Summary
このプロトコルは、より柔軟なフライトミル設計を作成するために、メーカースペースに見られる3次元(3D)プリンタとレーザーカッターを使用しています。この技術を使用することで、研究者は、つながれた昆虫飛行研究のために飛行工場を建設する際に、コストを削減し、設計の柔軟性を高め、再現可能な作業を生成することができます。
Abstract
メーカースペースは、研究者が新しい技術を開発し、生態学的研究で新しい種と協力することを可能にする高い可能性を秘めています。このプロトコルは、比較的低コストでより汎用性の高いフライトミルを構築するために、メーカースペースに見られる技術を活用する方法を示しています。この研究は、過去10年間に構築されたフライトミルからプロトタイプを抽出したことを考えると、このプロトコルは、シンプルで近代的な飛行工場から作られた発散を概説することに焦点を当てています。これまでの研究では、飛行ミルが速度、距離、周期などの飛行パラメータを測定するのにどれほど有利であるかがすでに示されています。このような工場は、研究者が形態学的、生理学的、または遺伝的要因とこれらのパラメータを関連付けることを可能にしました。これらの利点に加えて、この研究は、より柔軟で頑丈で折りたたみ可能なフライトミル設計を構築するために、3Dプリンタやレーザーカッターなどのメーカースペースでこの技術を使用することの利点について議論します。最も顕著なのは、この設計の3Dプリントされた部品はユーザーが調節可能なミル腕および赤外線(IR)センサーの高さを作ることによってさまざまなサイズの昆虫をテストすることを可能にする。3Dプリントはまたユーザーが容易に現場への迅速な貯蔵または輸送のための機械を分解することを可能にする。さらに、この研究は、最小限のストレスで昆虫をテザーするために磁石と磁気塗料をより活用しています。最後に、このプロトコルは、単一の記録内で区別可能な飛行試験を効率的に分離し、分析するコンピュータスクリプトを通じて飛行データの多目的な分析を詳述します。より多くの労力を要するが、メーカースペースやオンライン3Dモデリングプログラムで利用可能なツールを適用することは、学際的かつプロセス指向の実践を促進し、研究者が狭く調整可能な寸法で高価な、前作りの製品を避けるのに役立ちます。このプロトコルは、メーカー空間における技術の柔軟性と再現性を活用することで、創造的なフライトミル設計を促進し、オープンサイエンスを刺激します。
Introduction
昆虫の分散がいかに難しいかを考えると、飛行工場は昆虫の動き方という重要な生態学的現象に対処するための一般的な実験室ツールとなっています。その結果、フライトミル1、2、3、4のパイオニアが60年にわたるフライトミルの設計と建設を導いて以来、技術が改善され、科学コミュニティに統合されるにつれて、顕著な設計シフトがありました。時間が経つにつれて、自動データ収集ソフトウェアは、チャートレコーダーを置き換え、フライトミルアームはガラス棒からカーボンロッドとスチールチューブ5に移行しました。過去10年間だけでも、磁気ベアリングはテフロンまたはガラスベアリングを最適な摩擦のないものに置き換え、飛行ミル機械と汎用性の高い技術のペアは、オーディオ、ビジュアル、レイヤーファブリケーション技術が研究者のワークフローにますます統合されるにつれて増殖しています。これらの組み合わせには、翼空気力学6を測定する高速ビデオカメラ、聴覚飛行応答7を研究するための感覚的手がかりを模倣するデジタルアナログボード、および飛行中の翼の変形を追跡するためのキャリブレーションリグを作るための3Dプリンティングが含まれています。近年、メーカースペース、特に知識豊富なスタッフ9が運営するデジタルメディアセンターを持つ機関での新たな技術の台頭に伴い、より広い範囲の昆虫をテストし、デバイスを現場に輸送するために飛行工場を強化する可能性が高まっています。研究者が学問的な境界を越え、生産ベースの作業9、10、11、12を通じて技術的な学習を加速する可能性も高い。ここで発表されたフライトミル(Attisanoと同僚13から適応)は、メーカースペースに見られる新しい技術を利用して1だけでなく、スケールと寸法が目の前のプロジェクトに微調整されているフライトミルコンポーネントを作成しますが、2) 高予算やコンピュータ支援設計(CAD)に専門的な知識を要求することなく、レーザー切断と3D印刷のアクセス可能なプロトコルを研究者に提供します。
新しい技術と方法をフライトミルと組み合じる利点は大きいですが、フライトミルも貴重なスタンドアロンマシンです。フライトミルは昆虫の飛行性能を測定し、飛行速度、距離、または周期性が温度、相対湿度、季節、宿主植物、体重、形態形質、年齢、生殖活動などの環境または生態学的要因にどのように関連しているかを判断するために使用されます。アクログラフ、トレッドミル、風洞や屋内アリーナ14での飛行運動のビデオ記録のような代替方法とは異なり、飛行ミルは、実験室の条件下で様々な飛行性能統計を収集する能力のために注目される。これは、生態学者が飛行分散に関する重要な質問に対処するのに役立ち、それは彼らの規律の進歩を助ける - それは統合された害虫管理15、16、17、人口動態、遺伝学、生物地理学、生命史戦略18、またはフェロツの可塑性19、20、21、22.一方、高速カメラやアクトグラフのようなデバイスは、厳密で複雑で高価なセットアップを必要としますが、ウィングビート周波数や昆虫光相活動23、24などのより微調整された動きパラメータを導くことができます。したがって、ここで提示されるフライトミルは、研究者が飛行行動を調査するための柔軟で手頃な価格でカスタマイズ可能なオプションとして機能します。
同様に、新しい技術を生態学者のワークフローに統合するインセンティブは、分散研究に関する疑問やアプローチがより創造的で複雑になるにつれて上昇し続けています。技術革新を促進する場所として、メーカースペースは、専門知識の複数のレベルを引き出し、新しい技術的なスキルを習得するために、任意の年齢のユーザーのための低学習曲線を提供します10,12.メーカー空間とオンラインオープンソースを通じて、プロトタイピング科学デバイスの反復的かつ協調的な性質は、理論11の適用を加速し、生態学的科学における製品開発を促進することができます。さらに、科学ツールの再現性を高めることは、より広範なデータ収集とオープンサイエンスを促進します。これは、研究者が分散を測定するための機器や方法を標準化するのに役立ちます。ツールを標準化することで、生態学者は、分散カーネル25またはソースシンクコロニー形成ダイナミクス26から発達するメタ母集団モデルをテストするために、集団全体の分散データを統一することがさらに可能になる。医学界が患者ケアと解剖学教育27に3Dプリンティングを採用しているのと同様に、生態学者はレーザーカッターと3Dプリンタを使用して生態学的ツールと教育を再設計することができ、この研究の範囲内で、着陸プラットフォームや垂直に移動できるフライトミルアームなどの追加のフライトミルコンポーネントを設計することができます。さらに、Makerspace技術が提供するカスタマイズ、費用対効果、生産性の向上は、独自のツールやデバイスを開発しようとする研究者にとって比較的低い障壁を持つ分散プロジェクトを立ち上げる手助けとなります。
この飛行ミルを構成するために、メーカーが考慮できる機械的および器械的な制限もあります。磁石と3Dプリントされた機能強化により、クロスブラケットの構築を除いて、フライトミルは本質的に接着剤がなく、異なるサイズの昆虫に対応できます。しかし、昆虫の質量と強度が増加するにつれて、昆虫はつながれながら自分自身を取り外す可能性が高くなる可能性があります。強い磁石は増加したトーショナルドラッグを犠牲にして使用することができ、またはボールベアリングは、数グラム28、29の重量を量る昆虫を飛行試験するための堅牢なソリューションとして磁気ベアリングを置き換えることができます。それにもかかわらず、ボールベアリングは、主に高速および高温で長時間実験を行うとボールベアリングの潤滑を劣化させ、摩擦30を増加させるといういくつかの問題を提示することができる。したがって、ユーザーは、どのフライトミルのメカニックが研究と実験設計の昆虫に最も適するかを識別する必要があります。
同様に、このペーパーの考慮事項を超えたフライトミルを計測する方法はいくつかあります。ここで紹介するフライトミルでは、IRセンサーを使用して回転を検出し、WinDAQソフトウェアで回転を記録し、生データを処理するプログラミングスクリプトを使用しています。使い方は簡単ですが、WinDAQソフトウェアには限られたツールがあります。ユーザは対応するチャネルにコメントを付けることができず、回線のコンポーネントに障害が発生した場合は警告を受けられません。これらのケースは、コードを通じて検出して修正することによって、データ収集後にのみ解決されます。あるいは、ユーザーはカスタマイズ可能なデータ収集機能28 を提供する複数のソフトウェアを採用するか、またはバイクのmilometers29のような直接の速度と距離の統計を取るセンサーを採用することができます。ただし、これらの代替手段は、貴重な生データをバイパスしたり、あまりにも多くのソフトウェアアプリケーションで機能を拡散したりして、データ処理を非効率的にする可能性があります。最終的には、このプロトコルは、フライトミル計測器を改造するのではなく、現在のソフトウェアの制限に対する堅牢なプログラミングソリューションを提供します。
本論文では、研究者の分散研究を支援し、行動生態学の分野における新たな技術の組み込みを促進するために、強化された簡単な飛行ミルの設計を説明する。この飛行ミルはインキュベーターの制約の範囲内に収まり、最大8つの昆虫を同時に収容し、データ収集と処理を自動化します。特に、その3Dプリントされた機能強化により、ユーザーはミルアームとIRセンサーの高さを調整して、さまざまなサイズの昆虫をテストし、迅速な保管や輸送のためにデバイスを分解することができます。共同メーカースペースへの制度的なアクセスのおかげで、すべての機能強化は無料で、シンプルで近代的なフライトミルと比較して追加コストは発生しません。必要なソフトウェアはすべて無料で、電子回路はシンプルで、実験計画の特定のニーズに合わせてすべてのスクリプトを変更できます。さらに、コード化された診断により、ユーザーは録音の完全性と精度を確認できます。最後に、このプロトコルは、昆虫をミルアームに磁気的に塗装し、テザリングすることによって、昆虫が持続するストレスを最小限に抑えます。シンプルなフライトミルの組み立てはすでにアクセス可能で、手頃な価格で柔軟であり、Makerspace技術を使用してシンプルなフライトミルを強化することで、研究者に独自の飛行研究ニーズを克服するスペースを与えることができ、この論文の考慮事項を超えた創造的なフライトミル設計を刺激することができます。
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Protocol
1. メーカースペースでフライトミルを構築する
- レーザーカットとアクリルプラスチックサポート構造を組み立てます。
- 8(304.8 mm x 609.6 mm x 3.175 mm)厚い透明なアクリルシートを使用して、アクリルプラスチック支持構造を構築します。材料は、アクリルに似ているが、レーザーの下でカットを取得する代わりに溶融するポリカーボネートではないことを確認してください。
- メーカースペースでレーザーカッターを探します。このプロトコルは、Makerspace に 「材料表」で参照されているレーザーカッターがあることを前提としています。他のレーザーカッターの場合は、レーザーカッターの設定を読んで、レーザカットまたは彫刻(ラスタ化しない)ファイルラインを設定するために必要な線の色または太さを決定します。
- Adobe イラストレーター、インクスケープ (無料)、または別のベクターグラフィックスエディタを開きます。 図 1に示す前述の行を使用して、アクリルサポートデザインをベクター形式で読み取るファイルを準備します。RGB レッド (255, 0, 0) がラインをカットし、RGB ブルー (0, 0, 255) がラインをエッチングする 0.0001 ポイントの、赤、緑、青 (RGB) モードの Adobe Illustrator でファイル行を作成します。
- 予防措置として、すべてのスリットおよび穴の測定のためのカーフをテストし、説明する。kerf キーを設計およびテストします (補足図 1)。
注: カーフ幅は、レーザーカッターのビーム幅、材料の幅、使用する材料タイプによって異なります。 - アクリルサポートデザインとカーフキーを、.ai、.dxf、.svgファイルなどの読み取り可能なファイルタイプとして保存します。ジョブをレーザーカッターに送信するには、レーザーカッターのローカルマシンでファイルを印刷し、レーザーソフトウェアを開きます。
メモ:正しく印刷すると、デザイン内のすべてのベクトル切断線がレーザーソフトウェアのコントロールパネルに適切な色で表示されます。 - 材料を プラスチック として選択し、次に材料タイプを アクリルとして選択します。精度を高めるには、キャリパーで材料の厚さを測定し、その厚さを材料の厚さフィールドに入力します。マテリアルの焦点の Z 軸を自動有効にします。 [図の種類] を [なし] に設定し、[ 強度 ] は 0%のままにします。レーザーの割合パワーや%スピードなど、レーザーカッターの高度なメトリックを変更するには、kerf キーを使用してテストします。
注: 経験則は、材料が厚いほど、より低い速度でより多くの電力が必要とされるということです。 - 切断する前に、レーザーカッターの電源投入、使用、保守に関するメーカースペースのガイドラインに従ってください。プリンターのキャビティに材料を配置し、アクリルのサポートをカットします。
注:目の損傷を防ぐために、レーザーを見たり、切断中にアクリルシートを放置しないでください。 - プリンタの空洞から余分な材料を洗浄し、支持構造を組み立てます。 図 2Aにラベル付けされた外側の垂直壁と中央垂直壁の開いたスリットに各水平棚を挿入して組み立てる。水平棚の間の穴が揃っていることを確認します。
- プラスチックサポートを3Dプリント。
- Web ブラウザーを開き、オンラインの 3D モデリング プログラムでアカウントを作成します。無料アカウントオプション については、資料表 を参照してください。
- [3D デザイン]をクリック>新しいデザインを作成します。図 3に示すように、このスタディの正確な 3D プリント デザインを再現するには、アーカイブ3D_Prints.zip (補足 3D プリント) をダウンロードし、フォルダをデスクトップに移動します。解凍してフォルダを開きます。オンライン 3D モデリング プログラムのワークプレーン Web ページで、右上隅にある[インポート] をクリックし、.stl ファイルを選択します。
注: 3D プリンタのビルド領域の境界内でオブジェクトを拘束している限り、複数の設計複製またはオブジェクトを作業平面に埋め込み、単一の .stl ファイルとして保存できます。3Dプリンタが印刷できる最大のオブジェクトは、長さ140mm×幅140mm×深さ140mmです。ただし、ビルド領域上のオブジェクトの数を最大化する手段として、オブジェクトを Z 軸に沿って回転させないでください。ダウンロードされたオブジェクトはオーバーハングを最小限に抑えるように配置されているため、必要最小限のサポートで最適に印刷できるからです。 - デザインを自己作成または調整するには、Web サイトのチュートリアルに従って編集を行い、新しいデザインを .stl ファイルとしてエクスポートします。合計で、 8リニアガイドレール(100.05 mm長さx 23.50 mm幅x 7.00 mm深さ)、16リニアガイドレールブロック(22.08mm長さx 11.47 mm幅x 12.47 mm深さ) 12~20本のネジ(長さ9.00mm×7.60mm幅×13.00mmの深さ)、15個のクロスブラケット(長さ50.00mm×50.00mm幅×20.00mmの深さ) 16マグネットホルダー(12.75 mm長さx 12.50 mm幅x 15.75 mm深さ)、16チューブサポート(29.22mm長さx 29.19 mm幅x 11.00 mm深さ)、16短リニアガイドレールサポート(16 40.00 mm の長さ x 11.00 mm 幅 x 13.00 mm 深さ)、および 16 長いリニア ガイド レール サポート (40.00 mm 長さ x 16.00 mm 幅 x 13.00 mm 深さ) を 3D 印刷する必要があります。各線形ガイドレール設計のミラーを取得するには、オブジェクトをクリックし 、Mキーを押して、オブジェクトの幅に対応する矢印を選択します。
注: ステップ 1.3.6 を参照してください。リニアガイドレールペグの詳細については、 - 3D印刷スライスソフトウェアをダウンロードしてインストールし、.stlファイルを3Dプリンタの読み取り可能な.gxファイルに変換します。フリーソフトウェアプログラムをダウンロードするには、 資料表 を参照してください。
注 : 他の変換ソフトウェア プログラムは受け入れ可能ですが、このプロトコルは、Makerspace が 3D プリンタを使用し、 材料表で参照されている印刷スライス ソフトウェアを使用していることを前提としています。 - 3D 印刷スライスソフトウェアのアイコンをダブルクリックして、ソフトウェアを起動します。[>マシンタイプを印刷]をクリックし、メーカースペースにある3Dプリンタを選択します。
- [ 読み込み ]アイコンをクリックして.stlモデルファイルをロードし、ビルド領域にオブジェクトを表示します。
- オブジェクトを選択し、 移動 アイコンをダブルクリックします。[ プラットフォーム上] をクリックして、モデルがプラットフォーム上にあることを確認します。[ 中央] をクリックしてオブジェクトをビルド領域の中央に配置するか、マウス ポインタを使用してオブジェクトをドラッグしてオブジェクトをビルド領域に配置します。
- 印刷アイコンをクリックします。材料タイプがPLAに設定され、サポートおよびいかだが有効になり、解像度が標準に設定され、押出機の温度が3Dプリンタガイドで推奨される温度と一致していることを確認します。温度は、その他のオプション>>温度内で変更できます。
- USB ケーブルを使用して 3D プリンターにファイルを転送できない場合は、[OK] をクリックし、3D_Prints フォルダーまたは USB スティックに.gxファイルを保存します。
- メーカースペースの3Dプリント機を探します。押出機を調整し、印刷に十分なフィラメントがあることを確認します。3Dプリンタに.gxファイルを転送し、プラスチックサポートと機能強化のすべてのタイプと量を印刷します。各印刷物について、フィラメントがプレートに正しく貼り付いているか確認してください。
- アクリル支持構造に3Dプリントを組み立てます。
- すべてのサポートをその場で視覚化するには、 図 2Bを参照してください。
- 十字ブラケットの内壁に3.175 mm厚いネオプレンシートを熱く接着します。乾いた場合は、アクリル棚の接合部にクロスブラケットを挿入し、デバイスの背面にある壁を挿入して飛行ミルを安定させます。
- 可能な限り、3Dプリントされたネジを使用して、鉄ねじの磁気的影響を最小限に抑えます。チューブ内のねじは、各セルの底部と上部に支えます。上部と下部のチューブのサポートが揃っていることを確認します。
- 長さ30mmのプラスチックチューブ(内径(ID)9.525mm、外径(OD)12.7mm)を上部チューブサポートに挿入し、長さ15mmのプラスチックチューブ(ID 9.525 mm)を挿入します。OD 12.7 mm)を各セルの底管支持に。その後、長さ40mmのプラスチックチューブ(ID 6.35 mm;;OD 9.525 mm) を上部チューブと長さ 20 mm のプラスチックチューブ (ID 6.35 mm;OD 9.525 mm) を下部チューブに入ります。チューブ間にチューブを所定の位置に保持するのに十分な強い摩擦があることを確認しますが、引っ張っても内側のチューブが引っ張られたまま上下にスライドできることはそれほど多くはありません。チューブがゆがんだ場合は、沸騰した水の中に1分間チューブのセグメントを沈めます。タオルでチューブをまっすぐにし、室温に達してからチューブを挿入します。
- 2つの低摩擦ネオジム磁石(直径10mm、長さ4mm、保持力2.22kg)を各磁石支持体に入れる。磁石の各ペアが互いに反発していることを確認します。そして、磁石と磁石の支持に作用する重力が内側の管から支持を外すほど強くないように、各マグネット支持にインナーチューブをしっかりと取り付けます。
- 同じ方向に向き合って、2 つのリニア ガイド レール ブロックをリニア ガイド レールにスライドさせます。リニアガイドレールとブロックを外側の垂直壁の窓に直立して取り付けます。ブロック開口部が上向きであることを確認します。1 つのリニア ガイド レールを固定するには、2 つの短いリニア ガイド レール サポート、2 つの長いリニア ガイド レール サポート、4 つの 10 mm 長い鉄ネジ (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径)、2 本の長い鉄ねじ (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径) 、および 2 つの六六ナット (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径) を使用します。 図2C は、リニアガイドレールの完全な組み立てを示しています。
メモ:リニアガイドレールのオープンスロットは、リニアガイドレールがブロックの繰り返しスライドによって侵食された場合にのみ使用されます。その場合は、3D_Printsフォルダにある小さなT字型のペグを3Dプリントします。
- ピボットアームを構築します。
注: サブセクション 1.4.1 および 1.4.2 は、サブセクション 1.2.2 と同等です。および 1.2.3.Attisanoら で 2015 メソッド紙13.- 20 μL フィルターのピペットチップのフィルターを、その中心点で、浸透ピンを使用して穿刺します。次に、ピペットチップの本体からピンの鋼端が突き出るまでピペットチップを通してピンを押します。ピペットチップのフィルターがピンを所定の位置に固定していることを確認します。ピンは、フライトミルアームの軸として機能します。
- 細胞空間を最大にするために、19Gの非磁性皮下鋼管を24cm(飛行セルの幅より1cm小さい)に切る。ステップ1.4.1から突き出たピンとピペットチップのクラウンを熱く接着します。チューブの中間点にします。チューブの一方の端を端から95°の角度まで2cmで曲げます。
注:細胞空間を最大化するのではなく、昆虫のサイズを優先するには、小さな昆虫や弱いチラシの場合は、アームの半径を短くしてください。より大きな昆虫や強いチラシのために中心アクリル壁を取り外した場合、より長い飛行アームを組み立てることもできます。さらに、腕の曲がった結末は自然な飛行のオリエンテーションで昆虫を位置づけるために異なった角度を支えることができる。 - 磁気懸濁液をテストするには、磁石の上部セットの間にアームを置きます。回転アームが垂直に吊り下げられたピンの周りを自由に回転するようにします。
- ピボットアームの曲がった端に2つの低摩擦ネオジム磁石(直径3.05mm、長さ1.58mm、0.23kg保持力)を接着し、磁気塗装された昆虫を飛行用に接着します(磁石付き飛行ミルアームの質量= 1.4g)。ピボットアームの曲がった端に、アルミ箔(面積あたりの質量 = 0.01 g/cm2)をラップしてフラグを作成します。フォイルフラグは、カウンターウェイトとして機能し、その高反射特性のために、それは最適に受信機にIRセンサトランスミッタから送信されたIRビームを破る。
注:IRビームの直径は最高で2.4mmなので、ホイルフラグの最適な最小幅は3mmです。3 mmのホイルフラグ幅で、センサーのエミッタレンズの前でIR光のビームを破るように配置すると、解析中に検出可能な電圧の低下が生じるでしょう。
- IR センサーとデータ ロガーをセットアップします。
- IRセンサー送信機を、ビームのエミッタを下向きにした上部リニアガイドレールブロックの内側に置きます。次に、IRセンサー受信機を底面ブロック内に上向きに配置します。
注:センサー(20 mmの長さx 10 mm幅x 8 mmの深さ)は250 mmの距離まで分離することができ、まだ機能します。したがって、それらは約100 mmの線形ガイドレールの端部に置かれたときでさえ機能する。 - 図4Aの電子回路に示すように、はんだレスブレッドボード上で、IRセンサトランスミッタと受信機を4チャンネルアナログ入力データロガーに直列に接続します。180 Ω抵抗に続いて、(受信機ではなく)IRセンサー送信機を最初に接続します。IR受信機接続の出力の前に、別の2.2 kΩ抵抗を置きます。各チャンネルの電子回路をブレッドボードに沿って交互に構成し、記録中に複数のセンサからの電圧信号のノイズを最小限に抑えます(図4B)。
- IRセンサー送信機を、ビームのエミッタを下向きにした上部リニアガイドレールブロックの内側に置きます。次に、IRセンサー受信機を底面ブロック内に上向きに配置します。
2. 飛行試験の実施
- 磁気的に飛行ミルアームに昆虫をテザー。
- 昆虫にかかるストレスを最小限に抑えるには、爪楊枝または細かい精密アプリケーター(20G先端)を使用して昆虫の原型に磁気塗料を塗布します。塗料を少なくとも10分間乾燥させます。乾いたら、昆虫をフライトミルアームマグネットに取り付けます。異なるサイズの昆虫を磁気的に塗装し、テザリングする例については、図5 を参照してください。このプロトコルは、飛行テザリングおよび試験実験のためのモデル昆虫として ジェイデラヘマトロマ(ソープベリーバグ)を使用しています。
注:昆虫と腕の磁石の間のより強い引力のために、磁気塗料の複数の層を適用します。さらに、飛行ミルアームの端に取り付けられた磁石を、昆虫の視野、質量、翼の範囲に最も適した磁石サイズに交換します。 - 飛行工場で一度に8つまでの昆虫を飛びます。1回の記録セッション中に複数の昆虫を順番にテストするために、少なくとも16個の昆虫をペイントする。
- 試験後に磁気塗料を取り除くために、塗料を細かい鉗子で切り落とし、環境保護庁(EPA)と労働安全衛生局(OSHA)の規制に従って処分します。
- 昆虫にかかるストレスを最小限に抑えるには、爪楊枝または細かい精密アプリケーター(20G先端)を使用して昆虫の原型に磁気塗料を塗布します。塗料を少なくとも10分間乾燥させます。乾いたら、昆虫をフライトミルアームマグネットに取り付けます。異なるサイズの昆虫を磁気的に塗装し、テザリングする例については、図5 を参照してください。このプロトコルは、飛行テザリングおよび試験実験のためのモデル昆虫として ジェイデラヘマトロマ(ソープベリーバグ)を使用しています。
- WinDAQのイベントマーカーコメントツールを使用して、記録セッションを終了することなく、複数の昆虫を連続して記録します。
- 無料のWinDAQデータ記録および再生ソフトウェアをダウンロードしてインストールします。
- デスクトップにFlight_scriptsという新しいフォルダを作成します。Flight_scriptsフォルダ内に、data 、files2split、録音、split_files、およびstandardized_filesの 5 つの新しいフォルダを作成します。データシート.xlsx (補足ファイル 1) をダウンロードし、ファイルをFlight_scriptsディレクトリのデータ フォルダにドラッグします。
- データシートを 手動 で.xlsxデータ記録テンプレートとして使用します。バグの識別番号、バグがテストされる前に死んだかどうか、記録セット番号、チャネル文字とチャンネル番号で構成されるチャンバー(例えば、「A-1」、'B-4')の4つの列が必要です。チャンバ構成の可能性のある 1 つについては、図 2A を参照してください。
- WinDAQ ダッシュボードを開き、チェックボックスリストからデータロガーを選択し、「Windaq ソフトウェアの開始」を押します。選択したデータロガーごとに新しいウィンドウが開き、各センサからの入力信号が表示されます。
- サンプリングレートを定義するには、[ サンプルレートの編集] をクリックして[サンプルレート>]をクリックします。サンプリング周波数として「サンプルレート/チャネル」ボックスに「100サンプル/秒」と入力し 、OKを押します。
注:このプロトコルは、IRセンサビームを中断するフラグに起因する電圧の低下であるトラフは、1.7 m/sの速度で0.36 Vの最小電圧降下に達するため、100 S/sを示唆しています。さらに、0.10 Vの最大電圧降下を持つノイズは、実際のトラフをフィルタリングすることなく、標準化中にフィルタリングすることができます。さらに、サンプルレートが100 S/sで、ユーザーは記録中および記録後に画面上の波形のトラフを見ることを容易にします。録音中にエラーが発生した場合、ユーザーはエラーやノイズからトラフをすばやく識別できます。いくつかの低サンプリング周波数間の比較については 、補足図 2を参照してください。 - 新しい記録セッションを開始するには、 ファイル > レコードを押します。最初のポップアップ ウィンドウで記録ファイルの場所を選択します。ファイル名を慎重に記述します。ファイル名には、少なくとも、記録セット番号とチャンネル文字が含まれています。Python スクリプトでモデル化されたファイル名の例は、次の例です: T1_set006-2-24-2020-B.txt。詳細については 、Flight_scripts フォルダから78~87行split_files.py参照してください。次に 、[OK] をクリックします。
- 次のポップアップ ウィンドウで、予想されるフライト記録の長さを入力します。昆虫が飛行を開始する位置にある場合は 、[OK]を押します 。記録時間が経過したら 、Ctrl-S キーを押してファイルをファイナライズします。録音を早く終了する必要がない限り 、Ctrl-S を押してはなりません。
注: Ctrl+S キーを押すか、前述の長さを入力してファイルが早すぎる場合は、[ ファイル > レコード] をクリックして既存のファイルに新しい 記録を追加します。追加するファイルを選択し、次のポップアップ ウィンドウで [はい ] をクリックします。 - 記録中にテストされた昆虫を引き出すときに、その選択したチャンバーに入ってくる昆虫のコメントされたイベントマーカーを挿入する。昆虫を入れ替える前に、常に手動で入ってくる昆虫の ID、チャンバー、記録 セットをデータシートに記録.xlsx。
- イベント マーカーのコメントを作成するには、チャンネル番号をクリックします。次に、[ 編集 ] をクリック> コメント付きマークを挿入します。チャンバーに入る新しい昆虫の識別番号でコメントを定義します。 OKを 押して、昆虫をチャンバーに積み込みます。
- イベント マーカーのコメントを視覚化し、WDH から TXT にファイルを変換します。
- WDH ファイルを開きます。[圧縮の編集] >行ってイベント マーカーのコメントを視覚化します。をクリックし、[最大]ボタンをクリックして波形を1つのウィンドウに完全に圧縮します(図6A)。
- 記録に異常がないか確認します。
メモ: 図 6に、記録の異常または障害の種類を示します。これらは後で診断され、Python スクリプトで修正されます。 - [ファイル] > [名前を付けて保存] に進み、[ファイル] >.txt形式でファイルを保存します。ファイルを保存する場所として、Flight_scriptsディレクトリ内のレコーディング フォルダーを選択します。ポップアップウィンドウでスプレッドシート印刷(CSV)としてファイルタイプを選択し、最後に.txtファイル名を書き込みます。[保存 ]をクリックします。次のポップアップ ウィンドウで、[サンプルレート]、[相対時間]、[日付と時刻] を選択します。チャネル番号とイベント マーカーの間に「1」と入力します。他のすべてのオプションの選択を解除し、[OK]をクリックしてファイルを保存します。
3. フライトデータの分析
- イベント マーカー コメントでファイルを分割します。
- 最新バージョンの Python をインストールします。このプロトコルのすべてのスクリプトは、Python バージョン 3.8.0 で開発されました。
- 次の Python スクリプトをダウンロードします: split_files.py、 standardize_troughs.py、 および flight_analysis.py (補足コーディング ファイル) 。スクリプトを Flight_scripts フォルダに移動します。
- Python が最新であることを確認し、次のライブラリをインストールします: csv、os、sys、再、日時、時刻、数字、数学、および matplotlib。スクリプトの主な機能とデータ構造を確認するには、図 3 の 図表を参照してください。
- データシート.xlsxファイルを開き、Mac を実行している場合は、Windows またはMacintosh のコンマ区切りファイル形式をCSV UTF-8 (コンマ区切り) に変更してCSVとして保存します。
- 選択したテキスト エディタで split_files.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
- ユーザーが推奨テンプレートとは異なるファイル名を書いた場合は、133-135 行と 232-233 行を再コード化します ('T1_set006-2-24-2020-B.txt')。split() 関数を使用して異なるファイル名に対応するようにスクリプトを再コード化するには、116-131 行を参照してください。
- 行 266 で、Flight_scripts フォルダーへのパスを入力し、スクリプトを実行します。実行が成功すると、スクリプトは、Flight_scripts ディレクトリ内の split_files フォルダー内の各記録セットでテストされた各昆虫のファイルを .txt、files2split フォルダー内のマップされた昆虫 ID の中間.txt ファイルを生成します。
注: さらに、Python シェルでは、ユーザーは、ファイル名の印刷ステートメント、番号付きイベント マーカーで昆虫が入れ替わる、昆虫 ID によって新しいファイルに分割および生成されるファイルを確認する必要があります。
- 記録された信号のトラフを標準化して選択します。
- 選択したテキスト エディタで standardize_troughs.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
- 158 行目に、サンプリング周波数を入力します。
- 159 行目に、Flight_scripts フォルダーへのパスを入力し、スクリプトを実行します。スクリプトが正常に実行されると、Flight_scripts ディレクトリのstandardized_files フォルダーにファイルが生成されます。
注: すべてのファイルは、最初は 「standardized_」で始まり、元のファイル名で終わる必要があります。 -
録画の品質を確認します。Flight_scriptsフォルダにあるstandardize_troughs.pyによって生成されたtrough_diagnostic.pngを開きます。すべてのレコードが平均標準化間隔の最小および最大電圧値の変化に対して堅牢であることを確認します。
注: 録音は、最小および最大偏差値が増加したときに識別されるトラフの数が大幅に減少する場合、ノイズが多い場合や、過度に敏感なトラフを持つ可能性があります。最小最小正規化係数の追加診断をコード化、実行、およびプロットすることもできます。記録品質をチェックする別の方法は、ステップ 2.3.1 で説明されています。2.3.2.の Attisano ら 2015 メソッド紙13. - 診断を評価し、ライン198をコメント解除し、すべてのファイルの標準化を実行するために使用される平均電圧の周りの最小値と最大値を定義する最小および最大偏差値を指定します。デフォルトは、各偏差値に対して 0.1 V です。
注: 53 行目では、しきい値よりはるかに低い電圧を識別するために、最小最小正規化係数しきい値を指定することもできます。 - 偏差値を入力した後に 189 行目をコメントアウトし、スクリプトを実行します。スクリプトは、すべてのファイルに対して標準化を効率的に実行します(約25倍高速)。
- 標準化されたファイルを使用してフライトトラックを分析します。
- 選択したテキスト エディタで flight_analysis.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
- 76-78行目で、昆虫が飛行を停止した後にミルの腕の追加回転を抑制するオプションの速度補正を編集します。低速飛行昆虫を操作する場合は、このしきい値を慎重に決定します。
- 121 行目で、速度しきい値を編集して、速度の極端な速度や負の速度などの誤った速度の読み取り値を修正します。130 行目で、タイム ギャップ値を編集して、連続する 2 つの連続した連続した飛行中の間に発生する長いギャップを除外します。
- 行 350 に、*.txt標準化ファイルが保存されるフォルダーへのパスを入力します。
- 353行目に、試験中に使用されるアーム半径長さを入力し、昆虫が回転する回転ごとに飛行する円形飛行経路を定義する。
- 距離と時間の SI 単位を、それぞれ 357 行目と 358 行目の文字列として識別します。
- 行 388-397 では、split() 関数を使用して、少なくとも昆虫の識別番号と、昆虫がファイル名から飛んできたセット番号とチャンバを抽出します。このスクリプトは、'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'の包括的なファイル名の例に従います。必要に応じて、ステップ 2.2.6.で提案されているようにこのファイル名を単純化し、使用しない場合は、392 行目と 401 行目の試用タイプなどの変数をコメントアウトまたは削除します。
- すべてのユーザー設定を指定し、保存して、スクリプトを実行します。スクリプトの実行が成功すると、Python シェルで昆虫の対応する ID 番号、チャンバ、および計算されたフライト統計情報が出力されます。さらに、Python Shell で印刷された情報から構成されるflight_stats_summary.csvファイルを生成し、Flight_scriptsディレクトリのデータ フォルダーに.csvファイルを保存します。
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Representative Results
飛行データは、モデル昆虫としてフロリダから収集されたJ.ヘマトロマを使用して2020年冬の間に実験的に得られました(ベルナト、A.V.とチェンツァー、M.L.、2020年、未発表データ)。代表的な飛行試験は、シカゴ大学の生態進化学科で行われました。 飛行ミルは、28°C/27°C(昼/夜)、相対湿度70%、および14時間光/10時間の暗いサイクルに設定されたインキュベーター内に設置されました。各試行に対して、複数のバグの飛行トラックは、WinDAQソフトウェアによって100分の1秒ごとに最大24時間記録されました。予備試験の後、飛行行動は破裂飛行と連続飛行に分類された。バースターは一度に10分未満で散発的に飛び、連続したチラシは10分以上途切れることなく飛びました。30分の試験段階で連続飛行行動を示さなかった個人は、フライトミルから引き離され、イベントマーカーコメントの新しいバグとその付随するIDに置き換えられました。連続飛行を示すすべてのバグは、飛行が停止するまで30分を超えて飛行ミルに残った。バグは毎日午前8時から午後4時まで交換されました。図9に示すように、1日の記録中の個人の飛行試験は30分から11+hまで変化した。新しい個人の追加時にイベントマーカーを挿入することで、この複雑なデータ構造はPythonスクリプトを通じてうまく処理され、コードは効果的に実験の範囲を視覚化するのに役立ちます。提案された実験セットアップは、昆虫の完全な飛行能力をキャプチャします。ただし、飛行周期を観測する可能性を省略します。ユーザーは、さまざまなフライトメトリックに合わせてフライトトライアルを調整し、テストするフライトの動作や戦略を選択するオプションを選択できます。
画面上の波形と診断ヒートマップを使用すると、フライトトラックデータのギャップを特定したり、不整合を解消したりすることもできます。図 6A は、ノイズや中断のないすべてのチャネルでフライト データが正常に記録された一連の試行を示しています。また、記録中に行われたすべてのイベント マーカー コメントも表示されます。図6Bは、記録された信号がチャンネル3で消失した瞬間を示し、電圧を直ちに0Vに落とした。これは、開いたワイヤーの交差やワイヤーの緩みによる可能性があります。記録中に発生する可能性があるが、Python スクリプトで修正される特定のイベントもあります。これには、二重トラフ、ミラートラフ、および電圧ノイズ(図6C、D)が含まれます。これらの事象は誤ったトラフ測定値につながりますが、分析中に確実に特定して削除することができます。図 7は、3 つのデータ ファイルを比較して、標準化プロセス中に記録データ内のノイズまたは重要な谷がどのように診断されたかを示しています。最初の(図7A)は、フライトミルアームの各回転によって生成されたトラフが堅牢で、ファイルの平均電圧から大きく逸脱したファイルです。さらに、平均を中心に標準化間隔が大きくなるにつれて、識別されるトラフの数に変化はなかった。これは、電圧ノイズが存在しなかったことが示唆され、ユーザーは標準化の精度に自信を持つことができます。一方、3番目のファイル(図7C)には、あまりにも敏感であったり、無関係な電圧ノイズがあって、ファイルの平均電圧から大きく逸脱していないトラフがありました。その結果、平均の周りの標準化間隔が増加するにつれて、トラフの数が大幅に減少しました。その後、昆虫が本当に飛んでいるかどうかを確認するために、元のWDH記録ファイルを振り返ることをお勧めします。
個々の飛行速度および持続時間統計をプロットすることにより、飛行行動は、バースト(B)、連続(BC)、連続バースト(CB)、および連続(C)の4つの飛行カテゴリーにさらに特徴づけることができる。図 8に示すように。連続飛行を厳密に示した個人は、少なくとも30分試験段階の終わりまでに10分以上の間、途切れることなく飛行した(図8A)。30分試験段階を通して散発的に飛行した個体は、破裂飛行を示した(図8B)。最初に10分以上連続飛行を示し、その後30分の試験段階内で散発バーストバーストに先細りした個体は、連続して破裂飛行を示した(図8C)。最後に、最初にバースト飛行を実証し、30分試験段階の残りの部分のために連続飛行に移行し、連続飛行に破裂を示した(図8D)。したがって、モデルの昆虫と実験フレームワークに固有の、ユーザーは、個々のトラックのユニークな変動にもかかわらず、一般的な飛行行動パターンを評価し、識別するために、このグラフィック出力を使用することができます。
図1:アクリルプラスチックシート構造用レーザーカットのデザイン。 8枚のアクリルプラスチックシートを、飛行ミルのプラスチック支持構造を構築するためにレーザーカットした。ファイルラインは、RGB レッド(255, 0, 0) カットラインと RGB ブルー (0, 0, 255) のエッチング行で、RGB モードでアドビイラストレーターで作成されました。この図の読みやすさを高めるために、ファイルラインストロークは0.0001ポイントから1ポイントに増加しました。座標単位は mm で、各設計の左上隅のドットは原点であり、原点の下方向と右方向に移動すると正の昇順の値になります。外側の垂直壁、中央の垂直壁、水平棚の 3 つの異なるシート デザインがあります。2つの外側の垂直壁はスリットの水平棚にスライドし、長方形の穴は3Dプリントされたリニアガイドレール、ブロック、および支持を取り付けるために使用されます。8つの細胞に飛行のミルを分け、付加的な構造サポートを提供するスリットが付く1つの中央の縦の壁がある。また、スリット付きの5つの地平線棚、磁気チューブサポートの位置を示すエッチングされた円、チューブサポートをねじ込む小さな長方形の穴があります 。
図2:組み立てられた飛行ミル。A) フライトミルアセンブリ。 各水平棚 (HS) は、外側の垂直壁 (OW) と中央垂直壁 (CW) の開いたスリットに挿入されています。また、各セル、または'チャンバー'は、特定のデータロガー上のチャネルに対応するデータロガーとチャネル番号(1〜4)に対応するチャネル文字(AまたはB)で識別される。B) フライトミルアーム付きフライトミルセルアセンブリ。磁気ベアリングは、外側のチューブ内の内側のチューブをスライドさせてアームの高さを調整することで、上げまたは下げすることができます。IRセンサーは、アームの旗の高さとセンサーを整列させるために、上または下げることもできます。IRセンサーは、交換や検査が必要な場合や、フライトミルを輸送する必要がある場合に、リニアガイドレールブロックから簡単に取り外すことができます。クロスブラケットは、各アクリルセルの構造サポートを提供し、簡単に挿入および除去することができます。 C) セルウィンドウの直線ガイドレールとブロックアセンブリ。セルウィンドウのすべての3Dコンポーネントと各ネジには、より明確な組み立て用のラベルが付いています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:3Dプリントデザイン 測定は mm.A) 線形ガイドレールである。 B)IR センサーを保持するために形をしたリニアガイドレールブロック。 C) ねじは鉄のねじを取り替えるためにサポートとして使用される。 D) チューブサポート。 E) マグネットサポート。 F) アクリルフレームアライナーとスタビライザーとして使用されるクロスブラケット。 G) 長いサポートと H) の短いサポートは、線形ガイドレールを所定の位置に保ちます。アクリル壁の外面に置くリニアガイドレールサポートのみが表示されます。直線ガイドレール支持ミラーは表示されません。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:フライトミル電気回路A)データロガーにIRセンサを接続する電気回路の簡単な図。ミルアームのフラグがIRセンサー送信機から放射されるビームを割り込むと、電流がIRセンサー受信機に流れなくなり、電圧がゼロに下がります。データロガーは、電圧の低下をすべて記録します。B)電気回路がハイライト表示されます。各黄色のボックスは、ブレッドボードに接続された回路のコンポーネントを区切ります。複数の電気回路を、交互の列の単一のブレッドボードに接続することができます。はんだレスブレッドボードのサイズは、収容できる飛行セルの数を制限します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:異なる大きさの昆虫を磁気的に塗装し、つながれた。A)ショウジョウバエメラノガスター (一般的なフルーツハエ)は、磁気的に塗装され、つながれた。フルーツハエは小さな昆虫(体長5mm;質量=0.2mg)で、まず胸郭に磁性塗料を塗布する前に顕微鏡で氷またはCO2で麻酔する必要があります。B)昆虫のサイズと磁石のサイズの不一致。フライトミルアームの磁石は、昆虫の大きさに最も適しています。ここでは、磁石が大きすぎるため、昆虫の視界が遮られます。小さい円錐形の磁石または磁気ストリップは、この不一致を解決します。C-F)オンコペトゥス・ファシアトゥス(ミルクウィードバグ)とジェイデラ・ヘマトロマ(ソープベリーバグ)は、磁気的に塗装され、つながれました。大きなバグ(体長>5mm、質量>0.1g)は、胸郭に塗料のコートを適用する前に足でつまむことができます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6: WDH飛行記録の例 電圧トラフは、フライトミルのアームの完全な回転を表します。赤い点線で表示が分割され、各パネルの分割ごとの秒数 (秒/div) が青色でハイライト表示されます。黒い垂直線はカーソル時間を示します。 A) イベントマーカー。秒/divは0.2秒/divから最大に変更され、波形全体を画面全体に描画できます。すべてのチャンネルで撮影されたすべてのイベントマーカーは、最初のチャンネルで、最大電圧からチャンネルフィールドウィンドウの下部までを走るラインとして表示されます。このレコーディング セットのすべてのイベントメーカーは、黄色の楕円内にあります。 B) 信号損失。別の記録セットでは、sec/div が 0.2 秒/div から 15 秒/div に変更され、チャンネル 3 で 17:09 から 17:15 に失われた記録信号を視覚化するのに役立ちます。チャンネル 4 などの他のチャネルはすべて正常に機能し続けました。 C) ダブルトラフとミラートラフ。二重トラフは、電圧が低下し、上昇し、すぐにディップして再び上昇し、1つのビームブレークイベントで2つのマージされたトラフのように見えるものを作成するときです。二重トラフはまた、旗がセンサーの間を行ったり来たりしたことを示唆しています。Python スクリプトは、それぞれのケースに対して正しい。 D) 電圧ノイズ。13:14の直後に、電圧の小さなバンプが見られ、記録中の電圧ノイズを示唆しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:ジャデラ・ヘマトロマ(ソープベリーバグ)の代表的なトラフ診断データ 潜在的なノイズや過度に敏感なトラフは、飛行記録で容易に認識されます。 A) 個人318の例から最適で堅牢な記録。最小および最大偏差値が増加したため、トラフの数に変化はなく、標準化間隔が大きいにもかかわらず、トラフは識別できるほど堅牢でした。 B) 最適ではないが、例の個々の371からのまだ堅牢な記録。最小および最大偏差値が増加するにつれて、トラフの数が減少します。ただし、ドロップは最小限 (11 トラフ) でした。ノイズといくつかの敏感なトラフがあるかもしれませんが、実質的なものは何もありません。 C) 例の個人176からの騒がしい記録である。12の谷でその数の台地まで増加最小および最大偏差値として識別されたトラフの数が明確かつ急速に減少しています。これは、12のトラフが堅牢なトラフとして残っている間、潜在的なノイズや過度に敏感なトラフの多くを示します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:ジェイデラ・ヘマトロマ(ソープベリーバグ)からの代表的な飛行データ。 フライトの記録では、4つのカテゴリーの飛行行動を特定できます。 A) 連続飛行。この個体は1.67時間連続飛行し、高速で始まり、時間をかけて低速に先細りした。 B) バースト飛行。この個人は、彼らの裁判の最初の30分以内にバーストでのみ飛びました。バースターは高速に達することができますが、この個人は低速を保持することができます。 C) 破裂飛行に連続。この個人は25分間連続飛行を維持し、その後、試験の残りの5分間バーストに先細りしていました。 D) 連続飛行に破裂。この個人は、バーストとして始まり、高い散発速度に達し、約4時間連続飛行に移行しました 。
図9: 単一の記録セット内での複数の飛行試験の代表的なチャネル可視化各色は、そのトライアル中に、その与えられたチャネル文字とチャンネル番号で個々のソープベリーのバグを表します。開始時刻、停止時間、ファイル名はすべて、各個人のユニークなフライトトラック.txtファイルから抽出されました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:カーフキー。Kerf は、その材料を切断する過程で除去または失われた材料の厚さです。レーザーカッターの場合、2つの重要な要素がカーフの幅を決定します:ビーム幅と材料タイプ。正確なカーフをテストして計算するには、レーザーキーをカットし、20 mm 幅のキーを最も確実に収まるスロットに収めます。次に、キー幅の値からスロット幅の値を引きます。たとえば、幅が 20 mm のキーが 19.5 mm のスロットに収まる場合、カーフの厚さは 0.5 mm です。
補足図2:低サンプリング周波数の比較A)サンプリング周波数による電圧降下と速度の関係。各線の色とポイントの形状は、サンプリング周波数(100 Hz、75 Hz、50 Hz、および 25 Hz)を表します。電圧降下は、トラフの大きさと同義である。線は、速度が増加するとトラフサイズの減少と、より高速でのトラフサイズの上昇を表す2次回帰に適合します。シェーディングバーは0 Vから0.1Vまで動作し、ノイズが発生する電圧範囲を示します。データは、WinDAQ記録ソフトウェアを使用してセルB-4上で収集され、箔フラグ寸法30mm長30mm幅で30mm幅を記録しました。フライトミルアームは手で急速に回転し、動きが止まるまで回転した。サンプリング周波数は25Hz以下で、標準化および診断テスト中にトラフをノイズとして誤って識別する危険性があります。100 Hz以上のサンプリング周波数は、1 m/s未満の速度で大きなトラフを記録する場合に特に堅牢です。B)波形を通して見た異なるサンプリング周波数のトラフサイズ。サンプリング周波数が小さくなるにつれて、波形上の表現も縮小します。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3: 各Pythonスクリプトの関数とデータ構造のフローチャート提案されたフライトミルの各Pythonスクリプトの入力、機能プロセス、出力の概要を要約し、例を通して説明します。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足的な3Dプリント。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足的なコーディング ファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
シンプルで近代的なフライトミルは、複数の昆虫を効率的かつ費用対効果の高い13、31、35でテストする信頼性の高い自動設計を提供することで、テザード昆虫飛行の研究に関心のある研究者にさまざまな利点をもたらします。同様に、研究者は、生態学的システム9、32、33を研究するための実験的ツールを構築する手段として、産業界やその他の科学分野から急速に新進する技術と技術を採用する強いインセンティブがあります。このプロトコルは、シンプルで近代的な飛行ミルを強化するために、共同メーカースペースでますます利用可能になっている2つの急速に新しい技術、3Dプリンタとレーザーカッターを利用しています。これらの機能強化により、さまざまなサイズの昆虫に対応し、昆虫にかかるストレスを最小限に抑え、フライトミルを複数の場所や環境に簡単に輸送できる、より柔軟で調整可能な折りたたみ可能な設計が可能になります。さらに、技術を使用する追加費用は最小限または無料です。しかし、これらの技術は、ベクトルグラフィックスエディタや3D画像ソフトウェアの使用に堪能に到達するが容易に利用できない場合に実験することも課題となり得る。さらに、ここで紹介するフライトミルは、研究者が利用可能な新しい技術をワークフローに組み込むことを奨励し、エレクトロニクス、プログラミング、またはCADモデルに関する専門知識を持たずに、カスタマイズ可能で柔軟で効果的なフライトミルを構築することを可能にします。
このプロトコルの最も強い側面は、ユーザーのフライトミル設計オプションを拡大するMakerspaceの技術、昆虫のストレスを最小限に抑えるための磁気塗料の使用、および単一の記録内で複数の昆虫を処理する飛行記録の自動化です。レーザーカッターは、ほぼすべての複雑さの仕事を処理することができ、正確かつ正確な切断機能を提供しています。ユーザーは、追加の3Dプリントや購入したアイテムをマウントするためにアクリルサポート構造を変更することができます.3Dプリンターはユーザーが狭く調節可能な次元の高価な、事前に作られたプロダクトをバイパスすることができるカスタマイズ可能なフライトミルの部品を作成することを可能にする。この論文で提案されていない3Dプリントは、着陸プラットフォーム、磁気ベアリングとボールベアリングの間で素早く交換できるサポート、さらには昆虫をつなぐ新しいアタッチメントなど、構築することもできます。最後に、自動記録ソフトウェアとPythonスクリプトを使用して、単一の記録内で複数の飛行試験を区別することで、非常に長い飛行への散発的な飛行を研究することが可能になります。しかし、種間の飛行活動と持続時間の変化を考えると、ユーザーは、データ収集を最適化するために、種の飛行行動の限界と一般的なパターンを理解するために予備的な試験を行うことを示唆している。また、診断ヒートマップを使用して記録の整合性を評価し、スクリプトで必要な速度修正を考慮することもできます。
研究者はまた、飛行ミルの一般的な制約を認識する必要があります。これまでの研究は、つながれた飛行の限界を認識し、修復しようとしました。 昆虫が意志18、31で休むことを可能にするタールサル接触の欠如、昆虫が離陸34時に消費されたエネルギーの欠如、飛行ミルアームを押すときに昆虫が克服する追加のドラッグ、および飛行円形トラックの遠心加速のために経験した外向きの空気力学的力を補う必要がある昆虫を含む6,35.さらに、特に大きな回遊昆虫の飛行行動とメカニズムを、主にホバリング飛行24、36、37を示す小さな昆虫の飛行行動とメカニズムを比較する場合、短いまたは「些細な」バースト昆虫ディスプレイを分類またはより正確に定量化する方法に関する矛盾が続いています。.これらの制限にもかかわらず、昆虫種内の飛行行動のキャプチャと分類に大きな進歩があり、研究者は飛行工場を他の技術と方法6、7、8と組み合わせるようになりました。
創造性、コラボレーション、低障壁の場所としてのメーカースペースは、3Dプリントデザインの制限やレーザーカットをより複雑なデザインのトラブルシューティングに研究者をさらに刺激します。研究は、反復的な製品製造スペースとしてだけでなく、加速学習10、11、12の場所として、メーカー空間の有効性を調査しました。工学の学生は、Makerspace技術11を使用して設計を行った場合、設計理解、設計文書、モデル品質の点で全体的に高いスコアを獲得しました。さらに、モデル開発時間が50%減少し、メーカースペース探査が従来のローテ理論とアプリケーションコースワーク11を上回ることを示しています。さらに、デザインの知識の少ない研究者は、それを深めることができ、また、教育者でもある研究者は、デザイン組織、クラフトマンシップ、および学生のための技術的な器用さを高める手段として、この空間を活用することができます。現場や研究室の作業にさまざまなツールをすでに活用している生態学のような分野では、研究者は新しいツールや強化されたツールを開発、共有、標準化することもできます。この論文で提案されている飛行工場は、データを収集する新しい手段を民主化し、急速に広めるアプローチとなり得るものの始まりに過ぎない。
フライトミルは、研究者が昆虫の分散を理解できるようにする上で重要な役割を果たしてきました - 生態学的現象はまだ現場で本質的に難解です。今後の飛行工場の設計と応用の進歩は、研究者が新しい技術やそれに付随するソフトウェアに精力的になるにつれて達成することができます。これには、垂直リフトを可能にするフライトミルアームベアリングの設計や、昆虫に飛行指向の柔軟性を与える設計が含まれる可能性があります。さらに、レーザーカッターと3Dプリンタの精度は、主にホバリング能力を持つ小さな昆虫のスケールダウンとキャリブレーションに興味を持つ研究者にとって必要な場合があります。さらに、このプロトコルの目標は、行動生態学の分野で最も一般的で有用なデバイスの1つを構築しながら、これらの技術に簡単に参入を提供することであった - 飛行ミル。研究者が共同メーカースペースにアクセスし、その技術をナビゲートすることにコミットしている場合、現代のフライトミルの結果として得られる強化と改善は、創造的で協力的なフライトミル設計につながり、昆虫種の変動や動きのパターンに影響を与える根本的な特徴とメカニズムに関する洞察を提供し続けます。
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Disclosures
著者は開示するものは何もない。
Acknowledgments
メレディス・チェンツァーがすべてのフライトミル材料を購入し、建設からプロジェクトの書き上げまで継続的なフィードバックを提供してくれたことに感謝します。アナ・シルバーグのstandardize_troughs.pyへの貢献にも感謝します。最後に、シカゴ大学のメディアアート、データ、デザインセンター(MADD)に対し、共同メーカースペース機器、技術、および物資を無料で使用する許可を得ていただきありがとうございます。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 180 Ω Resistor | E-Projects | 10EP514180R | Carbon film; stiff 24 gauge lead. |
| 19 Gauge Non-Magnetic Hypodermic Steel Tubing | MicroGroup | 304H19RW | |
| 2.2 kΩ Resistor | Adafruit | 2782 | Carbon film; stiff 24 gauge lead. |
| 3D Printer | FlashForge | 700355100638 | |
| 3D Printer Filament | FlashForge | 700355100638 | Diameter 1.75 mm; 1kg/roll. |
| 3D Printing Slicing Software | FlashPrint | 4.4.0 | |
| Acrylic Plastic Sheets | Blick Art Supplies | 28945-1006 | |
| Aluminum Foil | Target | 253-01-0860 | |
| Breadboard Power Supply | HandsOn Tech | MDU1025 | Can take 6.5V to 12V input and can produce 3.3V and 5V. |
| DI-1100 USB Data Logger | DATAQ Instruments | DI-1100 | Has 4 differential armored analog inputs. |
| Electrical Wires | Striveday | B077HWS5XV | 24 gauge solid wire. |
| Entomological Pins | BioQuip | 1208S2 | Size 2; diameter 0.45 mm. |
| Filtered 20 uL Pipette Tip | Fisher Scientific | 21-402-550 | |
| Hot Glue Gun with Hot Glue | Joann Fabrics | 17366956 | |
| IR Sensor | Adafruit | 2167 | This is the 3 mm IR version; works up to 25 cm. |
| Large Clear Vinyl Tubing | Home Depot | T10007008 | Inner diameter 3/8 in; outer diameter 1/2 in; length 20 ft. |
| Large Magnets | Bunting | EP654 | Low-friction N42 neodymium; diameter 0.394 in; length 0.157 in; holding force 4.9 lb. |
| Laser Cutter | Universal Laser Systems | PLS6.75 | |
| M5 Hex Nut | Home Depot | 204274112 | Thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm. |
| M5 Long Iron Screws | Home Depot | 204283784 | Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm. |
| M5 Short Iron Screws | Home Depot | 203540129 | Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 10 mm; diameter 5 mm. |
| Neoprene Rubber Sheet | Grainger | 60DC16 | Length 12 in; width 12 in; depth 1/8in. |
| Online 3D Modeling Software | Autodesk | 2019_10_14 | Tinkercad.com offers a free account. |
| Power Adaptor | Adafruit | 63 | 9 VDC 1000mA regulated switching; input voltage DC 3.3V 5V. |
| Small Clear Vinyl Tubing | Home Depot | T10007005 | Inner diameter 1/4 in; outer diameter 3/8 in; 20 ft long. |
| Small Magnets | Bunting | N42P120060 | Low-friction N42 neodymium; diameter 0.120 in; length 0.060 in; holding force 0.5 lb. |
| Solderless MB-102 Breadboard | Adafruit | 239 | 830 tie points; length 17 cm; width 5.5 cm; input voltage, DC 3.3 V 5 V. |
| Sophisticated Finishes Iron Metallic Surfacer | Blick Art Supplies | 27105-2584 | |
| Wire Cutters | Target | 84-031W |
References
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