Het bouwen van een verbeterde vluchtmolen voor de studie van vastgebonden insectenvlucht

Samenvatting

Dit protocol maakt gebruik van driedimensionale (3D) printers en lasersnijders in makerspaces om een flexibeler ontwerp van de vluchtmolen te creëren. Door deze technologie te gebruiken, kunnen onderzoekers de kosten verlagen, de ontwerpflexibiliteit verbeteren en reproduceerbaar werk genereren bij het bouwen van hun vluchtmolens voor aangebonden insectenvluchtstudies.

Samenvatting

Makerspaces hebben een groot potentieel om onderzoekers in staat te stellen nieuwe technieken te ontwikkelen en met nieuwe soorten te werken in ecologisch onderzoek. Dit protocol laat zien hoe u kunt profiteren van de technologie in makerspaces om een meer veelzijdige vliegmolen te bouwen voor relatief lage kosten. Gezien het feit dat deze studie zijn prototype heeft geëxtraheerd uit vluchtmolens die in het afgelopen decennium zijn gebouwd, richt dit protocol zich meer op het schetsen van afwijkingen gemaakt van de eenvoudige, moderne vluchtmolen. Eerdere studies hebben al aangetoond hoe voordelig vluchtmolens zijn voor het meten van vluchtparameters zoals snelheid, afstand of periodiciteit. Dergelijke molens hebben onderzoekers in staat gesteld om deze parameters te associëren met morfologische, fysiologische of genetische factoren. Naast deze voordelen bespreekt deze studie de voordelen van het gebruik van de technologie in makerspaces, zoals 3D-printers en lasersnijders, om een flexibeler, steviger en inklapbaar ontwerp van de vluchtfrees te bouwen. Met name de 3D-geprinte componenten van dit ontwerp stellen de gebruiker in staat om insecten van verschillende groottes te testen door de hoogten van de molenarm en infrarood (IR) sensoren instelbaar te maken. De 3D-prints stellen de gebruiker ook in staat om de machine eenvoudig te demonteren voor snelle opslag of transport naar het veld. Bovendien maakt deze studie meer gebruik van magneten en magnetische verf om insecten met minimale stress vast te binden. Ten slotte beschrijft dit protocol een veelzijdige analyse van vluchtgegevens door middel van computerscripts die differentieerbare vluchtproeven efficiënt scheiden en analyseren binnen een enkele opname. Hoewel arbeidsintensiever, vergemakkelijkt het toepassen van de tools die beschikbaar zijn in makerspaces en op online 3D-modelleringsprogramma's multidisciplinaire en procesgerichte praktijken en helpt het onderzoekers dure, vooraf gemaakte producten met nauw instelbare afmetingen te vermijden. Door gebruik te maken van de flexibiliteit en reproduceerbaarheid van technologie in makerspaces, bevordert dit protocol het ontwerp van creatieve vliegmolens en inspireert het open wetenschap.

Inleiding

Gezien hoe hardnekkig de verspreiding van insecten in het veld is, is de vluchtmolen een veelgebruikt laboratoriuminstrument geworden om een belangrijk ecologisch fenomeen aan te pakken - hoe insecten bewegen. Als gevolg hiervan, sinds de pioniers van de vluchtmolen^1,2,3,4 zes decennia van ontwerp en constructie van de vliegmolen inluidden, zijn er merkbare ontwerpverschuivingen geweest naarmate technologieën verbeterden en meer geïntegreerd raakten in wetenschappelijke gemeenschappen. In de loop van de tijd verving geautomatiseerde software voor het verzamelen van gegevens kaartrecorders en gingen de armen van de vliegmolen over van glazen staven naar koolstofstaven en stalen buizen⁵. Alleen al in het afgelopen decennium hebben magnetische lagers teflon- of glaslagers vervangen als optimaal wrijvingsloos, en paren tussen vluchtmolenmachines en veelzijdige technologie zijn toegenomen naarmate audio-, visuele en laagfabricagetechnologie steeds meer geïntegreerd worden in de workflows van onderzoekers. Deze combinaties omvatten high-speed videocamera's om vleugelaërodynamica⁶te meten, digitaal-naar-analoog boards om sensorische aanwijzingen na te bootsen voor het bestuderen van auditieve vluchtreacties^7,en 3D-printen om een kalibratie-rig te maken om vleugelvervorming tijdens vlucht⁸te volgen. Met de recente opkomst van opkomende technologieën bij makerspaces, met name bij instellingen met digitale mediacentra die worden gerund door deskundig personeel⁹, zijn er grotere mogelijkheden om de vluchtmolen te verbeteren om een groter scala aan insecten te testen en het apparaat naar het veld te vervoeren. Er is ook een groot potentieel voor onderzoekers om disciplinaire grenzen te overschrijden en technisch leren te versnellen door middel van productiegebaseerd werk^9,10,11,12. De hier gepresenteerde vluchtmolen (aangepast van Attisano en collega's¹³⁾maakt gebruik van opkomende technologieën in makerspaces om niet alleen 1) vluchtmolencomponenten te maken waarvan de schalen en afmetingen zijn afgestemd op het betreffende project, maar ook 2) onderzoekers een toegankelijk protocol te bieden in lasersnijden en 3D-printen zonder een hoog budget of gespecialiseerde kennis in computerondersteund ontwerp (CAD) te vereisen.

De voordelen van het koppelen van nieuwe technologieën en methoden aan de vliegmolen zijn aanzienlijk, maar vluchtmolens zijn ook waardevolle stand-alone machines. Vluchtmolens meten de vliegprestaties van insecten en worden gebruikt om te bepalen hoe vliegsnelheid, afstand of periodiciteit zich verhoudt tot omgevings- of ecologische factoren, zoals temperatuur, relatieve vochtigheid, seizoen, waardplant, lichaamsmassa, morfologische kenmerken, leeftijd en voortplantingsactiviteit. In tegenstelling tot alternatieve methoden zoals actografen, loopbanden en de video-opname van vliegbewegingen in windtunnels en overdekte arena's¹⁴, is de vluchtmolen opmerkelijk vanwege zijn vermogen om verschillende vluchtprestatiestatistieken onder laboratoriumomstandigheden te verzamelen. Dit helpt ecologen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over vluchtverspreiding, en het helpt hen vooruitgang te boeken in hun discipline - of dat nu geïntegreerdeplaagbestrijding is^15,16,17,populatiedynamiek, genetica, biogeografie, levensgeschiedenisstrategieën¹⁸, of fenotypische plasticiteit^19,20,21,22 . Aan de andere kant kunnen apparaten zoals hogesnelheidscamera's en actografen een strikte, gecompliceerde en dure opstelling vereisen, maar ze kunnen ook leiden tot meer nauwkeurig afgestemde bewegingsparameters, zoals wing-beat-frequenties en insectenfotofase-activiteit^23,24. De hier gepresenteerde vluchtmolen dient dus als een flexibele, betaalbare en aanpasbare optie voor onderzoekers om vluchtgedrag te onderzoeken.

Evenzo blijft de stimulans om opkomende technologieën te integreren in de workflow van ecologen toenemen naarmate vragen en benaderingen voor het bestuderen van verspreiding creatiever en complexer worden. Als locaties die innovatie bevorderen, trekken makerspaces meerdere expertiseniveaus aan en bieden ze een lage leercurve voor gebruikers van elke leeftijd om nieuwe technische vaardigheden te verwerven^10,12. Het iteratieve en collaboratieve karakter van prototyping van wetenschappelijke apparaten in de makerspace en via online open bronnen kan de toepassing van theorie¹¹ versnellen en productontwikkeling in de ecologische wetenschappen vergemakkelijken. Bovendien zal het vergroten van de reproduceerbaarheid van wetenschappelijke instrumenten een bredere gegevensverzameling en open wetenschap aanmoedigen. Dit kan onderzoekers helpen bij het standaardiseren van apparatuur of methoden voor het meten van verspreiding. Het standaardiseren van tools zou ecologen verder in staat kunnen stellen om verspreidingsgegevens over populaties te verenigen om metapopulatiemodellen te testen die zich ontwikkelen uit dispersiekernen²⁵ of bron-sink kolonisatiedynamiek²⁶. Net als hoe de medische gemeenschap 3D-printen gebruikt voor patiëntenzorg en anatomieonderwijs²⁷, kunnen ecologen lasersnijders en 3D-printers gebruiken om ecologische hulpmiddelen en onderwijs opnieuw te ontwerpen en, in het kader van deze studie, extra vluchtmolencomponenten ontwerpen, zoals landingsplatforms of een vluchtmolenarm die verticaal kan bewegen. Op zijn beurt kunnen de aanpassing, kosteneffectiviteit en verhoogde productiviteit die makerspace-technologie biedt, helpen bij het opstarten van verspreidingsprojecten met een relatief lage barrière voor onderzoekers die van plan zijn hun eigen tools en apparaten te ontwikkelen.

Om deze vluchtmolen te bouwen, zijn er ook mechanische en instrumentele beperkingen die door de maker kunnen worden overwogen. Magneten en 3D-geprinte verbeteringen zorgen ervoor dat de vliegmolen in wezen lijmloos is, behalve de constructie van de kruisbeugels, en geschikt is voor insecten van verschillende groottes. Naarmate de massa en de kracht van insecten toenemen, kunnen insecten echter eerder geneigd zijn zichzelf af te zetten terwijl ze vastgebonden zijn. Sterke magneten kunnen worden gebruikt ten koste van verhoogde torsieweerstand, of kogellagers kunnen magnetische lagers vervangen als een robuuste oplossing voor het testen van insecten die enkele grammen^28,29wegen. Niettemin kunnen kogellagers ook enkele problemen opleveren, voornamelijk dat het uitvoeren van langdurige experimenten met hoge snelheden en hoge temperaturen de smering van kogellagers kan verminderen, wat de wrijving verhoogt³⁰. Gebruikers zullen dus moeten onderscheiden welke mechanica van de vliegmolen het beste past bij hun insect (en) van studie en experimenteel ontwerp.

Evenzo zijn er verschillende manieren om een vliegmolen te instrumenteren die de overwegingen van dit artikel te boven gaat. De hier gepresenteerde vluchtmolen maakt gebruik van IR-sensoren om revoluties te detecteren, WinDAQ-software om revoluties op te nemen en programmeerscripts om de onbewerkte gegevens te verwerken. Hoewel het gemakkelijk te gebruiken is, heeft de WinDAQ-software een beperkt aantal tools beschikbaar. Gebruikers kunnen geen opmerkingen toevoegen aan hun overeenkomstige kanaal en ze kunnen niet worden gewaarschuwd als een onderdeel van het circuit uitvalt. Deze gevallen worden opgelost door ze te detecteren en te corrigeren door middel van code, maar alleen na het verzamelen van gegevens. Als alternatief kunnen gebruikers meer dan één software gebruiken die aanpasbare gegevensverzamelingsfuncties²⁸ of sensoren biedt die directe snelheids- en afstandsstatistieken nemen, zoals fiets milometers²⁹. Deze alternatieven kunnen echter waardevolle onbewerkte gegevens omzeilen of functionaliteit verspreiden over te veel softwaretoepassingen, waardoor gegevensverwerking inefficiënt kan worden. Uiteindelijk biedt dit protocol, in plaats van de instrumentatie van de vliegmolen opnieuw vorm te geven, robuuste programmeeroplossingen voor de huidige softwarebeperkingen.

In dit artikel wordt een ontwerp voor een verbeterde eenvoudige vluchtmolen beschreven om onderzoekers te helpen bij hun verspreidingsstudies en om de integratie van opkomende technologieën op het gebied van gedragsecologie aan te moedigen. Deze vluchtmolen past binnen de beperkingen van een incubator, biedt plaats aan maximaal acht insecten tegelijk en automatiseert het verzamelen en verwerken van gegevens. Met name de 3D-geprinte verbeteringen stellen de gebruiker in staat om de molenarm en IR-sensorhoogten aan te passen om insecten van verschillende groottes te testen en het apparaat te demonteren voor snelle opslag of transport. Dankzij institutionele toegang tot een gemeenschappelijke makerspace waren alle verbeteringen gratis en werden er geen extra kosten gemaakt in vergelijking met de eenvoudige, moderne vluchtmolen. Alle benodigde software is gratis, het elektronische circuit is eenvoudig en alle scripts kunnen worden aangepast om de specifieke behoeften van het experimentele ontwerp te volgen. Bovendien stelt gecodeerde diagnostiek de gebruiker in staat om de integriteit en precisie van hun opnames te controleren. Ten slotte minimaliseert dit protocol de stress die een insect oploopt door insecten magnetisch te schilderen en aan de molenarm te binden. Omdat de assemblage van de eenvoudige vluchtmolen al toegankelijk, betaalbaar en flexibel is, kan het gebruik van makerspace-technologieën om de eenvoudige vluchtmolen te verbeteren onderzoekers de ruimte geven om hun eigen specifieke vluchtstudiebehoeften te overwinnen en creatieve vluchtmolenontwerpen inspireren die verder gaan dan de overwegingen van dit artikel.

Protocol

1. Bouw de Flight Mill in een Makerspace

1. Lasergesneden en monteren van de acryl kunststof draagstructuur.
   1. Gebruik 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) dikke transparante acrylplaten om de acrylaat plastic draagstructuur te construeren. Zorg ervoor dat het materiaal niet polycarbonaat is, dat lijkt op acryl, maar zal smelten in plaats van onder de laser te worden gesneden.
   2. Zoek de lasersnijder in de makerspace. Dit protocol gaat ervan uit dat de makerspace een lasersnijder heeft zoals vermeld in de Tabel met materialen. Lees voor andere lasersnijders de instellingen van de lasersnijder om te bepalen welke lijnkleur of -dikte nodig is om de bestandslijnen in te stellen die met laser moeten worden gesneden of gegraveerd (niet te rasteren).
   3. Open Adobe Illustrator, Inkscape (gratis) of een andere editor voor vectorafbeeldingen. Bereid een bestand voor dat het acrylondersteuningsontwerp in een vectorformaat leest met de bovengenoemde lijnen in figuur 1. Maak bestandslijnen in Adobe Illustrator in de modus Rood, Groen en Blauw (RGB) met een lijnstreek van 0,0001 punt waar RGB Rood (255, 0, 0) lijnen snijdt en RGB Blauw (0, 0, 255) lijnen etst.
   4. Test en verantwoord uit voorzorg kerf voor alle spleet- en gatmetingen. Ontwerp en test de kerfsleutel(aanvullende figuur 1).
      OPMERKING: Kerf-breedte kan variëren op basis van de straalbreedte van de lasersnijder, de breedte van het materiaal en het gebruikte materiaaltype.
   5. Sla de acrylondersteuningsontwerpen en kerf-sleutel op als leesbare bestandstypen zoals .ai-, .dxf- of .svg-bestanden. Als u de taak naar de lasersnijder wilt verzenden, drukt u het bestand af op de lokale machine van de lasersnijder en opent u vervolgens de lasersoftware.
      OPMERKING: Indien correct afgedrukt, verschijnen alle vectorsnijlijnen in het ontwerp met de juiste overeenkomstige kleuren in het bedieningspaneel van de lasersoftware.
   6. Selecteer het materiaal als plastic en vervolgens het materiaaltype als acryl. Voor extra precisie meet u de materiaaldikte met een remklauw en voert u de dikte ervan in het materiaaldikteveld in. Schakel automatisch de Z-as van het brandpunt van het materiaal in. Stel het cijfertype in op Geen en laat de intensiteit op 0% staan. Als u geavanceerde statistieken op de lasersnijder wilt wijzigen, zoals het percentage laservermogen of % snelheid, test u met de kerf-toets.
      OPMERKING: De vuistregel is dat hoe dikker het materiaal, hoe meer vermogen nodig is bij een lagere snelheid.
   7. Volg voor het snijden de richtlijnen van de makerspace voor het opstarten, gebruiken en onderhouden van de lasersnijder. Plaats de materialen in de printerholte en snijd de acrylsteunen.
      OPMERKING: Om mogelijke oogbeschadiging te voorkomen, moet u niet naar de laser kijken of acrylplaat onbeheerd achterlaten tijdens het snijden.
   8. Reinig overtollig materiaal uit de printerholte en monteer de draagstructuur. Monteer door elke horizonale plank in de open spleten van de verticale buitenwanden en de centrale verticale wand te steken zoals gelabeld in figuur 2A. Zorg ervoor dat de gaten tussen de horizontale planken zijn uitgelijnd.
2. 3D-print de plastic steunen.
   1. Open een webbrowser en maak een account aan op een online 3D-modelleringsprogramma. Raadpleeg de tabel met materialen voor een gratis accountoptie.
   2. Klik op 3D-ontwerpen > Een nieuw ontwerp maken. Om de exacte 3D-geprinte ontwerpen van deze studie te repliceren, zoals te zien in Figuur 3,downloadt u het archief 3D_Prints.zip (Aanvullende 3D-afdrukken)en verplaatst u de map naar het bureaublad. Pak de map uit en open deze. Klik op de webpagina van het online 3D-modelleringsprogramma op Importeren in de rechterbovenhoek en selecteer de .stl-bestanden.
      OPMERKING: Meerdere ontwerpreplicaties of objecten kunnen het werkplan vullen en worden opgeslagen als één STL-bestand, zolang de gebruiker de objecten binnen de grenzen van het buildgebied van de 3D-printer houdt. Het grootste object dat een 3D-printer kan printen is 140 mm lengte x 140 mm breedte x 140 mm diepte. Roteer de objecten echter niet langs hun z-as als middel om het aantal objecten in een bouwgebied te maximaliseren. Dat komt omdat de gedownloade objecten zijn gepositioneerd om overhangen te minimaliseren, en zodat ze optimaal kunnen worden afgedrukt met de minimaal noodzakelijke ondersteuningen.
   3. Als u de ontwerpen zelf wilt maken of aanpassen, volgt u de zelfstudies van de website, voert u bewerkingen uit en exporteert u de nieuwe ontwerpen als STL-bestanden. In totaal 8 lineaire geleiderails (100,05 mm lengte x 23,50 mm breedte x 7,00 mm diepte), 16 lineaire geleiderailblokken (22,08 mm lengte x 11,47 mm breedte x 12,47 mm diepte), 12 tot 20 schroeven (9,00 mm lengte x 7,60 mm breedte x 13,00 mm diepte), 15 kruisbeugels (50,00 mm lengte x 50,00 mm breedte x 20,00 mm diepte), 16 magneethouders (12,75 mm lengte x 12,50 mm breedte x 15,75 mm diepte), 16 buissteunen (29,22 mm lengte x 29,19 mm breedte x 11,00 mm diepte), 16 korte lineaire geleiderailsteunen (40,00 mm lengte x 11,00 mm breedte x 13,00 mm diepte) en 16 lange lineaire geleiderailsteunen (40,00 mm lengte x 16,00 mm breedte x 13,00 mm diepte) moeten 3D-geprint worden. Als u de spiegel van elk lineair geleiderailontwerp wilt verkrijgen, klikt u op het object, drukt u op Men selecteert u de pijl die overeenkomt met de breedte van het object.
      OPMERKING: Zie stap 1.3.6. voor meer informatie over de lineaire geleiderailpennen.
   4. Download en installeer een 3D-printing slicing software om .stl-bestanden te converteren naar een 3D-printer leesbaar .gx-bestand. Raadpleeg de Tabel met Materialen om het gratis softwareprogramma te downloaden.
      OPMERKING: Andere conversiesoftwareprogramma's zijn acceptabel, maar dit protocol gaat ervan uit dat de makerspace de 3D-printer en afdrukslicingsoftware gebruikt zoals vermeld in de tabel met materialen.
   5. Dubbelklik op het pictogram van de 3D-printsoftware om de software te starten. Klik op Afdrukken > apparaattype en selecteer de 3D-printer die zich in de makerspace bevindt.
   6. Klik op het pictogram Laden om een STL-modelbestand te laden en het object op het buildgebied weer te geven.
   7. Selecteer het object en dubbelklik op het pictogram Verplaatsen. Klik op Platform om er zeker van te zijn dat het model op het platform staat. Klik op Centreren om het object in het midden van het buildgebied te plaatsen of sleep het object met de muisaanwijzer om het object op het buildgebied te plaatsen.
   8. Klik op het pictogram Afdrukken. Zorg ervoor dat materiaaltype is ingesteld op PLA,steunen en vlot zijn ingeschakeld, resolutie is ingesteld op standaarden de temperatuur van de extruder overeenkomt met de temperatuur die wordt voorgesteld door de 3D-printergids. De temperatuur kan worden gewijzigd binnen Meer opties >> temperatuur.
   9. Druk op OK en sla het .gx-bestand op in de map 3D_Prints of op een USB-stick als het bestand niet via een USB-kabel naar de 3D-printer kan worden overgebracht.
   10. Zoek de 3D-printmachine van een makerspace. Kalibreer de extruder en zorg ervoor dat er voldoende filament is om te printen. Breng het .gx-bestand over naar de 3D-printer en print alle soorten en hoeveelheden plastic steunen en verbeteringen. Controleer voor elke afdruk of het filament goed op de plaat blijft plakken.
3. Monteer 3D-prints op de acryl draagstructuur.
   1. Als u alle aanwezige steunen wilt visualiseren, raadpleegt u Figuur 2B.
   2. Lijm de 3,175 mm dikke neopreenplaten warm op de binnenwanden van de kruisbeugel. Wanneer het droog is, plaatst u de kruisbeugels op de kruisingen van de acrylplanken en de wanden aan de achterkant van het apparaat om de vliegmolen te stabiliseren.
   3. Gebruik waar mogelijk 3D-geprinte schroeven om de magnetische invloed van ijzeren schroeven te minimaliseren. Schroef de buissteunen op de onderkant en de bovenkant van elke cel. Zorg ervoor dat de steunpunten van de boven- en onderbuis zijn uitgelijnd.
   4. Plaats een 30 mm lange kunststof buis (binnendiameter (ID) 9,525 mm; buitendiameter (OD) 12,7 mm) in de bovenbuissteun en een 15 mm lange kunststof buis (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) in de onderste buissteun van elke cel. Plaats vervolgens een 40 mm lange plastic buis (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) in de bovenbuis en een 20 mm lange kunststof buis (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) in de onderbuis. Zorg ervoor dat er voldoende wrijving is tussen de buizen om de buizen op hun plaats te houden, maar niet te veel dat de binnenband nog steeds op en neer kan glijden als hij wordt aangetrokken. Als buizen kromgetrokken zijn, dompel dan delen van de buizen gedurende 1 minuut onder in kokend water. Maak de buizen recht op een handdoek, laat ze op kamertemperatuur komen en plaats de buizen vervolgens.
   5. Plaats de twee neodymiummagneten met lage wrijving (10 mm diameter; 4 mm lengte; 2,22 kg houdkracht) in elke magneetsteun. Zorg ervoor dat elk paar magneten elkaar afstoot. Plaats vervolgens een binnenband stevig in elke magneetsteun, zodat de zwaartekracht die op de magneten en magneetondersteuning inwerkt niet sterk genoeg is om de steun van de binnenband los te maken.
   6. Schuif in dezelfde richting twee lineaire geleiderailblokken in de lineaire geleiderail. Plaats de lineaire geleiderails en blokken rechtop in de ramen op de buitenste verticale muren. Zorg ervoor dat de blokopeningen naar boven gericht zijn. Om één lineaire geleiderail op zijn plaats te bevestigen, gebruikt u twee korte lineaire geleiderailsteunen, twee lange lineaire geleiderailsteunen, vier 10 mm lange ijzeren schroeven (M5; 0,8 draadspit; 5 mm diameter), twee 20 mm lange ijzeren schroeven (M5; 0,8 draadspit; 5 mm diameter) en twee zeskantmoeren (M5; 0,8 draadspit; 5 mm diameter). Figuur 2C toont de volledige assemblage van de lineaire geleiderail.
      OPMERKING: Open sleuven in de lineaire geleiderail zijn bedoeld om te worden gebruikt dan en slechts dan als de lineaire geleiderail wordt geërodeerd door het herhaaldelijk schuiven van het blok. Als dat zo is, 3D-print dan een kleine T-vormige pin in de map 3D_Prints.
4. Bouw de draaibare arm.
   OPMERKING: De onderafdelingen 1.4.1 en 1.4.2 zijn gelijkwaardig aan de onderafdelingen 1.2.2. en 1.2.3. in Attisano et al. 2015 methoden paper¹³.
   1. Prik het filter van een 20 μL gefilterde pipetpunt op het middelpunt met behulp van een entomologische pin. Duw vervolgens de pin door de pipetpunt totdat de stalen uiteinden van de pen uit het lichaam van de pipetpunt steken. Zorg ervoor dat het filter van de pipetpunt de pin op zijn plaats houdt. De pin dient als de as van de vliegmolenarm.
   2. Om de celruimte te maximaliseren, snijdt u een niet-magnetische hypodermische stalen buis van 19 G tot een lengte van 24 cm (1 cm minder dan de breedte van een vluchtcel). Lijm de uitstekende pen en de kroon van de pipetpunt uit stap 1.4.1 heet. tot het middelpunt van de slang. Buig het ene uiteinde van de buis op 2 cm van het uiteinde naar een hoek van 95°.
      OPMERKING: Om prioriteit te geven aan de grootte van insecten in plaats van de celruimte te maximaliseren, verkort u de straal van de arm voor kleinere insecten of zwakke vliegers. Een langere vliegarm kan ook worden gemonteerd als de middelste acrylwand wordt verwijderd voor grotere insecten of sterke vliegers. Bovendien kan het gebogen uiteinde van de arm verschillende hoeken ondersteunen om het insect in zijn natuurlijke vluchtoriëntatie te positioneren.
   3. Om de magnetische ophanging te testen, plaatst u de arm tussen de bovenste set magneten. Zorg ervoor dat de roterende arm vrij rond de verticaal hangende pen draait.
   4. Lijm de twee neodymiummagneten met lage wrijving (diameter 3,05 mm; lengte van 1,58 mm; 0,23 kg houdkracht) op het gebogen uiteinde van de scharnierarm om het magnetisch geverfde insect vast te binden voor de vlucht (massa van de vluchtmolenarm met magneten = 1,4 g). Wikkel aan het niet-gebogen uiteinde van de scharnierarm een stuk aluminiumfolie (massa per gebied = 0,01 g / cm²) om een vlag te maken. De folievlag fungeert als contragewicht en breekt door zijn sterk reflecterende eigenschappen optimaal de IR-straal die van de IR-sensorzender naar de ontvanger wordt gestuurd.
      OPMERKING: De diameter van de IR-balk is maximaal 2,4 mm, dus de optimale minimale breedte van de folievlag is 3 mm. Een folievlagbreedte van 3 mm en gepositioneerd om de bundel IR-licht voor de emitterlens van de sensor te breken, zal een spanningsdaling produceren die tijdens analyses detecteerbaar is.
5. Stel de IR-sensor en datalogger in.
   1. Plaats de IR-sensorzender in het bovenste lineaire geleiderailblok met de emitter van de bundel naar beneden gericht. Plaats vervolgens de IR-sensorontvanger in het onderste blok naar boven gericht.
      OPMERKING: De sensoren (20 mm lengte x 10 mm breedte x 8 mm diepte) kunnen worden gescheiden tot een afstand van 250 mm en functioneren nog steeds; daarom zullen ze zelfs functioneren wanneer ze aan de uiteinden van de ongeveer 100 mm lineaire geleiderail zijn geplaatst.
   2. Sluit op een soldeerloos breadboard de IR-sensorzender en -ontvanger in serie aan op de 4-kanaals analoge ingangsdatalogger, zoals weergegeven in het elektronische circuit in figuur 4A. Sluit eerst de INGANG van de IR-sensorzender (niet de ontvanger) aan, na de weerstand van 180 Ω. Plaats nog een weerstand van 2,2 kΩ voor de uitgang van de IR-ontvangeraansluiting. Configureer het elektronische circuit van elk kanaal in afwisselende rijen langs het breadboard om ruis in het spanningssignaal van meerdere sensoren tijdens de opname te minimaliseren(Figuur 4B).

2. Voer vluchtproeven uit

1. Magnetisch binden insecten aan de vliegmolenarm.
   1. Om de stress op het insect te minimaliseren, brengt u magnetische verf aan op het pronotum van het insect met behulp van een tandenstoker of een fijne precisie-applicator (20 G tip). Laat de verf minstens 10 min drogen. Eenmaal droog, bevestig het insect aan de magneten van de vliegmolenarm. Zie figuur 5 voor voorbeelden van magnetisch schilderende en vastgebonden insecten van verschillende grootte. Dit protocol gebruikt Jadera haematoloma (zeepbeswants) als het modelinsect voor vlucht tethering en proefexperimenten.
      OPMERKING: Voor een sterkere aantrekkingskracht tussen het insect en de armmagneten, breng meerdere lagen magnetische verf aan. Verwissel bovendien de magneten die aan het einde van de vluchtmolenarm zijn bevestigd voor magneetgroottes die het beste passen bij het gezichtsveld, de massa en het vleugelbereik van de insecten.
   2. Vlieg tot 8 insecten tegelijk in de vluchtmolen. Verf bereid minstens 16 insecten voor om meerdere insecten achtereenvolgens te testen tijdens een enkele opnamesessie.
   3. Om de magnetische verf na het testen te verwijderen, chipt u de verf af met een fijne tang en gooit u deze weg volgens de voorschriften van het Environmental Protection Agency (EPA) en de Occupational Safety and Health Administration (OSHA).
2. Neem meerdere insecten achter elkaar op zonder een opnamesessie te beëindigen met winDAQ's Event Marker Comment-tool.
   1. Download en installeer de gratis WinDAQ Data Recording and Playback Software.
   2. Maak een nieuwe map met de titel Flight_scripts op het bureaublad. Maak vijf nieuwe mappen met de volgende exacte namen in de map Flight_scripts: data, files2split, recordings, split_filesen standardized_files. Download het gegevensblad.xlsx (Supplemental File 1) en sleep het bestand naar de gegevensmap in de map Flight_scripts.
   3. Gebruik het gegevensblad.xlsx als een handmatige sjabloon voor gegevensregistratie. Er zijn minimaal vier kolommen nodig: het identificatienummer van de bug, of de bug is overleden voordat deze werd getest, het nummer van de recordset en de kamer bestaande uit de kanaalletter en het kanaalnummer (bijvoorbeeld 'A-1', 'B-4'). Zie figuur 2A voor een mogelijke kamerconfiguratie.
   4. Open het WinDAQ Dashboard,selecteer de datalogger(s) in de lijst met selectievakjes en druk op'Start Windaq Software'. Voor elke geselecteerde datalogger wordt een nieuw venster geopend en wordt het ingangssignaal van elke sensor weergegeven.
   5. Definieer een bemonsteringsfrequentie door te klikken op Edit > Sample Rate. Typ een bemonsteringsfrequentie van 100 samples/seconde in het vak Sample Rate/Channel en druk op OK.
      OPMERKING: Dit protocol suggereert 100 S/s omdat troggen, die spanningsdalingen zijn als gevolg van de vlag die de IR-sensorbundel onderbreekt, nog steeds een minimale spanningsdaling van 0,36 V bereiken voor snelheden van 1,7 m/s. Op zijn beurt kan ruis, die een maximale spanningsdaling van 0,10 V heeft, tijdens standaardisaties nog steeds worden gefilterd zonder echte troggen te filteren. Bovendien maakt een samplefrequentie van 100 S/s het voor de gebruiker gemakkelijk om de dalen op de golfvorm op het scherm te zien tijdens en na de opname. Als er fouten optreden tijdens de opname, kan de gebruiker de troggen snel onderscheiden van fouten of ruis. Zie aanvullende figuur 2 voor vergelijkingen tussen verschillende lage bemonsteringsfrequenties.
   6. Als u een nieuwe opnamesessie wilt starten, drukt u op Bestand > Opnemen. Selecteer de locatie van het opnamebestand in het eerste pop-upvenster. Schrijf de bestandsnaam zorgvuldig. Bestanden moeten ten minste het volgende in hun naam hebben: het nummer van de opnameset en de kanaalletter. Een voorbeeld van een bestandsnaam die is gemodelleerd in de Python-scripts is de volgende: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Raadpleeg split_files.py regels 78-87 uit de map Flight_scripts voor meer informatie. Druk vervolgens op OK.
   7. Voer in het volgende pop-upvenster de verwachte lengte van de vluchtopname in. Druk op OK wanneer de insecten zich in een positie bevinden om de vlucht te beginnen. Nadat de opnametijd is verstreken, drukt u op Ctrl-S om het bestand te voltooien. Druk niet op Ctrl-S tenzij het nodig is om de opname vroegtijdig te beëindigen.
      OPMERKING: Als het bestand te vroeg wordt beëindigd door Ctrl + S te typen of als de bovengenoemde tijdsduur te kort was, voegt u een nieuwe opname toe aan een bestaand bestand door op Bestand > recordte klikken . Selecteer het bestand waaraan u wilt toevoegen en klik op Ja in het volgende pop-upvenster.
   8. Wanneer u geteste insecten tijdens de opname uittrekt, plaatst u een becommentarieerde gebeurtenismarkering van het binnenkomende insect in de geselecteerde kamer. Noteer altijd handmatig de ID, kamer en opnameset van het binnenkomende insect in een gegevensblad.xlsx voordat u insecten verwisselt.
   9. Als u een opmerking over een gebeurtenismarkering wilt maken, klikt u op het kanaalnummer. Klik vervolgens op Bewerken > Opmerking invoegen. Definieer de opmerking met het identificatienummer van het nieuwe insect dat de kamer binnenkomt. Druk op OK en laad het insect in de kamer.
3. Visualiseer opmerkingen over gebeurtenismarkeringen en converteer het bestand van WDH naar TXT.
   1. Open een WDH-bestand. Visualiseer opmerkingen over gebeurtenismarkeringen door naar Bewerken > compressiete gaan ... en klik vervolgens op de knop Maximum om de golfvorm volledig in één venster te comprimeren(Figuur 6A).
   2. Controleer op eventuele afwijkingen in de opname.
      OPMERKING: De soorten afwijkingen of storingen in de opname worden weergegeven in figuur 6. Deze worden later gediagnosticeerd en gecorrigeerd in de Python-scripts.
   3. Sla het bestand op in een .txt indeling door naar Bestand > Opslaan alste gaan. Selecteer de opnamemap in de map Flight_scripts als locatie om het bestand op te slaan. Selecteer het bestandstype als Spreadsheet afdrukken (CSV) in het pop-upvenster en schrijf de bestandsnaam met .txt aan het einde. Klik op Opslaan. Selecteer in het volgende pop-upvenster Sample Rate, Relative Timeen Date and Time. Typ 1 tussen Kanaalnummer en Gebeurtenismarkeringen. Schakel alle andere opties uit en klik op OK om het bestand op te slaan.

3. Analyseer vluchtgegevens

1. Splits bestanden op opmerkingen over gebeurtenismarkeringen.
   1. Installeer de nieuwste versie van Python. Alle scripts in dit protocol zijn ontwikkeld op Python versie 3.8.0.
   2. Download de volgende Python-scripts: split_files.py, standardize_troughs.pyen flight_analysis.py (Aanvullende coderingsbestanden). Verplaats de scripts naar de map Flight_scripts.
   3. Zorg ervoor dat Python up-to-date is en installeer de volgende bibliotheken: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math en matplotlib. Om de belangrijkste functies en gegevensstructuren van de scripts te observeren, zie het schema in Aanvullende figuur 3.
   4. Open het gegevensblad.xlsx bestand en sla het op als CSV door de bestandsindeling te wijzigen in CSV UTF-8 (door komma's gescheiden) als Windows of Macintosh Comma Separated wordt uitgevoerd als Mac wordt uitgevoerd.
   5. Open het pictogram split_files.py met de teksteditor naar keuze. Als er geen voorkeur is, klikt u met de rechtermuisknop op het scriptpictogram en selecteert u Openen met IDLE.
   6. Hercodeer de regels 133-135 en 232-233 als de gebruiker een andere bestandsnaam heeft geschreven dan de voorgestelde sjabloon ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Zie de regels 116-131 om het script opnieuw te coderen voor verschillende bestandsnamen met behulp van de functie split().
   7. Typ in regel 266 het pad naar de map Flight_scripts en voer het script uit. Na een succesvolle uitvoering genereert het script tussenliggende .txt bestanden van toegewezen insecten-ID's in de map files2split en .txt bestanden voor elk insect dat is getest in elke opnameset in de map split_files, in de map Flight_scripts.
      OPMERKING: Bovendien moeten gebruikers in de Python Shell afdrukinstructies van de bestandsnaam zien, welke insecten worden verwisseld bij een genummerde gebeurtenismarkering en welke bestanden worden gesplitst en gegenereerd in nieuwe bestanden door insect-ID.
2. Standaardiseer en selecteer de troggen in het opgenomen signaal.
   1. Open het pictogram standardize_troughs.py met de teksteditor naar keuze. Als er geen voorkeur is, klikt u met de rechtermuisknop op het scriptpictogram en selecteert u Openen met IDLE.
   2. Typ in regel 158 de bemonsteringsfrequentie.
   3. Typ in regel 159 het pad naar de map Flight_scripts en voer het script uit. Als het script wordt uitgevoerd, worden er bestanden gegenereerd in de map standardized_files in de map Flight_scripts.
      OPMERKING: Alle bestanden moeten beginnen met 'standardized_' en eindigen met de oorspronkelijke bestandsnaam.
   4. Controleer de kwaliteit van de opnames: Open de trough_diagnostic.png die is gegenereerd door de standardize_troughs.py in de map Flight_scripts. Zorg ervoor dat alle records bestand zijn tegen wijzigingen in de minimale en maximale spanningswaarde van het gemiddelde standaardisatie-interval.
      OPMERKING: Opnames kunnen veel ruis hebben of overgevoelige troggen hebben als ze grote afnames vertonen in het aantal troggen dat wordt geïdentificeerd wanneer de minimale en maximale afwijkingswaarden worden verhoogd. Aanvullende diagnostiek voor de min-max normalisatiefactor kan ook worden gecodeerd, uitgevoerd en uitgezet. Een alternatieve methode voor het controleren van de opnamekwaliteit wordt beschreven in stap 2.3.1. en 2.3.2. van de Attisano et al. 2015 methods paper¹³.
   5. Beoordeel de diagnose, verwijder commentaarregel 198 en specificeer de minimale en maximale afwijkingswaarden, die de minimum- en maximumwaarden definiëren rond de gemiddelde spanning die wordt gebruikt om de standaardisatie voor alle bestanden uit te voeren. De standaardwaarde is 0,1 V voor elke afwijkingswaarde.
      OPMERKING: In regel 53 kan de gebruiker ook de min-max normalisatiefactordrempel opgeven om een spanning ver onder de drempelwaarde te identificeren.
   6. Geef commentaar op regel 189 nadat u de afwijkingswaarden hebt ingevoerd en voer vervolgens het script uit. Het script voert de standaardisaties efficiënt uit voor alle bestanden (bijna 25 keer sneller).
3. Analyseer het vluchtspoor met behulp van het gestandaardiseerde bestand.
   1. Open het pictogram flight_analysis.py met de teksteditor naar keuze. Als er geen voorkeur is, klikt u met de rechtermuisknop op het scriptpictogram en selecteert u Openen met IDLE.
   2. Bewerk in de regels 76-78 de optionele snelheidscorrectie die extra rotaties van de arm van de molen onderdrukt nadat een insect stopt met vliegen. Bepaal deze drempelwaarde met de nodige voorzichtigheid bij het werken met langzaam vliegende insecten.
   3. Bewerk in regel 121 de snelheidsdrempels om te corrigeren voor valse snelheidsmetingen, zoals extreem hoge snelheden of negatieve snelheden. Bewerk in regel 130 de waarde van het tijdsverschil om lange openingen uit te filteren die optreden tussen twee opeenvolgende ononderbroken vliegbeurten.
   4. Typ in regel 350 het pad naar de map waarin de *.txt gestandaardiseerde bestanden zijn opgeslagen.
   5. Voer in regel 353 de armstraallengte in die tijdens proeven wordt gebruikt, die de cirkelvormige vliegroute definieert die per omwenteling door het insect wordt gevlogen.
   6. Identificeer de afstands- en tijd-SI-eenheden als tekenreeksen in respectievelijk regel 357 en 358.
   7. Gebruik in de regels 388-397 de functie split() om minimaal het identificatienummer van het insect en het ingestelde nummer en de kamer waarin het insect vloog uit de bestandsnaam te extraheren. Het script volgt het uitgebreide bestandsnaamvoorbeeld van 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Vereenvoudig indien nodig deze bestandsnaam zoals voorgesteld in stap 2.2.6. en geef commentaar op of verwijder variabelen zoals proeftype op regels 392 en 401, indien niet gebruikt.
   8. Geef alle gebruikersinstellingen op, sla het script op en voer het uit. Als het script wordt uitgevoerd, worden het overeenkomstige ID-nummer, de kamer en de berekende vluchtstatistieken van het insect afgedrukt in de Python Shell. Bovendien genereert het een flight_stats_summary.csv bestand dat bestaat uit de informatie die is afgedrukt in de Python Shell en slaat het .csv bestand op in de gegevensmap van de map Flight_scripts.

Resultaten

Vluchtgegevens werden experimenteel verkregen tijdens de winter van 2020 met behulp van veld verzamelde J. haematoloma uit Florida als de modelinsecten (Bernat, A. V. en Cenzer, M. L. , 2020, ongepubliceerde gegevens). Representatieve vluchtproeven werden uitgevoerd in het Department of Ecology and Evolution aan de Universiteit van Chicago, zoals hieronder weergegeven in figuur 6, figuur 7, figuur 8en f...

Discussie

De eenvoudige, moderne vluchtmolen biedt een reeks voordelen voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van tethered insectenvlucht door een betrouwbaar en geautomatiseerd ontwerp te leveren dat meerdere insecten efficiënt en kosteneffectief test^13,31,35. Evenzo is er een sterke stimulans voor onderzoekers om snel opkomende technologieën en technieken uit de industrie en andere wetenschappelijke gebieden toe te ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
180 Ω Weerstand	E-Projects	10EP514180R	Carbon film; stijf 24 gauge lood.
19 Gauge Niet-Magneet Hypodermisch Staalbuis	MicroGroup	304H19RW
2.2 kΩ Weerstand	Adafruit	2782	Carbon film; stijf 24 gauge lood.
3D Printer	FlashForge	700355100638
3D Printer Filament	FlashForge	700355100638	Diameter 1.75 mm; 1kg/rol.
3D Print Slicing Software	FlashPrint	4.4.0
Acrylic Plastic Platen	Blick Art Supplies	28945-1006
Aluminiumfolie	Target	253-01-0860
Breadboard Voeding	HandsOn Tech	MDU1025	Kan 6.5V tot 12V ingang en kan 3.3V en 5V produceren.
DI-1100 USB Data Logger	DATAQ Instruments	DI-1100	Heeft 4 differentiële gepantserde analoge ingangen.
Elektrische Draden	Striveday	B077HWS5XV	24 gauge massieve draad.
Entomologische Pins	BioQuip	1208S2	Maat 2; diameter 0.45 mm.
Gezeefde 20 uL Pipettip	Fisher Scientific	21-402-550
Hete Lijmpistool met Hete Lijm	Joann Fabrics	17366956
IR Sensor	Adafruit	2167	Dit is de 3 mm IR versie; werkt tot 25 cm.
Grote Doorzichtige Vinylbuis	Home Depot	T10007008	Binnendiameter 3/8 in; buitendiameter 1/2 in; lengte 20 ft.
Grote Magneten	Bunting	EP654	Laag-wrijving N42 neodymium; diameter 0.394 in; lengte 0.157 in; houdkracht 4.9 lb.
Laser Snijmachine	Universal Laser Systems	PLS6.75
M5 Zeskantmoer	Home Depot	204274112	Draadgang 0.8 mm; schroeflengte 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Lange IJzeren Schroeven	Home Depot	204283784	Philips koepelkop; draadgang 0.8 mm; schroeflengte 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Korte IJzeren Schroeven	Home Depot	203540129	Philips koepelkop; draadgang 0.8 mm; schroeflengte 10 mm; diameter 5 mm.
Neopreen Rubber Plaat	Grainger	60DC16	Lengte 12 in; breedte 12 in; diepte 1/8in.
Online 3D Modelleringssoftware	Autodesk	2019_10_14	Tinkercad.com biedt een gratis account.
Voedingsadapter	Adafruit	63	9 VDC 1000mA gereguleerde schakelende; ingangsspanning DC 3.3V 5V.
Kleine Doorzichtige Vinylbuis	Home Depot	T10007005	Binnendiameter 1/4 in; buitendiameter 3/8 in; 20 ft lang.
Kleine Magneten	Bunting	N42P120060	Laag-wrijving N42 neodymium; diameter 0.120 in; lengte 0.060 in; houdkracht 0.5 lb.
Solderloos MB-102 Breadboard	Adafruit	239	830 aansluitpunten; lengte 17 cm; breedte 5.5 cm; ingangsspanning, DC 3.3 V 5 V.
Geschaffeerde Afwerkingen IJzeren Metaalachtige Afdichting	Blick Art Supplies	27105-2584
Draadsnijders	Target	84-031W