מערכת אוטונומית ומדויק עבור זיהוי דפוסי התגלות החרקים

דיוק מדידה העיתוי של התגלות החרקים יבשתי בהגדרות ניסיוני הוא קשה לשמצה ואינה דורשת מידה מסוימת של אוטומציה. מספר מנגנונים עוצבו בעבר, שילוב או עיקרון "נופל-בול", בעזרת הכדורים נופלים, חיישנים, או באנג-קופסה באמצעות^2,31,מערכת מסוג משפך. קיימות שתי מגבלות עם עיצובים הקיימים: איסוף נתונים 1) היא אוטומטית באופן חלקי בלבד, ו 2) מדגם בגודל או המספר של חרקים מתהווים שניתן לאתר הוא מוגבל. בעיות אלה להקטין את מידת הדיוק של איסוף נתונים, אשר חשוב ללמוד התזמון של דפוסי וגיחתו ו/או הופעתה. אנחנו פתרנו בעיות אלה על-ידי עיצוב מערכת אוטומטית, לא מוגבל על-ידי גודל המדגם, המאפשר למשתמש משופרת של הופעתה מקצבים בתגובה לאותות סביבתיים.

המערכת שלנו הוא שיפור לעקרון כדור נופל, הגירסה העדכנית ביותר של אשר להשתמש חיישני אינפרא-אדום כדי לזהות התגלות החרקים שש דקות בהפרשים קבועים של². המערכת שלנו עדיין משתמש חיישני אינפרא-אדום, אך משלבת גם על מיקרו-בקר Arduino להקליט את התאריך והשעה של כל אירוע הופעתה השנייה הקרוב. הנתונים מאוחסנים באופן אוטומטי לכרטיס מאובטח דיגיטלי (SD), אשר ניתן לייצא כקובץ המופרד לניתוח. הניתוח היא אוטומטית באמצעות קובץ script מותאם אישית R, אשר גרף את הנתונים כמו מגרש בועה, לזהות את הזמן החציוני ואת יום של הופעתה.

ערוצים מרובים לאפשר למשתמש גמישות רבה יותר ברכישת נתונים. לדוגמה, העיצוב שלנו-ערוץ מרובים ממזער את ההשפעה של חיישן "סתומים", אלא גם יכול לשמש כדי להגדיל את גודל המדגם. יתר על כן, ערוצים מרובים מאפשרים למשתמש לייעד טיפולים ערוצים ספציפיים, כך שהם יכולים לרוץ בו זמנית בניסוי. באמצעות כל שישה ערוצים מאפשר כ 1200 דבורים המתעוררים שיירשמו בניסוי יחיד. לידע שלנו, זה הוא גודל המדגם הגדול ביותר של כל מערכת הנוכחי מדידה התגלות החרקים, אפשרה לנו להתבונן בסדר-גודל הופעתה דפוסי בתגובה לאותות סביבתיים. בסופו של דבר, המערכת שלנו נהנה מן העובדה כי הרוב המכריע של החלקים הם 3D מודפס. זה יוצר בדיוק בגודל הרכיבים, המפחיתה את הסבירות של שגיאות שאירעו (כגון גלאי סתימת) במהלך פעולות. זה גם מאפשר התאמה אישית עבור מערכות מחקר אחרות.

המטרה של פרוטוקול זה היא מותאמת אישית לבנות מערכת מדויקת אוטומטית כדי למדוד את התגלות החרקים, לחקור שאלות בפיזיולוגיה כרונוביולוגיה ומתח. מערכת זו כבר, ימשיך להיות, קריטי בחקירת שאלות שלא נענו הקשורים לדפוסי התגלות החרקים בתגובה לאותות סביבתיים. כאן נתאר את הרכבה ושימוש לגילוי הופעתה של הדבורה חיתוך עלה אספסת, Megachile rotundata בהגדרות ניסיוני במעבדה מבוסס. המערכת היא אוטומטית באמצעות מיקרו לתכנות להתאמה אישית באמצעות חלקים מודפס 3D. ארונות תקשורת מודפסת החזק צינורות המקום המכיל תאים קן הדבורים בעקבות של BB מתכת. על הופעתה, BB מתכת הוא שוחרר מן המדף, עובר דרך חיישן אינפרא אדום להקליט את התאריך והשעה של הופעתה על כרטיס SD. העיצוב הנוכחי ממוטב עבור מ rotundata, אבל עם התאמות קלות יכול להיות מותאם עבור מינים אחרים של חרקים.

1. מערכת הבנייה

1. באמצעות ה-PLA נימה, להדפיס את המספר הבא של חלקים בכל אחד מהערוצים נבנים: אספן 1 יריעה (collector_manifold.stl), 1 קותינ כיפה (end_cap.stl), פלטפורמה 6 תומך (platform_support.stl), צינור 4 ארון תקשורת לוחות הבסיס (base_plate.stl) ו- 4 צינור תקשורת הפנים צלחות (face_plate.stl). ודא מדפסת המיטה הוא גדול מספיק כדי להדפיס פריט לפני ההדפסה. כל הקבצים *.stl זמינות נתונים משלימה.
2. תומך רציף 3, חתיכת פלסטיק גלי 33 x 30 ס מ, להשתמש בדבק חם להרכיב 2 פלטפורמות מתלה צינור לערוץ בשלבי הקמה, כמוצג באיור2. Can be הבקיע פלסטיק גלי בצד אחד בכל פינה כדי לאפשר כיפוף.
3. התקן אלקטרוניקה בתוך יריעה אספן.
   1. הלחמה הנגד Ω 120 אל האנודה (הרגל כבר) של פולט אינפרא-אדום, גלאי אינפרא אדום וגם באורך ~ 5 ס מ של חוט GA 22 cathodes בשני. שימוש בצבעים שונים של חוטים כדי למנוע בלבול בשלבים מאוחר יותר.
   2. להוסיף בזהירות הגלאי לתוך שקע אחד של יריעה של אספן (מודגש בצבע כחול באיור3), פולט לתוך השקע השני (מודגשים באדום). שני הרכיבים והחניכיים אמורות.
   3. להאכיל את החוטים גלאי דרך ערוץ הכבלים (מודגשים בצהוב באיור3) ולמשוך כל 4 חוטים דרך החור גישה (מסומן בירוק). ודא שנוגעות אין חוטים חשופים, באמצעות דבק חם כדי לאבטח אותם במקום.
   4. הלחמה כל 4 חוטים כדי RJ45 ג'ק (Ethernet), שימוש בשורה האחורית של סיכות. אנודות שני צריך להיות מולחמים את הסיכה השמאלי ביותר הקתודה של פולט לתוך הגומה הימני ביותר, הקתודה של הגלאי לאחת הסיכות מרכז (איור 4).
   5. אבטח את שקע RJ45 מעל אספן סעפת גישה לחור (מודגשים בירוק באיור3) עם דבק חם, הבטחת שלא חוטי חשמל חשופים נוגעות בתוך יריעה.
4. לבנות כדור נפילה אספן (1 לערוץ בשלבי בנייה), כפי שמוצג באיור 5
   1. עם אחד אספן קווי יריעה, cap בקצה אחד של מקטע 24 x 30 ס מ פלסטיק גלי, להשתמש בדבק חם כדי לחבר את הבסיס של היחידה (אדום, ירוק, אור אפור ורכיבים של איור 5).
5. השתמש מקטע 8 x 27 ס מ פלסטיק גלי כדי להוסיף רמפה הכדור נופל האספן (רכיב אפור כהה של איור 5). הקצה קאפ אספן סעפת עיצובים לכלול מדפים כדי להבטיח השמה נכונה. בדוק מעבר חלק מן השיפוע האספן להימנע ריבות במהלך השימוש.
6. לבנות את המעבד המרכזי של המערכת (כמפורט באיור 6).
   1. הדפס לוח מותאם אישית מעגל מודפס לבניית מערכת. כל הקבצים הדרושים עבור הדפסת לוח PCB זמינות נתונים משלימה.
   2. הלחמה כותרות הנשי על דרך-החורים תווית עבור המתקנים הבאים: Arduino ננו, temp, שעון, מודול SD וגביש נוזלי (LCD) מסך (ללא תווית 2 x 5 דרך חור אזור בפינה השמאלית העליונה של הלוח PCB).
   3. הצמד ב, הלחמה 6 שקעי RJ45 לאורך הקצה התחתון של הלוח PCB.
   4. הלחמה 470 6 k אוהם הנפתח נגדים לתוך האתרים דרך חור הממוקמת מעל שקעי RJ45.
   5. התקן את Arduino ננו DHT-טמפרטורה, חיישן לחות, שעון, מודול SD על גבי לוח PCB. חיישן DHT-טמפרטורה ולחות צריך להיבדק לפני שימוש בניסויים כדי להבטיח דיוק.
   6. לחבר חוט סרט 10-מחבר מחבר מסך ה LCD של הלוח PCB. הלחמה את הקצה השני של הכבל רצועת הכלים למסך LCD כך הפינים מסך שיתאימו הפינים Arduino כאמור באיור4. עוד פרטים על LCD חיווט זמינים https://Learn.adafruit.com/character-lcds/wiring-a-character-lcd.
7. מערכת תכנות
   1. הורד והתקן את הגירסה העדכנית ביותר של ה-IDE Arduino עבור מערכת ההפעלה הנכונה של www.arduino.cc.
   2. השימוש הראשון, להתקין Arduino ספריות עבור השעון בזמן אמת (github.com/adafruit/RTClib) ו- the חיישן טמפרטורה/לחות (github.com/adafruit/DHT-sensor-library). כוון את השעון השעה המקומית הנוכחי באמצעות script ds1307 הכלולה בספריה.
   3. להעלות את המערכת Arduino תסריט, הזמינים בנתוני משלימה.

2. המערכת לשימוש

1. להרכיב את המערכת כפי שמוצג באיור 7. בכל אחד מהערוצים בשימוש, אספן נופלת-כדור אחד (התאספו בשלב 1.4) צריך להיות ומשני של פלטפורמת תקשורת (התאספו בשלב 5.1). השתמש סרטים להחזיק יחד חתיכות ליצור קצה מעוגל חלק על פלטפורמת תקשורת.
2. להגדיר ערוצים שאינם בשימוש כדי להימנע אותות חיובי כוזב. מאז המערכת מסתמך על אות נמוך כדי לזהות אירוע (גלאי אינפרא-אדום לא מקבל אות מפולט אינפרא-אדום), ערוצי משומש חייב להיות מוגדר כראוי כדי להימנע אותות חיובי כוזב. זה יכול להתבצע על ידי באחת משתי הדרכים.
   1. לבטל ערוצים שאינם בשימוש בתוכנה על-ידי הוספת הערות החוצה. לולאות המתאימים לערוצים שאינם בשימוש. ב- Arduino IDE, זה יכול להתבצע על-ידי הוספת "/ *" לפני. לולאות מיותרת, "* /" בסוף.
   2. לבטל את ערוצי שאינם בשימוש באמצעות מקום הלינה חומרה פשוטה. פשוט לבדיקות יחד חוטים #6 ו- 8 # (בדרך כלל מוצק חום ומוצק ירוק החוטים של כבל חתול זמינים מסחרית 6) ולהוסיף לתוך שקע RJ45 ריק על המעבד המרכזי.
3. מתלים שפופרת של עומס ומקום מיד לפני הפעלת ניסוי.
   1. ודא כי כל החורים מכילים צינור microcentrifuge 0.5 מ עם מכסה הסיר הצינורות והחניכיים.
   2. ממלאים כל שפופרת תא שבוחרים חרק אחד במקרה הגולמי או פקעת, גלולה אחת איירסופט, מתכת אחד סוף סוף BB. ודא כי הצד קצוות שטוחים (cap) של התא שבוחרים פונה לכיוון איירסופט צניפה ומתכת BB. מוספית מההגה מתלה את הצינור עם קצה מעוגל בחלק התחתון של המדף, באמצעות הברגים ניילון ¼ אינץ.
   3. ארונות תקשורת על פלטפורמת תקשורת, הפתח כשפניהם האספן כדור נופל למקום צינור. ארונות תקשורת יוצבו בקצה של פלטפורמת כך BB מתכת יכול ליפול בחופשיות לתוך האספן בלי הקפצה נגד בחלק אחר של המבנה (איור 7). בעת הצבת ארון התקשורת, להתחיל עם הפתח כלפי מעלה ולאחר מכן סובב בעדינות למקום כדי להבטיח ש-bbs מתכת לא ישוחררו. ארונות מתוכננים כך הצינורות שיפוע מעט לאחור כאשר הם ממוקמים כראוי, הפחתת הסיכוי של שחרור מקרית BBs מתכת.
4. הכנס כרטיס SD לתוך המתאם ולאחר מכן להתחיל את המעבד המרכזי על-ידי חיבור מחבר מיקרו USB לתוך Arduino את, ואת הקצה השני למתאם USB המתאים לכל. במסך ה-LCD יוצגו המספרים אחד עד שש כשאתה מוכן. אנחנו ננחת BB מתכת בודד האספן הכדור של כל ערוץ ולצפות על הרוזן התואם יופיע על המסך ועל הזמן הנכון להציג בתחתית המסך.
   1. אם השעה הנכונה אינה מוצגת, חזור על שלבים 1.6.3 ו 1.6.4 כדי לאפס את השעון.
   2. אם המתכת במבחן BB אינה נרשמת, האספן נחסם. בדוק חזותית חסימה, הפעל מחדש את המערכת.
   3. אם ערוץ "נחשב" את האירוע בכל שנייה, מציין כי הערוץ אינו מחובר כהלכה. בדוק את כל חיבורי והפעל מחדש את המערכת.

3. ניסוי סוף וניתוח נתונים

1. לאחר הופעתה הסתיים (ראה תוצאות, דמויות 8 ו- 9 דוגמאות של ציר הזמן), לכיבוי המנגנון באמצעות ניתוקו של Arduino. ארונות תקשורת עשוי להיות לפרק ולנקות לשימוש חוזר.
2. במהלך הניסוי, הנתונים מאוחסנים על כרטיס ה-SD בקובץ מופרד באמצעות פסיק (CSV) נגיש על ידי שפת התיכנות R. השתמש כרטיס ה-SD להעברת הנתונים למחשב, RStudio אוטומטי ליצור בועות מתווה של הנתונים.
   1. אירוע וטמפרטורה נתונים נשמרים בקובץ באותה לתקינות נתונים. לפיכך, יש להשלים קצת עיבוד לפני ניתוח. יבא את קובץ מופרד באמצעות פסיק לתוכנית של גליון נתונים. עמודות I ו- J הן התאריך והשעה של הופעתה עבור דבורים; להפוך אותם בעמודות A ו- B על-ידי גזירה והדבקה של העמודות A-E לגיליון השני, וזה שמור כקובץ נפרד, המידע על הטמפרטורה.
   2. כותרת עמודה A עם "תאריך", עמודה B "זמן", מיין הנתונים לפי עמודה A, ולאחר מכן על ידי B. שמור בתבנית CSV. קובץ.
   3. הורד והתקן את הגירסה העדכנית של RStudio מ- https://www.r-project.org/. עזרה עם שימוש RStudio להעלאת, ניתוח נתונים ניתן למצוא כאן ב- https://cran.r-project.org/doc/manuals/r-release/R-intro.html.
   4. באמצעות R ה-script הזמינים בנתוני משלימה, להעלות את הנתונים לתוך RStudio. לשנות את היעד לעבוד בקובץ ה-script R כדי להתאים איפה excel *. ממוקם קובץ ה-CSV. הפעל קובץ ה-script ובחר את קובץ הנתונים כדי לנתח. הקלד "עלילה" אל מסוף R. העלילה בועה ימוקם ביעד עבודה בשם "ברזולוציה גבוהה;" לשנות את שם הקובץ כדי לשמור כקובץ tiff ברזולוציה גבוהה (300 dpi).

הופעתה של rotundata מ' היא אסינכרונית ללא חשיפה הסימן סביבתיים, עם הופעתה המתרחשים בצורה אחידה לאורך כל יום4. עם זאת, כאשר הם נחשפים של גלי-כיכר thermoperiod (thermoperiod 4° C), הופעתה הופך סינכרונית כדי4,thermophase5. התוצאה זו דומה מחקרים אחרים שבהם נמצאו חרקים להשתמש thermoperiod רמזים כדי לווסת את הופעתה, לרבות הזבוב בשר Sarcophaga crassipalpis6, הזבוב בצל דיליה atiqua7 , את בול וויביל Anthonomus גרנדיס גרנדיס8. מחקר אחד הראה כי הלחץ במהלך הפיתוח משפיעה על synchrony של הופעתה למבוגרים crassipaplpis ס'9. כאן, אנו מציגים תוצאות מ מ rotundata שנחשפו ללחץ במהלך הפיתוח, כדי לבחון את ההשערה כי טיפול זה גורם את desynchronization של הבוגרים.

מוצלחת לרוץ

המשתמש צריך לצפות במסך ה-LCD לפני פתיחת החממה כדי לוודא חרקים אינם מתגלים. עם סיום הניסוי, כרטיס ה-SD יוסר ולא הנתונים ניתן לייצא לתוך RStudio כקובץ המופרד כדי להיות דמיינו כמו מזימה בועה, כפי שהוסבר קודם. איור 8 מציגה את הופעתה דבורה תחת thermoperiod 4 ° C לאחר חשיפה ללחץ קר במהלך הפיתוח. הכוונת אדום מצביעים על הזמן החציוני, יום של הופעתה ואת שם הקובץ בכותרת. קובץ script זה R יש להשתמש כדי להמחיש את הנתונים, אך לא תהווה הניתוח הבלעדית. כדי לנתח בתגובה הופעתה הסימן סביבתיים, ניתן לנתח את הנתונים עבור rhythmicity (לראות ניתוח).

סיבוך

כאשר חיישן זה סתם BBs מתכת, חוסר קליטה שוב ושוב נספרת, והוליד נקודות נתונים שגויים מרובים. איור 9 מדגים את ערכת הנתונים באותו המוצג באיור8, אבל באחד הערוצים שישה נסתם BBs, ולכן יצירת בועה גדולה על הגרף. במקרה של חיישן סתומות, נתוני הערוץ הזה ניתן להסיר בקלות מניתוח. שילוב ערוצים מרובים בניסוי הוא מועיל במטרה למזער את ההשפעה של חיישן סתומות.

ניתוח

ניתוח נתונים עבור נוכחות של סינכרון יכול להיעשות על-ידי חישוב "פרמטר R," סטטיסטיקה שיטתיות המזהה אם הופעתה קצבי או הפרעות לב10,11,12. פעולה זו מתבצעת על-ידי חישוב המספר הגבוה ביותר של מבוגרים המתעוררים בחלון 8 שעות, חלוקת מספר זה על ידי מספר מבוגרים המתעוררים מחוץ לחלון 8 שעות, ואז הכפלת 100. צריך להיות איחדו את כל האנשים שעלו כדי לחשב את מספר מבוגרים המתעוררים בכל שעה של היום. הטווח התיאורטי של פרמטר R הוא מ- 0 (כל הופעתה מתרחשת בתוך השער) ל-200 (הופעתה מופץ בצורה אחידה לאורך כל היום)10. R ערכים < 60 נחשבים הופעתה קצבית, 60 < R < 90 אנשים חלש קצבית, ו- R > 90 הן הפרעות לב. ערכי R > 150 מצביעים על מדים הפצה של הופעתה10. איור 8 מראה את הופעתה היא קצבית עם פרמטר R = 20.21 < 60. בשל העובדה כי סוג נתונים זה מופץ סביב שעון 24 שעות ביממה החוזרת, סטטיסטיקה מעגלית חייב להיות מועסק עבור ניתוח עמידים יותר (המתוארים בפירוט בנט. et al., 20185). זה יכול להתבצע באמצעות סטטיסטיקה מעגלית החבילות הזמינות עבור RStudio (חבילה 'מעגלי'-חמוץ. R-project.org).

איור 1: תוסף מיוצרים מרכיבים. באמצעות PLA נימה, 3D להדפיס את החלקים הנדרשים עבור המערכת. בכל אחד מהערוצים נבנים, החלקים הדרושים הם אספן 1 יריעה (ירוק), 1 סוף קאפ (אדום), פלטפורמה 6 תומך (כתום), צינור 4 ארון תקשורת לוחות הבסיס (סגול), ו 4 צינור תקשורת הפנים לוחות (צהוב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2: צינור תקשורת פלטפורמה הרכבה. להשתמש בדבק חם להרכיב שתי פלטפורמות מתלה צינור לערוץ בשלבי הקמה. השתמש תומך פלטפורמה שלוש (מוצג בכתום) עם קטע של פלסטיק וקופסאות קרטון גלי (מוצג באפור). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3: רנטגן סעפת אספן. הכנס אחד גלאי אינפרא אדום לתוך שקע אחד של האספן (מוצג בצבע כחול), פולט לתוך השקע השני (מוצג בצבע אדום). להאכיל את החוטים גלאי דרך ערוץ הכבלים (מוצג בצהוב) ולמשוך כל 4 חוטים דרך החור גישה (מסומן בירוק). ודא שנוגעות אין חוטים חשופים, באמצעות דבק חם כדי לאבטח אותם במקום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4: מחבר חיווט. חיווט תרשים עבור שקע RJ45 לפני פרזול כדי יריעה אספן, כפי שניתן לראות בתחתית ג'ק והטבלה חיווט עבור חיבור למסך LCD המעבד המרכזי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5: כדור הרכבה אספן. חתיכת פלסטיק וקופסאות קרטון גלי (מוצג באפור בהיר) באמצעות cap בקצה אחד (מוצג באדום), אספן אחד סעפת (מוצג בצבע ירוק) 24 x 30 ס מ להרכיב את הקליפה של ההרכבה אספן הכדור. השתמש של 8 x 27 ס"מ חתיכת פלסטיק וקופסאות קרטון גלי (מוצג באפור כהה) כדי להוסיף רמפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6: לוח PCB המעבד המרכזי. לוח PCB עבור המעבד המרכזי כולל של השכבה התחתונה (מתואר בצבע ירוק), השכבה העליונה (מתואר באדום) שכבה משי (מתואר בכחול). הלחמה כותרות הנשי כדי חורים כל מעבר, למעט אלו של שקעי RJ45 (לאורך החלק התחתון) ועבור של נגדים נפתחים (ישירות מעל רפידות RJ45). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 7: ההרכבה הסופית. כאשר בשימוש, המנגנון צריך להיות התאספו עם פלטפורמה מתלה צינור משני צידי כל אספן הכדור בשימוש. רצוי למקם ארונות תקשורת צינור המצורפת faceplates כך הם בקצה של פלטפורמת תקשורת צינור, לצמצם את האפשרות של BBs נופלים משתקף המנגנון. טביעת רגל של המנגנון שהורכב הוא בערך 25 ס מ x 35 ס מ, בגובה של 20 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 8: גרף של ריצה ניסויית טיפוסית לאחר עיבוד ב- R. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 9: גרף של ניסוי ולהון גלאי סתומות, כפי שמוצג על ידי בועה גדולה יחסית-יום 4- ניתן להסיר את הערוץ סתומות מניתוח, ובכך לשמר את נקודות הנתונים הנותרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

המחברים אין לחשוף.