Articolo metodologico

Costruire un mulino di volo potenziato per lo studio del volo degli insetti legati

DOI:

10.3791/62171

⸱

10 marzo 2021

1Department of Ecology and Evolution, University of Chicago

In questo articolo

Sommario

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

Questo protocollo utilizza stampanti tridimensionali (3D) e taglierine laser presenti nei makerspace al fine di creare un design più flessibile del mulino di volo. Utilizzando questa tecnologia, i ricercatori possono ridurre i costi, migliorare la flessibilità di progettazione e generare lavoro riproducibile durante la costruzione dei loro mulini di volo per studi di volo di insetti legati.

Abstract

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

I makerspace hanno un alto potenziale di consentire ai ricercatori di sviluppare nuove tecniche e di lavorare con nuove specie nella ricerca ecologica. Questo protocollo dimostra come sfruttare la tecnologia presente nei makerspace per costruire un mulino di volo più versatile a un costo relativamente basso. Dato che questo studio ha estratto il suo prototipo da mulini di volo costruiti nell'ultimo decennio, questo protocollo si concentra maggiormente sulla delineazione delle divergenze fatte dal semplice e moderno mulino di volo. Studi precedenti hanno già dimostrato quanto siano vantaggiosi i mulini di volo per misurare parametri di volo come velocità, distanza o periodicità. Tali mulini hanno permesso ai ricercatori di associare questi parametri a fattori morfologici, fisiologici o genetici. Oltre a questi vantaggi, questo studio discute i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia nei makerspace, come stampanti 3D e taglierine laser, al fine di costruire un design del mulino di volo più flessibile, robusto e pieghevole. In particolare, i componenti stampati in 3D di questo design consentono all'utente di testare insetti di varie dimensioni rendendo regolabili le altezze del braccio del mulino e dei sensori a infrarossi (IR). Le stampe 3D consentono inoltre all'utente di smontare facilmente la macchina per una rapida conservazione o trasporto sul campo. Inoltre, questo studio fa un maggiore uso di magneti e vernice magnetica per legare gli insetti con il minimo stress. Infine, questo protocollo descrive in dettaglio un'analisi versatile dei dati di volo attraverso script informatici che separano e analizzano in modo efficiente le prove di volo differenziabili all'interno di una singola registrazione. Sebbene sia più laborioso, l'applicazione degli strumenti disponibili nei makerspace e nei programmi di modellazione 3D online facilita pratiche multidisciplinari e orientate ai processi e aiuta i ricercatori a evitare costosi prodotti predefiniti con dimensioni strettamente regolabili. Sfruttando la flessibilità e la riproducibilità della tecnologia nei makerspace, questo protocollo promuove la progettazione creativa del mulino di volo e ispira la scienza aperta.

Introduzione

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Dato quanto sia intrattabile la dispersione degli insetti sul campo, il mulino di volo è diventato uno strumento di laboratorio comune per affrontare un importante fenomeno ecologico: come si muovono gli insetti. Di conseguenza, da quando i pionieri del mulino di volo1,2,3,4 hanno inaugurato sei decenni di progettazione e costruzione di mulini di volo, ci sono stati notevoli cambiamenti di progettazione man mano che le tecnologie miglioravano e diventavano più integrate nelle comunità scientifiche. Nel corso del tempo, il software di raccolta dati automatizzato ha sostituito i registratori grafici e i bracci del mulino di volo sono passati da barre di vetro a barre di carbonio e tubi in acciaio5. Solo nell'ultimo decennio, i cuscinetti magnetici hanno sostituito i cuscinetti in teflon o vetro come ottimali senza attrito e le coppie tra macchinari per mulini di volo e tecnologia versatile sono proliferate man mano che la tecnologia di fabbricazione audio, visiva e di strati diventa sempre più integrata nei flussi di lavoro dei ricercatori. Questi abbinamenti hanno incluso videocamere ad alta velocità per misurare l'aerodinamica delle ali6,schede digitali-analogiche per imitare i segnali sensoriali per studiare le risposte di volo uditive7e stampa 3D per realizzare un impianto di calibrazione per tracciare la deformazione delle ali durante il volo8. Con il recente aumento delle tecnologie emergenti nei makerspace, in particolare nelle istituzioni con centri multimediali digitali gestiti da personaleesperto 9, ci sono maggiori possibilità di migliorare il mulino di volo per testare una gamma più ampia di insetti e trasportare il dispositivo sul campo. C'è anche un alto potenziale per i ricercatori di attraversare i confini disciplinari e accelerare l'apprendimento tecnico attraverso il lavoro basato sulla produzione9,10,11,12. Il mulino di volo qui presentato (adattato da Attisano e colleghi13)sfrutta le tecnologie emergenti presenti nei makerspace non solo per 1) creare componenti del mulino di volo le cui scale e dimensioni sono messe a punto per il progetto in questione, ma anche 2) offrire ai ricercatori un protocollo accessibile nel taglio laser e nella stampa 3D senza richiedere un budget elevato o alcuna conoscenza specializzata nella progettazione assistita da computer (CAD).

I vantaggi dell'accoppiamento di nuove tecnologie e metodi con il mulino di volo sono sostanziali, ma i mulini di volo sono anche preziose macchine autonome. I mulini di volo misurano le prestazioni di volo degli insetti e vengono utilizzati per determinare in che modo la velocità, la distanza o la periodicità del volo si riferiscono a fattori ambientali o ecologici, come temperatura, umidità relativa, stagione, pianta ospite, massa corporea, tratti morfologici, età e attività riproduttiva. Distinto da metodi alternativi come actografi, tapis roulant e la registrazione video del movimento di volo nelle gallerie del vento e nelle arene interne14, il mulino di volo è notevole per la sua capacità di raccogliere varie statistiche sulle prestazioni di volo in condizioni di laboratorio. Questo aiuta gli ecologi ad affrontare importanti domande sulla dispersione del volo e li aiuta a progredire nella loro disciplina - che si tratti di gestione integrata dei parassiti15,16,17, dinamicadella popolazione, genetica, biogeografia, strategie di storia della vita18o plasticità fenotipica19,20,21,22 . D'altra parte, dispositivi come telecamere ad alta velocità e actografi possono richiedere una configurazione rigorosa, complicata e costosa, ma possono anche portare a parametri di movimento più sintonizzati, come le frequenze del battito d'ala e l'attività della fotofase degli insetti23,24. Pertanto, il mulino di volo presentato qui funge da opzione flessibile, economica e personalizzabile per i ricercatori per studiare il comportamento di volo.

Allo stesso modo, l'incentivo a integrare le tecnologie emergenti nel flusso di lavoro degli ecologisti continua a crescere man mano che le domande e gli approcci allo studio della dispersione diventano più creativi e complessi. Come sedi che promuovono l'innovazione, i makerspace attingono a più livelli di competenza e offrono una bassa curva di apprendimento per gli utenti di qualsiasi età per acquisire nuove competenze tecniche10,12. La natura iterativa e collaborativa della prototipazione di dispositivi scientifici nel makerspace e attraverso fonti aperte online può accelerare l'applicazione della teoria11 e facilitare lo sviluppo del prodotto nelle scienze ecologiche. Inoltre, l'aumento della riproducibilità degli strumenti scientifici incoraggerà una più ampia raccolta di dati e la scienza aperta. Questo può aiutare i ricercatori a standardizzare le attrezzature o i metodi per misurare la dispersione. Gli strumenti di standardizzazione potrebbero inoltre consentire agli ecologi di unificare i dati di dispersione tra le popolazioni al fine di testare modelli di metapopolazione che si sviluppano da kernel di dispersione25 o dinamiche di colonizzazione source-sink26. Proprio come la comunità medica sta adottando la stampa 3D per la cura del paziente e l'educazione anatomica27, gli ecologi possono utilizzare taglierine laser e stampanti 3D per riprogettare strumenti ecologici e istruzione e, nell'ambito di questo studio, possono progettare componenti aggiuntivi del mulino di volo, come piattaforme di atterraggio o un braccio del mulino di volo che può muoversi verticalmente. A loro volta, la personalizzazione, l'economicità e l'aumento della produttività offerti dalla tecnologia makerspace possono aiutare ad avviare progetti di dispersione con una barriera relativamente bassa per i ricercatori che intendono sviluppare i propri strumenti e dispositivi.

Per costruire questo mulino di volo, ci sono anche limitazioni meccaniche e strumentali che possono essere considerate dal produttore. Magneti e miglioramenti stampati in 3D consentono al mulino di volo di essere essenzialmente senza colla, ad eccezione della costruzione delle staffe trasversali, e di essere adattabile a insetti di diverse dimensioni. Tuttavia, con l'aumentare della massa e della forza degli insetti, gli insetti possono avere maggiori probabilità di smontarsi mentre sono legati. I magneti forti possono essere utilizzati al costo di una maggiore resistenza torsionale, oppure i cuscinetti a sfere possono sostituire i cuscinetti magnetici come soluzione robusta per gli insetti che testano il volo che pesano diversi grammi28,29. Tuttavia, i cuscinetti a sfere possono anche presentare alcuni problemi, principalmente che l'esecuzione di esperimenti prolungati con alte velocità e alte temperature può degradare la lubrificazione dei cuscinetti a sfere, il che aumenta l'attrito30. Pertanto, gli utenti dovranno discernere quale meccanica del mulino di volo si adatterebbe meglio ai loro insetti di studio e progettazione sperimentale.

Allo stesso modo, ci sono diversi modi per strumentare un mulino di volo che è al di là delle considerazioni di questo documento. Il mulino di volo qui presentato utilizza sensori IR per rilevare le rivoluzioni, software WinDAQ per registrare le rivoluzioni e script di programmazione per elaborare i dati grezzi. Sebbene sia facile da usare, il software WinDAQ ha una gamma limitata di strumenti disponibili. Gli utenti non possono allegare commenti al canale corrispondente e non possono essere avvisati in caso di guasto di un componente del circuito. Questi casi vengono risolti rilevandoli e correggendoli tramite codice, ma solo dopo la raccolta dei dati. In alternativa, gli utenti possono adottare più di un software che offre funzionalità di raccolta dati personalizzabili28 o sensori che prendono statistiche dirette di velocità e distanza, come i milometri per bici29. Tuttavia, queste alternative possono bypassare preziosi dati grezzi o diffondere funzionalità tra troppe applicazioni software, il che può rendere inefficiente l'elaborazione dei dati. In definitiva, piuttosto che rimodellare la strumentazione del mulino di volo, questo protocollo offre solide soluzioni di programmazione alle attuali limitazioni del software.

In questo articolo, viene descritto un progetto per un semplice mulino di volo migliorato per aiutare i ricercatori nei loro studi di dispersione e per incoraggiare l'incorporazione di tecnologie emergenti nel campo dell'ecologia comportamentale. Questo mulino di volo si adatta ai vincoli di un incubatore, contiene fino a otto insetti contemporaneamente e automatizza la raccolta e l'elaborazione dei dati. In particolare, i suoi miglioramenti stampati in 3D consentono all'utente di regolare le altezze del braccio del mulino e del sensore IR per testare insetti di varie dimensioni e smontare il dispositivo per una rapida conservazione o trasporto. Grazie all'accesso istituzionale a un makerspace comune, tutti i miglioramenti sono stati gratuiti e non sono stati accumulati costi aggiuntivi rispetto al semplice e moderno mulino di volo. Tutto il software necessario è gratuito, i circuiti elettronici sono semplici e tutti gli script possono essere modificati per seguire le esigenze specifiche del progetto sperimentale. Inoltre, la diagnostica codificata consente all'utente di verificare l'integrità e la precisione delle proprie registrazioni. Infine, questo protocollo riduce al minimo lo stress sostenuto da un insetto dipingendo magneticamente e legando gli insetti al braccio del mulino. Con l'assemblaggio del semplice mulino di volo già accessibile, economico e flessibile, l'uso di tecnologie makerspace per migliorare il semplice mulino di volo può garantire ai ricercatori lo spazio per superare le proprie specifiche esigenze di studio di volo e può ispirare progetti creativi di mulini di volo al di là delle considerazioni di questo documento.

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Protocollo

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1. Costruisci il Flight Mill in un Makerspace

  1. Tagliare e assemblare al laser la struttura di supporto in plastica acrilica.
    1. Utilizzare 8 fogli acrilici trasparenti spessi (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) per costruire la struttura di supporto in plastica acrilica. Assicurarsi che il materiale non sia in policarbonato, che sembra simile all'acrilico ma si scioglierà invece di essere tagliato sotto il laser.
    2. Individuare la fresa laser nel makerspace. Questo protocollo presuppone che il makerspace abbia una fresa laser come indicato nella Tabella dei materiali. Per altre frese laser, leggere le impostazioni della fresa laser per determinare quale colore o spessore della linea è necessario per impostare le linee del file da tagliare o incidere al laser (non da rasterizzare).
    3. Apri Adobe Illustrator, Inkscape (gratuito) o un altro editor di grafica vettoriale. Preparare un file che legga il progetto di supporto acrilico in formato vettoriale con le righe sopra menzionate nella Figura 1. Create linee di file in Adobe Illustrator in modalità Rossa, Verde e Blu (RGB) con un tratto linea di 0,0001 punti in cui RGB Rosso (255, 0, 0) taglia le linee e RGB Blu (0, 0, 255) incide le linee.
    4. Come precauzione, testare e tenere conto di kerf per tutte le misurazioni di fessure e fori. Progettare e testare la chiave kerf (Figura supplementare 1).
      NOTA: la larghezza del Kerf può variare in base alla larghezza del fascio della fresa laser, alla larghezza del materiale e al tipo di materiale utilizzato.
    5. Salvare i disegni di supporto acrilico e la chiave kerf come tipi di file leggibili, ad esempio file .ai, .dxf o .svg. Per inviare il lavoro alla fresa laser, stampare il file sulla macchina locale della fresa laser e quindi aprire il software laser.
      NOTA: se stampate correttamente, tutte le linee di taglio vettoriale nel disegno appariranno con i colori corrispondenti appropriati nel pannello di controllo del software laser.
    6. Selezionate il materiale come Plastica e quindi il tipo di materiale come Acrilico. Per una maggiore precisione, misurare lo spessore del materiale con una pinza e inserire il suo spessore nel campo dello spessore del materiale. Attiva automaticamente l'asse Z del punto focale del materiale. Impostate il tipo di figura su Nessuno e lasciate l'intensità su 0%. Per modificare qualsiasi metrica avanzata sulla fresa laser, ad esempio la potenza % del laser o la velocità %, eseguire il test con il tasto kerf.
      NOTA: La regola empirica è che più spesso è il materiale, maggiore è la potenza richiesta a una velocità inferiore.
    7. Prima di tagliare, seguire le linee guida del makerspace sull'accensione, l'utilizzo e la manutenzione della fresa laser. Posizionare i materiali nella cavità della stampante e tagliare i supporti acrilici.
      NOTA: Per evitare possibili danni agli occhi, non guardare il laser o lasciare incustodito alcun foglio acrilico durante il taglio.
    8. Pulire il materiale in eccesso dalla cavità della stampante e assemblare la struttura di supporto. Assemblate inserendo ogni ripiano orizzontale nelle fessure aperte delle pareti verticali esterne e della parete verticale centrale come indicato nella Figura 2A. Assicurarsi che i fori tra i ripiani orizzontali siano allineati.
  2. Stampa in 3D i supporti in plastica.
    1. Aprire un browser Web e creare un account su un programma di modellazione 3D online. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per un'opzione di account gratuita.
    2. Fare clic su Progetti 3D > Creare un nuovo progetto. Per replicare i disegni esatti stampati in 3D di questo studio come mostrato nella Figura 3,scarica l'archivio 3D_Prints.zip (Stampe 3D supplementari)e sposta la cartella sul desktop. Decomprimi e apri la cartella. Nella pagina web del piano di lavoro del programma di modellazione 3D online, fare clic su Importa nell'angolo in alto a destra e selezionare i file .stl.
      NOTA: più repliche o oggetti di progettazione possono riempire il piano di lavoro ed essere salvati come un singolo file .stl purché l'utente trattiene gli oggetti entro i limiti dell'area di costruzione della stampante 3D. L'oggetto più grande che una stampante 3D può stampare è di 140 mm di lunghezza x 140 mm di larghezza x 140 mm di profondità. Tuttavia, non ruotare gli oggetti lungo il loro asse z come mezzo per massimizzare il numero di oggetti in un'area di costruzione. Questo perché gli oggetti scaricati sono stati posizionati per ridurre al minimo le sporgenze e quindi possono essere stampati in modo ottimale con i supporti minimi necessari.
    3. Per creare autonomamente o apportare modifiche ai progetti, seguire le esercitazioni del sito Web, apportare modifiche e quindi esportare i nuovi progetti come file con estensione stl. In totale, 8 guide lineari (100,05 mm di lunghezza x 23,50 mm di larghezza x 7,00 mm di profondità), 16 blocchi di guide lineari (22,08 mm di lunghezza x 11,47 mm di larghezza x 12,47 mm di profondità), da 12 a 20 viti (9,00 mm di lunghezza x 7,60 mm di larghezza x 13,00 mm di profondità), 15 staffe trasversali (50,00 mm di lunghezza x 50,00 mm di larghezza x 20,00 mm di profondità), È necessario stampare in 3D 16 supporti magnetici (lunghezza 12,75 mm x larghezza 12,50 mm x profondità 15,75 mm), 16 supporti per tubi (lunghezza 29,22 mm x larghezza 29,19 mm x profondità 11,00 mm), 16 supporti guida lineari corti (lunghezza 40,00 mm x larghezza 11,00 mm x profondità 13,00 mm) e 16 supporti guida lineari lunghi (lunghezza 40,00 mm x larghezza 16,00 mm x profondità 13,00 mm). Per ottenere lo specchio di ogni progetto di guida lineare, fare clic sull'oggetto, premere Me selezionare la freccia corrispondente alla larghezza dell'oggetto.
      NOTA: vedere il passaggio 1.3.6. per maggiori informazioni sui pioli guida lineari.
    4. Scarica e installa un software di slicing di stampa 3D per convertire i file .stl in un file .gx leggibile dalla stampante 3D. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per scaricare il programma software gratuito.
      NOTA: altri programmi software di conversione sono accettabili, ma questo protocollo presuppone che il makerspace utilizzi la stampante 3D e il software di stampa di slicing come indicato nella Tabella dei materiali.
    5. Fare doppio clic sull'icona del software di slicing di stampa 3D per avviare il software. Fare clic su Stampa > Tipo di macchina e selezionare la stampante 3D che si trova nel makerspace.
    6. Fare clic sull'icona Carica per caricare un file di modello con estensione stl e visualizzare l'oggetto nell'area di compilazione.
    7. Selezionare l'oggetto e fare doppio clic sull'icona Sposta. Fare clic su Sulla piattaforma per assicurarsi che il modello sia sulla piattaforma. Fare clic su Centro per posizionare l'oggetto al centro dell'area di compilazione oppure trascinare l'oggetto con il puntatore del mouse per posizionare l'oggetto sull'area di compilazione.
    8. Fare clic sull'icona Stampa. Assicurarsi che il tipo di materiale sia impostato su PLA,che i supporti e la zattera siano abilitati, che la risoluzione sia impostata su Standarde che la temperatura dell'estrusore corrisponda alla temperatura suggerita dalla guida della stampante 3D. La temperatura può essere modificata in Altre opzioni >> Temperatura.
    9. Premere OK e salvare il file .gx nella cartella 3D_Prints o su una chiavetta USB se il file non può essere trasferito alla stampante 3D tramite un cavo USB.
    10. Individua la macchina da stampa 3D di un makerspace. Calibrare l'estrusore e assicurarsi che ci sia abbastanza filamento per la stampa. Trasferisci il file .gx alla stampante 3D e stampa tutti i tipi e le quantità di supporti e miglioramenti in plastica. Per ogni stampa, verificare che il filamento si attacchi correttamente alla piastra.
  3. Assembla stampe 3D sulla struttura di supporto acrilica.
    1. Per visualizzare tutti i supporti in posizione, vedere la Figura 2B.
    2. Incollare a caldo i fogli di neoprene di 3.175 mm di spessore sulle pareti interne della staffa trasversale. Quando è asciutto, inserire le staffe trasversali alle giunzioni dei ripiani acrilici e le pareti sul retro del dispositivo per stabilizzare il mulino di volo.
    3. Ove possibile, utilizzare viti stampate in 3D per ridurre al minimo l'influenza magnetica delle viti in ferro. Avvitare i supporti del tubo sul fondo e sulla parte superiore di ogni cella. Assicurarsi che i supporti del tubo superiore e inferiore siano allineati.
    4. Inserire un tubo di plastica lungo 30 mm (diametro interno (ID) 9,525 mm; diametro esterno (OD) 12,7 mm) nel supporto del tubo superiore e un tubo di plastica lungo 15 mm (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) nel supporto del tubo inferiore di ciascuna cella. Quindi, inserire un tubo di plastica lungo 40 mm (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) nel tubo superiore e un tubo di plastica lungo 20 mm (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) nel tubo inferiore. Assicurarsi che ci sia un attrito abbastanza forte tra i tubi per mantenere i tubi in posizione, ma non troppo che il tubo interno possa ancora scorrere su e giù se tirato. Se i tubi sono deformati, immergere segmenti dei tubi per 1 minuto in acqua bollente. Raddrizzare i tubi su un asciugamano, lasciarli raggiungere la temperatura ambiente e quindi inserire i tubi.
    5. Posizionare i due magneti al neodimio a basso attrito (diametro 10 mm; lunghezza 4 mm; forza di tenuta di 2,22 kg) in ciascun supporto magnetico. Assicurati che ogni coppia di magneti si respinga a vicenda. Quindi, inserire saldamente un tubo interno in ciascun supporto magnetico in modo che la gravità che agisce sui magneti e il supporto del magnete non sia abbastanza forte da rimuovere il supporto dalla camera d'aria.
    6. Di fronte alla stessa direzione, far scorrere due blocchi di guide lineari nella guida lineare. Alloggiare le guide lineari e i blocchi in posizione verticale nelle finestre sulle pareti verticali esterne. Assicurarsi che le aperture dei blocchi siano rivolte verso l'alto. Per fissare una guida lineare in posizione, utilizzare due supporti per guide lineari corte, due supporti per guide lineari lunghe, quattro viti in ferro lunghe 10 mm (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm), due viti in ferro lunghe 20 mm (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm) e due dadi esagonali (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm). La Figura 2C mostra l'assemblaggio completo della guida lineare.
      NOTA: le fessure aperte nella guida lineare sono destinate ad essere utilizzate se e solo se la guida lineare viene erosa dallo scorrimento ripetuto del suo blocco. In tal caso, stampa in 3D un piccolo piolo a forma di T trovato nella cartella 3D_Prints.
  4. Costruisci il braccio girevole.
    NOTA: le sottosezioni 1.4.1 e 1.4.2 sono equivalenti alle sottosezioni 1.2.2. e 1.2.3. in Attisano et al. 2015 metodi paper13.
    1. Forare il filtro di una punta di pipetta filtrata da 20 μL nel suo punto centrale utilizzando un perno entomologico. Quindi, spingere il perno attraverso la punta della pipetta fino a quando le estremità in acciaio del perno sporgono dal corpo della punta della pipetta. Assicurarsi che il filtro della punta della pipetta fissi il perno in posizione. Il perno funge da asse del braccio del mulino di volo.
    2. Per massimizzare lo spazio della cella, tagliare un tubo di acciaio ipodermico non magnetico da 19 G a una lunghezza di 24 cm (1 cm in meno rispetto alla larghezza di una cella di volo). Incollare a caldo il perno sporgente e la corona della punta della pipetta dal punto 1.4.1. al punto medio del tubo. Piegare un'estremità del tubo a 2 cm dall'estremità con un angolo di 95°.
      NOTA: per dare priorità alle dimensioni degli insetti piuttosto che massimizzare lo spazio cellulare, accorciare il raggio del braccio per gli insetti più piccoli o i volantini deboli. Un braccio di volo più lungo può anche essere assemblato se la parete acrilica centrale viene rimossa per insetti più grandi o volatori forti. Inoltre, l'estremità piegata del braccio può supportare diverse angolazioni per posizionare l'insetto nel suo naturale orientamento di volo.
    3. Per testare la sua sospensione magnetica, posizionare il braccio tra il set superiore di magneti. Assicurarsi che il braccio rotante giri liberamente attorno al perno sospeso verticalmente.
    4. Incollare i due magneti al neodimio a basso attrito (diametro 3,05 mm; lunghezza 1,58 mm; forza di tenuta di 0,23 kg) sull'estremità piegata del braccio pivot per legare l'insetto verniciato magneticamente per il volo (massa del braccio del mulino di volo con magneti = 1,4 g). All'estremità non piegata del braccio pivot, avvolgere un pezzo di foglio di alluminio (massa per area = 0,01 g/ cm2) per creare una bandiera. La bandiera della lamina funge da contrappeso e, grazie alle sue proprietà altamente riflettenti, rompe in modo ottimale il raggio IR inviato dal trasmettitore del sensore IR al ricevitore.
      NOTA: il diametro del fascio IR è al massimo di 2,4 mm, quindi la larghezza minima ottimale della bandiera della lamina è di 3 mm. Una larghezza della bandiera della lamina di 3 mm e posizionata per rompere il fascio di luce IR davanti alla lente dell'emettitore del sensore produrrà un calo di tensione rilevabile durante le analisi.
  5. Configurare il sensore IR e il data logger.
    1. Posizionare il trasmettitore del sensore IR all'interno del blocco della guida lineare superiore con l'emettitore del raggio rivolto verso il basso. Quindi, posizionare il ricevitore del sensore IR all'interno del blocco inferiore rivolto verso l'alto.
      NOTA: I sensori (20 mm di lunghezza x 10 mm di larghezza x 8 mm di profondità) possono essere separati fino a una distanza di 250 mm e funzionano ancora; pertanto, funzioneranno anche se posizionati alle estremità della guida lineare di circa 100 mm.
    2. Su una breadboard senza saldatura, collegare il trasmettitore e il ricevitore del sensore IR in serie con il data logger di ingresso analogico a 4 canali, come mostrato nel circuito elettronico nella Figura 4A. Collegare prima l'ingresso del trasmettitore del sensore IR (non del ricevitore), dopo il resistore Ω 180. Posizionare un altro resistore da 2,2 kΩ prima dell'uscita della connessione del ricevitore IR. Configurare il circuito elettronico di ciascun canale in file alternate lungo la breadboard per ridurre al minimo il rumore nel segnale di tensione proveniente da più sensori durante la registrazione (Figura 4B).

2. Condurre prove di volo

  1. Legare magneticamente gli insetti al braccio del mulino di volo.
    1. Per ridurre al minimo lo stress posto sull'insetto, applicare vernice magnetica sul pronoto dell'insetto usando uno stuzzicadenti o un applicatore di precisione fine (punta da 20 G). Lasciare asciugare la vernice per almeno 10 minuti. Una volta asciutto, attaccare l'insetto ai magneti del braccio del mulino di volo. Fare riferimento alla Figura 5 per esempi di insetti che dipingono magneticamente e legano insetti di diverse dimensioni. Questo protocollo utilizza l'ematoloma Jadera (insetto di soapberry) come insetto modello per il tethering di volo e la sperimentazione di prova.
      NOTA: Per una maggiore attrazione tra l'insetto e i magneti del braccio, applicare più strati di vernice magnetica. Inoltre, sostituisci i magneti attaccati all'estremità del braccio del mulino di volo con le dimensioni dei magneti che meglio si adattano al campo visivo, alla massa e alla gamma alare degli insetti.
    2. Vola fino a 8 insetti alla volta nel mulino di volo. Prepara almeno 16 insetti per testare più insetti in sequenza durante una singola sessione di registrazione.
    3. Per rimuovere la vernice magnetica dopo il test, scheggiare la vernice con una pinza fine e smaltirla secondo le normative dell'Environmental Protection Agency (EPA) e dell'Occupational Safety and Health Administration (OSHA).
  2. Registra più insetti in sequenza senza terminare una sessione di registrazione utilizzando lo strumento Commento marcatore eventi di WinDAQ.
    1. Scarica e installa il software gratuito winDAQ per la registrazione e la riproduzione dei dati.
    2. Creare una nuova cartella denominata Flight_scripts sul desktop. Crea cinque nuove cartelle con i seguenti nomi esatti all'interno della cartella Flight_scripts: dati, files2split, registrazioni, split_filese standardized_files. Scaricare il foglio dati.xlsx (File supplementare 1) e trascinare il file nella cartella dati nella directory Flight_scripts.
    3. Utilizzare il foglio dati.xlsx come modello di registrazione manuale dei dati. Sono necessarie almeno quattro colonne: il numero di identificazione del bug, se il bug è morto prima di essere testato, il numero del set di registrazione e la camera composta dalla lettera del canale e dal numero del canale (ad esempio, "A-1", "B-4"). Fare riferimento alla Figura 2A per una possibile configurazione della camera.
    4. Aprire winDAQ Dashboard, selezionare i data-logger dall'elenco delle caselle di controllo e premere'Avvia software Windaq'. Si aprirà una nuova finestra per ogni data-logger selezionato e verrà mostrato il segnale di ingresso da ciascun sensore.
    5. Definire una frequenza di campionamento facendo clic su Modifica > frequenza di campionamento. Digitare una frequenza di campionamento di 100 campioni al secondo nella casella Frequenza di campionamento/Canale e premere OK.
      NOTA: Questo protocollo suggerisce 100 S/s perché i trogoli, che sono cadute di tensione derivanti dalla bandiera che interrompe il fascio del sensore IR, raggiungeranno comunque un calo minimo di tensione di 0,36 V per velocità di 1,7 m/s. A sua volta, il rumore, che ha una caduta massima di tensione di 0,10 V, può ancora essere filtrato durante le standardizzazioni senza filtrare i trogoli reali. Inoltre, una frequenza di campionamento di 100 S / s rende facile per l'utente vedere i trogoli sulla forma d'onda sullo schermo durante e dopo la registrazione. Se si verificano errori durante la registrazione, l'utente può discernere rapidamente i trogoli da errori o rumore. Vedere la Figura 2 supplementare per i confronti tra diverse frequenze di campionamento basse.
    6. Per avviare una nuova sessione di registrazione, premere File > Registra. Selezionare la posizione del file di registrazione nella prima finestra pop-up. Scrivere il nome del file con attenzione. I file devono avere almeno quanto segue nei loro nomi: il numero del set di registrazione e la lettera del canale. Un esempio di nome file modellato negli script Python è il seguente: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Fare riferimento alle righe split_files.py 78-87 dalla cartella Flight_scripts per ottenere ulteriori dettagli. Quindi, premere OK.
    7. Nella finestra pop-up successiva, inserisci la durata prevista della registrazione del volo. Premere OK quando gli insetti sono in grado di iniziare il volo. Trascorso il tempo di registrazione, premere CTRL-S per finalizzare il file. Non premere CTRL-S a meno che non sia necessario terminare la registrazione in anticipo.
      NOTA: se il file termina troppo presto digitando Ctrl+S o il periodo di tempo di cui sopra era troppo breve, aggiungere una nuova registrazione a un file esistente facendo clic su File > Record. Selezionare il file a cui aggiungere e fare clic su Sì nella seguente finestra popup.
    8. Quando si estraggono gli insetti testati durante la registrazione, inserire un marcatore di evento commentato dell'insetto in arrivo nella camera selezionata. Registra sempre manualmente l'ID, la camera e il set di registrazione dell'insetto in arrivo nel foglio dati.xlsx prima di scambiare gli insetti.
    9. Per fare un commento sull'indicatore di evento, fai clic sul numero del canale. Quindi, fai clic su Modifica > Inserisci segno commentato. Definisci il commento con il numero di identificazione del nuovo insetto che entra nella camera. Premere OK e caricare l'insetto nella camera.
  3. Visualizza i commenti degli indicatori di evento e converti i file da WDH a TXT.
    1. Aprire un file WDH. Visualizza i commenti dei marcatori di eventi andando su Modifica > Compressione... e quindi fare clic sul pulsante Massimo per comprimere completamente la forma d'onda in un'unica finestra (Figura 6A).
    2. Verificare la presenza di eventuali anomalie nella registrazione.
      NOTA: i tipi di anomalie o errori nella registrazione sono visualizzati nella Figura 6. Questi vengono diagnosticati in seguito e corretti negli script Python.
    3. Salvare il file in un formato .txt accedendo a File > Salva con nome. Selezionare la cartella delle registrazioni all'interno della directory Flight_scripts come percorso in cui salvare il file. Seleziona il tipo di file come Spreadsheet print (CSV) nella finestra pop-up e scrivi il nome del file con .txt alla fine. Fai clic su Salva. Nella seguente finestra pop-up, selezionare Frequenza di campionamento, Ora relativae Data e ora. Digitare 1 tra il numero di canale e i marcatori di evento. Deselezionate tutte le altre opzioni e fate clic su OK per salvare il file.

3. Analizza i dati di volo

  1. Dividere i file in base ai commenti del marcatore di eventi.
    1. Installa l'ultima versione di Python. Tutti gli script di questo protocollo sono stati sviluppati su Python versione 3.8.0.
    2. Scarica i seguenti script Python: split_files.py, standardize_troughs.pye flight_analysis.py ( File dicodifica supplementari). Spostare gli script nella cartella Flight_scripts.
    3. Assicurati che Python sia aggiornato e installa le seguenti librerie: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math e matplotlib. Per osservare le principali funzioni e strutture di dati degli script, vedere lo schema in Figura supplementare 3.
    4. Apri il file del foglio dati.xlsx e salva come CSV modificando il formato del file in CSV UTF-8 (delimitato da virgole) se esegui Windows o Macintosh Comma Separated se esegui Mac.
    5. Apri l'icona split_files.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    6. Ricodifica le righe 133-135 e 232-233 se l'utente ha scritto un nome file diverso dal modello suggerito ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Per ricodificare lo script in modo da contenere nomi di file diversi utilizzando la funzione split(), vedere le righe 116-131.
    7. Nella riga 266 digitare il percorso della cartella Flight_scripts ed eseguire lo script. Dopo un'esecuzione riuscita, lo script genera file di .txt intermedi di ID insetto mappati nella cartella files2split e file di .txt per ogni insetto testato in ogni registrazione impostata nella cartella split_files, all'interno della directory Flight_scripts.
      NOTA: Inoltre, nella shell Python, gli utenti dovrebbero vedere le istruzioni di stampa del nome del file, quali insetti vengono scambiati in un marcatore di evento numerato e quali file vengono divisi e generati in nuovi file dall'ID insetto.
  2. Standardizzare e selezionare i trogoli nel segnale registrato.
    1. Apri l'icona standardize_troughs.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    2. Nella riga 158 digitare la frequenza di campionamento.
    3. Nella riga 159 digitare il percorso della cartella Flight_scripts ed eseguire lo script. Se lo script viene eseguito correttamente, genera file nella cartella standardized_files nella directory Flight_scripts.
      NOTA: tutti i file devono iniziare con 'standardized_' e terminare con il nome del file originale.
    4. Controlla la qualità delle registrazioni: Aprire il trough_diagnostic.png generato dal standardize_troughs.py che si trova nella cartella Flight_scripts. Assicurarsi che tutti i record siano robusti alle variazioni del valore di tensione minima e massima dell'intervallo medio di standardizzazione.
      NOTA: le registrazioni possono avere molto rumore o avere depressioni eccessivamente sensibili se mostrano grandi diminuzioni nel numero di depressioni identificate quando vengono aumentati i valori di deviazione minima e massima. È inoltre possibile codificare, eseguire e tracciare ulteriori diagnostica per il fattore di normalizzazione min-max. Un metodo alternativo per controllare la qualità della registrazione è descritto nei passaggi 2.3.1. e 2.3.2. dell'articolo Attisano et al. 201513.
    5. Valutare la diagnostica, decommentare la linea 198 e specificare i valori di deviazione minima e massima, che definiscono i valori minimi e massimi intorno alla tensione media utilizzata per eseguire la standardizzazione per tutti i file. Il valore predefinito è 0,1 V per ogni valore di deviazione.
      NOTA: nella riga 53, l'utente può anche specificare la soglia del fattore di normalizzazione min-max per identificare una tensione molto al di sotto del valore di soglia.
    6. Commentare la riga 189 dopo aver immesso i valori di deviazione e quindi eseguire lo script. Lo script eseguirà le standardizzazioni in modo efficiente per tutti i file (quasi 25 volte più veloce).
  3. Analizza la traccia di volo utilizzando il file standardizzato.
    1. Apri l'icona flight_analysis.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    2. Nelle righe 76-78, modificare la correzione della velocità opzionale che sopprime le rotazioni aggiuntive del braccio del mulino dopo che un insetto smette di volare. Determinare questo valore di soglia con cautela quando si lavora con insetti volanti lenti.
    3. Nella riga 121, modificare le soglie di velocità per correggere le letture false della velocità, ad esempio velocità estremamente elevate o velocità negative. Nella riga 130, modificare il valore dell'intervallo di tempo per filtrare gli intervalli lunghi che si verificano tra due periodi di volo ininterrotti consecutivi.
    4. Nella riga 350 digitare il percorso della cartella in cui vengono salvati i file standardizzati *.txt.
    5. Nella riga 353, inserire la lunghezza del raggio del braccio utilizzata durante le prove, che definisce la traiettoria di volo circolare volata per giro dall'insetto.
    6. Identificare le unità SI di distanza e tempo come stringhe rispettivamente nelle righe 357 e 358.
    7. Nelle righe 388-397, utilizzare la funzione split() per estrarre, come minimo, il numero di identificazione dell'insetto e il numero impostato e la camera in cui l'insetto è volato dal nome del file. Lo script segue l'esempio completo del nome file "standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt". Se necessario, semplificare questo nome di file come suggerito nel passaggio 2.2.6. e commentare o eliminare variabili come il tipo di prova sulle righe 392 e 401, se non utilizzate.
    8. Specificare tutte le impostazioni utente, salvare ed eseguire lo script. Se l'esecuzione dello script ha esito positivo, stampa il numero ID corrispondente dell'insetto, la camera e le statistiche di volo calcolate nella shell Python. Inoltre, genera un file di flight_stats_summary.csv composto dalle informazioni stampate nella shell Python e salva il file .csv nella cartella dati della directory Flight_scripts.

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Risultati

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

I dati di volo sono stati ottenuti sperimentalmente durante l'inverno 2020 utilizzando J. haematoloma raccolto dal campo dalla Florida come insetti modello (Bernat, A. V. e Cenzer, M. L. , 2020, dati non pubblicati). Prove di volo rappresentative sono state condotte presso il Dipartimento di Ecologia ed Evoluzione dell'Università di Chicago, come mostrato di seguito in Figura 6, Figura 7, Figura 8e Figu...

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Discussione

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

Il semplice e moderno mulino di volo offre una serie di vantaggi per i ricercatori interessati a studiare il volo degli insetti legati fornendo un design affidabile e automatizzato che testa più insetti in modo efficiente ed economico13,31,35. Allo stesso modo, vi è un forte incentivo per i ricercatori ad adottare tecnologie e tecniche in rapida crescita dall'industria e da altri campi scientifici come mezzo per costruire strume...

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Dichiarazioni

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

L'autore non ha nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Vorrei ringraziare Meredith Cenzer per aver acquistato tutti i materiali del mulino di volo e aver fornito un feedback continuo dalla costruzione alla stesura del progetto. Ringrazio anche Ana Silberg per il suo contributo a standardize_troughs.py. Infine, ringrazio il Media Arts, Data and Design Center (MADD) dell'Università di Chicago per il permesso di utilizzare gratuitamente le attrezzature, la tecnologia e le forniture del suo makerspace comune.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
180  Ω ResistoreE-Projects10EP514180RFilm di carbonio; cavo rigido calibro 24.
Microgruppo di tubi in acciaio ipodermico non magnetico calibro 19304H19RW 
2,2 kΩ ResistoreAdafruit2782Film di carbonio; piombo rigido calibro 24.
Stampante 3DFlashForge700355100638
Stampante 3D FilamentoFlashForge700355100638Diametro 1,75 mm; 1kg/rotolo.
Software di affettatura per stampa 3DFlashPrint4.4.0
Fogli di plastica acrilicaBlick Art Supplies28945-1006
Target in foglio di alluminio253-01-0860
Alimentatore per breadboardHandsOn TechMDU1025Può accettare un ingresso da 6,5 V a 12 V e può produrre 3,3 V e 5 V.
DI-1100 USB Data LoggerDATAQ InstrumentsDI-1100Dispone di 4 ingressi analogici corazzati differenziali.
Cavi elettriciStrivedayB077HWS5XVfilo pieno calibro 24.
Perni entomologiciBioQuip1208S2Misura 2; diametro 0,45 mm.
Filtrato 20 uL Pipetta TipFisher Scientific21-402-550
Pistola per colla a caldo con colla a caldoJoann Fabrics17366956
IR SensorAdafruit2167Questo è il  3 mm IR  Versione; lavora fino a 25 cm.
Tubo in vinile trasparente grandeHome DepotT10007008Diametro interno 3/8 pollici; diametro esterno 1/2 pollici; lunghezza 20 piedi.
Magneti grandiBuntingEP654Neodimio N42 a basso attrito; diametro 0,394 pollici; lunghezza 0,157 pollici; forza di tenuta 4,9 libbre.
Taglio laser Sistemi laser universali PLS6.75
Dado esagonale M5Home Depot204274112Passo filettatura 0,8 mm; lunghezza vite 20 mm; diametro 5 mm.
Viti in ferro lunghe M5Home Depot204283784testa cilindrica Philips; passo filettatura 0,8 mm; lunghezza vite 20 mm; diametro 5 mm.
Viti in ferro corte M5Home Depot203540129testa cilindrica Philips; passo filettatura 0,8 mm; lunghezza vite 10 mm; diametro 5 mm.
Neoprene foglio di gommaGrainger60DC16Lunghezza 12 in; larghezza 12 in; profondità 1/8in.
Software di modellazione 3D onlineAutodesk2019_10_14Tinkercad.com offre un account gratuito.
Adattatore di alimentazioneAdafruit639 VDC 1000mA commutazione regolata; tensione di ingresso DC 3.3V 5V.
Piccolo Tubo In Vinile Trasparente HomeDepotT10007005Diametro interno 1/4 di pollice; diametro esterno 3/8 di pollice; 20 piedi di lunghezza.
Piccoli magnetiBuntingN42P120060Neodimio N42 a basso attrito; diametro 0,120 pollici; lunghezza 0,060 pollici; forza di tenuta 0,5 libbre.
Breadboard MB-102 senza saldatura Adafruit239830 punti di fissaggio; lunghezza 17 cm; larghezza 5,5 cm; tensione di ingresso, DC 3,3 V 5 V.
Finiture sofisticate Ferro Metallico SurfacerBlick Art Supplies27105-2584
TronchesiTarget 84-031W

Riferimenti

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