방법 논문

곤충 추적을 위한 Harmonic Radar 태그: 가볍고 저렴하며 접근하기 쉽습니다.

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DOI:

10.3791/67812

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2025년 5월 13일

 ,  ,  , 
1Daniel K. Inouye US Pacific Basin Agricultural Research Center, USDA-Agricultural Research Service

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 곤충에 대한 고조파 레이더 태그를 생성, 연결 및 추적하는 방법을 제공합니다.

초록

추적 장치를 사용하여 동물의 움직임을 추적하는 것은 오랫동안 척추동물의 행동과 생태를 연구하기 위한 표준 접근 방식이었습니다. 비교적 최근까지만 해도 이러한 추적 방법은 부착해야 하는 추적 장치의 크기와 질량이 엄청나게 크기 때문에 곤충학자들이 사용할 수 없었습니다. 곤충 추적에 적용되는 기술에는 무선 원격 측정, Bluetooth, RFID 및 고조파 레이더가 포함됩니다. 이 중 무선 원격 측정은 더 큰 곤충을 추적하는 데 가장 많이 사용되는 방법입니다. 추적된 각 곤충에 대해 더 긴 감지 범위와 고유한 신호를 제공하지만 유통 기한과 들판 수명이 제한적이고 일반적으로 최소 150mg의 무거운 값비싼 태그가 필요합니다. 대조적으로, 1986년에 처음 사용된 고조파 레이더 태그는 적어도 한 자릿수 정도 더 가볍고 저렴하며 많은 작은 곤충의 현장 추적을 허용하는 감지 범위를 가지고 있습니다. 여기에서는 오지 구조용으로 판매되는 기성품 트랜시버의 사용을 보여줍니다. 저렴한 태그와 기성품 송수신기를 함께 사용하면 곤충 행동과 생태학을 연구하는 곤충학자들이 이 곤충 추적 기술에 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 기사에서는 태그 생성, 곤충에 태그 부착, 태그가 지정된 곤충 추적에 대해 다루고 몇 가지 대표적인 추적 결과를 제시합니다.

서론

척추동물의 움직임을 연구하기 위해 추적 장치를 사용하는 것은 포유류, 조류 및 어류와 같은 더 큰 동물의 행동 및 생태와 관련된 데이터를 수집하기 위한 표준 접근 방식이었으며, 추적은 주로 무선 원격 측정 및 GPS 추적을 활용했습니다1. 그러나 비교적 최근까지만 해도 이러한 추적 방법은 부착해야 하는 추적 장치의 크기와 질량이 엄청나게 크기 때문에 곤충학자들이 사용할 수 없었습니다2. 곤충 추적에 적용되는 기술에는 무선 원격 측정, Bluetooth, RFID 및 고조파 레이더2,3이 포함됩니다. 이 중 무선 원격 측정은 더 큰 곤충을 추적하는 데 가장 많이 사용되는 방법입니다2. 추적된 각 곤충에 대해 더 긴 감지 범위와 고유한 신호를 제공합니다. 그러나 이 방법은 유통 기한과 필드 수명이 제한적이고 일반적으로 150mg 이상으로 무거운 고가의 태그가 필요합니다. Bluetooth는 현재 가장 개발되지 않은 기술로, 무선 텔레메트리보다 태그가 작지만 범위도 더 짧습니다3. RFID 태그는 크기가 매우 작고 매우 저렴하지만 범위가 가장 짧습니다(종종 몇 mm에 불과)4. RFID 태그를 사용한 곤충 태그는 벌통에 출입하는 꿀벌 작업자를 연구하는 데 가장 일반적으로 사용되었습니다5. 대조적으로, 고조파 레이더 태그는 무선 원격 측정 태그보다 적어도 한 자릿수 더 가볍고 저렴하며 훨씬 작은 곤충의 현장 추적을 허용하는 감지 범위를 가지고 있습니다6(그림 1).

고조파 레이더는 곤충이 운반하는 태그에 전원을 공급하고 tag7,8,9 (그림 2)가 보낸 주파수를 수신하는 신호를 방출하는 트랜시버를 사용합니다. 많은 연구에서 중형 곤충과 함께 고조파 레이더 태그의 사용을 설명했습니다.6,10,11,12,13, 태그를 제작하는 방법에 대한 적절한 시연은 없습니다. 이 기사에서는 각각 쇼트키 다이오드와 니티놀 와이어로 구성된 두 가지 크기의 고조파 레이더 태그를 제작하는 방법에 대한 단계별 지침을 제공합니다. 작은 태그는 더 가볍고 작은 곤충에 더 잘 작동하는 반면6, 더 큰 태그는 범위가 더 넓고 더 큰 곤충이 수용할 수 있습니다11. 니티놀 와이어는 이 와이어가 유연하여 태그가 지정된 곤충이 비교적 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 중요한 설계 구성 요소입니다. 또한 직선 방향으로 빠르게 돌아가 최대 신호 반환을 허용합니다6,10,11. 또한 백컨트리 구조용으로 판매되는 기성품 트랜시버(아래 '신호 얻기' 섹션 참조)7,9,14)의 사용을 보여줍니다. 저렴한 태그와 기성품 송수신기를 함께 사용하면 곤충 행동과 생태학을 연구하는 곤충학자들이 이 곤충 추적 기술에 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 기사에서는 태그 만들기, 곤충에 태그 부착, 태그가 지정된 곤충 추적에 대해 다루고 몇 가지 대표적인 추적 결과를 제공합니다.

프로토콜

1. 준비

  1. 니티놀 와이어(작은 태그의 경우 0.0254mm, 큰 태그의 경우 0.0762mm), 쇼트키 다이오드(태그당 하나), 전도성 접착제(최대 강도를 위해 은 전도성 에폭시, 더 가벼운 태그의 경우 은색 페인트가 제안됨) 및 와이어 절단 및 태그 조립에 사용되는 3D 프린팅 지그(재료 표 참조).
  2. 크기가 다른 두 개의 니티놀 와이어(25μm 및 75μm)가 각각 작은 태그와 큰 태그에 사용될 수 있는지 확인합니다.

2. 큰 태그

참고: 이 섹션에서는 큰 태그의 어셈블리를 제공합니다. 큰 태그에 대해 올바른 안테나 길이(트랜시버 주파수와 일치하도록 8.25cm)의 두 개의 와이어를 갖는 것이 중요합니다.

  1. 측정 지그를 사용하여 가위를 사용하여 원하는 길이(8.25cm)로 와이어를 재현 가능하게 자릅니다.
    1. 먼저 단면 테이프를 사용하여 와이어를 지그에 고정합니다.
    2. 가벼운 장력을 유지하면서 지그 주위에 와이어를 감고(최대 20-30회)
    3. 가위를 사용하여 채널의 전선을 자릅니다. 얻은 와이어의 크기는 8.25cm입니다.
    4. 그런 다음 실린더에서 전선을 조심스럽게 제거합니다.
      알림: 각 태그에는 두 개의 와이어가 필요합니다.
  2. 와이어 부착을 위해 다이오드를 준비합니다.
    1. 테이프를 사용하여 다이오드 패키징을 현미경에 고정합니다. 집게를 사용하여 덮개를 뒤로 당기고 양면 테이프로 다이오드를 제거합니다.
    2. 다이오드를 쉽게 제거할 수 있도록 포장 위에 양면 테이프를 붙입니다.
      알림: 이 시점에서 모든 다이오드는 올바른 방향에 있으며 안테나 결합을 용이하게 하기 위해 접점이 위를 향하고 있습니다.
  3. 다이오드가 위를 향하도록 테이프를 지그에 부착합니다. 카드 스톡을 다이오드와 평행하게 양쪽에 놓고 안테나가 테이프에 달라붙지 않도록 가장자리를 매끄럽게 합니다.
  4. 부착을 준비하기 위해 다이오드 옆에 전선을 정렬하고 현미경 아래에서 전선이 각각 단일 전기 접점에 닿도록 배선을 배치합니다.
    알림: 전선이 두 전기 접점에 닿지 않아야 합니다.
  5. 곤충 핀을 사용하여 각 접점에 전도성 물질을 적용합니다. 접점과 전선을 모두 덮어야 합니다.
  6. 각 접점 사이에 전도성 물질이 퍼지지 않도록 주의하십시오. 전도성 물질이 서로 혼합되거나 다른 와이어 또는 접점에 닿으면 태그의 신호 강도가 크게 감소합니다.
  7. 각 와이어를 고정하고 전기 전도성을 보장하기 위해 필요에 따라 전도성 물질을 다시 도포합니다.
  8. 허용 tags 전도성 물질이 굳어지도록 몇 시간 동안 방해받지 않고 그대로 두십시오.

3. 작은 태그

참고: 이 섹션에서는 작은 태그의 어셈블리를 제공합니다.

  1. 전선을 4.1cm 길이로 자릅니다.
  2. 일면 테이프로 와이어를 지그에 부착하고 와이어에 과도한 장력이 가해지지 않도록 주의합니다.
  3. 지그에 와이어를 감고 가위로 홈을 따라 자릅니다.
    알림: 각 태그에는 위에서 준비한 두 개의 와이어 세그먼트가 필요합니다.
  4. 다이오드 부착을 준비합니다. 지그에 양면 테이프를 놓고 집게로 다이오드를 테이프로 옮기고 그 사이에 적절한 공간을 유지합니다.
  5. 현미경 아래에서 접점이 위를 향하도록 하여 와이어와 다이오드의 정렬을 용이하게 합니다. 필요에 따라 다시 정렬하고 조립 과정에서 움직이지 않도록 테이프에 눌러져 있는지 확인합니다.
  6. 다이오드를 따라 단면 테이프를 배치하여 접촉 수준에서 와이어를 들어 올리고 아래 테이프에 달라붙는 것을 방지합니다. 테이프를 매끄럽게 펴고 다이오드의 일반적인 근처에 전선을 놓습니다.
  7. 현미경 아래에서 와이어가 겹치지 않도록 조심스럽게 각 접점에 와이어를 배치합니다.
  8. 전도성 물질을 접점과 와이어에 적용하고 전도성 물질이 함께 흘러 다이오드 평면을 범람하지 않도록 합니다.
  9. 허용 tags 전도성 물질이 굳어지도록 몇 시간 동안 방해받지 않고 설정하십시오.

4. 대형 태그 부착 - 퀸즐랜드 롱혼 딱정벌레(QLB)

  1. 자외선 노출로부터 보호하기 위해 적절한 PPE를 착용하십시오(보호 안경 권장).
  2. 부착 부위에 쉽게 접근할 수 있도록 딱정벌레를 고정합니다. 딱정벌레를 부드럽게 잡고 테이블 표면에 약간의 압력을 가합니다.
  3. 부착 부위에 UV 접착제 한 방울을 바르십시오.
  4. 방향을 정하십시오 tag 그리고 전기 접점이 흉부 쪽을 향하도록 다이오드를 놓습니다.
  5. 태그의 위치가 만족스러우면 총 5-10초 동안 다양한 각도에서 UV 광선을 사용하여 접착제를 경화합니다. 이 UV 접착제는 이전에 UV 노출의 명백한 부정적인 영향 없이 더 큰 곤충에 태그를 부착하는 데 사용되었습니다11.

5. 작은 태그 부착 - 테프리티드 초파리

  1. 자외선 노출로부터 보호하기 위해 적절한 PPE를 착용하십시오(보호 안경 권장).
  2. 마취는 4 oC에서 파리를 마취합니다. 일반적으로 파리는 10-15 분 후에 움직임이 멈춥니다.
  3. 접착제 한 방울을 떨어뜨리고 태그의 다이오드를 UV 접착제에 담그십시오. 전체 커버리지를 보장하기 위해 다이오드를 접착제에 굴려 넣으십시오. 과도한 접착제가 와이어를 코팅하지 않도록 주의하십시오.
  4. 엄지와 검지 사이에 곤충을 고정하여 부착 위치를 표시합니다.
  5. 태그의 방향을 지정하고 파리 흉부의 등쪽에 세로로 놓습니다. 태그를 앞뒤로 움직여 접착제를 펴고 안전한 연결을 보장합니다. 머리나 날개에 접착제를 바르지 않도록 주의하십시오.
  6. 태그 배치가 만족스러우면 UV 광선을 사용하여 접착제를 경화시킵니다. 여러 연구에서이 UV 접착제를 사용하여 UV 노출의 명백한 부정적인 영향없이 파리에 태그를 부착했습니다 6,10,12,13.

6. 신호 얻기

  1. 태그 부착 후 곤충의 비행 능력을 시험하십시오. 비행 튜브에서 테스트하여 이 작업을 수행합니다.
  2. 그런 다음 파리가 서식지로 날아가게 하십시오.
  3. 트랜시버(재료 표 참조)를 사용하여 큰 곤충과 작은 곤충의 신호를 얻습니다.
    알림: 태그와 정렬하면 트랜시버에서 소리가 납니다. 트랜시버가 90도 회전하면 태그와 트랜시버의 정렬 불량으로 인해 신호가 약하거나 신호가 발생하지 않습니다.

결과

검출 범위와 태그 크기는 곤충 추적 태그의 가장 중요한 두 가지 특징일 것입니다. 여기에서는 본 논문에서 제작한 대형 및 소형 태그의 최대 검출 범위에 대한 대표적인 결과를 제시합니다. 최대 검출 범위는 태그를 두꺼운 나무 다보(~1.5 m)에 양면테이프로 세로 방향으로 고정하여 결정하였습니다. 그 다음, 신호가 더 이상 들리지 않을 때까지 트랜시버를 태그에서 멀리 이동시켜 태그 신호를 검출할 수 있는 최대 거리를 측정하였습니다. 개활지에서 각 크기별로 10개의 태그를 테스트하였습니다. 대형 태그의 최대 검출 거리는 소형 태그의 약 4배였습니다(표 1). 야외 조건에서는 식생의 간섭과 더불어 태그와 트랜시버의 정렬 불량으로 인해 검출 범위가 감소하는 경우가 많습니다. 저희의 경험에 따르면, 수목 재배지에서 작업할 때 대형 태그는 ~10 m, 소형 태그는 ~5 m의 검출 거리로 가정합니다.

마지막으로, 퀸즐랜드 하늘소(QLB)를 대상으로 한 대표적인 추적 연구 결과를 공유하고자 합니다. 이 연구의 목적은 성충 하늘소가 환경 내 어디에서 시간을 보내는지에 대해 알려진 바가 거의 없기 때문에, QLB의 이동 생태를 조사하는 것이었습니다. 이 딱정벌레들은 은폐성이 강해, HR과 같은 추적 기술 없이는 환경 내에서 위치를 찾는 것이 매우 어렵습니다. 본 연구는 하와이 빅아일랜드의 쿠쿠이 나무(Aleurites moluccana) 군락지에서 수행되었습니다. 연구 과정 동안 여러 마리의 딱정벌레에 태그를 부착하여 방사하였습니다. 그 후 본 논문의 앞부분에서 시연한 추적 기술을 사용하여 딱정벌레의 위치를 파악했습니다. 10일 동안 한 마리의 딱정벌레가 이동한 경로의 예시는 그림 4에서 확인할 수 있습니다. 특히 딱정벌레가 쿠쿠이 나무 높은 곳과 죽은 잎을 포함한 여러 위치에서 추적되었음에 주목하십시오. 이는 본 연구의 중요한 발견이었습니다. QLB는 은폐성이 매우 강하기 때문에, 농민들은 종종 딱정벌레들이 나무 주변 어디에 "숨어" 있는지 문의해 왔습니다. 개별 QLB를 추적함으로써, 우리는 딱정벌레들이 종종 마른 잎 속에 숨어 있어 발견하기 어렵다는 점을 확인할 수 있었습니다. 이 연구는 QLB 성충이 낮 동안 어디에서 시간을 보내는지와 밤 동안의 이동에 대한 중요한 새로운 통찰을 제공합니다.

곤충 추적 시스템 비교: 무선 텔레메트리, 하모닉 레이더, RFID; 범위, 비용, 질량 상세 정보.
그림 1: 곤충 추적에 일반적으로 사용되는 장치들의 비교. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

트랜시버 레이더 도식; 송신 및 수신 신호; 에코로케이션 과정; 곤충 탐지.
그림 2: 하모닉 레이더는 특정 주파수(파란색)로 신호를 보낸 다음, 반사되어 돌아오는 (주파수가 두 배가 된) 신호(빨간색)를 수신하는 방식으로 작동합니다. 이 그림의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

트랜시버 정렬 도식, 태그가 정렬되었을 때 최대 신호, 정렬되지 않았을 때 약한 신호.
그림 3: 신호 강도는 태그와 트랜시버의 방향과 관련이 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

공원 환경에서 잎, 가지, 줄기와 같이 표시된 부분들을 보여주는 나무 캐노피 도식.
그림 4: 쿠쿠이 나무에서 단일 퀸즐랜드 하늘소의 추적을 통해 얻은 대표적인 결과.이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

대형 태그작은 태그
64 ± 1 m12 ± 1 m

표 1: 곤충 고조파 레이더 태그의 최대 검출 거리(평균 ± SE, m) (N = 10).

토론

이 프로토콜에서는 두 가지 크기의 고조파 레이더 태그를 제작하는 방법을 설명하고 시연합니다. 또한 UV 경화 접착제를 사용하여 이러한 태그를 곤충에 부착하는 방법을 보여주고 트랜시버 신호 강도를 입증했습니다. 이 프로토콜은 최소한의 특수 실험실 장비로 많은 저비용 HR 태그를 간소화할 수 있도록 개선되었습니다. 또한 이 프로토콜은 해부 현미경으로 물체를 조작한 경험이 있는 연구자가 접근할 수 있어야 합니다. 태그를 만들려는 사람은 다이오드를 조작하고 전도성 접착제를 도포하는 기술을 개발하기 위해 더 큰 태그로 시작하는 것이 좋습니다. 이러한 기술은 처음에는 어려울 수 있지만 경험(20명 이상의 사람들을 가르쳤음)을 통해 학습 곡선을 통해 사람들이 빠르고 재현성이 있는 더 작은 태그를 만드는 데 상대적으로 빠르게 발전할 수 있다는 것을 발견했습니다.

두 가지 태그 크기의 제작이 보여졌지만, 더 작은 직경과 더 큰 직경의 니티놀 와이어를 모두 사용하여 중간 크기의 다이오드(6)로 태그도 만들었습니다. 곤충 크기 및 필요한 감지 범위와 같은 다양한 응용 분야가 다이오드 및 와이어 크기 선택에 영향을 미칩니다.

이 프로토콜에 사용된 태그 디자인은 곤충을 추적하는 데 사용되는 다른 태그 디자인보다 간단하다 15,16,17,18. 일반적으로 사용되는 설계는 안테나에 루프를 두어 다이오드18,19를 가로질러 DC 단락을 생성하는 것입니다. 안테나에 루프가 있는 태그는 일반적으로 이 프로토콜에 표시된 것처럼 세로가 아닌 흉부에 수직으로 장착됩니다. 수직 방향은 잠재적으로 곤충이 비행하는 동안 태그와 트랜시버를 더 잘 정렬할 수 있도록 합니다(곤충은 일반적으로 거꾸로 날거나 다리를 옆으로 향하게 하지 않기 때문에). 그러나 수직 태그 방향은 태그 질량의 중심을 곤충의 질량 중심에서 멀어지게 하여 잠재적으로 균형과 비행 능력에 더 큰 영향을 미칩니다.

공개 사항

우리는 공개할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

이 프로토콜을 검토해 주신 Kate Fairbanks와 James Snyder(Florida Department of Agriculture & Consumer Services), Nicholas Manoukis(USDA-ARS-PBARC), James Yoder(Eastern Mennonite University), Stefano De Faveri(Queensland Department of Agriculture and Fisheries)에게 감사드립니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
대형 조립 지그https://www.thingiverse.com/thing:6784793
대형 와이어 지그https://www.thingiverse.com/thing:6784784
Nitinol Wire (Small)Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA)17822174
RECCO R9 휴대용 탐지RECCO AB (Lidingo· &미드닷; , 스웨덴)작동 주파수: 유럽, 866.9MHz(전송), 1733.8MHz(수신); 미국, 902.85MHz(송신), 1805.7MHz(수신)
RF 쇼트키 다이오드(소형)MACOM Technology Solutions(미국 매사추세츠주 로웰)MA4E2501L-1290Richardson RFPD
쇼트키 다이오드(대)RECCO AB(Lidingo· &미드닷; , Sweden)
은 전도성 에폭시 접착제MG 화학물질12642-14  (아마존: 8331D)아마존을 통해 구매
소형 조립 지그https://www.thingiverse.com/thing:6784791
소형 와이어 지그https://www.thingiverse.com/thing:6784775
초탄성 니티놀 와이어(대)McMaster-Carr(미국 오하이오주 브룩파크)8320K310.003" 직경 x 30피트 길이
Ted Pella Inc Silver Conductive EpoxyThermo Fisher Scientific(미국 매사추세츠주 월섬)
UV AdhesiveBondic (미국 뉴욕주 나이아가라 폭포)Amazon 및/또는 Bondic 온라인을 통해 구매 (notaglue.com)
기 를 통해 추적NC9959045

참고문헌

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