Этот протокол представляет методы создания, прикрепления и отслеживания гармонических радарных меток для насекомых.
Методическая статья
Гармонические радарные метки для отслеживания насекомых: легкие, недорогие и доступные
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Использование устройств слежения для отслеживания движений животных уже давно является стандартным подходом к изучению поведения и экологии позвоночных. До относительно недавнего времени эти методы слежения были недоступны энтомологам из-за непомерно больших размеров и массы устройств слежения, которые необходимо прикреплять. Технологии, применяемые для отслеживания насекомых, включают радиотелеметрию, Bluetooth, RFID и гармонический радар. Среди них радиотелеметрия является наиболее часто используемым методом отслеживания более крупных насекомых. Он обеспечивает большую дальность обнаружения и уникальные сигналы для каждого отслеживаемого насекомого, но требует дорогих меток с ограниченным сроком годности и срока службы и тяжелых весов, как правило, не менее 150 миллиграммов. В отличие от них, гармонические радиолокационные метки, впервые использованные в 1986 году, легче как минимум на порядок, недороги и имеют дальность обнаружения, которая позволяет отслеживать множество мелких насекомых. В этой статье мы демонстрируем использование готового приемопередатчика, предназначенного для спасения в отдаленных районах. Вместе недорогие метки и готовые приемопередатчики делают этот метод отслеживания насекомых очень доступным для энтомологов, изучающих поведение насекомых и экологию. В этой статье мы затронем создание меток, прикрепление меток к насекомым, отслеживание этих помеченных насекомых, а также представим некоторые репрезентативные результаты отслеживания.
Введение
Использование устройств слежения для изучения перемещений позвоночных уже давно является стандартным подходом к сбору данных, связанных с поведением и экологией крупных животных, таких как млекопитающие, птицы и рыбы, при этом отслеживание в основном использует радиотелеметрию и GPS-слежение1. Однако до относительно недавнего времени эти методы слежения были недоступны энтомологам из-за непомерно больших размеров и массы устройств слежения, которые должны быть прикреплены2. Технологии, применяемые для отслеживания насекомых, включают радиотелеметрию, Bluetooth, RFID и гармонический радар2,3. Из них радиотелеметрия на сегодняшний день является наиболее часто используемым методом отслеживания крупных насекомых2. Он обеспечивает большую дальность обнаружения и уникальные сигналы для каждого отслеживаемого насекомого. Этот метод, однако, требует дорогостоящих меток, которые имеют ограниченный срок хранения и срок службы и являются тяжелыми, как правило, не менее 150 мг. Bluetooth в настоящее время является наименее развитым методом, с меньшими тегами, чем у радиотелеметрии, но и меньшим радиусом действия3. RFID-метки могут быть очень маленькими по размеру и довольно недорогими, но имеют самый короткий радиус действия (часто всего несколько мм)4. Мечение насекомых с помощью RFID-меток чаще всего использовалось для изучения рабочих пчел, входящих и выходящих из улья5. В отличие от них, гармонические радарные метки легче по крайней мере на порядок, чем радиотелеметрические метки, недороги и имеют дальность обнаружения, позволяющую отслеживать гораздо более мелких насекомых6 (Рисунок 1).
Гармонический радар использует приемопередатчик, который излучает сигнал, который питает метку, переносимую насекомым, и принимает ответный сигнал с удвоенной частотой, отправленный меткой7,8,9 (Рисунок 2). В то время как в ряде исследований описывалось использование гармонических радарных меток с насекомыми среднего размера6,10,11,12,13, нет надлежащей демонстрации того, как изготовить метку. В этой статье мы предоставляем пошаговые инструкции о том, как изготовить два разных размера гармонических радарных меток, каждая из которых состоит из диода Шоттки и нитиноловой проволоки. Меньшие теги легче и лучше подходят для мелких насекомых6, в то время как большие теги имеют больший диапазон и могут быть размещены на больших насекомых11. Нитиноловая проволока является критически важным компонентом конструкции, поскольку она гибкая, что позволяет помеченному насекомому двигаться относительно свободно. Он также быстро возвращается в прямую ориентацию, обеспечивая максимальный возврат сигнала6,10,11. Мы также демонстрируем использование готового приемопередатчика (см. раздел "Получение сигналов" ниже), продаваемого для бэккантри rescue7,9,14. Вместе недорогие метки и готовые приемопередатчики делают этот метод отслеживания насекомых очень доступным для энтомологов, изучающих поведение насекомых и экологию. В этой статье мы коснемся создания меток, прикрепления меток к насекомым, отслеживания этих помеченных насекомых и приведем некоторые репрезентативные результаты отслеживания.
Протокол
1. Подготовка
- Соберите все материалы, необходимые для изготовления бирок: нитиноловую проволоку (0,0254 мм для маленьких бирок, 0,0762 мм для больших бирок), диоды Шоттки (по одному на бирку), проводящие клеи (для максимальной прочности рекомендуется использовать серебряную проводящую эпоксидную смолу, серебристую краску для более легких бирок) и напечатанные на 3D-принтере приспособления для резки проволоки и сборки бирок (см. Таблицу материалов).
- Обеспечьте наличие двух нитиноловых проволок разного размера, 25 μм и 75 μм, для использования в маленьких и больших метках соответственно.
2. Большой тег
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе представлена сборка больших тегов. Важно иметь два провода правильной длины антенны (8,25 см в соответствии с частотой приемопередатчика) для больших меток.
- С помощью измерительного приспособления воспроизводимо отрежьте провода до нужной длины (8,25 см) с помощью ножниц.
- Во-первых, используйте односторонний скотч, чтобы закрепить проволоку на кондукторе .
- Оберните проволоку вокруг кондуктора (максимум в 20-30 раз), сохраняя легкое натяжение.
- Обрежьте провода в канале с помощью ножниц. Размер получаемой проволоки составляет 8,25 см.
- Затем аккуратно снимите провода с цилиндра.<бр/> ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждой метки требуется два провода.
- Подготовьте диод к креплению провода.
- Закрепите упаковку диода на микроскопе с помощью скотча. Оттяните крышку с помощью щипцов и снимите диоды с помощью двустороннего скотча.
- Наклейте двусторонний скотч на упаковку, чтобы легко удалить диоды.
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе все диоды находятся в правильной ориентации, контактами вверх для облегчения соединения антенны.
- Прикрепите ленту к кондуктору диодами вверх. Разместите картон параллельно диодам с каждой стороны и сгладьте края, чтобы антенна не прилипла к ленте.
- Выровняйте провода рядом с диодами, готовясь к креплению, и под микроскопом расположите провода так, чтобы каждый из них касался одного электрического контакта.
ПРИМЕЧАНИЕ: Провода не должны касаться обоих электрических контактов. - Нанесите проводящий материал на каждый контакт с помощью булавки от насекомых. Убедитесь, что вы закрыли как точку контакта, так и провод.
- Следите за тем, чтобы проводящий материал не распространялся между каждым контактом. Если проводящий материал смешивается или соприкасается с другим проводом или контактом, это значительно снизит мощность сигнала метки.
- При необходимости повторно нанесите проводящий материал, чтобы закрепить каждый провод и обеспечить электропроводность.
- Дайте меткам оставаться нетронутыми в течение нескольких часов, чтобы проводящий материал затвердел.
3. Маленький тег
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе представлена сборка маленьких тегов.
- Нарежьте провода на длину 4,1 см.
- Прикрепите проволоку к кондуктору с помощью односторонней ленты, стараясь не перенатягивать проволоку.
- Намотаем проволоку на кондуктор и разрезаем ее по пазу ножницами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждой метки требуется два отрезка проволоки, подготовленной выше. - Подготовьте диоды к креплению. Наложите двусторонний скотч на кондуктор и перенесите диоды на ленту с помощью щипцов, сохраняя соответствующее расстояние между ними.
- Под микроскопом убедитесь, что контакты направлены вверх, что облегчает юстировку провода и диода. При необходимости выровняйте их и убедитесь, что они запрессованы в ленту, чтобы предотвратить движение во время сборки.
- Поместите одностороннюю ленту вдоль диодов, чтобы поднять провод на уровне контакта и предотвратить его прилипание к основной ленте. Разгладьте ленту и разместите провода в непосредственной близости от диода.
- Под микроскопом поместите провод на каждую точку контакта с осторожностью, чтобы предотвратить перекрытие провода.
- Нанесите проводящий материал на контакт и провод и убедитесь, что проводящий материал не стекает и не заливает плоскость диода.
- Дайте меткам закрепиться в течение нескольких часов, чтобы проводящий материал затвердел.
4. Большая метка - квинслендский жук-усач (QLB)
- Носите соответствующие СИЗ для защиты от воздействия ультрафиолета (рекомендуется использовать защитные очки).
- Закрепите жука, чтобы облегчить доступ к месту крепления. Держите жука аккуратно, слегка надавливая на поверхность стола.
- Нанесите каплю УФ-клея на место крепления.
- Сориентируйте метку и поместите диод электрическими контактами вниз на грудную клетку.
- После того, как вы будете удовлетворены положением метки, отверждите клей с помощью ультрафиолетового излучения под различными углами в течение от 5 до 10 секунд. Этот УФ-клей ранее использовался для прикрепления меток к более крупным насекомым без видимых негативных эффектов воздействия ультрафиолета11.
5. Прикрепление мелких тегов - тефритидные плодовые мушки
- Носите соответствующие СИЗ для защиты от воздействия ультрафиолета (рекомендуется использовать защитные очки).
- Обезболивайте мух при 4 °С. Как правило, у мух наблюдается прекращение движения через 10-15 минут.
- Нанесите каплю клея и погрузите диод метки в УФ-клей. Обязательно обваляйте диод в клее, чтобы обеспечить полное покрытие. Соблюдайте осторожность, чтобы излишки клея не покрыли проволоку.
- Закрепите насекомое между большим и указательным пальцами, чтобы показать место крепления.
- Сориентируйте метку и расположите ее в продольном направлении на тыльной стороне грудной клетки мухи. Перемещайте метку вперед и назад, чтобы распределить клей и обеспечить надежное соединение. Будьте осторожны, чтобы не нанести клей на голову или крылья.
- Если вы удовлетворены размещением метки, отверждайте клей с помощью ультрафиолетового излучения. В нескольких исследованиях этот УФ-клей использовался для прикрепления меток к мухам без явных негативных последствий воздействия ультрафиолетового излучения6,10,12,13.
6. Получение сигналов
- Проверьте способность насекомых к полету после прикрепления метки. Сделайте это путем тестирования в полетной трубе.
- Затем дайте мухам улететь в свою среду обитания.
- Используйте приемопередатчик (см. Таблицу материалов) для получения сигналов от крупных и мелких насекомых.
ПРИМЕЧАНИЕ: При выравнивании по тегу приемопередатчик воспроизводит звук. При повороте трансивера на 90 градусов из-за несоосности метки и трансивера получается слабый сигнал или его отсутствие.
Результаты
Дистанция обнаружения и размер метки, вероятно, являются двумя наиболее важными характеристиками меток для отслеживания насекомых. Здесь мы представляем репрезентативные результаты максимальной дистанции обнаружения больших и малых меток, изготовленных в данной статье. Максимальные дистанции обнаружения определяли путем продольного закрепления меток на толстом деревянном стержне (~1.5 m) с помощью двустороннего скотча. Затем определяли максимальное расстояние, на котором регистрировались сигналы меток, перемещая трансивер от метки до тех пор, пока сигнал не переставал быть слышимым. В условиях открытого поля было протестировано по десять меток каждого размера. Максимальное расстояние обнаружения для больших меток примерно в четыре раза превышает аналогичный показатель для малых меток (Таблица 1). Несоосность метки и трансивера, а также помехи со стороны растительности часто сокращают дистанцию обнаружения в полевых условиях. По нашему опыту, при работе в лесных или древесных посевах мы принимаем дистанцию обнаружения примерно ~10 m для больших меток и ~5 m для малых меток.
В заключение мы хотели бы поделиться результатами репрезентативного исследования по отслеживанию квинслендского длинноусого жука (QLB). Целью данного исследования было изучение экологии перемещений QLB, так как о том, где взрослые жуки проводят время в окружающей среде, известно очень мало. Поскольку жуки ведут скрытный образ жизни, обнаружить их в природе без использования таких методов отслеживания, как HR, довольно сложно. Данное исследование проводилось в насаждениях деревьев кукуи (Aleurites moluccana) на Большом острове Гавайев. В ходе исследования было помечено и выпущено несколько жуков. Затем их местоположение определяли с помощью методов отслеживания, продемонстрированных ранее в этой статье. Пример траектории перемещения одного жука в течение 10 дней представлен на рисунке 4. Обратите внимание, что жук был отслежен в нескольких локациях, включая верхние части деревьев кукуи и опавшие листья. Это стало важным результатом данного исследования. Поскольку QLB могут быть крайне незаметны, фермеры часто спрашивали, где именно жуки «прячутся» вокруг деревьев. Отслеживая отдельных особей QLB, мы смогли установить, что жуки часто скрываются в сухих листьях, что затрудняет их обнаружение. Это исследование дает важные новые сведения о том, где взрослые особи QLB проводят время в течение дня и как они перемещаются ночью.
Рисунок 1: Сравнение устройств, обычно используемых для отслеживания насекомых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Принцип работы гармонического радара: излучение сигнала на одной частоте (синий цвет) и последующий прием возвращенного сигнала с удвоенной частотой (красный цвет). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Интенсивность сигнала зависит от ориентации тега и приемопередатчика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Репрезентативные результаты отслеживания одной особи квинслендского усача на деревьях кукуи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Крупные теги | Малые теги |
| 64 ± 1 м | 12 ± 1 м |
Таблица 1: Максимальные расстояния обнаружения (среднее ± стандартная ошибка, м) для гармонических радарных меток насекомых (N = 10).
Обсуждение
В этом протоколе мы описываем и демонстрируем, как изготовить два размера гармонических радиолокационных меток. Кроме того, мы показали, как прикреплять эти метки к насекомым с помощью УФ-отверждаемых клеев и продемонстрировали силу сигнала приемопередатчика. Этот протокол был усовершенствован для упрощения изготовления множества недорогих HR-меток с минимальным специализированным лабораторным оборудованием. Кроме того, протокол должен быть доступен для исследователей, имеющих опыт работы с объектами под препарирующим микроскопом. Мы рекомендуем тем, кто пытается сделать метки, начинать с более крупных меток, чтобы развить навыки работы с диодами и нанесения проводящих клеев. Поначалу эти навыки могут быть сложными, но мы обнаружили из опыта (обучая более 20 человек), что кривая обучения позволяет людям относительно быстро переходить к созданию более мелких тегов с высокой скоростью и воспроизводимостью.
Несмотря на то, что было показано изготовление меток двух размеров, мы также изготовили метки с диодом промежуточного размера6, используя нитиноловую проволоку меньшего и большего диаметра. Различные области применения, такие как размер насекомого и требуемая дальность обнаружения, влияют на выбор размеров диодов и проводов.
Конструкция меток, используемая в этом протоколе, проще, чем другие, используемые для отслеживания насекомых 15,16,17,18. Обычно используемая конструкция состоит в том, чтобы иметь петлю в антенне, тем самым создавая короткое замыкание постоянного тока на диоде18,19. Метки с петлями в антеннах обычно устанавливаются вертикально на грудной клетке, а не продольно, как показано в этом протоколе. Вертикальная ориентация потенциально позволяет лучше выровнять метку и приемопередатчик во время полета насекомого (поскольку насекомые обычно не летают вверх ногами или ногами в сторону). Тем не менее, вертикальная ориентация метки смещает центр массы метки от центра масс насекомого, тем самым потенциально оказывая большее влияние на равновесие и способность летать.
Раскрытие информации
У нас нет никаких конфликтов интересов, которые мы могли бы раскрыть.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить Кейт Фэрбенкс и Джеймса Снайдера (Департамент сельского хозяйства и потребительских услуг Флориды), Николаса Манукиса (USDA-ARS-PBARC), Джеймса Йодера (Восточный меннонитский университет) и Стефано Де Фавери (Департамент сельского хозяйства и рыболовства Квинсленда) за рассмотрение этого протокола.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Большой монтажный приспособление | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Большой проволочный приспособление | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| нитиноловой проволокой (маленькая) | Fort Wayne Metals (Форт-Уэйн, Индиана, США) | 17822174 | |
| Ручной детектор RECCO R9 | RECCO AB (Lidingo· · , Швеция) | Частоты работы: Европа, 866,9 МГц (передающая), 1733,8 МГц (приемная); США, 902,85 МГц (передающий), 1805,7 МГц (приемный) | |
| ВЧ диод Шоттки (малый) | MACOM Technology Solutions (Лоуэлл, Массачусетс, США) | MA4E2501L-1290 | Получен через диод Шоттки Ричардсона RFPD |
| (большой) | RECCO AB (Lidingo· · , Швеция) | ||
| Серебряный проводящий эпоксидный клей | MG Chemicals | 12642-14 (Амазонка: 8331D) | Покупка через Amazon |
| Маленький монтажный кондуктор | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Маленький проволочный кондуктор | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| сверхэластичная нитиноловая проволока (большая) | McMaster-Carr (Брукпарк, Огайо, США) | 8320K31 | 0,003" Диаметр x 30 футов длина |
| Ted Pella Inc Серебряная проводящая эпоксидная смола | Thermo Fisher Scientific (Уолтем, Массачусетс, США) | ||
| UV Adhesive | Bondic (Ниагарский водопад, Нью-Йорк, США) | Куплено на Amazon и/или Bondic онлайн (notaglue.com) |
Ссылки
- 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).
Перепечатки и разрешения
Теги
