Questo protocollo presenta i metodi per creare, collegare e tracciare tag radar armonici per insetti.
Articolo metodologico
Tag radar armonici per il tracciamento degli insetti: leggeri, economici e accessibili
In questo articolo
Sommario
Abstract
L'uso di dispositivi di localizzazione per seguire i movimenti degli animali è stato a lungo un approccio standard per studiare il comportamento e l'ecologia dei vertebrati. Fino a tempi relativamente recenti, questi metodi di tracciamento non erano disponibili per gli entomologi a causa delle dimensioni e della massa proibitive dei dispositivi di tracciamento che devono essere collegati. Le tecnologie applicate al tracciamento degli insetti includono la radiotelemetria, il Bluetooth, l'RFID e il radar armonico. Tra questi, la radiotelemetria è il metodo più utilizzato per tracciare gli insetti più grandi. Offre un raggio di rilevamento più lungo e segnali unici per ogni insetto tracciato, ma richiede etichette costose che hanno una durata di conservazione e di campo limitata e sono pesanti, generalmente almeno 150 milligrammi. Al contrario, i tag radar armonici, utilizzati per la prima volta nel 1986, sono più leggeri di almeno un ordine di grandezza, poco costosi e hanno campi di rilevamento che consentono il tracciamento sul campo di molti insetti più piccoli. Qui, dimostriamo l'uso di un ricetrasmettitore standard commercializzato per il soccorso in backcountry. Insieme, tag economici e ricetrasmettitori pronti all'uso rendono questa tecnica di tracciamento degli insetti altamente accessibile agli entomologi che studiano il comportamento e l'ecologia degli insetti. In questo articolo, toccheremo la creazione di tag, l'applicazione di tag agli insetti, il monitoraggio di questi insetti etichettati e presenteremo alcuni risultati di tracciamento rappresentativi.
Introduzione
L'utilizzo di dispositivi di tracciamento per studiare i movimenti dei vertebrati è stato a lungo un approccio standard per la raccolta di dati relativi al comportamento e all'ecologia di animali più grandi come mammiferi, uccelli e pesci, con il tracciamento che utilizza principalmente la radiotelemetria e il tracciamento GPS1. Tuttavia, fino a tempi relativamente recenti, questi metodi di tracciamento non erano disponibili per gli entomologi a causa delle dimensioni e della massa proibitive dei dispositivi di tracciamento che devono essere collegati2. Le tecnologie applicate al tracciamento degli insetti includono la radiotelemetria, Bluetooth, RFID e radar armonico2,3. Di questi, la radiotelemetria è di gran lunga il metodo più utilizzato per tracciare insetti più grandi2. Offre un raggio di rilevamento più lungo e segnali unici per ogni insetto tracciato. Questo metodo, tuttavia, richiede etichette costose che hanno una durata di conservazione e di campo limitata e sono pesanti, generalmente almeno 150 mg. Il Bluetooth è attualmente la tecnica meno sviluppata, con tag più piccoli rispetto alla radiotelemetria ma anche una portata più breve3. I tag RFID possono essere di dimensioni molto piccole e sono abbastanza economici, ma hanno la portata più breve (spesso solo pochi mm)4. L'etichettatura degli insetti con tag RFID è stata più comunemente utilizzata per studiare le api operaie che entrano ed escono dall'alveare5. Al contrario, i tag radar armonici sono più leggeri di almeno un ordine di grandezza rispetto ai tag di radiotelemetria, poco costosi e hanno intervalli di rilevamento che consentono il tracciamento sul campo di insetti molto più piccoli6 (Figura 1).
Il radar armonico utilizza un ricetrasmettitore che emette un segnale che eccita il tag trasportato dall'insetto e riceve il segnale di ritorno a frequenza raddoppiata inviato dal tag7,8,9 (Figura 2). Mentre un certo numero di studi ha descritto l'uso di tag radar armonici con insetti di medie dimensioni6,10,11,12,13, non c'è una dimostrazione adeguata di come fabbricare un tag. In questo articolo, forniamo istruzioni dettagliate su come fabbricare due diverse dimensioni di tag radar armonici, ciascuno costruito con un diodo Schottky e un filo di nitinolo. Le etichette più piccole sono più leggere e funzionano meglio per gli insetti più piccoli6, mentre le etichette più grandi hanno una portata maggiore e possono essere ospitate da insetti più grandi11. Il filo di nitinol è un componente critico del design perché questo filo è flessibile, consentendo così all'insetto etichettato di muoversi relativamente liberamente. Ritorna anche rapidamente a un orientamento rettilineo, consentendo il massimo ritorno del segnale6,10,11. Dimostriamo anche l'uso di un ricetrasmettitore standard (vedere la sezione "Ottenimento dei segnali" di seguito) commercializzato per il salvataggio in backcountry7,9,14. Insieme, tag economici e ricetrasmettitori pronti all'uso rendono questa tecnica di tracciamento degli insetti altamente accessibile agli entomologi che studiano il comportamento e l'ecologia degli insetti. In questo articolo, tocchiamo la creazione di tag, l'applicazione di tag agli insetti, il monitoraggio di questi insetti etichettati e forniamo alcuni risultati di tracciamento rappresentativi.
Protocollo
1. Preparazione
- Assembla tutti i materiali necessari per la creazione di etichette: filo di nitinol (0,0254 mm per etichette piccole, 0,0762 mm per etichette grandi), diodi Schottky (uno per etichetta), adesivi conduttivi (si consiglia una resina epossidica conduttiva all'argento per la massima resistenza, vernice all'argento per etichette più leggere) e maschere stampate in 3D da utilizzare per il taglio del filo e l'assemblaggio delle etichette (vedi Tabella dei materiali).
- Garantire la disponibilità di due fili di nitinol di dimensioni diverse, da 25 μm e 75 μm, da utilizzare rispettivamente in tag piccoli e grandi.
2. Tag grande
NOTA: Questa sezione presenta l'assemblaggio di tag di grandi dimensioni. È importante disporre di due fili della lunghezza corretta dell'antenna (8,25 cm per corrispondere alla frequenza del ricetrasmettitore) per i tag di grandi dimensioni.
- Utilizzare la maschera di misurazione per tagliare in modo riproducibile i fili alla lunghezza desiderata (8,25 cm) utilizzando un paio di forbici.
- Innanzitutto, usa il nastro monoadesivo per fissare il filo alla maschera.
- Avvolgere il filo attorno alla dima (20-30 volte al massimo), mantenendo una leggera tensione.
- Taglia i fili nel canale usando le forbici. La dimensione del filo ottenuto è di 8,25 cm.
- Quindi rimuovere con cautela i fili dal cilindro.
NOTA: Sono necessari due fili per ogni tag.
- Preparare il diodo per il collegamento del filo.
- Fissare l'imballaggio del diodo al microscopio con del nastro adesivo. Tirare indietro il coperchio con una pinza e rimuovere i diodi con del nastro biadesivo.
- Posizionare il nastro biadesivo sulla confezione per rimuovere facilmente i diodi.
NOTA: A questo punto, tutti i diodi sono nell'orientamento corretto, con i contatti rivolti verso l'alto per facilitare il collegamento dell'antenna.
- Fissare il nastro alla maschera con i diodi rivolti verso l'alto. Posizionare il cartoncino parallelamente ai diodi su ciascun lato e levigare i bordi per evitare che l'antenna si attacchi al nastro.
- Allineare i fili accanto ai diodi in preparazione per il collegamento e al microscopio, posizionare i fili in modo che tocchino ciascuno un singolo contatto elettrico.
NOTA: I fili non devono toccare entrambi i contatti elettrici. - Applicare materiale conduttivo a ciascun contatto utilizzando un perno per insetti. Assicurarsi di coprire sia il punto di contatto che il filo.
- Fare attenzione a non diffondere il materiale conduttivo tra ogni contatto. Se il materiale conduttivo si fonde o tocca l'altro filo o contatto, ciò ridurrà notevolmente la potenza del segnale del tag.
- Riapplicare il materiale conduttivo secondo necessità per fissare ciascun filo e garantire la conduttività elettrica.
- Lasciare che i tag rimangano indisturbati per diverse ore per consentire al materiale conduttivo di indurirsi.
3. Tag piccolo
NOTA: Questa sezione presenta l'assemblaggio di piccoli tag.
- Tagliare i fili a lunghezze di 4,1 cm.
- Fissare il filo alla maschera con il nastro unilaterale, facendo attenzione a non tendere eccessivamente il filo.
- Avvolgere il filo attorno alla maschera e tagliarlo lungo la scanalatura con le forbici.
NOTA: Ogni tag richiede due segmenti del filo preparati sopra. - Preparare i diodi per il fissaggio. Posizionare il nastro biadesivo sulla maschera e trasferire i diodi sul nastro con una pinza, mantenendo uno spazio adeguato tra di loro.
- Al microscopio, assicurarsi che i contatti siano rivolti verso l'alto, facilitando l'allineamento di filo e diodo. Riallineali secondo necessità e assicurati che siano premuti nel nastro per evitare movimenti durante il processo di assemblaggio.
- Posizionare il nastro monoadesivo lungo i diodi per sollevare il filo al livello di contatto ed evitare che si attacchi al nastro sottostante. Lisciare il nastro e posizionare i fili nelle vicinanze del diodo.
- Sotto il microscopio, posizionare il filo su ciascun punto di contatto con cura per evitare la sovrapposizione del filo.
- Applicare il materiale conduttivo al contatto e al filo e assicurarsi che il materiale conduttivo non fluisca insieme e non allondi il piano del diodo.
- Lasciare che le etichette si fissino indisturbate per diverse ore per consentire al materiale conduttivo di indurirsi.
4. Attacco per targhetta grande - Scarabeo longhorn del Queensland (QLB)
- Indossare DPI adeguati per proteggersi dall'esposizione ai raggi UV (si consigliano occhiali protettivi).
- Fissare lo scarabeo per facilitare l'accesso al sito di attacco. Tenere delicatamente lo scarabeo, esercitando una leggera pressione sulla superficie del tavolo.
- Applicare una goccia di adesivo UV sul sito di fissaggio.
- Orientare l'etichetta e posizionare il diodo con i contatti elettrici rivolti verso il basso sul torace.
- Una volta soddisfatto della posizione dell'etichetta, polimerizzare la colla utilizzando la luce UV a una varietà di angolazioni diverse per un totale di 5-10 s. Questo adesivo UV è stato precedentemente utilizzato per attaccare etichette a insetti più grandi senza apparenti effetti negativi dell'esposizione ai raggi UV11.
5. Attacco di piccole etichette - moscerini della frutta tefritidi
- Indossare DPI adeguati per proteggersi dall'esposizione ai raggi UV (si consigliano occhiali protettivi).
- Anestetizzare le mosche a 4 oC. Tipicamente, le mosche sperimentano la cessazione del movimento dopo 10-15 minuti.
- Erogare una goccia di colla e immergere il diodo del tag nell'adesivo UV. Assicurati di arrotolare il diodo nella colla per garantire una copertura completa. Prestare attenzione per evitare che l'adesivo in eccesso ricopra il filo.
- Fissare l'insetto tra il pollice e l'indice per presentare il sito di attacco.
- Orientare la targhetta e posizionarla longitudinalmente sul lato dorsale del torace della mosca. Muovi l'etichetta avanti e indietro per stendere l'adesivo e garantire una connessione sicura. Fare attenzione a non applicare la colla sulla testa o sulle ali.
- Quando sei soddisfatto del posizionamento dell'etichetta, polimerizza l'adesivo utilizzando una luce UV. Diversi studi hanno utilizzato questo adesivo UV per attaccare etichette alle mosche senza apparenti effetti negativi dell'esposizione ai raggi UV6,10,12,13.
6. Ottenere segnali
- Testare la capacità di volo degli insetti dopo l'applicazione del tag. Fallo testando in un tubo di volo.
- Quindi lascia che le mosche decollino nel loro habitat.
- Utilizzare un ricetrasmettitore (vedi Tabella dei materiali) per ottenere segnali da insetti grandi e piccoli.
NOTA: Quando è allineato con un tag, il ricetrasmettitore produce un suono. Quando il ricetrasmettitore viene ruotato di 90 gradi, si ottiene un segnale debole o assente a causa del disallineamento del tag e del ricetrasmettitore.
Risultati
La portata di rilevamento e le dimensioni del tag sono probabilmente le due caratteristiche più importanti dei tag per il tracciamento degli insetti. Di seguito presentiamo risultati rappresentativi della portata massima di rilevamento dei tag di grandi e piccole dimensioni realizzati in questo articolo. La portata massima di rilevamento è stata determinata fissando longitudinalmente i tag a un'asticella di legno spessa (~1,5 m) mediante nastro adesivo doppia faccia. La distanza massima entro la quale i segnali dei tag potevano essere rilevati è stata quindi stabilita allontanando progressivamente il transceiver dal tag fino a quando il segnale non risultava più udibile. Dieci tag per ciascuna dimensione sono stati testati in un campo aperto. La distanza massima di rilevamento per i tag più grandi è approssimativamente quattro volte superiore rispetto a quella dei tag più piccoli (Tabella 1). L'errato allineamento tra tag e transceiver, insieme all'interferenza della vegetazione, riduce spesso la portata di rilevamento in condizioni di campo. In base alla nostra esperienza, assumiamo una distanza di rilevamento di circa 10 m per i tag più grandi e di circa 5 m per i tag più piccoli quando si lavora in coltivazioni arboree.
Infine, desideriamo condividere i risultati di uno studio rappresentativo di monitoraggio condotto sul coleottero longicorne del Queensland (QLB). L'obiettivo di questo studio era indagare l'ecologia del movimento del QLB, poiché si conosce poco riguardo a dove gli adulti trascorrono il loro tempo nell'ambiente. Poiché i coleotteri sono criptici, è molto difficile localizzarli nell'ambiente senza una tecnica di tracciamento come l'HR. Questo studio è stato condotto in un gruppo di alberi di kukui (Aleurites moluccana) sull'isola di Hawaii. Più coleotteri sono stati marcati e rilasciati nel corso dello studio. I coleotteri sono stati successivamente localizzati utilizzando le tecniche di tracciamento illustrate in precedenza in questo articolo. Un esempio del percorso compiuto da un singolo coleottero nell'arco di 10 giorni è visibile nella Figura 4. Si noti che il coleottero è stato seguito in diverse posizioni, compresi punti elevati sugli alberi di kukui e foglie morte. Questa è stata una scoperta importante dello studio. Poiché il QLB può essere altamente criptico, gli agricoltori hanno spesso chiesto dove i coleotteri si "nascondessero" intorno agli alberi. Tracciando singoli esemplari di QLB, siamo stati in grado di determinare che i coleotteri si nascondono spesso tra le foglie secche, rendendoli difficili da individuare. Questo studio fornisce nuove informazioni significative su dove gli adulti di QLB trascorrono il loro tempo durante il giorno e sui loro spostamenti notturni.
Figura 1: Confronto tra dispositivi comunemente utilizzati per il tracciamento degli insetti. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Il radar armonico funziona inviando un segnale a una certa frequenza (blu) e successivamente ricevendo il segnale riflesso (frequenza raddoppiata) (rosso). Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: L'intensità del segnale è correlata all'orientamento del tag e del trasceiver. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Risultati rappresentativi del monitoraggio di un singolo coleottero longicorne del Queensland su alberi di kukui. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Etichette grandi | Etichette piccole |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabella 1: Distanze massime di rilevamento (media ± ES, m) per i tag armonici radar per insetti (N = 10).
Discussione
In questo protocollo, descriviamo e dimostriamo come fabbricare due dimensioni di tag radar armonici. Inoltre, abbiamo dimostrato come attaccare queste etichette agli insetti utilizzando adesivi a polimerizzazione UV e dimostrato la potenza del segnale del ricetrasmettitore. Questo protocollo è stato perfezionato per consentire la fabbricazione semplificata di molti tag HR a basso costo con attrezzature di laboratorio specializzate minime. Inoltre, il protocollo dovrebbe essere accessibile ai ricercatori con esperienza nella manipolazione di oggetti al microscopio da dissezione. Raccomandiamo che le persone che tentano di creare tag inizino con tag più grandi per sviluppare abilità nella manipolazione dei diodi e nell'applicazione degli adesivi conduttivi. Queste abilità possono essere difficili all'inizio, ma abbiamo scoperto per esperienza (insegnando a più di 20 persone) che la curva di apprendimento consente alle persone di progredire in tempi relativamente brevi verso la creazione di tag più piccoli con velocità e riproducibilità.
Mentre è stata mostrata la fabbricazione di due dimensioni di tag, abbiamo anche realizzato tag con undiodo 6 di dimensioni intermedie, utilizzando sia il filo di nitinol di diametro più piccolo che quello più grande. Diverse applicazioni, come le dimensioni dell'insetto e il campo di rilevamento richiesto, influenzano la scelta delle dimensioni dei diodi e dei fili.
Il design del tag utilizzato in questo protocollo è più semplice di altri utilizzati per tracciare gli insetti 15,16,17,18. Un design comunemente usato è quello di avere un anello nell'antenna, creando così un cortocircuito CC attraverso il diodo18,19. I tag con anelli nelle loro antenne sono solitamente montati verticalmente sul torace anziché longitudinalmente, come mostrato in questo protocollo. L'orientamento verticale consente potenzialmente un migliore allineamento del tag e del ricetrasmettitore mentre l'insetto è in volo (poiché gli insetti generalmente non volano a testa in giù o con le zampe rivolte lateralmente). Tuttavia, l'orientamento verticale dell'etichetta sposta il centro della massa dell'etichetta lontano dal centro di massa dell'insetto, avendo così potenzialmente una maggiore influenza sull'equilibrio e sulla capacità di volo.
Dichiarazioni
Non abbiamo conflitti di interesse da divulgare.
Ringraziamenti
Vorremmo ringraziare Kate Fairbanks e James Snyder (Dipartimento dell'Agricoltura e dei Servizi ai Consumatori della Florida), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Eastern Mennonite University) e Stefano De Faveri (Dipartimento dell'Agricoltura e della Pesca del Queensland) per aver esaminato questo protocollo.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| di assemblaggio grande | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Maschera | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Filo di nitinolo (piccolo) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| Rilevatore portatile RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· &punto medio; , Svezia) | Frequenze di funzionamento: Europa, 866,9 MHz (trasmittente),1733,8 MHz (ricevente); US, 902,85 MHz (trasmittente), 1805,7 MHz (ricevente) | |
| Diodo Schottky RF (piccolo) | Soluzioni tecnologiche MACOM (Lowell, MA, USA) | MA4E2501L-1290 | Acquistato tramite diodo Schottky RFPD Richardson |
| (grande) | RECCO AB (Lidingo· &punto medio; , Svezia) | ||
| Adesivo epossidico conduttivo argento | MG Chemicals | 12642-14 (Amazzonia: 8331D) | Acquistato tramite Amazon |
| Piccola maschera | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Piccola maschera | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Filo di nitinol superelastico (grande) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, USA) | 8320K31 | 0,003" Diametro x 30 piedi di lunghezza |
| Ted Pella Inc Argento conduttivo epossidico | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA) | ||
| Adesivo UV | Bondic (Cascate del Niagara, NY, USA) | Acquistato tramite Amazon e/o Bondic online (notaglue.com) |
Riferimenti
- Lennox, R. J., Blouin-Demers, G., Rous, A. M., Cooke, S. J. Tracking invasive animals with electronic tags to assess risks and develop management strategies. Biol Invas. 18, 1219-1233 (2016).
- Batsleer, F., et al. The neglected impact of tracking devices on terrestrial arthropods. Methods Ecol Evol. 11 (3), 350-361 (2020).
- Ultra-miniature bluetooth tag with antenna on package for red palm weevil tracking. Bilal, R. M., Reyes, Z. L., Shamim, A. 2021 1st International Conference on Microwave, Antennas & Circuits (ICMAC), , 1-3 (2021).
- Daniel Kissling, W., Pattemore, D. E., Hagen, M. Challenges and prospects in the telemetry of insects. Biol Rev. 89 (3), 511-530 (2014).
- Nunes-Silva, P., et al. Applications of RFID technology on the study of bees. Insect Soc. 66, 15-24 (2019).
- Miller, N. D., Yoder, T. J., Manoukis, N. C., Carvalho, L. A., Siderhurst, M. S. Harmonic radar tracking of individual melon flies, Zeugodacus cucurbitae, in Hawaii: Determining movement parameters in cage and field settings. PLoS One. 17 (11), e0276987(2022).
- Lövei, G. L., Stringer, I. A., Devine, C. D., Cartellieri, M. Harmonic radar - A method using inexpensive tags to study invertebrate movement on land. NZ J Ecol. , 187-193 (1997).
- Riley, J. R. Adaption of harmonic radar for tracking tsetse flies. , Natural Resources Research Institute. (1995).
- O'Neal, M. E., Landis, D., Rothwell, E., Kempel, L., Reinhard, D. Tracking insects with harmonic radar: A case study. Am. Entomol. 50 (4), 212-218 (2004).
- Hurst, A. L., et al. Tracking and modeling the movement of Queensland fruit flies, Bactrocera tryoni, using harmonic radar in papaya fields. Sci Rep. 14 (1), 17521(2024).
- Siderhurst, M. S., Murman, K. M., Kaye, K. T., Wallace, M. S., Cooperband, M. F. Radio telemetry and harmonic radar tracking of the spotted lanternfly, Lycorma delicatula (white)(Hemiptera: Fulgoridae). Insects. 15 (1), 17(2023).
- Tomerini, J. M., De Faveri, M. G., De Faveri, S. G., Wright, C., Siderhurst, M. S. Impacts of harmonic radar tagging on the flight ability of male Bactrocera tryoni and Bactrocera jarvisi (Diptera, Tephritidae). Austral Entomol. 64 (1), e12728(2025).
- Welty Peachey, A. M., et al. Wind effects on individual male and female Bactrocera jarvisi (Diptera: Tephritidae) tracked using harmonic radar. Environ Entomol. , nvae108(2024).
- Mascanzoni, D., Wallin, H. The harmonic radar: A new method of tracing insects in the field. Ecol Entomol. 11 (4), 387-390 (1986).
- Boiteau, G., Colpitts, B. The potential of portable harmonic radar technology for the tracking of beneficial insects. IInt J Pest Manag. 50 (3), 233-242 (2004).
- Maggiora, R., Saccani, M., Milanesio, D., Porporato, M. An innovative harmonic radar to track flying insects: The case of Vespa velutina. Sci Rep. 9 (1), 11964(2019).
- Milanesio, D., Saccani, M., Maggiora, R., Laurino, D., Porporato, M. Recent upgrades of the harmonic radar for the tracking of the Asian yellow-legged hornet. Ecol Evol. 7 (13), 4599-4606 (2017).
- Ala, R., Rouse, C. D., Colpitts, B. G. An Extra low-mass harmonic radar transponder for insect tracking applications. IEEE Trans Radar Syst. 1, 146-154 (2023).
- Riley, J., Smith, A. Design considerations for an harmonic radar to investigate the flight of insects at low altitude. Comput Electron Agric. 35 (2-3), 151-169 (2002).
Ristampe e permessi
