טיסה חרקים באיתור ובסיווג עם חיישנים זולים
15 באוקטובר 2014
הצענו מערכת שמשתמשת בחיישנים זולים, לא פולשנית פסאודו אקוסטי אופטיים באופן אוטומטי ומדויק לאתר, לספור, ולסווג את חרקים מעופפים המבוססים על קול הטיסה שלהם.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לזהות ולזהות חרקים מעופפים על סמך צליל פעימות הכנפיים שלהם. זה מושג על ידי שימוש תחילה בחיישן אקוסטי פסאודו כדי להקליט צליל באופן רציף בתא ניסוי. השלב השני הוא זיהוי אוטומטי של קולות מעופפי החרקים מההקלטה הגולמית.
השלב האחרון הוא לסווג אוטומטית את קולות התעופה שזוהו כדי לזהות את מיני החרקים ואת המין. בסופו של דבר, איורים וטבלאות משמשים להצגת דיוק הסיווג. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא פשוטה, זולה, וניתן להפוך אותה לכל מקום כמו השיטות הנוכחיות כמו נסיעות דביקות וטיולי התערבות, אך עם יתרונות דיגיטליים כמו דיוק גבוה יותר וניטור בזמן אמת.
כדי להתחיל בניסוי, יש לגדל זחלי יתושים במחבתות אמייל בתנאי מעבדה סטנדרטיים. האכילו אותם בתערובת של צ'או מכרסמים טחונים ושמרי בירה ביחס של שלושה לאחד. לאחר מכן, אספו גולמי יתושים בכוסות של 200 מיליליטר או אספו יתושים בוגרים והניחו אותם בתאי ניסוי.
ודא שכל תא ניסוי מכיל 20 עד 40 פרטים מאותו מין ומאותו מין. אכלו יתושים בוגרים, תערובת של 10% סוכרוז ומים, והחליפו את המזון פעם בשבוע, מגבות לחות וכותנה פעמיים בשבוע, והניחו אותם על גבי תאי הניסוי כדי לשמור על לחות. בנוסף, שמור מי ברז של 200 מיליליטר בתא בכל עת.
שמור על תאי הניסוי במחזור אור עד חושך של 16 עד שמונה שעות ב-20.5 עד 22 מעלות צלזיוס ו-30 עד 50% לחות למשך הניסוי. חבר את תא הניסוי לאספקת חשמל והפעל את החשמל. יישר את נורות הלייזר למערך הצילום על ידי התאמת המגנטים עד שהלייזר מרוכז בכל דיודות הצילום הבודדות.
לאחר מכן, בצע שתי בדיקות שפיות על ידי כך שתוודא תחילה שהמערכת מופעלת והלייזר מכוון אל מערך הצילום. שנית, חבר את הרמקול לשקע השמע כדי לבדוק אם היישור של הלייזר ומערך הצילום מסוגל ללכוד צליל. צלול יד פנימה והחוצה מהכלוב ליד קצה מקור הלייזר.
ודא שאור הלייזר נמצא על היד והקשב כדי לראות אם הצליל משתנה. כשהיד נכנסת ויוצאת, חבר חוט למברשת שיניים אלקטרונית והפעל את מברשת השיניים. ודא שנורית הלייזר דולקת.
לאחר מכן הזיזו את המיתר למישור הלייזר והקשיבו לראות אם הצליל משתנה. לאחר הגדרת המערכת כראוי, הוסיפו חרקים לכלוב וסגרו את המכסה. כדי להתחיל באיסוף נתונים, הפעל את המקליט וצור ביאור קולי הכולל את המידע הבא והשהה את ההקלטה.
לאחר מכן, חבר את המקליט למערכת והמשך את ההקלטה למשך שלושה ימים. הורד את הנתונים מהמקליט לתיקיה חדשה ורוקן את המקליט על ידי מחיקת הנתונים. חזור על תהליך ההקלטה עד שהחרקים הנותרים ימותו ולא יישארו יותר מחמישה חרקים בחיים בכלוב.
כדי לעבד את הנתונים, הפעל את תוכנת זיהוי ה-WBF הצירקדית עבור כל תיקיה המכילה נתונים מהפעלת הקלטה, פתח את MATLAB והקלד בחלון הפקודה כדי לשנות את ספריית העבודה של MATLAB לספריית הקוד ולהפעיל את הקוד WBF צירקדי. לאחר מכן לחץ על Enter כדי להתחיל. לאחר סיום האלגוריתם, בדוק את תוצאות הזיהוי שהאלגוריתם מוציא בתיקייה חדשה, המסווג משיג דיוק של יותר מ-96% בעת סיווג לא יותר מחמישה מינים של חרקים כפי שמודגם בטבלה, המציגה את דיוק הסיווג המתקבל עם מספר הולך וגדל של מחלקות.
כאשר מספר השיעורים גדל ל-10, הדיוק לעולם אינו נמוך מ-79%טאניק זה יכול לעזור להילחם במחלות מוטבעות כגון חומר על ידי הפקת מידע אמיתי שניתן להשתמש בו כדי לתכנן ביעילות את תוכנית ההפרדה. זה גם יכול לעזור לחקלאים להגביל את התפשטות הנזקים על היבולים שלהם על ידי ניטור המזיקים בשדה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג מערכת המשתמשת בחיישנים אופטיים פסאודו-אקוסטיים זולים ולא פולשניים כדי לזהות, לסווג ולספור חרקים מעופפים על בסיס קולות דפיקות הכנפיים שלהם. השיטה מציעה חלופה דיגיטלית לטכניקות מסורתיות לניטור חרקים, ומספקת דיוק גבוה יותר ונתונים בזמן אמת.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ניטור חרקים
- טכנולוגיית חישוש אקוסטי
- סיווג מינים
רקע
- שיטות מסורתיות לניטור חרקים כוללות מלכודות דבק ומלכודות יירוט.
- שיטות אלו עשויות להיות מוגבלות בדיוקן ובאיסוף נתונים בזמן אמת.
- התקדמות בטכנולוגיית חישוש אקוסטית מספקת הזדמנויות חדשות לגילוי חרקים.
- הבנת אוכלוסיות חרקים היא קריטית למחקרים אקולוגיים ולניהול מזיקים.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת לזיהוי אוטומטי של קולות חרקים מעופפים.
- סיווג הקולות שזוהו לצורך זיהוי מיני החרקים והמין (זכר/נקבה).
- הדגמת היתרונות של שיטה זו על פני טכניקות ניטור מסורתיות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקלטה רציפה של קול באמצעות חיישנים פסאודו-אקוסטיים בתא ניסוי.
- זיהוי אוטומטי של קולות מעוף של חרקים מהקלטות שמע גולמיות.
- סיווג של הקולות שזוהו כדי לקבוע את המין והמין הביולוגי.
- שימוש באיורים ובטבלאות להצגת תוצאות דיוק הסיווג.
תוצאות עיקריות
- המערכת זיהתה וסיווגה בהצלחה מינים שונים של חרקים מעופפים.
- התוצאות הצביעו על דיוק גבוה יותר בהשוואה לשיטות מסורתיות.
- הודגמו יכולות ניטור בזמן אמת.
- השיטה היא חסכונית וקלה ליישום.
מסקנות
- מחקר זה מציג חלופה ישימה לניטור חרקים.
- המערכת המוצעת משפרת את הדיוק והיעילות בזיהוי חרקים מעופפים.
- יישומים עתידיים עשויים להוביל לשיפור באסטרטגיות של ניטור אקולוגי ובקרת מזיקים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
עבודה זו מציגה מערכת חיישנים זולה ולא פולשנית לזיהוי וסיווג של חרקים מעופפים על בסיס קולות דפיקות כנפיים, המהווה חלופה ניתנת להרחבה לשיטות ניטור אנטומולוגיות מסורתיות. גישה זו מספקת נתונים בזמן אמת בדיוק גבוה, אשר יכולים לתמוך בתוכניות למעקב אחר וקטורים ובניהול מזיקים באנטומולוגיה חקלאית ורפואית. על ידי אפשור ניטור רציף בתשתית מינימלית, המערכת מגבירה את הביטחון החזוי באימות מטרות בשלב מוקדם עבור התערבויות שמטרתן להפחית את העברת מחלות או את אובדן היבולים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של פנוטיפים התנהגותיים של חרקים באמצעות ניטור רציף ולא פולשני של דפוסי כנפיים.
- ערך תפעולי: תומך בבדיקת השערות במחקרים של בקרת וקטורים על ידי אספקת נתונים כמותיים של פעילות, הספציפיים למין ולמין ביולוגי.
- ערך ניבוי: משפר את הביטחון בבחירת המטרה על ידי קישור בין פעילות החרקים למשתני סביבה או התערבות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: יוצר חתימות אקוסטיות חסונות וניתנות לשחזור המשמשות כקריאות פנוטיפיות לסיווג חרקים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של איסוף הנתונים בין תאי ניסוי שונים, ובכך מפחית את השונות במחקרים אורך.
- יכולת הרחבה (Scalability): מאפשר ניטור בעוצמה גבוהה של קהילות חרקים גדולות לאורך תקופות ממושכות, כפי שהודגם בהקלטות שנמשכו מספר ימים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מגשר בין מחקרים של התנהגות חרקים במעבדה לבין כלי ניטור יישומים בשטח עבור מודלים של מחלות המועברות על ידי וקטורים.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מאפשרת הערכה בזמן אמת של השפעות ההתערבות על אוכלוסיות חרקים, ובכך תומכת בהחלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) בפיתוח פרה-קליני.
- מערכת רלוונטית למחלה: מספקת פלטפורמה להערכת כשירות הווקטור (vector competence) והתנהגויות חיפוש מארח תחת תנאים מבוקרים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מביולוגיה מוקדמת של וקטורים ועד להערכה פרה-קלינית של אסטרטגיות בקרה, במיוחד במקרים שבהם ניטור בזמן אמת, ברזולוציה של מינים, תורם להבנה מכניסטית ולבדיקת יעילות ההתערבות.
- ביולוגיה של הגילוי: מקלה על מחקרים מונחי-היפותזה של התנהגות תעופה של חרקים, פעילות צירקדית ותגובות לגירויים.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים המוכנים לבדיקה (תדר רטט הכנפיים, אפנון אמפליטודה), המתאימים לסריקה פנוטיפית ברזולוציה גבוהה.
- אנליטיקה: מאפשרת השוואה סטטיסטית של אוכלוסיות חרקים בתנאים שונים, תוך שימוש בדיוק הסיווג ובשיעורי הגילוי כמדדי מפתח.
- מחקר תרגומי: תומכת ברציפות מהמעבדה לשטח באמצעות תיקוף של כלי ניטור שניתן להטמיע בסביבות אנדמיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה פלטפורמת חיישנים הניתנת לשימוש חוזר וניתן להתאימה למספר מיני חרקים ולהקשרים סביבתיים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת העמימות בפנוטיפיזציה של חרקים ובתגובות התנהגותיות.
- ערך תפעולי: מספק ניטור סטנדרטי בזמן אמת עם מינימום חומרים מתכלים, ובכך מפחית את העומס התפעולי בהשוואה למלכודות דביקות או מלכודות לכידה.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי אפשור חזרתיות מהירה בקמפיינים לסריקת בקרת וקטורים, באמצעות משוב מיידי על השפעות ההתערבות.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתעדוף מותאם סיכון של מועמדים לבקרת וקטורים על ידי אספקת סמנים ביולוגיים מוקדמים ומדידים של דיכוי האוכלוסייה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בביואקוסטיקה, עיבוד אותות ותכנון מערכי בדיקה אנטומולוגיים.
- תלוי במכשור אופטי ואקוסטי יציב, כולל מערכי לייזר-פוטודיודה ובקרות סביבתיות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור מתן הערות לנתונים, אימות מינים ואימון מודל סיווג.
- התאמה בין מערכות מודלים עשויה לדרוש כיול מחדש של רגישות החיישנים ופרמטרי חילוץ תכונות.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות לרעש סביבתי ורטט סביבתי, שעלולים להשפיע על נאמנות הגילוי בתנאי שטח.
