliquées au suivi des insectes comprennent la radiotélémétrie, Bluetooth, RFID et le radar harmonique. Parmi celles-ci, la radiotélémétrie est la méthode la plus utilisée pour suivre les insectes plus gros. Il offre une portée de détection plus longue et des signaux uniques pour chaque insecte suivi, mais nécessite des étiquettes coûteuses qui ont une durée de conservation et une durée de vie limitées sur le terrain et sont lourdes, généralement d’au moins 150 milligrammes. En revanche, les balises radar harmoniques, utilisées pour la première fois en 1986, sont plus légères d’au moins un ordre de grandeur, peu coûteuses et ont des portées de détection qui permettent de suivre sur le terrain de nombreux insectes plus petits. Ici, nous démontrons l’utilisation d’un émetteur-récepteur standard commercialisé pour le sauvetage dans l’arrière-pays. Ensemble, des étiquettes peu coûteuses et des émetteurs-récepteurs prêts à l’emploi rendent cette technique de suivi des insectes très accessible aux entomologistes qui étudient le comportement et l’écologie des insectes. Dans cet article, nous aborderons la création d’étiquettes, l’attache d’étiquettes aux insectes, le suivi de ces insectes étiquetés et présenterons quelques résultats de suivi représentatifs.
Introduction
L’utilisation de dispositifs de suivi pour étudier les mouvements des vertébrés a longtemps été une approche standard pour collecter des données relatives au comportement et à l’écologie d’animaux plus grands tels que les mammifères, les oiseaux et les poissons, le suivi utilisant principalement la radiotélémétrie et le suivi GPS1. Cependant, jusqu’à relativement récemment, ces méthodes de suivi n’étaient pas disponibles pour les entomologistes en raison de la taille et de la masse prohibitives des dispositifs de suivi qui doivent être attachés2. Les technologies appliquées au suivi des insectes comprennent la radiotélémétrie, Bluetooth, RFID et le radar harmonique2,3. Parmi celles-ci, la radiotélémétrie est de loin la méthode la plus utilisée pour suivre les insectes plus grands2. Il offre une portée de détection plus longue et des signaux uniques pour chaque insecte suivi. Cette méthode, cependant, nécessite des étiquettes coûteuses qui ont une durée de conservation et une durée de conservation limitée au champ et qui sont lourdes, généralement d’au moins 150 mg. Bluetooth est la technique la moins développée actuellement, avec des balises plus petites que la radiotélémétrie mais une portée plus courte également3. Les étiquettes RFID peuvent être de très petite taille et sont assez peu coûteuses, mais ont la portée la plus courte (souvent seulement quelques mm)4. Le marquage des insectes avec des étiquettes RFID a été le plus souvent utilisé pour étudier les ouvrières entrant et sortant de la ruche5. En revanche, les balises radar harmoniques sont plus légères d’au moins un ordre de grandeur que les balises de radiotélémétrie, peu coûteuses et ont des portées de détection qui permettent le suivi sur le terrain d’insectes beaucoup plus petits6 (Figure 1).
Le radar harmonique utilise un émetteur-récepteur qui émet un signal qui alimente l’étiquette portée par l’insecte et reçoit le signal de retour à fréquence doublée envoyé par l’étiquette7,8,9 (Figure 2). Bien qu’un certain nombre d’études aient décrit l’utilisation de balises radar harmoniques avec des insectes de taille moyenne6,10,11,12,13, il n’y a pas de démonstration appropriée de la façon de fabriquer une balise. Dans cet article, nous fournissons des instructions étape par étape sur la fabrication de deux tailles différentes de balises radar harmoniques, chacune construite à partir d’une diode Schottky et d’un fil de nitinol. Les balises plus petites sont plus légères et fonctionnent mieux pour les petits insectes6, tandis que les balises plus grandes ont une plus grande portée et peuvent être accueillies par des insectes plus grands11. Le fil de nitinol est un élément essentiel de la conception, car il est flexible, ce qui permet à l’insecte marqué de se déplacer relativement librement. Il revient également rapidement à une orientation droite, permettant un retour maximal du signal6,10,11. Nous démontrons également l'utilisation d'un émetteur-récepteur standard (voir la section « Obtention de signaux » ci-dessous) commercialisé pour le sauvetage dans l'arrière-pays7,9,14. Ensemble, des étiquettes peu coûteuses et des émetteurs-récepteurs prêts à l’emploi rendent cette technique de suivi des insectes très accessible aux entomologistes qui étudient le comportement et l’écologie des insectes. Dans cet article, nous abordons la fabrication d’étiquettes, l’attache d’étiquettes aux insectes, le suivi de ces insectes étiquetés et fournissons quelques résultats de suivi représentatifs.
Protocole
1. Préparation
- Assemblez tous les matériaux nécessaires à la fabrication des étiquettes : fil de nitinol (0,0254 mm pour les petites étiquettes, 0,0762 mm pour les grandes étiquettes), diodes Schottky (une par étiquette), adhésifs conducteurs (de l’époxy conducteur d’argent est suggéré pour une résistance maximale, de la peinture argentée pour les étiquettes plus légères) et des gabarits imprimés en 3D à utiliser pour la coupe de fil et l’assemblage des étiquettes (voir le tableau des matériaux).
- Assurez-vous de la disponibilité de deux fils en nitinol de tailles différentes, 25 μm et 75 μm, à utiliser respectivement pour les petites et grandes étiquettes.
2. Grande balise
REMARQUE : Cette section présente l’assemblage de grandes balises. Il est important d’avoir deux fils de la bonne longueur d’antenne (8,25 cm pour correspondre à la fréquence de l’émetteur-récepteur) pour les grandes balises.
- À l’aide du gabarit de mesure, coupez les fils de manière reproductible à la longueur souhaitée (8,25 cm) à l’aide d’une paire de ciseaux.
- Tout d’abord, utilisez le ruban adhésif simple face pour fixer le fil au gabarit.
- Enroulez le fil autour du gabarit (20-30 fois max), en maintenant une légère tension.
- Coupez les fils dans le canal à l’aide de ciseaux. La taille du fil obtenu est de 8,25 cm.
- Retirez ensuite délicatement les fils du cylindre.
REMARQUE : Deux fils sont nécessaires pour chaque étiquette.
- Préparez la diode pour la fixation du fil.
- Fixez l’emballage de la diode au microscope à l’aide de ruban adhésif. Tirez le couvercle vers l’arrière à l’aide d’une pince et retirez les diodes avec du ruban adhésif double face.
- Placez du ruban adhésif double face sur l’emballage pour retirer facilement les diodes.
REMARQUE : À ce stade, toutes les diodes sont dans la bonne orientation, avec les contacts vers le haut pour faciliter la liaison de l’antenne.
- Fixez le ruban au gabarit avec les diodes vers le haut. Placez du papier cartonné parallèlement aux diodes de chaque côté et lissez les bords pour éviter que l’antenne ne colle au ruban.
- Alignez les fils à côté des diodes en préparation de la fixation et, sous un microscope, positionnez les fils de manière à ce qu’ils touchent chacun un seul contact électrique.
REMARQUE : Les fils ne doivent pas toucher les deux contacts électriques. - Appliquez un matériau conducteur sur chaque contact à l’aide d’une épingle à insectes. Assurez-vous de couvrir à la fois le point de contact et le fil.
- Veillez à ne pas étaler le matériau conducteur entre chaque contact. Si le matériau conducteur se mélange ou touche l’autre fil ou le contact, cela réduira considérablement la force du signal de l’étiquette.
- Réappliquez un matériau conducteur au besoin pour fixer chaque fil et assurer la conductivité électrique.
- Laissez les étiquettes ne pas être dérangées pendant plusieurs heures pour laisser le matériau conducteur durcir.
3. Petite balise
REMARQUE : Cette section présente l’assemblage de petites balises.
- Coupez les fils à une longueur de 4,1 cm.
- Fixez le fil au gabarit avec le ruban adhésif unilatéral, en faisant attention de ne pas trop tendre le fil.
- Enroulez le fil autour du gabarit et coupez-le le long de la rainure avec des ciseaux.
REMARQUE : Chaque étiquette nécessite deux segments du fil préparé ci-dessus. - Préparez les diodes pour la fixation. Placez du ruban adhésif double face sur le gabarit et transférez les diodes sur le ruban à l’aide d’une pince, en maintenant un espace approprié entre elles.
- Sous un microscope, assurez-vous que les contacts sont orientés vers le haut, ce qui facilite l’alignement du fil et de la diode. Réalignez-les au besoin et assurez-vous qu’ils sont enfoncés dans le ruban pour éviter tout mouvement pendant le processus d’assemblage.
- Placez du ruban adhésif simple face le long des diodes pour élever le fil au niveau de contact et l’empêcher de coller au ruban sous-jacent. Lissez le ruban et placez les fils à proximité de la diode.
- Sous le microscope, placez le fil sur chaque point de contact avec soin pour éviter le chevauchement des fils.
- Appliquez le matériau conducteur sur le contact et le fil et assurez-vous que le matériau conducteur ne s’écoule pas ensemble et n’inonde pas le plan de la diode.
- Laissez les étiquettes reposer sans être dérangées pendant plusieurs heures pour laisser le matériau conducteur durcir.
4. Grande étiquette de fixation - Longicorne du Queensland (QLB)
- Portez un EPI approprié pour vous protéger de l’exposition aux UV (des lunettes de protection sont recommandées).
- Fixez le coléoptère pour faciliter l’accès au site de fixation. Tenez doucement le coléoptère, en appliquant une légère pression sur la surface de la table.
- Appliquez une goutte d’adhésif UV sur le site de fixation.
- Orientez l’étiquette et placez la diode avec les contacts électriques vers le bas sur le thorax.
- Une fois satisfait de la position de l’étiquette, durcissez la colle à l’aide de la lumière UV sous différents angles pour un total de 5 à 10 s. Cet adhésif UV a déjà été utilisé pour fixer des étiquettes à des insectes plus gros sans effets négatifs apparents de l’exposition aux UV11.
5. Petites étiquettes attachées - mouches des fruits téphritidés
- Portez un EPI approprié pour vous protéger de l’exposition aux UV (des lunettes de protection sont recommandées).
- Anesthésie les mouches à 4 °C. En règle générale, les mouches cessent de bouger après 10 à 15 minutes.
- Déposez une goutte de colle et plongez la diode de l’étiquette dans l’adhésif UV. Assurez-vous de rouler la diode dans la colle pour assurer une couverture complète. Prenez soin d’éviter qu’un excès d’adhésif ne recouvre le fil.
- Fixez l’insecte entre le pouce et l’index pour présenter le site d’attache.
- Orientez l’étiquette et placez-la longitudinalement sur la face dorsale du thorax de la mouche. Déplacez l’étiquette d’avant en arrière pour étaler l’adhésif et assurer une connexion sûre. Veillez à ne pas appliquer de colle sur la tête ou les ailes.
- Lorsque vous êtes satisfait de l’emplacement de l’étiquette, durcissez l’adhésif à l’aide d’une lumière UV. Plusieurs études ont utilisé cet adhésif UV pour fixer des étiquettes aux mouches sans effets négatifs apparents de l’exposition aux UV6,10,12,13.
6. Obtention des signaux
- Testez la capacité de vol des insectes après la fixation de l’étiquette. Pour ce faire, effectuez un test dans un tube de vol.
- Laissez ensuite les mouches s’envoler dans leur habitat.
- Utilisez un émetteur-récepteur (voir le tableau des matériaux) pour obtenir des signaux de grands et de petits insectes.
REMARQUE : Lorsqu’il est aligné avec une balise, l’émetteur-récepteur produit un son. Lorsque l’émetteur-récepteur est tourné de 90 degrés, un signal faible ou nul est obtenu en raison du désalignement de l’étiquette et de l’émetteur-récepteur.
Résultats
La portée de détection et la taille de la balise sont probablement les deux caractéristiques les plus importantes des balises de suivi des insectes. Nous présentons ici des résultats représentatifs de la portée maximale de détection des balises grandes et petites fabriquées dans cet article. Les portées maximales de détection ont été déterminées en fixant longitudinalement les balises sur une tige en bois épaisse (~1,5 m) à l’aide de ruban adhésif double face. La distance maximale à laquelle les signaux des balises pouvaient être détectés a ensuite été établie en éloignant progressivement le transceiver de la balise jusqu’à ce qu’aucun signal ne soit audible. Dix balises de chaque taille ont été testées en champ ouvert. La distance maximale de détection des balises plus grandes est d’environ quatre fois supérieure à celle des balises plus petites (Tableau 1). Un mauvais alignement entre la balise et le transceiver, ainsi que les interférences dues à la végétation, réduisent fréquemment la portée de détection en conditions réelles. Selon notre expérience, nous considérons une distance de détection d’environ 10 m pour les balises grandes et d’environ 5 m pour les balises petites lors des travaux en cultures arborées.
Enfin, nous aimerions partager les résultats d'une étude représentative de suivi menée sur le longicorne du Queensland (QLB). L'objectif de cette étude était d'explorer l'écologie du déplacement du QLB, car on sait peu de choses sur les endroits où les adultes passent leur temps dans l'environnement. Étant donné que les coléoptères sont cryptiques, il est très difficile de les localiser dans leur milieu sans une technique de suivi telle que la HR. Cette étude a été réalisée dans un peuplement d'arbres kukui (Aleurites moluccana) sur la grande île d'Hawaï. Plusieurs coléoptères ont été marqués et relâchés au cours de cette étude. Les coléoptères ont ensuite été localisés à l'aide des techniques de suivi décrites précédemment dans cet article. Un exemple du trajet effectué par un coléoptère sur une période de 10 jours est visible dans la Figure 4. Remarquez que le coléoptère a été suivi à plusieurs endroits, notamment en haut des arbres kukui et sur des feuilles mortes. Il s'agit d'une découverte importante de cette étude. Comme le QLB peut être très discret, les agriculteurs demandent souvent où les coléoptères « se cachent » autour des arbres. En suivant individuellement des QLB, nous avons pu déterminer qu'ils se dissimulent souvent dans des feuilles sèches, ce qui les rend difficiles à détecter. Cette étude fournit de nouvelles informations essentielles sur les endroits où les adultes de QLB passent leur temps pendant la journée ainsi que sur leurs déplacements nocturnes.
Figure 1 : Comparaison des dispositifs couramment utilisés pour suivre les insectes. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Le radar harmonique fonctionne en émettant un signal à une fréquence donnée (bleu), puis en captant le signal retourné (de fréquence doublée) (rouge). Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : L'intensité du signal dépend de l'orientation du tag et du transceiver. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Résultats représentatifs du suivi d'un seul scarabée longicorne du Queensland sur des arbres kukui. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.
| Grandes balises | Petites balises |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tableau 1 : Distances maximales de détection (moyenne ± erreur standard, m) pour les balises harmoniques radar appliquées aux insectes (N = 10).
Discussion
Dans ce protocole, nous décrivons et démontrons comment fabriquer deux tailles de balises radar harmoniques. De plus, nous avons montré comment attacher ces étiquettes aux insectes à l’aide d’adhésifs durcis aux UV et démontré la force du signal de l’émetteur-récepteur. Ce protocole a été affiné pour permettre la fabrication simplifiée de nombreuses étiquettes HR à faible coût avec un minimum d’équipement de laboratoire spécialisé. De plus, le protocole devrait être accessible aux chercheurs ayant de l’expérience dans la manipulation d’objets sous un microscope à dissection. Nous recommandons aux personnes qui tentent de fabriquer des étiquettes de commencer par des étiquettes plus grandes afin de développer des compétences dans la manipulation des diodes et l’application des adhésifs conducteurs. Ces compétences peuvent être difficiles au début, mais nous avons constaté par expérience (en enseignant à plus de 20 personnes) que la courbe d’apprentissage permet aux gens de progresser relativement rapidement vers la fabrication de balises plus petites avec rapidité et reproductibilité.
Bien que la fabrication de deux tailles d’étiquettes ait été montrée, nous avons également fabriqué des étiquettes avec une diode6 de taille intermédiaire, en utilisant à la fois le fil de nitinol de plus petit et de plus grand diamètre. Différentes applications, telles que la taille de l’insecte et la portée de détection requise, influencent le choix des tailles de diodes et de fils.
La conception des balises utilisées dans ce protocole est plus simple que celle des autres utilisées pour suivre les insectes 15,16,17,18. Une conception couramment utilisée consiste à avoir une boucle dans l’antenne, créant ainsi un court-circuit CC aux bornes des diodes18 et 19. Les balises avec des boucles dans leurs antennes sont généralement montées verticalement sur le thorax plutôt que longitudinalement, comme le montre ce protocole. L’orientation verticale permet potentiellement un meilleur alignement de l’étiquette et de l’émetteur-récepteur pendant que l’insecte est en vol (car les insectes ne volent généralement pas à l’envers ou avec leurs pattes sur le côté). Cependant, l'orientation verticale de l'étiquette éloigne le centre de la masse de l'étiquette du centre de masse de l'insecte, ce qui pourrait avoir une plus grande influence sur l'équilibre et la capacité de vol.
Déclarations de divulgation
Nous n’avons aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Remerciements
Nous tenons à remercier Kate Fairbanks et James Snyder (Département de l’Agriculture et des Services aux consommateurs de la Floride), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Eastern Mennonite University) et Stefano De Faveri (Département de l’Agriculture et de la Pêche du Queensland) pour la révision de ce protocole.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Grand gabarit d’assemblage | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Grand gabarit | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Fil de nitinol (petit) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| Détecteur portatif RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· ; &point moyen ; , Suède) | Fréquences d’exploitation : Europe, 866,9 MHz (émission),1733,8 MHz (réception) ; États-Unis, 902,85 MHz (émission), 1805,7 MHz (réception) | |
| Diode Schottky RF (petite) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, États-Unis) | MA4E2501L-1290 | Achetée via Richardson RFPD |
| Schottky Diode (grande) | RECCO AB (Lidingo· ; &point moyen ; , Suède) | ||
| Adhésif époxy conducteur d’argent | MG Chemicals | 12642-14 ; (Amazone : 8331D) | Acheté via Amazon |
| Petit gabarit | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Petit gabarit | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Fil de nitinol super-élastique (grand) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, États-Unis) | 8320K31 | 0,003" de diamètre x 30 pieds de long |
| Ted Pella Inc Époxy conducteur d’argent | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, États-Unis) | ||
| Adhésif UV | Bondic (Niagara Falls, NY, USA) | Acheté via Amazon et/ou Bondic en ligne (notaglue.com) |
Références
- Lennox, R. J., Blouin-Demers, G., Rous, A. M., Cooke, S. J. Tracking invasive animals with electronic tags to assess risks and develop management strategies. Biol Invas. 18, 1219-1233 (2016).
- Batsleer, F., et al. The neglected impact of tracking devices on terrestrial arthropods. Methods Ecol Evol. 11 (3), 350-361 (2020).
- Ultra-miniature bluetooth tag with antenna on package for red palm weevil tracking. Bilal, R. M., Reyes, Z. L., Shamim, A. 2021 1st International Conference on Microwave, Antennas & Circuits (ICMAC), , 1-3 (2021).
- Daniel Kissling, W., Pattemore, D. E., Hagen, M. Challenges and prospects in the telemetry of insects. Biol Rev. 89 (3), 511-530 (2014).
- Nunes-Silva, P., et al. Applications of RFID technology on the study of bees. Insect Soc. 66, 15-24 (2019).
- Miller, N. D., Yoder, T. J., Manoukis, N. C., Carvalho, L. A., Siderhurst, M. S. Harmonic radar tracking of individual melon flies, Zeugodacus cucurbitae, in Hawaii: Determining movement parameters in cage and field settings. PLoS One. 17 (11), e0276987(2022).
- Lövei, G. L., Stringer, I. A., Devine, C. D., Cartellieri, M. Harmonic radar - A method using inexpensive tags to study invertebrate movement on land. NZ J Ecol. , 187-193 (1997).
- Riley, J. R. Adaption of harmonic radar for tracking tsetse flies. , Natural Resources Research Institute. (1995).
- O'Neal, M. E., Landis, D., Rothwell, E., Kempel, L., Reinhard, D. Tracking insects with harmonic radar: A case study. Am. Entomol. 50 (4), 212-218 (2004).
- Hurst, A. L., et al. Tracking and modeling the movement of Queensland fruit flies, Bactrocera tryoni, using harmonic radar in papaya fields. Sci Rep. 14 (1), 17521(2024).
- Siderhurst, M. S., Murman, K. M., Kaye, K. T., Wallace, M. S., Cooperband, M. F. Radio telemetry and harmonic radar tracking of the spotted lanternfly, Lycorma delicatula (white)(Hemiptera: Fulgoridae). Insects. 15 (1), 17(2023).
- Tomerini, J. M., De Faveri, M. G., De Faveri, S. G., Wright, C., Siderhurst, M. S. Impacts of harmonic radar tagging on the flight ability of male Bactrocera tryoni and Bactrocera jarvisi (Diptera, Tephritidae). Austral Entomol. 64 (1), e12728(2025).
- Welty Peachey, A. M., et al. Wind effects on individual male and female Bactrocera jarvisi (Diptera: Tephritidae) tracked using harmonic radar. Environ Entomol. , nvae108(2024).
- Mascanzoni, D., Wallin, H. The harmonic radar: A new method of tracing insects in the field. Ecol Entomol. 11 (4), 387-390 (1986).
- Boiteau, G., Colpitts, B. The potential of portable harmonic radar technology for the tracking of beneficial insects. IInt J Pest Manag. 50 (3), 233-242 (2004).
- Maggiora, R., Saccani, M., Milanesio, D., Porporato, M. An innovative harmonic radar to track flying insects: The case of Vespa velutina. Sci Rep. 9 (1), 11964(2019).
- Milanesio, D., Saccani, M., Maggiora, R., Laurino, D., Porporato, M. Recent upgrades of the harmonic radar for the tracking of the Asian yellow-legged hornet. Ecol Evol. 7 (13), 4599-4606 (2017).
- Ala, R., Rouse, C. D., Colpitts, B. G. An Extra low-mass harmonic radar transponder for insect tracking applications. IEEE Trans Radar Syst. 1, 146-154 (2023).
- Riley, J., Smith, A. Design considerations for an harmonic radar to investigate the flight of insects at low altitude. Comput Electron Agric. 35 (2-3), 151-169 (2002).
Réimpressions et autorisations
