このプロトコルは、昆虫の高調波レーダータグを作成、取り付け、追跡する方法を示しています。
この記事について
サマリー
要約
動物の動きを追跡するために追跡装置を使用することは、脊椎動物の行動と生態を研究するための標準的なアプローチでした。比較的最近まで、これらの追跡方法は、取り付ける必要のある追跡装置のサイズと質量が法外に大きいため、昆虫学者には利用できませんでした。昆虫追跡に適用される技術には、無線テレメトリー、Bluetooth、RFID、ハーモニックレーダーなどがあります。その中でも、無線テレメトリーは、大型の昆虫を追跡するために最も使用されている方法です。追跡された昆虫ごとに、より長い検出範囲と独自の信号を提供しますが、保存期間や野外寿命が限られており、通常は少なくとも150ミリグラムの重い高価なタグが必要です。対照的に、1986年に初めて使用された高調波レーダータグは、少なくとも一桁軽量で安価で、検出範囲が広いため、多くの小さな昆虫を野外追跡できます。ここでは、バックカントリーレスキュー用に販売されている既製のトランシーバーの使用を示します。安価なタグと既製のトランシーバーを組み合わせることで、昆虫の行動や生態を研究する昆虫学者にとって、この昆虫追跡技術は非常に利用しやすくなっています。この記事では、タグの作成、昆虫へのタグの取り付け、これらのタグ付けされた昆虫の追跡について触れ、代表的な追跡結果をいくつか紹介します。
概要
脊椎動物の動きを研究するために追跡装置を使用することは、主に無線テレメトリーとGPS追跡を利用した追跡を使用して、哺乳類、鳥類、魚類などの大型動物の行動と生態学に関連するデータを収集するための標準的なアプローチでした1。しかし、比較的最近まで、これらの追跡方法は、取り付ける必要のある追跡装置のサイズと質量が法外に大きいため、昆虫学者には利用できませんでした2。昆虫追跡に適用される技術には、無線テレメトリー、Bluetooth、RFID、および高調波レーダーが含まれます2,3。これらのうち、無線テレメトリーは、より大きな昆虫を追跡するために群を抜いて最もよく使用される方法です2。より長い検出範囲と、追跡された昆虫ごとに独自の信号を提供します。ただし、この方法では、保存期間とフィールド寿命が限られており、通常は少なくとも150 mgの重い高価なタグが必要です。Bluetooth は、現在最も開発が進んでいない技術であり、無線テレメトリよりもタグが小さいですが、範囲も短くなっています3。RFIDタグは非常に小さく、非常に安価ですが、最短の範囲(多くの場合、わずか数mm)4です。RFIDタグを使用した昆虫のタグ付けは、巣箱に出入りするミツバチの働き蜂を研究するために最も一般的に使用されています5。対照的に、高調波レーダータグは、無線テレメトリタグよりも少なくとも一桁軽量で、安価で、はるかに小さな昆虫のフィールド追跡を可能にする検出範囲を備えています6 (図 1)。
高調波レーダーは、昆虫が運ぶタグに通電する信号を発するトランシーバーを使用し、タグによって送られる周波数が2倍になったリターン信号を受信します7,8,9 (図2)。多くの研究が中型の昆虫での調和レーダータグの使用について説明していますが6,10,11,12,13、タグの作り方についての適切なデモンストレーションはありません。この記事では、ショットキーダイオードとニチノールワイヤで構成された2つの異なるサイズの高調波レーダータグを作製する方法を順を追って説明します。小さいタグは軽く、小さな昆虫に適しています6、大きなタグは範囲が広く、より大きな昆虫に対応できます11。ニチノールワイヤーは、このワイヤーが柔軟性があり、タグ付きの昆虫が比較的自由に動くことができるため、重要な設計コンポーネントです。また、直進方向にすばやく戻るため、信号の戻り値を最大にすることができます6,10,11.また、バックカントリーレスキュー用に市販されている市販のトランシーバー(以下の「信号の取得」セクションを参照)の使用も示します7,9,14。安価なタグと既製のトランシーバーを組み合わせることで、昆虫の行動や生態を研究する昆虫学者にとって、この昆虫追跡技術は非常に利用しやすくなっています。この記事では、タグの作成、昆虫へのタグの取り付け、これらのタグ付けされた昆虫の追跡、および代表的な追跡結果について説明します。
プロトコル
1. 準備
- ニチノールワイヤー(小型タグは0.0254 mm、大型タグは0.0762 mm)、ショットキーダイオード(タグごとに1個)、導電性接着剤(最大強度には銀導電性エポキシを推奨、軽量タグには銀塗料を推奨)、ワイヤー切断とタグの組み立てに使用する3Dプリント治具(材料表を参照)など、タグ作成に必要なすべての材料を組み立てます。
- 25 μm と 75 μm の異なるサイズの 2 本のニチノールワイヤーを、小型タグと大型タグにそれぞれ使用できることを確認してください。
2. 大きなタグ
注: このセクションでは、大きなタグのアセンブリについて説明します。大きなタグには、正しいアンテナ長(トランシーバの周波数に合わせて8.25 cm)の2本のワイヤを用意することが重要です。
- 測定治具を使用して、はさみを使用してワイヤーを希望の長さ(8.25cm)に再現性よく切断します。
- まず、片面テープで治具にワイヤーを固定します。
- ワイヤーを治具に巻き付け(最大20〜30回)、軽いテンションを保ちます。
- はさみを使用してチャネル内のワイヤーを切断します。得られたワイヤーのサイズは8.25cmです。
- 次に、シリンダーからワイヤーを慎重に取り外します.
注:タグごとに2本のワイヤーが必要です。
- ワイヤーを取り付けるためのダイオードを準備します。
- ダイオードのパッケージをテープで顕微鏡に固定します。鉗子を使用してカバーを引き戻し、両面テープでダイオードを取り外します。
- ダイオードを簡単に取り外すために、パッケージに両面テープを貼ります.
注意: この時点で、すべてのダイオードは正しい向きにあり、アンテナのボンディングを容易にするために接点が上を向いています。
- ダイオードを上にしてテープを治具に貼り付けます。両側のダイオードと平行に厚紙を置き、アンテナがテープにくっつかないように端を滑らかにします。
- 取り付けの準備としてダイオードの隣にワイヤーを位置合わせし、顕微鏡下で、ワイヤーがそれぞれが単一の電気接点に接触するようにワイヤーを配置します。
注意: ワイヤーが両方の電気接点に触れないようにしてください。 - 昆虫ピンを使用して各接点に導電性材料を塗布します。接点とワイヤの両方を覆うようにしてください。
- 各接点の間に導電性材料が広がっないように注意してください。導電性材料が混ざり合ったり、他のワイヤや接点に触れたりすると、タグの信号強度が大幅に低下します。
- 必要に応じて導電性材料を再塗布して、各ワイヤを固定し、導電性を確保します。
- 導電性材料を硬化させるために、タグを数時間邪魔しないようにします。
3. 小さなタグ
注:このセクションでは、小さなタグのアセンブリを示します。
- ワイヤーを4.1cmの長さにカットします。
- ワイヤーを片面テープで治具に取り付け、ワイヤーにテンションをかけすぎないように注意します。
- 治具にワイヤーを巻き付け、ハサミで溝に沿ってカットします
注意: 各 tag 上記で準備したワイヤーの2つのセグメントが必要です。 - 取り付け用のダイオードを準備します。治具に両面テープを貼り、ダイオードを鉗子でテープに転写し、適度な間隔を空け て転写します。
- 顕微鏡下で、接点が上を向いていることを確認して、ワイヤとダイオードの位置合わせを容易にします。必要に応じてこれらを再調整し、組み立てプロセス中の動きを防ぐためにテープに押し込まれていることを確認します。
- ダイオードに沿って片面テープを配置して、ワイヤを接点レベルで持ち上げ、下地のテープにくっつかないようにします。テープを滑らかにし、ダイオードの一般的な近くにワイヤを配置します。
- 顕微鏡下で、ワイヤーが重ならないように注意して各接点にワイヤーを配置します。
- 導電性材料を接点とワイヤに塗布し、導電性材料が一緒に流れてダイオード面に溢れないようにします。
- タグを数時間邪魔せずにセットして、導電性材料を硬化させます。
4. 大型タグアタッチメント - クイーンズランドカミキリムシ (QLB)
- 紫外線から保護するために適切なPPEを着用してください(保護メガネをお勧めします)。
- カブトムシを固定して、アタッチメントサイトへのアクセスを容易にします。カブトムシを優しく持ち、テーブルの表面にわずかな圧力をかけます。
- 付着部位にUV接着剤を一滴塗布します。
- タグの向きを変え、電気接点を下に向けてダイオードを胸部に置きます。
- タグの位置に満足したら、UV光を使用してさまざまな角度で接着剤を合計5〜10秒間硬化させます。このUV接着剤は、以前は、UV曝露による明らかな悪影響なしに、より大きな昆虫にタグを取り付けるために使用されてきました11。
5. 小さなタグの添付 - テフリチッド・ショウジョウバエ
- 紫外線から保護するために適切なPPEを着用してください(保護メガネをお勧めします)。
- 麻酔は4°Cでハエをはめ、通常、ハエは10〜15分後に動きの停止を経験します。
- 接着剤を一滴分注し、タグのダイオードをUV接着剤に浸します。完全にカバーされるように、接着剤でダイオードを転がしてください。余分な接着剤がワイヤーをコーティングしないように注意してください。
- 親指と人差し指の間に昆虫を固定して、付着部位を提示します。
- タグの向きを変え、ハエの胸部の背側に縦方向に配置します。タグを前後に動かして接着剤を広げ、しっかりと接続します。頭や翼に接着剤を塗らないように注意してください。
- タグの配置に満足したら、UVライトを使用して接着剤を硬化させます。いくつかの研究では、このUV接着剤を使用して、紫外線曝露による明らかな悪影響なしにハエにタグを取り付けています6,10,12,13。
6. シグナルの取得
- タグ取り付け後の昆虫の飛行能力をテストします。これを行うには、フライトチューブでテストします。
- 次に、ハエを彼らの生息地に離陸させます。
- トランシーバー(材料の表を参照)を使用して、大小の昆虫から信号を取得します。
注意: タグと位置合わせすると、トランシーバーは音を発します。トランシーバーを90度回転させると、タグとトランシーバーの位置がずれているため、信号が弱いか、まったく信号が得られません。
結果
昆虫追跡タグにおいて、検出範囲とタグのサイズはおそらく最も重要な2つの特性です。ここでは、本記事で製作した大型および小型タグの最大検出範囲に関する代表的な結果を示します。最大検出範囲は、タグを厚い木製ダボ（~1.5 m）に両面テープで縦方向に固定して決定しました。その後、信号が聞こえなくなるまでトランシーバーをタグから遠ざけ、タグ信号が検出可能な最大距離を測定しました。それぞれのサイズのタグ10個をオープンフィールドでテストしました。大型タグの最大検出距離は、小型タグの約4倍でした（表 1）。フィールド条件下では、タグとトランシーバーのズレや植生の干渉により、検出範囲が低下することがよくあります。我々の経験から、樹木が植えられた農場で作業する場合、検出距離は大型タグで~10 m、小型タグで~5 mと想定しています。
最後に、クイーンズランドツノカブトムシ（QLB）を用いた代表的な追跡調査の結果を紹介します。この研究の目的は、成虫が環境中のどこで時間を過ごしているかについてほとんど知られていないため、QLBの移動生態を調査することでした。この甲虫は隠蔽性が高いため、HRのような追跡技術なしに環境内で個体を見つけることは非常に困難です。本研究は、ハワイ島にあるククイ（Aleurites moluccana）の林で実施されました。研究期間中に、複数の甲虫にタグを付けて放し、本記事で先に示した追跡技術を用いて個体の位置を特定しました。ある個体が10日間にわたって移動した経路の例を図4に示します。この甲虫が、ククイの高所や枯れ葉など、複数の場所に追跡されたことに注目してください。これは本研究における重要な知見でした。QLBは非常に見つかりにくいため、農家からは、甲虫が樹木の周囲のどこに「隠れている」のかという質問を頻繁に受けていました。個々のQLBを追跡することで、甲虫がしばしば乾燥した葉の中に潜んでおり、そのため検出が困難であったことが判明しました。本研究は、QLBの成虫が日中にどこで時間を過ごしているか、および夜間の移動について、重要な新しい知見を提供するものです。
図1昆虫の追跡に一般的に使用されるデバイスの比較。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2: ハーモニックレーダーは、ある周波数（青）の信号を送信し、その後、戻ってきた（周波数が2倍になった）信号（赤）を受信することで機能する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: 信号強度はタグとトランシーバーの方向に関連している。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: ククイの木における1個体のクイーンズランドオオカミカミキリの追跡による代表的な結果。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
| 大型タグ | 小型タグ |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
表1：昆虫用ハーモニックレーダータグの最大検出距離（平均 ± 標準誤差、m）（N = 10）。
ディスカッション
このプロトコルでは、2つのサイズの高調波レーダータグを作製する方法を説明し、実証します。また、これらのタグをUV硬化接着剤を用いて昆虫に貼り付ける方法を示し、トランシーバーの信号強度を実証しました。このプロトコルは、最小限の特殊な実験装置で多くの低コストのHRタグの合理的な製造を可能にするために改良されています。さらに、このプロトコルは、解剖顕微鏡で物体を操作した経験のある研究者がアクセスできる必要があります。タグを作成しようとする人は、ダイオードを操作し、導電性接着剤を塗布するスキルを身につけるために、大きなタグから始めることをお勧めします。これらのスキルは最初は難しいかもしれませんが、経験 (20 人以上を指導) から、学習曲線により、比較的迅速に、より小さなタグを迅速かつ再現性のある方法で作成できることがわかりました。
2つのタグサイズの作製を示しましたが、小径と大径のニチノール線の両方を使用して、中間サイズのダイオード6でタグも作成しました。昆虫のサイズや必要な検出範囲など、さまざまな用途がダイオードとワイヤのサイズの選択に影響します。
このプロトコルで使用されるタグ設計は、昆虫の追跡に使用される他のタグ設計よりも単純です15、16、17、18。一般的に使用される設計は、アンテナにループを設け、それによってダイオード18,19の両端にDC短絡を作成することです。アンテナにループを持つタグは、このプロトコルに示すように、通常、縦方向ではなく胸部に垂直に取り付けられます。垂直方向にすると、昆虫が飛行している間、タグとトランシーバーの位置合わせが改善される可能性があります(昆虫は通常、逆さまに飛んだり、足を横に向けたりしないため)。ただし、タグの向きが垂直になると、タグの質量の中心が昆虫の重心から遠ざかるため、バランスと飛行能力に大きな影響を与える可能性があります。
開示事項
開示すべき利益相反はありません。
謝辞
この議定書をレビューしてくれたケイト・フェアバンクス氏とジェームズ・スナイダー氏(フロリダ州農務省・消費者サービス)、ニコラス・マノウキス氏(USDA-ARS-PBARC)、ジェームズ・ヨーダー氏(イースタン・メノナイト大学)、ステファノ・デ・ファベリ氏(クイーンズランド州農水産省)に感謝します。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 大型組立治具 | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| 大型ワイヤー治具 | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| ニチノール線 (小) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| RECCO R9 ハンドヘルド検出器 | RECCO AB (Lidingo·&ミッドドット;、スウェーデン) | 運用周波数:ヨーロッパ、866.9 MHz(送信)、1733.8 MHz(受信);米国、902.85 MHz(送信)、1805.7 MHz(受信) | |
| RFショットキーダイオード(小) | MACOM Technology Solutions(ローウェル、マサチューセッツ州、米国) | MA4E2501L-1290 | チャードソンRFPD |
| ショットキーダイオード(大) | RECCO AB(Lidingo·を介して購入。&ミッドドット;、スウェーデン) | ||
| 銀導電性エポキシ接着剤 | MGケミカル | 12642-14 (アマゾン:8331D) | Amazonで購入 |
| 小型組立治具 | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| 超弾性ニチノール線 | McMaster-Carr (米国オハイオ州ブルックパーク) | 0.003" 直径 x 30 フィート Ted | |
| UV Adhesive | Bondic (ナイアガラフォールズ、ニューヨーク、アメリカ) | Amazonおよび/またはBondicオンライン(notaglue.com)で購入 |
参考文献
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