Een eenvoudige Flight Mill voor de studie van Tethered Flight in Insecten

Samenvatting

De vlucht bij insecten wordt beïnvloed door een aantal factoren en de neiging om zich te verspreiden is een belangrijke variabele bij het begrijpen van de ecologie van insecten en biologische bestrijdingsstrategieën. We beschrijven de constructie en het gebruik van een eenvoudige, relatief goedkope en flexibele vliegmolen voor het meten van parameters van gebonden vlucht bij insecten.

Samenvatting

Vluchten bij insecten kunnen langeafstands migratievluchten, tussenafstands verspreidingsvluchten of korteafstands host-zoekende vluchten zijn. Eerdere studies hebben aangetoond dat vliegmolens waardevolle hulpmiddelen zijn voor de experimentele studie van insectenvluchtgedrag, waardoor onderzoekers kunnen onderzoeken hoe factoren zoals leeftijd, hostplanten of populatiebronnen de neiging van insecten om te verspreiden kunnen beïnvloeden. Vliegmolens stellen onderzoekers in staat om componenten van vluchten zoals snelheid en afgelegde afstand te meten. Gebrek aan gedetailleerde informatie over hoe zo'n apparaat te bouwen, kan de constructie er prohibitief complex uit laten zien. We presenteren een eenvoudige en relatief goedkope vliegmolen voor de studie van getuigde vlucht bij insecten. Experimentele insecten kunnen worden vastgebonden met niet-giftige lijmen en draaien rond een as door middel van een magneetlager met zeer lage wrijving. De molen is ontworpen voor de studie van vluchten onder gecontroleerde omstandigheden, omdat deze binnen een incubator of omgevingskamer kan worden gebruikt. De sterkste punten zijn de zeer eenvoudige elektronische schakeling, het ontwerp dat het mogelijk maakt dat zestien insecten tegelijkertijd vliegen, waardoor de verzameling en analyse van een groot aantal monsters in korte tijd mogelijk is, en het potentieel om het apparaat in een zeer beperkte werkruimte te gebruiken. Dit ontwerp is uiterst flexibel en we hebben de molen aangepast om verschillende insectensoorten van verschillende groottes te accommoderen.

Inleiding

Verschillende laboratoriumtechnieken ontwikkeld voor de studie van insecten vluchtgedrag ^1,2. Deze variëren van eenvoudige statische tethering ^3,4 tot geavanceerde apparaten die meer bewegingsvrijheid voor de tethered insect ⁵ toestaan. Tot op heden vlucht kamers ^6-9 vertegenwoordigen de apparaten, zodat het hoogste niveau van de vrijheid van de vlucht in gecontroleerde omstandigheden. Deze techniek heeft twee belangrijke nadelen: het is moeilijk te gebruiken voor de studie van grote insecten en de handmatige procedure van gegevensverzameling is tijdrovend.

Vlucht molens vormen een van de meest voorkomende en betaalbare technieken voor de studie van insecten vliegen onder laboratoriumomstandigheden ^10-12. Deze techniek is beter om statische tethering, want het biedt bewegende stimuli ^13, maar het verschilt van een vrije vlucht gedragsmatige respons ^14-16. Sommige aspecten van het gedrag van de vlucht op de molen en in het wild zijn similar ^5,17 dus, ondanks een aantal beperkingen, vlucht molens vormen een haalbare optie is om vragen over het optreden van bepaalde vlucht gedrag reacties te onderzoeken, zoals het geval van trekkende soort vlucht. Ook vlucht molens zijn makkelijker te realiseren dan windtunnels en vlucht kamers en het verzamelen van gegevens kunnen eenvoudig worden geautomatiseerd. Zo onderzoekers geïnteresseerd in het vlieggedrag vinden vaak dat de vlucht molens zijn de beste keuze, maar moet zich bewust zijn van de mogelijke beperkingen van de methode. Hier is een flexibele en aanpasbare vlucht molen ontwerp gepresenteerd voor onderzoekers die hebben gekozen om de vlucht molens te gebruiken om vlieggedrag te onderzoeken.

Verschillende auteurs beschrijven alternatieve vlucht molen ontwerpen. In het algemeen het grootste deel van de vlucht freessysteem, dat wil zeggen de scharnierende arm molen, is vrij eenvoudig te realiseren. Minder eenvoudig is het elektronische gedeelte van de vlucht freessysteem, waarbij de registratie van de gegevens mogelijk maakt. Omgaan met electronic circuits ontwerp kan een uitdaging zijn, vooral voor de entomoloog of gedragsproblemen ecoloog ontbreekt in de achtergrond kennis van elektronica. Sommige auteurs beschrijven een ingewikkelde of verouderd elektronisch circuit component in hun vlucht molen ontwerp ^18-21, of de beschrijving van het elektronische gedeelte van de vlucht molen ontbreekt ^22,23. Andere ontwerpen beschrijven mechanisch ingewikkeld actographs, die vrij ingewikkeld om te realiseren, maar kan onderzoekers helpen om meer complexe gedragsobservaties ⁵ ondernemen.

In dit document een ontwerp voor een eenvoudig te bouwen, is relatief goedkoop vlucht molen voor de studie van tethered vlucht insecten beschreven. Samen met de extreem eenvoudige elektronische component, het ontwerp heeft een aantal voordelen. De vlucht molen is ontworpen voor gebruik in beperkte ruimten meestal verkrijgbaar in standaard insect ecologie laboratorium. De structuur is gemaakt van transparant acryl plastic zodat een enkele lichtbron gelijkmatig elk individu in afzonderlijke kamers van de molen kan bereiken. Gezien de doorzichtigheid van het materiaal en de geringe afmetingen kan de vlucht molen worden toegepast in een incubator voor gestandaardiseerde licht en temperatuur. Tenslotte kan de gehele structuur worden gemonteerd en eenvoudig te demonteren en eenmaal gedemonteerd kan worden opgeslagen in een kleine ruimte. Een ander voordeel van het ontwerp van de constructie is dat de vlucht molen kan worden aangepast aan de studie van insecten van verschillende afmetingen en met verschillende afstanden revolutie toelaten. Deze vlucht molen is gebruikt om gegevens op insecten zo divers in grootte te verzamelen en vorm als milkweed bugs, Oncopeltus F ^24, kudzu bugs, Megacopta cribraria en begraven kevers, Nicrophorus vespilloides. De vlucht molen ontwerp zorgt ook voor hoge through-put die nodig zijn voor studies waarbij grote steekproeven. De gegevens kunnen worden verzameld met 8 simultane kanalen voor elke data loggers Used zodat een groot aantal individuen tegelijkertijd worden geanalyseerd en grote aantallen monsters kan op dezelfde dag behandeld. Geen dure software nodig om de gegevens te registreren en te visualiseren en de aangepaste schrift voor gegevensanalyse kunnen worden gewijzigd volgens de specifieke behoeften van proefopzet. Vlucht reactie is zeer variabel in verschillende insectensoorten. Dus, voordat het uitvoeren van een volledige vlucht molen experiment, voorproeven op de respons vlucht van het brandpunt insect model worden aanbevolen. Deze zullen een begrip van de omvang van de gedragsmatige variatie in vlucht reactie, die zal worden gebruikt om verfijnen aspecten van de vluchtanalyse zoals opnametijd of vliegsnelheid bereik te bieden.

Protocol

1. Construeer de Flight Mill

1. De bouw van de acrylaat draagstructuur:
   1. Snij 3 mm dik transparant acrylaat platen in de twee buitenste verticale wanden, de ene centrale verticale wand en de vijf horizontale planken zoals door de in figuur 1 ontwerp.
   2. Samenstellen door het plaatsen van de planken (figuren 1 en 2, HS) naar verticale wanden (figuren 1 en 2, OW en CW) van de steunconstructie (figuur 2A) te vormen.
   3. Versterking van de structuur door het inbrengen van polystyreen kolommen bij de buitenhoeken aan de achterkant van de inrichting (figuur 2A en figuur 2C). Desgewenst lijm korte stukjes rechthoekige neus-beschermers langs de centrale verticale wand verbindingen voor extra ondersteuning voor de horizontale planken.
2. Construct de pivoting arm assemblage:
   1. Lijm een ​​5 cm lengte van 1 cm diameter plastic slang in de top midden van elke cel. Lijm een ​​2 cm lengte van 1 cm diameter plastic slang in het midden onderaan elke cel zorg ervoor dat de bovenste en onderste buizen in elke cel wordt uitgelijnd. Met behulp van hete lijm aanbrengen twee 10 mm x 4 mm N42 neodymium magneten aan het einde van elke steun, die de magneetlager van de arm van de molen.
   2. Plaats een entomologische pin in een 20 ul pipetpunt en bevestig op zijn plaats met warme lijm. Plaats de pin zodanig dat beide uiteinden uit te breiden van de pipet tip om het anker van de vlucht molen vormen.
      Opmerking: Tijdens de vlucht studies wordt de bovenkant van de pen op zijn plaats gehouden door de bovenste set magneten. De onderste set magneten is het anker te handhaven in een verticale positie, waardoor het draaien rond zijn as.
   3. Snijd een 24 cm lengte van 19 meter niet-magnetisch onderhuids stalen buizen. Met behulp van hete lijm, brengt het middelpunt naar de top van de pipet tip from stap 1.2.2. Buig een uiteinde van de slang op 2 cm van het uiteinde op een hoek van 95 °, waardoor een lange arm van 12 cm vanaf het middelpunt en een korte arm met een radius 10 cm vanuit het centrum naar de bocht (figuur 2B).
      Opmerking: De straal lengte kan worden gevarieerd teneinde verschillende afstanden revolutie tegemoet.
3. Stel de IR-sensor en de datalogger:
   1. Bevestig de IR-sensoren op eeuwig zijden van elke cel met behulp herbruikbare kleefstof stopverf, waardoor de sensor tot in de cel door de openingen gesneden in de uitwendige verticale wand steunen (figuur 2C).
   2. Sluit de IR-sensoren om data loggers door een zeer eenvoudige elektronische schakeling gebouwd op een Breadboard (figuur 3). Verbind twee weerstanden van 180 Ω en 2,2 kOhm respectievelijk de ingang en uitgang van de IR-verbinding op het breadboard (figuur 3A, B). Plaats de weerstanden in alternate rijen langs de broodplank druppels in de spanning signaal te minimaliseren tijdens het opnemen van meerdere sensoren (zie figuur 3C).

2. Flight Trials

1. Tether insecten om de vlucht molen arm indirect via een insect pin:
   1. Plaats een kleine folie vlag aan het einde van het opengevouwen einde van de zwenkarm om verstoring van de infraroodstraal in de sensor te maximaliseren en om als tegengewicht.
   2. Afhankelijk van het insect de grootte en nagelriemen beschikbaar voor bevestiging, bevestig de experimentele insect een insect pin met herbruikbare lijm stopverf of niet-giftige huid lijm. Eventueel verdoven het insect door ofwel koeling of CO _2.
   3. Vorm een ​​kleine hoeveelheid lijm stopverf rond de afgeronde top van een entomologische pin en bedek het met een daling van de niet-giftige huid lijm. Voorzichtig toe te passen op de pronotum gebied en wacht 5-10s tot de lijm droog is.
      Opmerking: De proprocedure in stap 2.1.3 is geschikt voor insecten met harde (kever, insecten) of zachte (wespen, vliegen) cuticula. Insecten met harige cuticula (motten, vlinders) zal nodig hebben om het haar voorzichtig verwijderd met een zeer fijn penseel voor tethering hebben.
   4. Steek de pin met het insect bevestigd in het gebogen uiteinde van de zwenkarm montage.
   5. Na de vlucht test is beëindigd, verwijdert u de tethering met een fijne pincet.
      Opmerking: Data logger opgezet en acquisitie is als volgt voor de speciale apparatuur in de tabel genoemde materialen en moeten worden aangepast voor gebruik met andere apparatuur geoptimaliseerd.
2. Initiëren een opnamesessie met de vrij beschikbare WinDaq Lite software
   1. Download en installeer de gratis software WinDaq Lite (zie inventarislijst).
   2. Open het instrument hardware manager, selecteer het data-logger in het pop-up lijst en druk op 'Start WinDaq'. Een nieuw venster wordt geopend en de input tekenAl vanaf elke sensor worden weergegeven.
   3. Selecteer de gewenste sampling frequentie waarmee de data-logger leest en toont de output van de sensor.
      Opmerking: De bemonsteringsfrequentie is afhankelijk vluchtsnelheid het insect echter bemonsteringsfrequenties variërend tussen 30-45 Hz snel genoeg om de vlucht van kleine en middelgrote insecten vangen wordt.
   4. Druk op Ctrl-F4 om een ​​opname te starten. Selecteer de bestemming pad van de opname bestand in de eerste pop-up venster. Kies de juiste lengte van de tijd op de vlucht voor de specifieke insecten en experiment op te nemen. Definieer opnametijd in het tweede pop-up venster. Zodra de opnametijd is verstreken druk op Ctrl-S om het opgenomen bestand af te ronden.
3. Controleer de kwaliteit van de opname.
   1. Open de opgenomen vlucht baan en selecteer een spanning kanaal. Druk op Ctrl-T om een ​​pop-up venster met de spanning statistieken voor elk kanaal.
   2. Zorg dat er geen grote druppelsin minimum waarde gevolg van spanningsval over de kring (figuur 4). Gooi kanalen waarbij het verschil tussen het kanaal en de gemiddelde minimale spanning groter dan 0,1 V
4. Sla het bestand op in een * CSV-formaat: Ga naar Bestand> Opslaan als en in het pop-up venster selecteert u "afdrukken Spreadsheet (CSV)". In de "Spreadsheet Comments" pop-up venster selecteert u "Relative Time" en schakel alle andere opties. Klik op OK om het bestand op te slaan.

3. Analyse van vluchtgegevens met Python 3.4.x

1. Installeer de laatste Python 3.4.x versie. Download het archief Python_scripts.zip (Aanvullende Files), open, en standardize_peaks.py en flight_analysis.py te slaan op het bureaublad.
2. Standaardiseren en selecteer de pieken in het opgenomen signaalals hieronder
   1. Klik met de rechtermuisknop op het pictogram van standardize_peaks.py. Kies 'Open met IDLE'.
      Opmerking: IDLE is de standaard editor voor Python, maar elke tekstverwerker kan worden gebruikt voor dit doel.
   2. In Lines 18-19, geeft de drempelwaarden rond het gemiddelde spanning wordt gebruikt om de standaardisatie van de spanning signaal voor elk kanaal te voeren.
      Opmerking: De standaardwaarden zijn ingesteld op een fijnafstemming signaal normalisatie leveren, maar de gebruiker kan elke gewenste drempel volgens de waarde van de gemiddelde spanning van elk kanaal definiëren. Deze zijn te vinden in de spanning statistieken venster (zie stap 2.3).
   3. In lijn 45, typt u het pad naar de map waarin het opgenomen * CSV-bestand wordt opgeslagen.
   4. In lijn 91, typt u het pad naar de map waarin u de * .txt peak-bestand op te nemen.
   5. In de lijn 61 en lijn 72, geef dan het aantal kanalen dat nodig is. Toe te voegen of kanalen verwijderen door het schrappen van de # aan het begin van de lijn 61-63 en 72-74 tot maxmale van 8 kanalen.
   6. Sla het bestand op en start het script door op F5 te drukken.
   7. Geef de naam van de * .csv-bestand (met eventuele aanvullende sub-mappen) in om het pop-up venster en druk op terugkeer naar een nieuwe * .txt bestand op te slaan met de gestandaardiseerde signalen in de opgegeven map.
      Opmerking: Afhankelijk van het aantal kanalen n gebruikt, dan bevat n + 1 kolommen: de eerste kolom is de relatieve tijd van de monstername, de andere n kolommen geven de basis en pieken gebeurtenissen uit de n kanalen voor de opname. Een waarde van 0 geeft de basisspanning, terwijl een waarde van 1 geeft een piek afgeleid uit de passage van de vlag door de infraroodsensor.
3. Analyseer de vlucht spoor met behulp van de gestandaardiseerde bestand: Bewerk het flight_analysis.py script om de gebruiker experimentele omstandigheden tegemoet:
   1. Klik met de rechtermuisknop op het pictogram van flight_analysis.py. Kies 'Open met IDLE'.
   2. In de lijn 39 en lijn 80 pas de lengtevan de circulaire vliegbaan volgens de arm radius.
   3. Indien nodig, activeer een optionele snelheid correctie lus door het schrappen van de # in lijnen 50-52. Veranderen dienovereenkomstig snelheid waarde.
   4. In de lijn 77 en lijn 85, bewerkt u de snelheid drempel en de tijd kloof waarden te corrigeren voor valse snelheid lezingen in de vlucht spoor en zijn goed voor zeer korte tijd kloof die tussen twee opeenvolgende lange ononderbroken vliegen wedstrijden.
   5. In lijn 198, geeft de totale opnametijd in seconden. Wijzig de waarde varieert in de output lijnen van lijn 287 vanaf.
      Opmerking: Het standaardbereik kan worden aangepast aan de gebruiker experimentele voorwaarden. Om dit te doen, alle numerieke waarden binnen de functie (inclusief die in de variabele, bijvoorbeeld in de variabele "flight_300_900") moeten worden veranderd om de gewenste waarde.
   6. In lijn 248 het type het pad naar de map waarin het * .txt gestandaardiseerde bestand is opgeslagen.
   7. Geef het aantalkanalen. Toevoegen of kanalen verwijderen door het toevoegen of verwijderen van een # aan het begin van de lijnen 257-259, 270-272 lijnen en lijnen 279-281 tot maximaal 8 kanalen.
   8. In lijn 304 typ het pad naar de map waarin u de output bestanden op te slaan.
   9. Zodra alle gebruikersinstellingen zijn opgegeven, sla het bestand op en start het script door op F5 te drukken.
   10. Voer de naam van het * .txt-bestand te analyseren (met eventuele aanvullende sub-mappen) in het pop-up venster en druk op return.

Resultaten

Figuur 5 toont representatieve voorbeelden van het soort grafieken die kan worden verkregen volgens de in de vorige paragraaf scripts. Flight data werden verkregen uit experimenteel werk verricht bij de afdeling Zoölogie aan de Universiteit van Cambridge met behulp van de doodgravers Nicrophorus vespilloides als model (Attisano, ongepubliceerde gegevens). Twee jonge ongedempte mannetjes van ongeveer 20 dagen oud waren vastgebonden aan de vlucht molens en geplaatst in gecontroleerde omstandigheden van 14:10 L: D en 21 ° C. De kevers werden achtergelaten in de vlucht molen voor 8 opeenvolgende uren en de vlucht activiteit werd geregistreerd. Het op zeefanalyse en de grafische output maken het mogelijk om individuele verschillen in de vlucht activiteitspatronen lossen. Bijvoorbeeld, het eerste mannelijke (figuur 5A) vertoonde een sterke vlucht activiteit in het eerste uur van de opname, gekenmerkt door hoge snelheid en continue vlucht die ongeveer drie uur duurde. This verlengde activiteit fase wordt gekenmerkt door een geleidelijke afname van de snelheid van ongeveer 1,6 m / s tot 1 m / s die. Na de eerste vliegende gevecht, het individu toonde een bijna periodieke patroon van relatief korte vlucht vlagen ongeveer 10-15 minuten duur elk. De tweede man toonde een heel andere vlucht patroon met vliegende aanvallen die nooit de duur van 15-20 minuten (Figuur 5B) overschreden. In deze persoon het vliegactiviteit wordt gekenmerkt door een brede spreiding van die periodes in de eerste 4 uur opnemen, waarna de activiteit wordt bijna periodiek. Deze individuele presenteerde ook zeer laag vliegende snelheid die slechts af en toe boven 0,4 m / s.

Een ander representatief voorbeeld werd verkregen met behulp van een ander insect model, de kroontjeskruid bug Oncopeltus F. De gegevens werden verzameld tijdens een onderzoek naar de trekkende gedrag en de fysiologische reactie op voedsel stress in kroontjeskruid bug vrouwen ^24. In deze studie wordt deopnametijd was ingesteld op een uur om vrouwen als migranten of bewoners te karakteriseren. Deze gedragstypes worden gekenmerkt door een "alles of niets" reactie. Migrerende vrouwen bezighouden met duurzame en continue vluchten meestal voor de duur van enkele uren, terwijl de bewoner vrouwen nooit vlucht activiteit langer dan enkele minuten te laten zien. Zo zal een migrant vrouwtje een vlucht patroon zoals in figuur 6A laten zien, terwijl een inwoner vrouwtje zal worden gekenmerkt door een bewegingspatroon zoals in figuur 6B.

Figuur 1. Constructie configuratie voor acrylaat draagconstructie. Het acrylaat steunconstructie voor de vlucht molens is opgebouwd uit drie verschillende componenten. Er zijn twee buiten de verticale wanden (OW) die zowel sleuven voor de planken en een opening naar de IR Sens tegemoetOR's (A). Er is een centrale verticale wand (CW) met sleuven voor de planken. Er zijn 5 horizontale planken (HS) met sleuven voor de wanden. De magnetische spil is vastgelijmd aan de horizontale planken op positie B. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2. Geassembleerd vlucht molen. (A) De acrylaat steunconstructie wordt geassembleerd door er met de vijf horizontale planken (HS) in de sleuven van de twee buitenwanden (OW) en de centrale wand (CW), wat resulteert in een structuur met 8 individuele cellen die elk een magnetische pivot en een IR sensor, waardoor 8 personen tegelijkertijd te vliegen. (B) De zwenkarm waarop de insecten worden vastgemaakt kan worden geconstrueerd accomm Odate verschillende maten en morfologie van insecten. (C) Als de tethered insect beweegt de zwenkarm opgehangen tussen de magneten, de folie vlag aan de andere kant van de arm activeert de IR-sensor (pijl). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Het ontwerp van de schakeling de IR-sensoren verbindt met de datalogger. (A) Een eenvoudige schakeling aangesloten invoer van de infraroodsensor met de datalogger. (B) Elke datalogger kan worden gevoed en aangesloten op de datalogger via een Breadboard hand van het schema. (C) meerdere sensoren worden aangesloten op één datalogger met dezelfde breadboard.large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4. Voorbeelden van geregistreerde vlucht evenementen. Voltage pieken vertegenwoordigen volledige omwentelingen van de arm van de molen vlucht. (A) Een hoge kwaliteit opname van een vlucht gebeurtenis zonder spanning in het opgenomen signaal. (B) Een vlucht evenement met een spanningsverlies in het opgenomen signaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Vertegenwoordiger van de vluchtgegevens van de doodgravers Nicrophorus vespilloides. Individuele variatie vluchtgedrag is gemakkelijk te herkennen in de vlucht opnames. (A) Een individuele gevlogen continu gedurende ongeveer drie uur na het begin van het proces en vloog periodiek bij hoge snelheid gedurende de rest van het proces. (B) Het gedrag van het individu is anders in dat deze kever vloog slechts sporadisch in het hele proces en vloog bij de hoge snelheden te zien in het individu in paneel A (let op het verschil in schaal op de Y-as) nooit. Klik hier om bekijk een grotere versie van deze figuur.

Figuur 6. Vertegenwoordiger van de vluchtgegevens van de kroontjeskruid bug Oncopeltus F. Twee verschillende patronen van gedrag worden duidelijk waargenomen tussen de flight data opnames. (A ) Deze opname is een typisch voorbeeld van het type vlucht gedrag gezien in trekkende individuen. Trekkende mensen vliegen op een relatief constante snelheid gedurende een lange periode van tijd. (B) Het gedrag in Panel A wordt gecontrasteerd met de typische vlucht gedrag van een inwoner individu. Inwoners vliegen op lagere snelheden en vlucht aanvallen slechts een korte tijd (let op het verschil in schaal op de X-as voor A en B) duren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Een betaalbare, flexibele en verstelbare vlucht molen ontwerp.

Insect vlucht gedrag is van belang om een ​​reeks van wetenschappers, van diegenen die geïnteresseerd zijn in de basis gedrag van insecten onder variabele omgevingen aan specialisten in biologische bestrijding, die nodig om te begrijpen hoe de omstandigheden van invloed op de neiging van een schadelijke soorten te verspreiden. Vlucht gedrag kan worden bestudeerd door verschillende methoden die variëren van de vlucht 'loopbanden en windtunnels die benadering veldomstandigheden aan tethered vlucht apparaten statisch. Gebonden vlucht molens, zoals hier gepresenteerd zijn beperkt doordat bepaalde aspecten vlucht, zoals veranderingen in hoogte, niet meetbaar ^14. Echter, tethered vlucht molens toestaan ​​insecten om ononderbroken te vliegen en dus kunnen onderzoekers parameters zoals snelheid, afstand en de frequentie van de vlucht kwantificeren en correleren deze parameters met de milieu-omstandigheden, fysiologie, en morphology.

De vlucht molen hier gepresenteerde werd ontworpen om onderzoekers zonder gespecialiseerde kennis van elektronica te bouwen en gebruik maken van een tethered vlucht molen om vlieggedrag bij insecten bestuderen mogelijk te maken. Een voordeel van dit ontwerp is dat de totale kosten van de vlucht molen is laag in vergelijking met andere ontwerpen. De totale kosten kunnen worden gehandhaafd duidelijk onder 300 US dollars. De kunststof acrylaat platen zijn het meest kostbare object. Het tweede voordeel is dat de vlucht molen is aanpasbaar voor het beperkte gecontroleerde toestand werkplekken in vele laboratoria, in tegenstelling tot gespecialiseerde windtunnel. Het gebruik van 3 mm dik transparant acrylaat platen betekent dat de constructie zowel transparant, om het observeren van insecten en ook lichtgewicht mogelijk maken, waardoor de vlucht molen naar de juiste locatie voor de vlucht proeven worden verplaatst. De gestapelde configuratie van de vlucht molen cellen maximaliseert het aantal monsters uitgevoerd terwijl het minimaliseren van de voetdrukken van de inrichting. Verder kan de inrichting eenvoudig worden gedemonteerd voor opslag. Bovendien werd de vlucht molen ontworpen dat grote aantallen individuen relatief eenvoudig bemonsteren. Elke vlucht molen bevat 8 cellen, waardoor de onderzoekers op de vlucht activiteit van meerdere personen tegelijkertijd op te nemen. Bevestigen insecten indirect de zwenkarm via een insect pin maakt individuele insecten snel worden geplaatst en verwijderd uit de vlucht mill. Tenslotte, de gegevensregistratie elektronica is eenvoudig en makkelijk te gebruiken, met vrij beschikbare software voor gegevensanalyse. Eenmaal gemonteerd, de vlucht molen maakt gebruik van eenvoudige IR-sensoren op de vlucht activiteiten vast te leggen. De passage van de folie vlag aan het einde van de arm door de infraroodstraal kan elke omwenteling van de arm op te nemen. Het tarief van de revolutie kunnen gegevens zoals snelheid, afgelegde afstand, de totale vliegtijd en patronen vlucht worden geregistreerd als input in een data-logger.

De vlucht molenkan worden aangepast voor verschillende soorten insecten. Het gebruik van onderhuidse stalen buizen voor de zwenkarm is effectiever dan andere opties, zoals houten stokjes of rietjes omdat, hoewel zwaarder, de weerstand geproduceerde verminderd met de kleine diameter, zodat zelfs kleine insecten-flight geteste. Recentelijk zijn kleine stukjes optische vezel gebruikt in een vlucht molen kleine insecten ^25. Het gebogen einde van de arm kan worden gelijmd aan het anker onder verschillende hoeken ten opzichte van de steunas om de experimentele insect positie in zijn natuurlijke oriëntatie vlucht. In het ontwerp voorgesteld, waarbij de straal 10 cm lang, de totale afstand in één omwenteling is 62,8 cm. Verwijderen van de centrale verticale wand een alternatieve configuratie van de vlucht molen waarbij de arm radius kan worden verdubbeld in lengte groter insecten vangen en revolutie afstanden tot 1,20 m toestaan. In dit geval sterkere magneten recommended te huisvesten en te stabiliseren de arm langer molen.

Zoals de hele gezegd, de vlucht molen ontwerp is flexibel en aanpasbaar voor de insectensoorten van de rente en de onderzoekers zijn in staat om het voor hun specifieke behoeften. Dit omvat niet alleen de fysieke behoeften van de insecten, waaronder parameters zoals grootte, kracht, structuur van de opperhuid, maar ook biologische verschillen tussen soorten. Een mogelijk nadeel van alle vlucht molens is dat het ontbreken van de insecten tarsale support 'krachten' te vliegen, misschien om uitputting. Hoewel dit waar is in sommige soorten, bijvoorbeeld, zagen we het automatische respons met onze milkweed bug proeven, het is niet voor alle insecten die we hebben getest (bijvoorbeeld N. vespilloides). Maar zelfs met de automatische respons, hebben we nooit gezien insecten vliegen naar uitputting of de dood, omdat in een deel van de opname tijd dat we ervoor gekozen om de biologie van de insecten tegemoet. Het is dus belangrijk om te doeninleidende opmerkingen over het insect van belang zijn voor zijn gedrag in de vlucht molen begrijpen om het verzamelen van gegevens te optimaliseren. Een extra, goed bekend probleem met vlucht molens, is dat inertie beweging, zelfs na het insect is gestopt met actief vliegen kan handhaven. Het script voorzien rekeningen voor de Fouten bij het aflezen te wijten aan de traagheid van de vlucht molen, gekenmerkt door een snelle daling van de vliegsnelheid en de toenemende afstanden tussen pieken. Het script 'flight_analysis.py' ontdoet deze 'valse pieken "en bouwt een nieuw signaal voor analyse. De gebruiker kan de snelheid drempel voor correctie te kiezen, zoals uiteengezet in de aantekeningen in het script.

Een 5 V voeding voldoende om een ​​leesbare spanningssignaal krijgen echter een motor met variabele uitgangsspanning kan worden gebruikt als energiebron om het vermogen te worden gevarieerd en derhalve optimaliseren werkspanning voor elke sensor. Een dergelijke oplossing kan ook helpen om de visualisatie kwaliteit o vergrotenf piek signalen in de software van de opname-interface. Uitgang van de sensor is opgenomen in de software-interface zoals gevormd door een basis en piekspanningen waar de basisspanning vertegenwoordigt het laagste uitgangsspanning van de sensor in rust (wanneer de infraroodstraal niet onderbroken), terwijl de piekspanning is de opkomst van basisspanning die optreedt wanneer de infraroodstraal wordt onderbroken als de arm reist door de balk. Ingangsspanning 5 V levert een toename van ongeveer 100 mV tegelijk de ingang tot 7 V verhoogt de piek stijgen tot 300 mV waardoor een duidelijker onderscheid basis en piekspanningen. De grootte van de gekozen Breadboard bepaalt hoeveel vlucht cellen kunnen worden ondergebracht. Om druppels in het spanningssignaal minimaliseren tijdens het opnemen van meerdere sensoren, wordt aanbevolen de weerstanden in afwisselende rijen langs de breadboard te plaatsen (zie figuur 3C).

Aanpasbare signaal standaardisatie en analysis scripts geschreven voor het open access programmeertaal Python.

De standaardisatie en de analyse van de spanning signaal worden uitgevoerd door het gebruik van op maat geschreven scripts in Python, dat is een gratis, op grote schaal gebruikt voor algemene doeleinden en high-level programmeertaal. De eindgebruiker kan gemakkelijk aanpassen van de scripts te werken met eigen opgegeven instellingen. De aanpassing wordt bereikt door simpelweg het veranderen van numerieke waarden of variabele namen. Notities over hoe de parameters aan te passen kan worden gevonden binnen de scripts zelf. De standaardwaarden van de scripts worden ingesteld op een fijnafstemming signaal normalisatie leveren, maar de gebruiker kan elke gewenste drempel volgens de waarde van de gemiddelde spanning van elk kanaal definiëren. In de vlucht analyse script, de functie flying_bouts van lijn 105 berekent de duur in seconden van de langste en kortste vliegen periodes, het percentage van de tijd doorgebracht in de vlucht over de totale opnametijd en het aantal vliegende bout evenements van een bepaalde duur range. De bereiken kunnen worden aangepast aan de gebruiker experimentele voorwaarden. Om dit te doen, alle numerieke waarden binnen de functie (inclusief die in de variabele, bijvoorbeeld in de variabele "flight_300_900") moeten worden veranderd om de gewenste waarde. Het aantal reeksen en de duur alleen afhankelijk van de specificaties van de gebruiker. Het script kan afdrukken op scherm van de resultaten van de analyse voor elk kanaal. Deze omvatten: de gemiddelde vliegsnelheid, totale vliegtijd, afgelegde afstand, kortste en langste vliegende aanvallen en vlucht samenstelling. Bovendien, het script geeft een * .DAT bestand voor elk kanaal en slaat deze op in de map-uitgang door de gebruiker opgegeven. Elk * .DAT bestand bevat twee kolommen: de eerste is de relatieve tijd van de piek evenement, de tweede is de gedetailleerde snelheid variatie tussen twee opeenvolgende piek gebeurtenissen. Dit bestand kan in Excel of R worden ingevoerd om een ​​grafiek van de snelheidsvariatie produceren meer dande tijd en de vlucht activiteit patronen te visualiseren.

Samenvattend tonen deze resultaten aan dat de vlucht molen ontwerp eenvoudig en met succes kan worden geïmplementeerd voor de gedrags- studies naar die activiteitspatronen verschillende insecten modellen verzamelen. Dergelijke gegevens kunnen worden gebruikt om individuele variatie in bewegingspatronen zoals bijvoorbeeld afhankelijk fysiologie en morfologie te onderzoeken. Dit kan grote inzichten in de onderliggende fysiologische en morfologische kenmerken bepalen van individuele variatie in bewegingspatronen als foerageer- of trekkende activiteit, die uiteindelijk van invloed op de bevolking als geheel bieden. De gedetailleerde snelheidsvariatie de tijd kan worden gebruikt in combinatie met de gedetailleerde fysiologische en morfologische metingen met een instrument om consumptie- middelen of effecten van variatie in lijfdeel morfologie op vliegactiviteit bestuderen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Data Logger	DATAQ Instruments, Ohio, USA	DI-149	Deze specifieke dataloggers zijn gekozen omdat ze eenvoudig via USB op een computer kunnen worden aangesloten en worden geleverd met gratis eigen software (WinDaq/Lite, DATAQ Instruments, Ohio, USA) om de uitvoer van de sensor te visualiseren en op te nemen, waardoor het ontwerp van de vliegmolen betaalbaarder wordt.
Data Logger - potentiële alternatief			Een potentieel alternatief voor de DATAQ dataloggers  is een RS232 naar USB adapter, gemakkelijk verkrijgbaar via kantoor- of elektronische winkels.  Deze zouden data rechtstreeks van de seriële poort via de pyserial module moeten kunnen lezen.
Entomologische pinnen	BioQuip
Hypodermische stalen buis 19 gauge	Small Parts	B000FN5Q3I	Beschikbaar via Amazon.com; andere leveranciers zijn beschikbaar, maar zorg ervoor dat u austenitische stalen buizen koopt om ervoor te zorgen dat de arm niet-magnetisch is
IR Sensoren	Optek Technology Inc., Texas USA	OPB800W
N42 neodymium magneten			Eenvoudig verkrijgbaar; kan worden gekocht bij gespecialiseerde magneetleveranciers, hobbywinkels of Amazon
Plexiglas/perspex			Eenvoudig verkrijgbaar in elke bouwmarkt
Polystyreen kolommen voor ondersteuning			Elk polystyreen of piepschuim verpakkingsmateriaal dat anders zou worden weggegooid of gerecycled kan worden gebruikt om de ondersteunende kolommen voor de vliegmolen te maken.  Anders zijn piepschuim isolatieplaten verkrijgbaar in elke bouwmarkt.
Solderloos Breadboard Voedingsmodule	Arrela	MB102	De 5V voedingseenheid, breadboard en solderloze mannelijke-mannelijke jumperdraden kunnen eenvoudig als kit worden gekocht.