Este protocolo apresenta os métodos para criar, anexar e rastrear tags de radar harmônicas para insetos.
Artigo de método
Etiquetas de radar harmônico para rastreamento de insetos: leves, de baixo custo e acessíveis
Neste artigo
Resumo
Resumo
Usar dispositivos de rastreamento para acompanhar os movimentos dos animais tem sido uma abordagem padrão para estudar o comportamento e a ecologia dos vertebrados. Até há relativamente pouco tempo, esses métodos de rastreamento não estavam disponíveis para os entomologistas devido ao tamanho e massa proibitivamente grandes dos dispositivos de rastreamento que devem ser conectados. As tecnologias aplicadas ao rastreamento de insetos incluem radiotelemetria, Bluetooth, RFID e radar harmônico. Dentre estes, a radiotelemetria é o método mais utilizado para rastrear insetos maiores. Ele oferece um alcance de detecção mais longo e sinais exclusivos para cada inseto rastreado, mas requer etiquetas caras que têm vida útil e de campo limitadas e são pesadas, geralmente pelo menos 150 miligramas. Por outro lado, as etiquetas de radar harmônicas, usadas pela primeira vez em 1986, são mais leves em pelo menos uma ordem de magnitude, baratas e têm faixas de detecção que permitem o rastreamento de campo de muitos insetos menores. Aqui, demonstramos o uso de um transceptor pronto para uso comercializado para resgate no interior. Juntos, etiquetas baratas e transceptores prontos para uso tornam essa técnica de rastreamento de insetos altamente acessível aos entomologistas que estudam o comportamento e a ecologia dos insetos. Neste artigo, abordaremos a criação de tags, anexando tags a insetos, rastreando esses insetos marcados e apresentando alguns resultados de rastreamento representativos.
Introdução
O emprego de dispositivos de rastreamento para estudar os movimentos dos vertebrados tem sido uma abordagem padrão para coletar dados relacionados ao comportamento e ecologia de animais maiores, como mamíferos, pássaros e peixes, com rastreamento utilizando principalmente radiotelemetria e rastreamento por GPS1. No entanto, até há relativamente pouco tempo, esses métodos de rastreamento não estavam disponíveis para os entomologistas devido ao tamanho e massa proibitivamente grandes dos dispositivos de rastreamento que devem ser anexados2. As tecnologias aplicadas ao rastreamento de insetos incluem radiotelemetria, Bluetooth, RFID e radar harmônico2,3. Destes, a radiotelemetria é de longe o método mais usado para rastrear insetos maiores2. Ele oferece um alcance de detecção mais longo e sinais exclusivos para cada inseto rastreado. Este método, no entanto, requer etiquetas caras que têm vida útil e de campo limitadas e são pesadas, geralmente pelo menos 150 mg. O Bluetooth é a técnica menos desenvolvida atualmente, com tags menores do que a radiotelemetria, mas também um alcance mais curto3. As etiquetas RFID podem ser muito pequenas em tamanho e são bastante baratas, mas têm o menor alcance (geralmente apenas alguns mm)4. A marcação de insetos com etiquetas RFID tem sido mais comumente usada para estudar as abelhas que entram e saem da colmeia5. Por outro lado, as etiquetas de radar harmônico são mais leves em pelo menos uma ordem de magnitude do que as etiquetas de radiotelemetria, baratas e têm faixas de detecção que permitem o rastreamento de campo de insetos muito menores6 (Figura 1).
O radar harmônico usa um transceptor que emite um sinal que energiza a etiqueta transportada pelo inseto e recebe o sinal de retorno com frequência duplicada enviado pela tag7,8,9 (Figura 2). Embora vários estudos tenham descrito o uso de tags de radar harmônicas com insetos de tamanho médio6,10,11,12,13, não há demonstração adequada de como fabricar uma etiqueta. Neste artigo, fornecemos instruções passo a passo sobre como fabricar dois tamanhos diferentes de tags de radar harmônicas, cada uma construída a partir de um diodo Schottky e fio de nitinol. Tags menores são mais leves e funcionam melhor para insetos menores6, enquanto as tags maiores têm um alcance maior e podem ser acomodadas por insetos maiores11. O fio de nitinol é um componente crítico do projeto porque é flexível, permitindo assim que o inseto marcado se mova com relativa liberdade. Ele também retorna rapidamente a uma orientação reta, permitindo o retorno máximo do sinal6,10,11. Também demonstramos o uso de um transceptor pronto para uso (consulte a seção 'Obtenção de sinais' abaixo) comercializado para resgate no interior7,9,14. Juntos, etiquetas baratas e transceptores prontos para uso tornam essa técnica de rastreamento de insetos altamente acessível aos entomologistas que estudam o comportamento e a ecologia dos insetos. Neste artigo, abordamos a criação de tags, a anexação de tags a insetos, o rastreamento desses insetos marcados e fornecemos alguns resultados de rastreamento representativos.
Protocolo
1. Preparação
- Monte todos os materiais necessários para a fabricação de etiquetas: fio de nitinol (0,0254 mm para etiquetas pequenas, 0,0762 mm para etiquetas grandes), diodos Schottky (um por etiqueta), adesivos condutores (epóxi condutor de prata é sugerido para resistência máxima, tinta prateada para etiquetas mais leves) e gabaritos impressos em 3D para serem usados para corte de fio e montagem de etiquetas (consulte a Tabela de Materiais).
- Garanta a disponibilidade de dois fios de nitinol de tamanhos diferentes, 25 μm e 75 μm, para serem usados em etiquetas pequenas e grandes, respectivamente.
2. Tag grande
NOTA: Esta seção apresenta a montagem de tags grandes. É importante ter dois fios com o comprimento correto da antena (8.25 cm para corresponder à frequência do transceptor) para as etiquetas grandes.
- Use o gabarito de medição para cortar os fios de forma reprodutível no comprimento desejado (8,25 cm) usando uma tesoura.
- Primeiro, use a fita de face única para prender o fio ao gabarito.
- Enrole o fio ao redor do gabarito (20-30 vezes no máximo), mantendo uma leve tensão.
- Corte os fios no canal usando uma tesoura. O tamanho do fio obtido é de 8,25 cm.
- Em seguida, remova cuidadosamente os fios do cilindro.
NOTA: Dois fios são necessários para cada tag.
- Prepare o diodo para fixação do fio.
- Prenda a embalagem do diodo ao microscópio usando fita adesiva. Puxe a tampa para trás usando uma pinça e remova os diodos com fita dupla-face.
- Coloque fita dupla-face sobre a embalagem para remover os diodos facilmente.
NOTA: Neste ponto, todos os diodos estão na orientação correta, com os contatos voltados para cima para facilitar a ligação da antena.
- Fixe a fita no gabarito com os diodos voltados para cima. Coloque a cartolina paralela aos diodos de cada lado e alise as bordas para evitar que a antena grude na fita.
- Alinhe os fios próximos aos diodos em preparação para a fixação e, sob um microscópio, posicione os fios de forma que cada um toque um único contato elétrico.
NOTA: Os fios não devem tocar em ambos os contatos elétricos. - Aplique material condutor em cada contato usando um alfinete de inseto. Certifique-se de cobrir o ponto de contato e o fio.
- Tome cuidado para não espalhar o material condutor entre cada contato. Se o material condutor se misturar ou tocar o outro fio ou contato, isso reduzirá bastante a intensidade do sinal da etiqueta.
- Reaplique o material condutor conforme necessário para prender cada fio e garantir a condutividade elétrica.
- Deixe as etiquetas permanecerem intactas por várias horas para permitir que o material condutor endureça.
3. Tag pequena
NOTA: Esta seção apresenta a montagem de pequenas tags.
- Corte os fios em comprimentos de 4,1 cm.
- Prenda o fio ao gabarito com a fita adesiva, tomando cuidado para não sobrecarregar o fio.
- Enrole o fio ao redor do gabarito e corte-o ao longo da ranhura com uma tesoura.
NOTA: Cada tag requer dois segmentos do fio preparado acima. - Prepare os diodos para fixação. Coloque fita dupla-face no gabarito e transfira os diodos para a fita com uma pinça, mantendo um espaço adequado entre eles.
- Sob um microscópio, certifique-se de que os contatos estejam voltados para cima, facilitando o alinhamento do fio e do diodo. Realinhe-os conforme necessário e certifique-se de que estejam pressionados na fita para evitar movimento durante o processo de montagem.
- Coloque fita de face única ao longo dos diodos para elevar o fio no nível de contato e evitar que ele grude na fita subjacente. Alise a fita e coloque os fios nas proximidades gerais do diodo.
- Sob o microscópio, coloque o fio em cada ponto de contato com cuidado para evitar a sobreposição do fio.
- Aplique o material condutor ao contato e ao fio e certifique-se de que o material condutor não flua junto e inunde o plano do diodo.
- Deixe as etiquetas endurecerem sem perturbações por várias horas para permitir que o material condutor endureça.
4. Acessório de etiqueta grande - besouro longhorn de Queensland (QLB)
- Use EPI apropriado para proteger da exposição aos raios UV (recomenda-se o uso de óculos de proteção).
- Prenda o besouro para facilitar o acesso ao local de fixação. Segure o besouro suavemente, aplicando uma leve pressão na superfície da mesa.
- Aplique uma gota de adesivo UV no local de fixação.
- Oriente o tag e coloque o diodo com os contatos elétricos voltados para baixo no tórax.
- Quando estiver satisfeito com a posição da etiqueta, cure a cola usando luz ultravioleta em uma variedade de ângulos diferentes por um total de 5 a 10 s. Este adesivo UV foi usado anteriormente para anexar etiquetas a insetos maiores sem efeitos negativos aparentes da exposição aos raios UV11.
5. Acessório de etiquetas pequenas - moscas-das-frutas tefritídeas
- Use EPI apropriado para proteger da exposição aos raios UV (recomenda-se o uso de óculos de proteção).
- Anestesiar moscas a 4 oC. Normalmente, as moscas experimentam a cessação do movimento após 10-15 min.
- Dispense uma gota de cola e mergulhe o diodo da etiqueta no adesivo UV. Certifique-se de rolar o diodo na cola para garantir a cobertura total. Tenha cuidado para evitar que o excesso de adesivo cubra o fio.
- Prenda o inseto entre o polegar e o indicador para apresentar o local de fixação.
- Oriente a etiqueta e coloque-a longitudinalmente no lado dorsal do tórax da mosca. Mova a etiqueta para frente e para trás para espalhar o adesivo e garantir uma conexão segura. Tenha cuidado para não aplicar cola na cabeça ou nas asas.
- Quando estiver satisfeito com a colocação da etiqueta, catalise o adesivo usando uma luz ultravioleta. Vários estudos usaram este adesivo UV para anexar etiquetas a moscas sem efeitos negativos aparentes da exposição aos raios UV6,10,12,13.
6. Obtenção de sinais
- Teste a capacidade de vôo dos insetos após a fixação da etiqueta. Faça isso testando em um tubo de voo.
- Em seguida, deixe as moscas decolarem em seu habitat.
- Use um transceptor (consulte a Tabela de Materiais) para obter sinais de insetos grandes e pequenos.
NOTA: Quando alinhado com um tag, o transceptor produz um som. Quando o transceptor é girado 90 graus, um sinal fraco ou nenhum sinal é obtido devido ao desalinhamento da etiqueta e do transceptor.
Resultados
A faixa de detecção e o tamanho da etiqueta são provavelmente as duas características mais importantes das etiquetas para rastreamento de insetos. Apresentamos aqui resultados representativos da distância máxima de detecção das etiquetas grandes e pequenas fabricadas neste artigo. As distâncias máximas de detecção foram determinadas fixando as etiquetas longitudinalmente em uma haste de madeira grossa (~1,5 m) com fita adesiva dupla face. A distância máxima na qual os sinais das etiquetas podiam ser detectados foi então determinada movendo-se o transceptor para longe da etiqueta até que nenhum sinal fosse audível. Dez etiquetas de cada tamanho foram testadas em campo aberto. A distância máxima de detecção para as etiquetas maiores é aproximadamente quatro vezes maior do que a das etiquetas menores (Tabela 1). O desalinhamento entre a etiqueta e o transceptor, juntamente com a interferência da vegetação, frequentemente reduz a faixa de detecção em condições de campo. Em nossa experiência, assumimos uma distância de detecção de ~10 m para etiquetas maiores e ~5 m para etiquetas menores ao trabalhar em cultivos arbóreos.
Por fim, gostaríamos de compartilhar os resultados de um estudo representativo de rastreamento com o besouro longícorne de Queensland (QLB). O objetivo deste estudo foi investigar a ecologia de movimento do QLB, já que pouco se sabe sobre onde os besouros adultos passam seu tempo no ambiente. Como os besouros são cripticos, é bastante difícil localizá-los no ambiente sem uma técnica de rastreamento como a HR. Este estudo foi conduzido em um bosque de árvores de kukui (Aleurites moluccana) na Ilha Grande do Havaí. Vários besouros foram marcados e liberados ao longo deste estudo. Os besouros foram então localizados utilizando as técnicas de rastreamento demonstradas anteriormente neste artigo. Um exemplo do trajeto percorrido por um besouro ao longo de 10 dias pode ser visto na Figura 4. Observe que o besouro foi rastreado em múltiplos locais, incluindo partes altas das árvores de kukui e folhas mortas. Esta foi uma descoberta importante deste estudo. Como o QLB pode ser altamente criptico, agricultores frequentemente perguntam onde os besouros estariam "se escondendo" ao redor das árvores. Ao rastrear indivíduos de QLB, pudemos determinar que os besouros muitas vezes se ocultam em folhas secas, tornando-os difíceis de detectar. Este estudo oferece novos e importantes insights sobre onde os adultos de QLB passam seu tempo durante o dia e sobre seus deslocamentos durante a noite.
Figura 1: Comparação dos dispositivos comumente utilizados para rastrear insetos. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
Figura 2: O radar harmônico funciona enviando um sinal em uma frequência (azul) e depois recebendo o sinal retornado (com frequência dobrada) (vermelho). Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
Figura 3: A intensidade do sinal está relacionada à orientação da etiqueta e do transceptor. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
Figura 4: Resultados representativos do rastreamento de um único besouro longhorn da Queensland em árvores de kukui. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
| Etiquetas grandes | Etiquetas pequenas |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabela 1: Distâncias máximas de detecção (média ± EP, m) para marcas de radar harmônico em insetos (N = 10).
Discussão
Neste protocolo, descrevemos e demonstramos como fabricar dois tamanhos de etiquetas de radar harmônicas. Além disso, mostramos como anexar essas etiquetas a insetos usando adesivos curados por UV e demonstramos a força do sinal do transceptor. Este protocolo foi refinado para permitir a fabricação simplificada de muitas etiquetas de RH de baixo custo com o mínimo de equipamento de laboratório especializado. Além disso, o protocolo deve ser acessível a pesquisadores com experiência na manipulação de objetos sob um microscópio de dissecação. Recomendamos que as pessoas que tentam fazer etiquetas comecem com etiquetas maiores para desenvolver habilidades na manipulação dos diodos e na aplicação dos adesivos condutores. Essas habilidades podem ser difíceis no início, mas descobrimos por experiência (ensinando mais de 20 pessoas) que a curva de aprendizado permite que as pessoas progridam de forma relativamente rápida para fazer etiquetas menores com velocidade e reprodutibilidade.
Embora a fabricação de dois tamanhos de etiquetas tenha sido mostrada, também fizemos etiquetas com um diodo de tamanho intermediário6, usando o fio de nitinol de diâmetro menor e maior. Diferentes aplicações, como tamanho do inseto e faixa de detecção necessária, influenciam a escolha dos tamanhos de diodo e fio.
O design da etiqueta usado neste protocolo é mais simples do que outros usados para rastrear insetos 15,16,17,18. Um projeto comumente usado é ter um loop na antena, criando assim um curto CC através do diodo18,19. As etiquetas com loops em suas antenas geralmente são montadas verticalmente no tórax, em vez de longitudinalmente, conforme mostrado neste protocolo. A orientação vertical permite potencialmente um melhor alinhamento da etiqueta e do transceptor enquanto o inseto está em vôo (já que os insetos geralmente não voam de cabeça para baixo ou com as pernas voltadas para o lado). No entanto, a orientação vertical da etiqueta move o centro da massa da etiqueta para longe do centro de massa do inseto, potencialmente tendo uma influência maior no equilíbrio e na capacidade de voo.
Divulgações
Não temos conflitos de interesse a divulgar.
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer a Kate Fairbanks e James Snyder (Departamento de Agricultura e Serviços ao Consumidor da Flórida), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Eastern Mennonite University) e Stefano De Faveri (Departamento de Agricultura e Pesca de Queensland) pela revisão deste protocolo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | montagem de gabarito | ||
| https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | |||
| fio de Nitinol (Pequeno) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, EUA) | 17822174 | |
| Detector de Mão RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· · , Suécia) | Frequências de operação: Europa, 866,9 MHz (transmissão), 1733,8 MHz (recepção); EUA, 902.85 MHz (transmissão), 1805.7 MHz (recepção) | |
| Diodo RF Schottky (Pequeno) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, EUA) | MA4E2501L-1290 | Comprado via Richardson RFPD |
| Diodo Schottky (Grande) | RECCO AB (Lidingo· · , Suécia)Adesivo | ||
| Epóxi Condutivo de Prata | MG Chemicals | 12642-14 (Amazon: 8331D) | Comprado via Amazon |
| Pequeno jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| jig | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| Fio de Nitinol Super-Elástico (Grande) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, EUA) | 8320K31 | 0.003" Diâmetro x 30 Pés de Comprimento |
| Ted Pella Inc Prata Condutora Epoxy | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, EUA) | ||
| Adesivo UV | Bondic (Cataratas do Niágara, NY, EUA) | Comprado via Amazon e/ou Bondic online (notaglue.com) |
Referências
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Reimpressões e permissões
