Dit protocol presenteert de methoden voor het maken, bevestigen en volgen van harmonische radartags voor insecten.
Methodenartikel
Harmonische radartags voor insectentracking: lichtgewicht, kosteneffectief en toegankelijk
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Het gebruik van volgapparaten om dierbewegingen te volgen, is al lang een standaardbenadering voor het bestuderen van het gedrag en de ecologie van gewervelde dieren. Tot voor kort waren deze volgmethoden voor entomologen onbereikbaar vanwege de prohibitief grote afmetingen en massa van de volgapparaten die moeten worden bevestigd. Technologieën die worden toegepast op insectentracking omvatten radiotelemetrie, Bluetooth, RFID en harmonische radar. Onder deze methoden is radiotelemetrie de meest gebruikte methode om grotere insecten te volgen. Het biedt een langere detectiebereik en unieke signalen voor elk getraceerde insect, maar vereist dure tags die een beperkte houdbaarheid in de schappen en in het veld hebben en zwaar zijn, over het algemeen minimaal 150 milligram. Daarentegen zijn harmonische radartags, voor het eerst gebruikt in 1986, minimaal een orde van grootte lichter, goedkoop en hebben detectiebereiken die veldtracking van veel kleinere insecten mogelijk maken. Hier laten we het gebruik zien van een off-the-shelf transceiver die op de markt is gebracht voor reddingsacties in het achterland. Samen maken goedkope tags en off-the-shelf transceivers deze insectentrackingtechniek zeer toegankelijk voor entomologen die insectengedrag en -ecologie bestuderen. In dit artikel zullen we ingaan op het maken van tags, het bevestigen van tags aan insecten, het volgen van deze getagde insecten en enkele representatieve volgresultaten presenteren.
Inleiding
Het gebruik van volgapparaten om de bewegingen van gewervelde dieren te bestuderen, is al lang een standaard benadering voor het verzamelen van gegevens met betrekking tot het gedrag en de ecologie van grotere dieren zoals zoogdieren, vogels en vissen, waarbij het volgen voornamelijk gebruik maakt van radio telemetrie en GPS-volging1. Tot relatief recentelijk waren deze volgmethoden echter niet beschikbaar voor entomologen vanwege de onevenredig grote afmetingen en massa van de volgapparaten die moeten worden bevestigd2. Technologieën die worden toegepast op insectenvolging omvatten radio telemetrie, Bluetooth, RFID en harmonische radar2,3. Van deze methoden is radio telemetrie veruit de meest gebruikte methode om grotere insecten te volgen2. Het biedt een langere detectiebereik en unieke signalen voor elk getraceerde insect. Deze methode vereist echter dure tags met een beperkte houdbaarheid in de schappen en in het veld en zijn zwaar, meestal minimaal 150 mg. Bluetooth is de minst ontwikkelde techniek op dit moment, met kleinere tags dan radio telemetrie maar ook een kortere bereik3. RFID-tags kunnen zeer klein zijn en zijn vrij goedkoop, maar hebben het kortste bereik (vaak slechts enkele mm)4. Insecten tagging met RFID-tags is het meest gebruikt om bijenwerkers te bestuderen die de korf binnenkomen en verlaten5. Harmonische radartags zijn daarentegen ten minste een orde van grootte lichter dan radio telemetrie tags, goedkoop en hebben detectiebereiken die veldvolging van veel kleinere insecten mogelijk maken6 (Figuur 1).
Harmonische radar maakt gebruik van een zender die een signaal uitzendt dat de door het insect gedragen tag energizeert en het dubbele frequentieretoursignaal ontvangt dat door de tag wordt verzonden7,8,9 (Figuur 2). Hoewel een aantal onderzoeken het gebruik van harmonische radartags met middelgrote insecten heeft beschreven6,10,11,12,13, is er geen goede demonstratie van hoe een tag te fabriceren. In dit artikel geven we stapsgewijze instructies voor het fabriceren van twee verschillende groottes harmonische radartags, elk gemaakt van een Schottky-diode en nitinoldraad. Kleinere tags zijn lichter en werken beter voor kleinere insecten6, terwijl de grotere tags een groter bereik hebben en kunnen worden aangebracht op grotere insecten11. De nitinoldraad is een cruciaal ontwerponderdeel omdat deze draad flexibel is, waardoor het getagde insect relatief vrij kan bewegen. Het keert ook snel terug naar een rechte oriëntatie, waardoor een maximaal signaalretour mogelijk is6,10,11. We demonstreren ook het gebruik van een off-the-shelf zender (zie de sectie 'Signalen verkrijgen' hieronder) die is gecommercialiseerd voor redding in afgelegen gebieden7,9,14. Samen maken goedkope tags en off-the-shelf zenders deze insectenvolgtechniek zeer toegankelijk voor entomologen die insectengedrag en -ecologie bestuderen. In dit artikel gaan we in op het maken van tags, het bevestigen van tags aan insecten, het volgen van deze getagde insecten en geven we enkele representatieve volgresultaten.
Protocol
1. Voorbereiding
- Verzamel alle materialen die nodig zijn voor het maken van tags: nitinoldraad (0,0254 mm voor kleine tags, 0,0762 mm voor grote tags), Schottky-dioden (één per tag), geleidende lijmen (zilveren geleidende epoxy wordt aanbevolen voor maximale sterkte, zilververf voor lichtere tags) en 3D geprinte jigs om te worden gebruikt voor het snijden van draden en het samenstellen van tags (zie Tabel van Materialen).
- Zorg voor de beschikbaarheid van twee verschillende groottes nitinoldraad, 25 μm en 75 μm, die respectievelijk voor kleine en grote tags worden gebruikt.
2. Grote tag
OPMERKING: Deze sectie presenteert de samenstelling van grote tags. Het is belangrijk om twee draden van de juiste antennelengete (8,25 cm om overeen te komen met de zenderfrequentie) te hebben voor de grote tags.
- Gebruik de meetjig om de draden reproduceerbaar tot de gewenste lengte (8,25 cm) te snijden met behulp van een schaar.
- Gebruik eerst het enkelzijdige plakband om de draad aan de jig te bevestigen.
- Wickel de draad rond de jig (maximaal 20-30 keer), met lichte spanning.
- Snij de draden in het kanaal met een schaar. De grootte van de verkregen draad is 8,25 cm.
- Verwijder vervolgens voorzichtig de draden uit de cilinder.
OPMERKING: Twee draden zijn nodig voor elke tag.
- Maak de diode klaar voor het bevestigen van de draad.
- Bevestig de verpakking van de diode aan de microscoop met tape. Trek de dekking terug met pincetten en verwijder de diodes met dubbelzijdig plakband.
- Plaats dubbelzijdig plakband over de verpakking om de diodes gemakkelijk te verwijderen.
OPMERKING: Op dit punt zijn alle diodes in de juiste oriëntatie, met contacten naar boven om het antennesolderen te vergemakkelijken.
- Bevestig de tape op de jig met de diodes naar boven. Plaats karton evenwijdig aan de diodes aan elke kant en maak de randen glad om te voorkomen dat de antenne aan de tape plakt.
- Lign de draden naast de diodes ter voorbereiding op de bevestiging en onder een microscoop, positioneer de draden zodat ze elk een enkel elektrisch contact aanraken.
OPMERKING: Draden mogen niet beide elektrische contacten aanraken. - Breng geleidend materiaal aan op elk contact met behulp van een insectenspeld. Zorg ervoor dat zowel het contactpunt als de draad worden bedekt.
- Zorg ervoor dat het geleidende materiaal niet tussen elk contact verspreidt. Als het geleidende materiaal samenvloeit of de andere draad of het contact aanraakt, zal dit de signaalsterkte van de tag aanzienlijk verminderen.
- Breng indien nodig opnieuw geleidend materiaal aan om elke draad te bevestigen en elektrische geleidbaarheid te garanderen.
- Laat de tags ongestoord staan gedurende enkele uren om het geleidende materiaal te laten harden.
3. Kleine tag
OPMERKING: Deze sectie presenteert de samenstelling van kleine tags.
- Snij draden tot lengtes van 4,1 cm.
- Bevestig de draad aan de jig met het enkelzijdige plakband, zorg ervoor dat de draad niet te veel spanning heeft.
- Wickel de draad rond de jig en snijd hem langs de groef met een schaar.
OPMERKING: Elke tag vereist twee segmenten van de bovenstaande draad. - Bereid de diodes voor op bevestiging. Plaats dubbelzijdig plakband op de jig en breng de diodes over op het plakband met behulp van pincetten, met een geschikte afstand tussen hen.
- Onder een microscoop, zorg ervoor dat de contacten naar boven wijzen, wat het uitlijnen van draad en diode vergemakkelijkt. Heroriënteer deze indien nodig en zorg ervoor dat ze in het plakband worden gedrukt om beweging tijdens het samenstelproces te voorkomen.
- Plaats enkelzijdig plakband langs diodes om de draad op het niveau van het contact te verhogen en te voorkomen dat het aan het onderliggende plakband plakt. Maak het plakband glad en plaats de draden in de algemene omgeving van de diode.
- Onder de microscoop, plaats de draad voorzichtig op elk contactpunt om draadoverlappendheid te voorkomen.
- Breng het geleidende materiaal aan op het contact en de draad en zorg ervoor dat het geleidende materiaal niet samenvloeit en het diodevlak overstroomt.
- Laat de tags rusten gedurende enkele uren om het geleidende materiaal te laten harden.
4. Bevestiging van grote tag - Queensland longhorn kever (QLB)
- Draag geschikte PPE om te beschermen tegen UV-blootstelling (beschermende brillen worden aanbevolen).
- Bevestig de kever om de toegang tot de bevestigingsplaats te vergemakkelijken. Houd de kever voorzichtig vast en oefen lichte druk uit op het tafeloppervlak.
- Breng een druppel UV-lijm aan op de bevestigingsplaats.
- Orienteer de tag en plaats de diode met de elektrische contacten naar beneden op de thorax.
- Zodra u tevreden bent met de positie van de tag, laat de lijm uitharden met UV-licht onder verschillende hoeken gedurende een totaal van 5 tot 10 seconden. Deze UV-lijm is eerder gebruikt om tags aan grotere insecten te bevestigen zonder duidelijke negatieve effecten van UV-blootstelling11.
5. Bevestiging van kleine tags - tephritid fruitvliegen
- Draag geschikte PPE om te beschermen tegen UV-blootstelling (
Resultaten
Het detectiebereik en de grootte van de tag zijn waarschijnlijk de twee belangrijkste kenmerken van trackingtags voor insecten. Hier presenteren we representatieve resultaten voor het maximale detectiebereik van de grote en kleine tags die in dit artikel zijn vervaardigd. Maximale detectiebereiken werden bepaald door de tags met dubbelzijdige tape in de lengte te bevestigen aan een dikke houten deuvel (~1,5 m). De maximale afstand waarop tagsignalen konden worden gedetecteerd, werd vervolgens bepaald door de transceiver weg te bewegen van de tag totdat er geen signaal meer hoorbaar was. Tien tags van elke grootte werden getest in een open veld. De maximale detectieafstand voor de grotere tags is ongeveer vier keer zo groot als die van de kleinere tags (Tabel 1). Een verkeerde uitlijning van de tag en de transceiver, samen met interferentie door vegetatie, vermindert het detectiebereik onder veldomstandigheden vaak. Op basis van onze ervaring gaan we uit van een detectieafstand van ~10 m voor grotere tags en ~5 m voor kleine tags bij werkzaamheden in boomgaarden.
Ten slotte willen we de resultaten delen van een representatieve trackingstudie met de Queensland-langhoornkever (QLB). Het doel van deze studie was om de bewegingsecologie van de QLB te onderzoeken, aangezien er weinig bekend is over waar volwassen kevers zich in de omgeving ophouden. Omdat de kevers cryptisch zijn, is het vrij moeilijk om ze in de omgeving te lokaliseren zonder een trackingtechniek zoals HR. Deze studie werd uitgevoerd in een bestand kukuitanen (Aleurites moluccana) op het Big Island van Hawaii. Tijdens deze studie werden meerdere kevers gemarkeerd en vrijgelaten. De kevers werden vervolgens gelokaliseerd met behulp van de trackingtechnieken die eerder in dit artikel zijn gedemonstreerd. Een voorbeeld van het pad dat één kever over een periode van 10 dagen aflegde, is te zien in Figuur 4. Let op dat de kever naar meerdere locaties werd gevolgd, waaronder hoog in kukuitanen en naar dode bladeren. Dit was een belangrijke bevinding van deze studie. Omdat de QLB zeer cryptisch kan zijn, hebben boeren vaak gevraagd waar de kevers zich rond de bomen "verschuilen". Door individuele QLB's te volgen, konden we vaststellen dat kevers zich vaak verborgen hielden in droge bladeren, waardoor ze moeilijk te detecteren waren. Deze studie biedt belangrijke nieuwe inzichten in waar volwassen QLB's zich overdag ophouden en hun bewegingen gedurende de nacht.
Figuur 1: Vergelijking van apparaten die veelvuldig worden gebruikt om insecten te volgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Harmonische radar werkt door een signaal op één frequentie (blauw) te verzenden en vervolgens het terugkerende (frequentie verdubbelde) signaal (rood) te ontvangen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: De signaalsterkte is gerelateerd aan de oriëntatie van de tag en de transceiver. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Representatieve resultaten van het volgen van een enkele Queensland-langhoornkever in kukui-bomen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Grote tags | Kleine tags |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabel 1: Maximale detectieafstanden (gemiddelde ± SE, m) voor harmonische radartags voor insecten (N = 10).
Discussie
In dit protocol beschrijven en demonstreren we hoe je twee maten harmonische radartags kunt fabriceren. Daarnaast hebben we laten zien hoe deze tags aan insecten kunnen worden bevestigd met UV-uithardende lijmen en hebben we de signaalsterkte van de zender/ontvanger gedemonstreerd. Dit protocol is verfijnd om de gestroomlijnde fabricage van veel goedkope HR-tags mogelijk te maken met minimale gespecialiseerde laboratoriumapparatuur. Bovendien zou het protocol toegankelijk moeten zijn voor onderzoekers met ervaring in het manipuleren van objecten onder een dissectiemicroscoop. We raden aan dat personen die tags proberen te maken, beginnen met grotere tags om vaardigheden te ontwikkelen in het manipuleren van de diodes en het aanbrengen van de geleidende lijmen. Deze vaardigheden kunnen in het begin moeilijk zijn, maar we hebben uit ervaring (het lesgeven aan meer dan 20 mensen) gevonden dat de leercurve mensen in staat stelt relatief snel te vorderen naar het maken van kleinere tags met snelheid en reproduceerbaarheid.
Hoewel de fabricage van twee tagsgroottes werd getoond, hebben we ook tags gemaakt met een tussenliggende diode6, met zowel de kleinere als grotere diameter nitinol-draad. Verschillende toepassingen, zoals insectengrootte en vereiste detectiebereik, beïnvloeden de keuze van diode- en draadmaten.
Het tagontwerp dat in dit protocol wordt gebruikt, is eenvoudiger dan andere die worden gebruikt om insecten te volgen15,16,17,18. Een veelgebruikt ontwerp is om een lus in de antenne te hebben, waardoor een DC-short wordt gecreëerd over de diode18,19. Tags met lussen in hun antennes worden meestal verticaal op de thorax gemonteerd in plaats van longitudinaal, zoals getoond in dit protocol. Verticale oriëntatie van de tag staat mogelijk een betere uitlijning van tag en zender/ontvanger toe terwijl het insect vliegt (aangezien insecten over het algemeen niet ondersteboven of met hun poten naar de zijkant vliegen). Verticale tagoriëntatie verplaatst echter het centrum van de tagmassa weg van het centrum van massa van het insect, waardoor mogelijk een grotere invloed op balans en vliegvermogen ontstaat.
Openbaarmakingen
We hebben geen belangenconflicten te melden.
Dankbetuigingen
We willen Kate Fairbanks en James Snyder (Florida Department of Agriculture & Consumer Services), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Eastern Mennonite University) en Stefano De Faveri (Queensland Department of Agriculture and Fisheries) bedanken voor het herzien van dit protocol.
Materialen
```html
```
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Large assembly jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Large wire jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Nitinol Wire (Small) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| RECCO R9 Handheld Detector | RECCO AB (Lidingo··, Zweden) | Frequenties van gebruik: Europa, 866,9 MHz (uitzenden), 1733,8 MHz (ontvangen); VS, 902,85 MHz (uitzenden), 1805,7 MHz (ontvangen) | |
| RF Schottky Diode (Small) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, USA) | MA4E2501L-1290 | Gekocht via Richardson RFPD |
| Schottky Diode (Large) | RECCO AB (Lidingo··, Zweden) | ||
| Silver Conductive Epoxy Adhesive | MG Chemicals | 12642-14 (Amazon: 8331D) | Gekocht via Amazon |
| Small assembly jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Small wire jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Super-Elastic Nitinol Wire (Large) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, USA) | 8320K31 | 0,003" Diameter x 30 Voet Lang |
| Ted Pella Inc Silver Conductive Epoxy | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA) | NC9959045 | |
| UV Adhesive | Bondic (Niagara Falls, NY, USA) | Gekocht via Amazon en/of Bondic online (notaglue.com) |
Referenties
- Lennox, R. J., Blouin-Demers, G., Rous, A. M., Cooke, S. J. Tracking invasive animals with electronic tags to assess risks and develop management strategies. Biol Invas. 18, 1219-1233 (2016).
- Batsleer, F., et al. The neglected impact of tracking devices on terrestrial arthropods. Methods Ecol Evol. 11 (3), 350-361 (2020).
- Ultra-miniature bluetooth tag with antenna on package for red palm weevil tracking. Bilal, R. M., Reyes, Z. L., Shamim, A. 2021 1st International Conference on Microwave, Antennas & Circuits (ICMAC), , 1-3 (2021).
- Daniel Kissling, W., Pattemore, D. E., Hagen, M. Challenges and prospects in the telemetry of insects. Biol Rev. 89 (3), 511-530 (2014).
- Nunes-Silva, P., et al. Applications of RFID technology on the study of bees. Insect Soc. 66, 15-24 (2019).
- Miller, N. D., Yoder, T. J., Manoukis, N. C., Carvalho, L. A., Siderhurst, M. S. Harmonic radar tracking of individual melon flies, Zeugodacus cucurbitae, in Hawaii: Determining movement parameters in cage and field settings. PLoS One. 17 (11), e0276987(2022).
- Lövei, G. L., Stringer, I. A., Devine, C. D., Cartellieri, M. Harmonic radar - A method using inexpensive tags to study invertebrate movement on land. NZ J Ecol. , 187-193 (1997).
- Riley, J. R. Adaption of harmonic radar for tracking tsetse flies. , Natural Resources Research Institute. (1995).
- O'Neal, M. E., Landis, D., Rothwell, E., Kempel, L., Reinhard, D. Tracking insects with harmonic radar: A case study. Am. Entomol. 50 (4), 212-218 (2004).
- Hurst, A. L., et al. Tracking and modeling the movement of Queensland fruit flies, Bactrocera tryoni, using harmonic radar in papaya fields. Sci Rep. 14 (1), 17521(2024).
- Siderhurst, M. S., Murman, K. M., Kaye, K. T., Wallace, M. S., Cooperband, M. F. Radio telemetry and harmonic radar tracking of the spotted lanternfly, Lycorma delicatula (white)(Hemiptera: Fulgoridae). Insects. 15 (1), 17(2023).
- Tomerini, J. M., De Faveri, M. G., De Faveri, S. G., Wright, C., Siderhurst, M. S. Impacts of harmonic radar tagging on the flight ability of male Bactrocera tryoni and Bactrocera jarvisi (Diptera, Tephritidae). Austral Entomol. 64 (1), e12728(2025).
- Welty Peachey, A. M., et al. Wind effects on individual male and female Bactrocera jarvisi (Diptera: Tephritidae) tracked using harmonic radar. Environ Entomol. , nvae108(2024).
- Mascanzoni, D., Wallin, H. The harmonic radar: A new method of tracing insects in the field. Ecol Entomol. 11 (4), 387-390 (1986).
- Boiteau, G., Colpitts, B. The potential of portable harmonic radar technology for the tracking of beneficial insects. IInt J Pest Manag. 50 (3), 233-242 (2004).
- Maggiora, R., Saccani, M., Milanesio, D., Porporato, M. An innovative harmonic radar to track flying insects: The case of Vespa velutina. Sci Rep. 9 (1), 11964(2019).
- Milanesio, D., Saccani, M., Maggiora, R., Laurino, D., Porporato, M. Recent upgrades of the harmonic radar for the tracking of the Asian yellow-legged hornet. Ecol Evol. 7 (13), 4599-4606 (2017).
- Ala, R., Rouse, C. D., Colpitts, B. G. An Extra low-mass harmonic radar transponder for insect tracking applications. IEEE Trans Radar Syst. 1, 146-154 (2023).
- Riley, J., Smith, A. Design considerations for an harmonic radar to investigate the flight of insects at low altitude. Comput Electron Agric. 35 (2-3), 151-169 (2002).
Herprints en machtigingen
