Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Строительство усовершенствованной полетной мельницы для изучения привязного полета насекомых

Published: March 10, 2021 doi: 10.3791/62171
Automatic Translation
1
1Department of Ecology and Evolution, University of Chicago

Summary

Этот протокол использует трехмерные (3D) принтеры и лазерные резаки, найденные в мейкерспейсах, чтобы создать более гибкую конструкцию летной мельницы. Используя эту технологию, исследователи могут снизить затраты, повысить гибкость проектирования и генерировать воспроизводимую работу при строительстве своих летных мельниц для привязных исследований полета насекомых.

Abstract

Makerspaces имеют высокий потенциал, позволяющий исследователям разрабатывать новые методы и работать с новыми видами в экологических исследованиях. Этот протокол демонстрирует, как воспользоваться преимуществами технологии, найденной в мейкерспейсах, чтобы построить более универсальную летную мельницу по относительно низкой цене. Учитывая, что это исследование извлекло свой прототип из летных мельниц, построенных в последнее десятилетие, этот протокол больше фокусируется на описании расхождений, сделанных из простой, современной летной мельницы. Предыдущие исследования уже показали, насколько выгодны летные мельницы для измерения параметров полета, таких как скорость, расстояние или периодичность. Такие мельницы позволили исследователям связать эти параметры с морфологическими, физиологическими или генетическими факторами. В дополнение к этим преимуществам, в этом исследовании обсуждаются преимущества использования технологии в мейкерспейсах, таких как 3D-принтеры и лазерные резаки, чтобы построить более гибкую, прочную и складную конструкцию летной мельницы. В частности, 3D-печатные компоненты этой конструкции позволяют пользователю тестировать насекомых различных размеров, регулируя высоту мельничного кронштейна и инфракрасных (ИК) датчиков. 3D-печать также позволяет пользователю легко разбирать машину для быстрого хранения или транспортировки в полевые условия. Кроме того, в этом исследовании шире используются магниты и магнитная краска для привязки насекомых с минимальным напряжением. Наконец, этот протокол детализирует универсальный анализ полетных данных с помощью компьютерных скриптов, которые эффективно разделяют и анализируют дифференцируемые летные испытания в рамках одной записи. Несмотря на то, что применение инструментов, доступных в мейкерспейсах и в онлайн-программах 3D-моделирования, является более трудоемким, оно облегчает междисциплинарные и ориентированные на процесс практики и помогает исследователям избегать дорогостоящих, готовых продуктов с узко регулируемыми размерами. Используя преимущества гибкости и воспроизводимости технологий в производственных пространствах, этот протокол способствует творческому проектированию летной мельницы и вдохновляет открытую науку.

Introduction

Учитывая, насколько трудноразрешимым является рассеивание насекомых в поле, летная мельница стала обычным лабораторным инструментом для решения важного экологического явления - того, как перемещаются насекомые. Как следствие, с тех пор, как пионеры летной мельницы1,2,3,4 открыли шесть десятилетий проектирования и строительства летной мельницы, произошли заметные изменения в дизайне по мере совершенствования технологий и их интеграции в научные сообщества. Со временем автоматизированное программное обеспечение для сбора данных заменило картографические регистраторы, а рукава полетной мельницы перешли от стеклянных стержней к углеродным стержням и стальным трубам5. Только за последнее десятилетие магнитные подшипники заменили тефлоновые или стеклянные подшипники как оптимально не подверженные трению, а пары между оборудованием для полетных мельниц и универсальными технологиями получили широкое распространение, поскольку аудио-, визуальные и многослойные технологии изготовления становятся все более интегрированными в рабочие процессы исследователей. Эти пары включали высокоскоростные видеокамеры для измерения аэродинамики крыла6,цифро-аналоговые платы для имитации сенсорных сигналов для изучения слуховых реакций полета7и 3D-печать для создания калибровочной установки для отслеживания деформации крыла во время полета8. С недавним ростом новых технологий в мейкерспейсах, особенно в учреждениях с цифровыми медиа-центрами, управляемыми знающими сотрудниками9,появились большие возможности для улучшения летной мельницы для тестирования большего спектра насекомых и транспортировки устройства в поле. Существует также высокий потенциал для исследователей для пересечения дисциплинарных границ и ускорения технического обучения посредством производственной работы9,10,11,12. Представленная здесь летная мельница (адаптированная от Аттисано и его коллег13)использует преимущества новых технологий, найденных в мейкерспейсах, чтобы не только 1) создавать компоненты летной мельницы, масштабы и размеры которых точно настроены на проект, но и 2) предлагать исследователям доступный протокол в лазерной резке и 3D-печати, не требуя высокобюджетных или каких-либо специализированных знаний в области автоматизированного проектирования (CAD).

Преимущества соединения новых технологий и методов с летной мельницей значительны, но летные мельницы также являются ценными автономными машинами. Летные мельницы измеряют летные характеристики насекомых и используются для определения того, как скорость полета, расстояние или периодичность связаны с экологическими или экологическими факторами, такими как температура, относительная влажность, сезон, растение-хозяин, масса тела, морфологические признаки, возраст и репродуктивная активность. В отличие от альтернативных методов, таких как актографы, беговые дорожки и видеозапись движения полета в аэродинамических трубах и крытых аренах14,летная мельница отличается способностью собирать различную статистику летных характеристик в лабораторных условиях. Это помогает экологам решать важные вопросы о рассеивании полетов, и это помогает им прогрессировать в своей дисциплине - будь то интегрированная борьба с вредителями15,16,17,динамика популяций, генетика, биогеография, стратегии истории жизни18или фенотипическая пластичность19,20,21,22 . С другой стороны, такие устройства, как высокоскоростные камеры и актографы, могут потребовать строгой, сложной и дорогостоящей настройки, но они также могут привести к более тонко настроенным параметрам движения, таким как частоты ударов крыльев и фотофазная активность насекомых23,24. Таким образом, представленная здесь летная мельница служит гибким, доступным и настраиваемым вариантом для исследователей для изучения поведения полета.

Аналогичным образом, стимул к интеграции новых технологий в рабочий процесс экологов продолжает расти по мере того, как вопросы и подходы к изучению рассредоточения становятся все более творческими и сложными. Как места, которые способствуют инновациям, makerspaces привлекают несколько уровней опыта и предлагают низкую кривую обучения для пользователей любого возраста для приобретения новых технических навыков10,12. Итеративный и совместный характер прототипирования научных устройств в пространстве создателей и через открытые онлайн-источники может ускорить применение теории11 и облегчить разработку продукта в экологических науках. Кроме того, повышение воспроизводимости научных инструментов будет способствовать более широкому сбору данных и открытой науке. Это может помочь исследователям стандартизировать оборудование или методы измерения рассеивания. Инструменты стандартизации могли бы также позволить экологам унифицировать данные о рассеивании по популяциям для тестирования моделей метапопуляции, которые развиваются из ядер рассеивания25 или динамики колонизации источник-поглотитель26. Подобно тому, как медицинское сообщество внедряет 3D-печать для ухода за пациентами и анатомического образования27,экологи могут использовать лазерные резаки и 3D-принтеры для перепроектирования экологических инструментов и образования и, в рамках этого исследования, могут разрабатывать дополнительные компоненты полетной мельницы, такие как посадочные платформы или рычаг полета, который может перемещаться вертикально. В свою очередь, кастомизация, экономическая эффективность и повышенная производительность, предлагаемые технологией makerspace, могут помочь начать проекты рассредоточения с относительно низким барьером для исследователей, которые намерены разрабатывать свои собственные инструменты и устройства.

Для строительства этой летной мельницы существуют также механические и инструментальные ограничения, которые могут быть рассмотрены производителем. Магниты и 3D-печатные усовершенствования позволяют полетной мельнице быть по существу бесклеевой, за исключением конструкции поперечных кронштейнов, и быть удобной для насекомых разных размеров. Однако, поскольку масса и сила насекомых увеличиваются, насекомые могут с большей вероятностью спешиться, будучи привязанными. Сильные магниты могут использоваться за счет повышенного кручения, или шарикоподшипники могут заменить магнитные подшипники в качестве надежного решения для летных испытаний насекомых, которые весят несколькограммов 28,29. Тем не менее, шарикоподшипники также могут представлять некоторые проблемы, главным образом потому, что длительные эксперименты с высокими скоростями и высокими температурами могут ухудшить смазку шариковых подшипников, что увеличивает трениена 30. Таким образом, пользователям придется определить, какая механика летной мельницы лучше всего подходит для их насекомых (насекомых) исследования и экспериментального проектирования.

Точно так же есть несколько способов инструментирования летной мельницы, что выходит за рамки соображений этой статьи. Представленная здесь летная мельница использует ИК-датчики для обнаружения революций, программное обеспечение WinDAQ для записи оборотов и сценарии программирования для обработки необработанных данных. Хотя он прост в использовании, программное обеспечение WinDAQ имеет ограниченный набор доступных инструментов. Пользователи не могут прикреплять комментарии к соответствующему каналу и не могут быть предупреждены в случае сбоя какого-либо компонента схемы. Эти случаи решаются путем обнаружения и исправления их с помощью кода, но только после сбора данных. В качестве альтернативы пользователи могут принять более одного программного обеспечения, которое предлагает настраиваемые функции сбора данных28 или датчики, которые принимают прямую статистику скорости и расстояния, такие как велосипедные милометры29. Однако эти альтернативы могут обходить ценные необработанные данные или распространять функциональность на слишком много программных приложений, что может сделать обработку данных неэффективной. В конечном счете, вместо того, чтобы переделывать приборы летной мельницы, этот протокол предлагает надежные программные решения для современных программных ограничений.

В этой статье описана конструкция усовершенствованной простой летной мельницы, чтобы помочь исследователям в их исследованиях рассеивания и стимулировать внедрение новых технологий в области поведенческой экологии. Эта летная мельница вписывается в ограничения инкубатора, вмещает до восьми насекомых одновременно и автоматизирует сбор и обработку данных. Примечательно, что его 3D-печатные усовершенствования позволяют пользователю регулировать высоту мельничного кронштейна и ИК-датчика для тестирования насекомых различных размеров и разборки устройства для быстрого хранения или транспортировки. Благодаря институциональному доступу к коммунальному пространству, все усовершенствования были бесплатными, и никаких дополнительных затрат не было начислено по сравнению с простой, современной летной мельницей. Все необходимое программное обеспечение бесплатно, электронная схема проста, и все сценарии могут быть изменены в соответствии с конкретными потребностями экспериментального проекта. Кроме того, закодированная диагностика позволяет пользователю проверить целостность и точность своих записей. Наконец, этот протокол сводит к минимуму напряжение, испытываемое насекомым, путем магнитной покраски и привязки насекомых к мельничному рычагу. Поскольку сборка простой полетной мельницы уже доступна, доступна и гибка, использование технологий makerspace для улучшения простой полетной мельницы может предоставить исследователям пространство для преодоления их собственных конкретных потребностей в изучении полета и может вдохновить творческие проекты летной мельницы за пределами соображений этой статьи.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Постройте летную мельницу в Makerspace

  1. Лазерная резка и сборка опорной конструкции из акрилового пластика.
    1. Используйте 8 (304,8 мм x 609,6 мм x 3,175 мм) прозрачных акриловых листов толщиной для создания структуры опоры из акрилового пластика. Убедитесь, что материал не является поликарбонатом, который похож на акрил, но будет плавиться вместо того, чтобы резаться под лазером.
    2. Найдите лазерный резак в пространстве makerspace. Этот протокол предполагает, что makerspace имеет лазерный резак, как указано в Таблице материалов. Для других лазерных резаков прочитайте настройки лазерного резака, чтобы определить, какой цвет или толщина линии необходимы для установки линий файла для лазерной резки или гравировки (не для растрирования).
    3. Откройте Adobe Illustrator, Inkscape (бесплатно) или другой редактор векторной графики. Подготовьте файл, который считывает дизайн акриловой опоры в векторном формате с вышеупомянутыми линиями, показанными на рисунке 1. Создавайте файловые линии в Adobe Illustrator в режиме красного, зеленого и синего (RGB) с обводкой линии 0,0001 точки, где RGB Red (255, 0, 0) вырезает линии, а RGB Blue (0, 0, 255) вытравливает линии.
    4. В качестве меры предосторожности проверьте и учитывайте керф для всех измерений щелей и отверстий. Проектирование и тестирование ключа kerf(Дополнительный рисунок 1).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ширина керфа может варьироваться в зависимости от ширины луча лазерного резака, ширины материала и типа используемого материала.
    5. Сохраните конструкции поддержки акрила и ключ kerf в виде читаемых типов файлов, таких как файлы .ai, .dxf или .svg. Чтобы отправить задание на лазерный резак, распечатайте файл на локальном станке лазерного резака, а затем откройте лазерное программное обеспечение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При правильной печати все векторные линии резки в дизайне будут отображаться с соответствующими цветами на панели управления лазерного программного обеспечения.
    6. Выберите материал как пластик, а затем тип материала как акрил. Для дополнительной точности измерьте толщину материала с помощью суппорта и введите его толщину в поле толщины материала. Автоматическое включение оси Z фокусной точки материала. Установите для параметра Тип рисунка значение None (Нет) и оставьте значение Intensity (Интенсивность) на уровне 0%. Чтобы изменить любые расширенные метрики на лазерном резаке, такие как лазер % мощности или % скорости, проверьте с помощью клавиши kerf.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эмпирическое правило заключается в том, что чем толще материал, тем больше мощности требуется при более низкой скорости.
    7. Перед резкими следуйте рекомендациям makerspace по включению, использованию и обслуживанию лазерного резака. Поместите материалы в полость принтера и вырежьте акриловые опоры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы предотвратить возможное повреждение глаз, не смотрите на лазер и не оставляйте акриловый лист без присмотра во время резки.
    8. Очистите лишний материал из полости принтера и соберите опорную конструкцию. Соберите, вставив каждую горизонтальную полку в открытые щели наружных вертикальных стен и центральной вертикальной стены, как указано на рисунке 2А. Убедитесь, что отверстия между горизонтальными полками выровнены.
  2. 3D-печать пластиковых опор.
    1. Откройте веб-браузер и создайте учетную запись в онлайн-программе 3D-моделирования. Обратитесь к Таблице материалов для бесплатной учетной записи.
    2. Нажмите на 3D-проекты > Создать новый дизайн. Чтобы воспроизвести точные 3D-печатные проекты этого исследования, как показано на рисунке 3,загрузите архив 3D_Prints.zip (Дополнительные 3D-отпечатки)и переместите папку на рабочий стол. Распакуйте и откройте папку. На веб-странице рабочей области программы 3D-моделирования нажмите «Импорт» в правом верхнем углу и выберите файл (файлы) .stl.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Несколько реплик или объектов дизайна могут заполнять рабочую область и сохраняться в виде одного файла .stl, если пользователь удерживает объекты в границах области сборки 3D-принтера. Самый большой объект, который может напечатать 3D-принтер, составляет 140 мм длины x 140 мм ширины x 140 мм глубины. Однако не вращайте объекты вдоль их оси Z, чтобы максимизировать количество объектов в области построения. Это связано с тем, что загруженные объекты были расположены таким образом, чтобы минимизировать свесы, и поэтому их можно оптимально печатать с минимальными необходимыми опорами.
    3. Чтобы самостоятельно создавать или вносить изменения в дизайны, следуйте инструкциям веб-сайта, вносите изменения, а затем экспортируйте новые проекты в виде файлов .stl. Всего 8 линейных направляющих (длина 100,05 мм x ширина 23,50 мм x глубина 7,00 мм), 16 линейных направляющих рельсовых блоков (длина 22,08 мм x ширина 11,47 мм x глубина 12,47 мм), 12–20 винтов (длина 9,00 мм x ширина 7,60 мм x глубина 13,00 мм), 15 поперечных кронштейнов (длина 50,00 мм x ширина 50,00 мм x глубина 20,00 мм), 16 держателей магнитов (длина 12,75 мм x ширина 12,50 мм x глубина 15,75 мм), 16 опор для труб (длина 29,22 мм x ширина 29,19 мм x глубина 11,00 мм), 16 коротких линейных опор направляющих (длина 40,00 мм x ширина 11,00 мм x глубина 13,00 мм) и 16 длинных линейных опор направляющих (длина 40,00 мм x ширина 16,00 мм x глубина 13,00 мм) должны быть напечатаны на 3D-принтере. Чтобы получить зеркало каждого линейного направляющего рельса, нажмите на объект, нажмите Mи выберите стрелку, соответствующую ширине объекта.
      ПРИМЕЧАНИЕ: См. шаг 1.3.6. для получения дополнительной информации о линейных направляющих рельсовых колышках.
    4. Загрузите и установите программное обеспечение для нарезки 3D-печати для преобразования файлов .stl в читаемый на 3D-принтере файл .gx. Обратитесь к Таблице материалов, чтобы загрузить бесплатное программное обеспечение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Другие программы преобразования приемлемы, но этот протокол предполагает, что makerspace использует 3D-принтер и программное обеспечение для печати, как указано в Таблице материалов.
    5. Дважды щелкните значок программного обеспечения для нарезки 3D-печати, чтобы запустить программное обеспечение. Нажмите кнопку Печать > Тип устройства и выберите 3D-принтер, расположенный в пространстве makerspace.
    6. Щелкните значок Загрузить, чтобы загрузить STL-файл модели и отобразить объект в области построения.
    7. Выделите объект и дважды щелкните значок Переместить. Щелкните На платформе, чтобы убедиться, что модель находится на платформе. Нажмите кнопку Центр, чтобы поместить объект в центр области построения, или перетащите объект с помощью указателя мыши, чтобы расположить объект в области построения.
    8. Нажмите на значок Печать. Убедитесь, что для параметра Тип материала установлено значение PLA,опоры и плот включены, Разрешение установлено в стандартнуюкомплектацию, а температура экструдера соответствует температуре, предложенной руководством по 3D-принтеру. Температура может быть изменена в разделе Дополнительные опции >> Температура.
    9. Нажмите OK и сохраните файл .gx в папке 3D_Prints или на USB-накопителе, если файл не может быть передан на 3D-принтер через USB-кабель.
    10. Найдите 3D-печатную машину makerspace. Откалибруйте экструдер и убедитесь, что нити накала достаточно для печати. Перенесите файл .gx на 3D-принтер и распечатайте все типы и количество пластиковых опор и улучшений. Для каждой печати убедитесь, что нить накала правильно прилипает к пластине.
  3. Соберите 3D-отпечатки на акриловую опорную конструкцию.
    1. Чтобы визуализировать все опоры на месте, см. рисунок 2B.
    2. Горячим клеем неопреновые листы толщиной 3,175 мм на внутренние стенки поперечного кронштейна. Когда высохнет, вставьте поперечные кронштейны на стыках акриловых полок и стенок в задней части устройства, чтобы стабилизировать полет мельницы.
    3. Везде, где это возможно, используйте 3D-печатные винты, чтобы свести к минимуму магнитное влияние железных винтов. Вкрутите в трубку опоры на нижнюю и верхнюю части каждой ячейки. Убедитесь, что верхняя и нижняя опоры труб выровнены.
    4. Вставьте пластиковую трубку длиной 30 мм (внутренний диаметр (ID) 9,525 мм; наружный диаметр (OD) 12,7 мм) в верхнюю опору трубы и пластиковую трубку длиной 15 мм (ID 9,525 мм; OD 12,7 мм) в нижнюю опору трубки каждой ячейки. Затем вставьте пластиковую трубку длиной 40 мм (ID 6,35 мм; OD 9.525 мм) в верхнюю трубу и пластиковую трубку длиной 20 мм (ID 6.35 мм; OD 9.525 мм) в нижнюю трубу. Убедитесь, что между трубками достаточно сильное трение, чтобы удерживать трубки на месте, но не слишком сильно, чтобы внутренняя трубка все еще могла скользить вверх и вниз, если ее натянуть. Если трубки деформированы, погрузите сегменты трубок на 1 мин в кипящую воду. Выпрямите трубки на полотенце, дайте им достичь комнатной температуры, а затем вставьте трубки.
    5. Поместите два неодимовых магнита с низким коэффициентом трения (диаметр 10 мм; длина 4 мм; удерживающая сила 2,22 кг) в каждую магнитную опору. Убедитесь, что каждая пара магнитов отталкивает друг друга. Затем прочно вставьте внутреннюю трубку в каждую магнитную опору, чтобы гравитация, действующая на магниты и магнитную поддержку, была недостаточно сильной, чтобы выбить опору из внутренней трубки.
    6. Лицом к тому же направлению сдвиньте два линейных направляющих рельсовых блока в линейный направляющий рельс. Установите линейные направляющие рельсы и блоки вертикально в окна на внешних вертикальных стенах. Убедитесь, что отверстия блока обращены вверх. Чтобы закрепить одну линейную направляющую рейку на месте, используйте две короткие линейные направляющие рельсовые опоры, две длинные линейные опоры направляющей, четыре железных винта длиной 10 мм (M5; шаг резьбы 0,8; диаметр 5 мм), два железных винта длиной 20 мм (M5; шаг резьбы 0,8; диаметр 5 мм) и две шестигранные гайки (M5; шаг резьбы 0,8; диаметр 5 мм). На рисунке 2C показана полная сборка линейной направляющей рейки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Открытые пазы в линейной направляющей рейке предназначены для использования тогда и только тогда, когда линейная направляющая рейка разрушается в результате повторного скольжения ее блока. Если это так, 3D-печать небольшого Т-образного колышка, найденного в папке 3D_Prints.
  4. Сконструируйте поворотный рычаг.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Подразделы 1.4.1 и 1.4.2 эквивалентны подразделам 1.2.2. и 1.2.3. in Attisano et al. 2015 methods paper13.
    1. Проколите фильтр отфильтрованного наконечника пипетки объемом 20 мкл в его центральной точке с помощью энтомологического штифта. Затем протолкните штифт через наконечник пипетки до тех пор, пока стальные концы штифта не выступят из корпуса наконечника пипетки. Убедитесь, что фильтр наконечника пипетки закрепляет штифт на месте. Штифт служит осью рычага полетной мельницы.
    2. Чтобы максимизировать пространство ячейки, разрежьте немагнитную трубку из подкожной стали весом 19 Г на длину 24 см (на 1 см меньше ширины летной ячейки). Горячим клеем выступающий штифт и заводную головку наконечника пипетки с шага 1.4.1. до средней точки трубки. Согните один конец трубки на 2 см от конца до угла 95°.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы расставить приоритеты по размеру насекомых, а не максимизировать пространство клеток, сократите радиус руки для более мелких насекомых или слабых летчиков. Более длинная рука полета также может быть собрана, если центральная акриловая стенка удалена для более крупных насекомых или сильных летчиков. Кроме того, изогнутый конец руки может поддерживать различные углы, чтобы позиционировать насекомое в его естественной ориентации полета.
    3. Чтобы проверить его магнитную подвеску, поместите рычаг между верхним набором магнитов. Убедитесь, что вращающийся рычаг свободно вращается вокруг вертикально подвешенного штифта.
    4. Приклейте два неодимовых магнита с низким коэффициентом трения (диаметр 3,05 мм; длина 1,58 мм; удерживающее усилие 0,23 кг) на изогнутом конце поворотного рычага, чтобы привязать магнитно окрашенное насекомое к полету (масса пролетного мельничного рычага с магнитами = 1,4 г). На разогнутом конце шарнирного рычага оберните кусок алюминиевой фольги (масса на площадь = 0,01г/см2),чтобы создать флаг. Флаг из фольги действует как противовес, и, благодаря своим высокоотражающим свойствам, он оптимально разбивает ИК-луч, посылаемый от передатчика ИК-датчика к приемнику.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Диаметр ИК-луча составляет не более 2,4 мм, поэтому оптимальная минимальная ширина фольгированного флага составляет 3 мм. Флаг из фольги шириной 3 мм, расположенный таким образом, чтобы разбить луч ИК-света перед объективом излучателя датчика, приведет к падению напряжения, которое можно обнаружить во время анализа.
  5. Настройте ИК-датчик и регистратор данных.
    1. Поместите передатчик ИК-датчика внутрь верхнего линейного блока направляющей рельсы с излучателем луча, обращенным вниз. Затем поместите приемник ИК-датчика внутрь нижнего блока лицом вверх.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики (длина 20 мм x ширина 10 мм x глубина 8 мм) могут быть разделены на расстоянии до 250 мм и по-прежнему функционируют; поэтому они будут функционировать даже при расположении на концах примерно 100 мм линейной направляющей.
    2. На макетной плате без пайки соедините передатчик и приемник ИК-датчика последовательно с 4-канальным аналоговым регистратором входных данных, как показано в электронной схеме на рисунке 4А. Сначала подключите вход передатчика ИК-датчика (не приемника), следуя за резистором 180 Ω. Поместите еще один резистор 2,2 кОм перед выходом подключения ИК-приемника. Сконфигурируйте электронную схему каждого канала в чередующихся рядах вдоль макетной платы, чтобы свести к минимуму шум в сигнале напряжения от нескольких датчиков во время записи(рисунок 4B).

2. Проведение летных испытаний

  1. Магнитно привязывайте насекомых к руке летной мельницы.
    1. Чтобы свести к минимуму нагрузку на насекомое, нанесите магнитную краску на пронотум насекомого, используя зубочистку или прецизионный аппликатор тонкой линии (наконечник 20 г). Дайте краске высохнуть не менее 10 минут. После высыхания прикрепите насекомое к ручным магнитам полета. Обратитесь к рисунку 5 для примеров магнитной окраски и привязки насекомых разных размеров. Этот протокол использует Jadera haematoloma (мыльный клоп) в качестве модельного насекомого для привязки полета и пробных экспериментов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для более сильного притяжения между насекомым и магнитами руки нанесите несколько слоев магнитной краски. Кроме того, замените магниты, прикрепленные к концу рычага полетной мельницы, на магниты, которые наилучшим образом соответствуют полю зрения насекомых, массе и диапазону крыла.
    2. Летайте до 8 насекомых одновременно в полетной мельнице. Paint подготовит не менее 16 насекомых, чтобы последовательно протестировать несколько насекомых в течение одного сеанса записи.
    3. Чтобы удалить магнитную краску после тестирования, отколойте краску тонкими щипцами и утилизируйте ее в соответствии с правилами Агентства по охране окружающей среды (EPA) и Управления по безопасности и гигиене труда (OSHA).
  2. Записывайте несколько насекомых последовательно, не завершая сеанс записи с помощью инструмента WinDAQ Event Marker Comment.
    1. Загрузите и установите бесплатное программное обеспечение для записи и воспроизведения данных WinDAQ.
    2. Создайте новую папку с именем Flight_scripts на рабочем столе. Создайте пять новых папок со следующими точными именами внутри Flight_scripts папки: data, files2split, recordings, split_filesи standardized_files. Скачайте техническое описание.xlsx (Дополнительный файл 1) и перетащите файл в папку данных в каталоге Flight_scripts.
    3. Используйте таблицу.xlsx в качестве шаблона записи данных вручную. Требуется как минимум четыре столбца: идентификационный номер ошибки, умер ли ошибка перед тестированием, номер набора записи и камера, состоящая из буквы канала и номера канала (например, «A-1», «B-4»). Обратитесь к рисунку 2A для одной возможной конфигурации камеры.
    4. Откройте панель инструментов WinDAQ,выберите регистратор данных из списка флажков и нажмите«Запустить программное обеспечение Windaq». Для каждого выбранного регистратора данных откроется новое окно, и будет показан входной сигнал от каждого датчика.
    5. Определите частоту дискретизации, щелкнув Изменить > частота дискретизации. Введите частоту дискретизации 100 выборок в секунду в поле Частота дискретизации/канал и нажмите OK.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол предполагает 100 Зв/с, потому что желоба, которые представляют собой перепады напряжения в результате разрыва флага, прерывающего луч ИК-датчика, все равно будут достигать минимального падения напряжения 0,36 В для скоростей 1,7 м/с. В свою очередь, шум, который имеет максимальное падение напряжения 0,10 В, все еще может быть отфильтрован во время стандартизации без фильтрации реальных желобов. Кроме того, частота дискретизации 100 См/с позволяет пользователю легко видеть впадины на экранной форме сигнала во время и после записи. Если во время записи случаются ошибки, то пользователь может быстро различить впадины по ошибкам или шуму. См. дополнительный рисунок 2 для сравнения нескольких частот с низкой выборкой.
    6. Чтобы начать новый сеанс записи, нажмите Файл > Запись. Выберите расположение файла записи в первом всплывающем окне. Внимательно запишите имя файла. Файлы должны иметь в своих названиях как минимум следующее: номер записывающего набора и букву канала. Пример имени файла, смоделированного в скриптах Python, выглядит следующим образом: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Для получения более подробной информации обратитесь к split_files.py строкам 78-87 из папки Flight_scripts. Затем нажмите OK.
    7. В следующем всплывающем окне введите предполагаемую длину записи полета. Нажмите OK, когда насекомые смогут начать полет. По истечении времени записи нажмите клавиши CTRL+S, чтобы завершить работу над файлом. Не нажимайте клавиши CTRL+S, если нет необходимости досрочно завершить запись.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если файл завершается слишком рано, набрав Ctrl + S, или вышеупомянутый промежуток времени был слишком коротким, добавьте новую запись к существующему файлу, щелкнув Файл > Запись. Выберите файл для добавления и нажмите кнопку Да в следующем всплывающем окне.
    8. При вытаскивании испытуемых насекомых во время записи вставьте прокомментированный маркер события входящего насекомого в выбранную им камеру. Всегда вручную записывайте идентификатор, камеру и набор записей входящего насекомого в техническом описании.xlsx перед заменой насекомых.
    9. Чтобы сделать комментарий маркера события, нажмите на номер канала. Затем нажмите Изменить > Вставить закомментированную метку. Определите комментарий с идентификационным номером нового насекомого, входящего в камеру. Нажмите OK и загрузите насекомое в камеру.
  3. Визуализируйте комментарии маркера событий и преобразуйте файл из WDH в TXT.
    1. Откройте WDH-файл. Визуализируйте комментарии маркеров событий, перейдя в Edit > Compression... а затем нажмите кнопку Maximum, чтобы полностью сжать форму сигнала в одно окно(рисунок 6A).
    2. Проверьте наличие аномалий в записи.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типы аномалий или сбоев в записи показаны на рисунке 6. Они диагностируются позже и исправляются в скриптах Python.
    3. Сохраните файл в формате .txt, перейдя в раздел Файл > Сохранить как. Выберите папку записей внутри каталога Flight_scripts в качестве расположения для сохранения файла. Выберите тип файла Как Печать электронной таблицы (CSV) во всплывающем окне и запишите имя файла с .txt в конце. Нажмите кнопку Сохранить. В следующем всплывающем окне выберите Частота дискретизации, Относительное времяи Дата и время. Введите 1 между номером канала и маркерами событий. Отмените выбор всех остальных параметров и нажмите кнопку ОК, чтобы сохранить файл.

3. Анализ полетных данных

  1. Разделение файлов по комментариям маркера события.
    1. Установите последнюю версию Python. Все скрипты в этом протоколе были разработаны на Python версии 3.8.0.
    2. Загрузите следующие скрипты Python: split_files.py, standardize_troughs.pyи flight_analysis.py (дополнительные файлы кодирования). Переместите сценарии в папку Flight_scripts.
    3. Убедитесь, что Python обновлен, и установите следующие библиотеки: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math и matplotlib. Чтобы увидеть основные функции и структуры данных скриптов, см. схему на дополнительном рисунке 3.
    4. Откройте таблицу.xlsx файл и сохраните в формате CSV, изменив формат файла на CSV UTF-8 (с разделителями-запятыми) при использовании Windows или Macintosh с разделителями запятой при использовании Mac.
    5. Откройте значок split_files.py с помощью выбранного текстового редактора. Если предпочтения отсутствуют, щелкните правой кнопкой мыши на значке скрипта и выберите Открыть с IDLE.
    6. Перекодируйте строки 133-135 и 232-233, если пользователь написал имя файла, отличное от предложенного шаблона ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Чтобы перекодировать сценарий для размещения различных имен файлов с помощью функции split(), см. строки 116-131.
    7. В строке 266 введите путь к папке Flight_scripts и запустите сценарий. После успешного запуска скрипт генерирует промежуточные .txt файлы сопоставленных идентификаторов насекомых в папке files2split и файлы .txt для каждого насекомого, протестированного в каждом наборе записей в папке split_files, в каталоге Flight_scripts.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, в оболочке Python пользователи должны видеть печатные утверждения имени файла, какие насекомые меняются местами в пронумерованном маркере событий, а какие файлы разделяются и генерируются в новые файлы по идентификатору насекомого.
  2. Стандартизируйте и выбирайте желоба в записанном сигнале.
    1. Откройте значок standardize_troughs.py с помощью выбранного текстового редактора. Если предпочтения отсутствуют, щелкните правой кнопкой мыши на значке скрипта и выберите Открыть с IDLE.
    2. В строке 158 введите частоту дискретизации.
    3. В строке 159 введите путь к папке Flight_scripts и запустите сценарий. Если сценарий выполняется успешно, он создает файлы в папке standardized_files в каталоге Flight_scripts.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все файлы должны начинаться с 'standardized_' и заканчиваться исходным именем файла.
    4. Проверьте качество записей: Откройте trough_diagnostic.png, созданные standardize_troughs.py, расположенной в папке Flight_scripts. Убедитесь, что все записи устойчивы к изменениям минимального и максимального значения напряжения среднего интервала стандартизации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Записи могут иметь много шума или чрезмерно чувствительные впадины, если они демонстрируют значительное уменьшение числа впадин, выявленных при увеличении минимальных и максимальных значений отклонения. Дополнительная диагностика коэффициента нормализации min-max также может быть закодирована, выполнена и построена. Альтернативный метод проверки качества записи описан на этапах 2.3.1. и 2.3.2. attisano et al. 2015 methods paper13.
    5. Оцените диагностику, раскомментируйте строку 198 и укажите минимальные и максимальные значения отклонения, которые определяют минимальные и максимальные значения вокруг среднего напряжения, используемого для выполнения стандартизации для всех файлов. Значение по умолчанию — 0,1 В для каждого значения отклонения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В строке 53 пользователь также может указать порог коэффициента нормализации min-max, чтобы идентифицировать напряжение намного ниже порогового значения.
    6. Закомментируйте строку 189 после ввода значений отклонения, а затем запустите сценарий. Скрипт будет эффективно запускать стандартизацию для всех файлов (почти в 25 раз быстрее).
  3. Проанализируйте траекторию полета с помощью стандартизированного файла.
    1. Откройте значок flight_analysis.py с помощью выбранного текстового редактора. Если предпочтения отсутствуют, щелкните правой кнопкой мыши на значке скрипта и выберите Открыть с IDLE.
    2. В строках 76-78 отредактируйте дополнительную коррекцию скорости, которая подавляет дополнительные вращения руки мельницы после того, как насекомое перестает летать. Определяйте это пороговое значение с осторожностью при работе с медленно летящими насекомыми.
    3. В строке 121 отредактируйте пороговые значения скорости, чтобы исправить ложные показания скорости, такие как чрезвычайно высокие скорости или отрицательные скорости. В строке 130 отредактируйте значение временного разрыва, чтобы отфильтровать длинные разрывы, возникающие между двумя последовательными непрерывными полетами.
    4. В строке 350 введите путь к папке, в которой сохранены *.txt стандартизированные файлы.
    5. В строке 353 введите радиус руки, используемый во время испытаний, который определяет круговую траекторию полета, пролетаемую за оборот насекомым.
    6. Определите единицы СИ расстояния и времени в виде строк в строках 357 и 358 соответственно.
    7. В строках 388-397 используйте функцию split(), чтобы извлечь, как минимум, идентификационный номер насекомого, а также установленный номер и камеру, в которую насекомое вылетело из имени файла. Сценарий следует полному примеру имени файла 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. При необходимости упростите это имя файла, как предложено в шаге 2.2.6., и закомментируйте или удалите переменные, такие как тип пробной версии, в строках 392 и 401, если они не используются.
    8. Укажите все параметры пользователя, сохраните и запустите сценарий. Если сценарий выполняется успешно, он выводит соответствующий идентификационный номер насекомого, камеру и рассчитанную статистику полета в оболочке Python. Кроме того, он создает flight_stats_summary.csv файл, состоящий из информации, напечатанной в оболочке Python, и сохраняет файл .csv в папке данных каталога Flight_scripts.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Полетные данные были получены экспериментально в течение зимы 2020 года с использованием полевых данных, собранных J. haematoloma из Флориды в качестве модельных насекомых (Bernat, A. V. and Cenzer, M. L., 2020, неопубликованные данные). Репрезентативные летные испытания проводились на кафедре экологии и эволюции Чикагского университета, как показано ниже на рисунке 6, рисунке 7, рисунке 8и рисунке 9. Полетная мельница была установлена в инкубаторе, настроенном на 28 ° C / 27 ° C (день / ночь), относительную влажность 70% и 14-часовой световой / 10-часовой темный цикл. Для каждого испытания трек полета нескольких ошибок записывался каждые сотые доли секунды программным обеспечением WinDAQ в течение 24 часов. После предварительных испытаний поведение полета было классифицировано на разрыв полета и непрерывный полет. Взрывники летали спорадически менее 10 минут за раз, а непрерывные летчики летали непрерывно в течение 10 минут или дольше. Любой человек, который не демонстрировал непрерывное поведение в полете в течение 30-минутной фазы тестирования, был снят с полетной мельницы и заменен новой ошибкой и сопровождающим ее идентификатором в комментарии маркера события. Все жуки, которые демонстрировали непрерывный полет, оставались на полетной мельнице более 30 минут, пока не перестали летать. Баги менялись местами с 8 утра до 4 вечера каждый день. Как показано на рисунке 9,летные испытания отдельных лиц в дневной записи варьировались по продолжительности от 30 мин до 11+ ч. Вставляя маркеры событий при добавлении новых людей, эта сложная структура данных успешно обрабатывается с помощью скриптов Python, а код эффективно помогает пользователям визуализировать масштаб своих экспериментов. Предлагаемая экспериментальная установка фиксирует полную летную способность насекомых; однако в нем опущена возможность наблюдения за периодичностью полетов. Затем у пользователей есть возможность адаптировать свои летные испытания к различным летным показателям и выбирать, какое поведение или стратегии полета они больше всего хотят протестировать.

Экранная форма сигнала и диагностическая тепловая карта (карты) также позволяют выявлять пробелы или устранять несоответствия в данных траектории полета. На рисунке 6A показан набор испытаний, полетные данные которых были успешно записаны по всем каналам без шума или сбоев. Он также показывает все комментарии маркера события, сделанные во время записи. На рисунке 6B показан момент, когда записанный сигнал был потерян в канале 3, падение напряжения сразу до 0 В. Возможно, это было связано с пересечением открытых проводов или ослаблением проводов. Есть также определенные события во время записи, которые могут произойти, но исправлены в скриптах Python. Это включает в себя двойные желоба, зеркальные желоба и шум напряжения(рисунок 6C,D). Эти события приводят к ложным показаниям, но они могут быть надежно идентифицированы и удалены во время анализа. На рисунке 7 сравниваются три файла данных, чтобы показать, как шум или чувствительные желоба в данных записи были диагностированы в процессе стандартизации. Первый(рисунок 7A)представляет собой файл, впадины которого, генерируемые каждым оборотом рычага полетной мельницы, были надежными, что означает, что они в значительной степени отклонялись от среднего напряжения файла. В свою очередь, по мере увеличения интервала стандартизации вокруг среднего значения число выявленных впадин не изменилось. Это говорит о том, что не было шума напряжения, и пользователь может быть уверен в точности стандартизации. С другой стороны, третий файл(рисунок 7C)имел впадины, которые были либо слишком чувствительными, либо имели посторонние шумы напряжения, которые не отклонялись в значительной степени от среднего напряжения файла. В результате число его впадин существенно сократилось по мере увеличения интервала стандартизации вокруг среднего значения. Тогда было бы целесообразно заглянуть в исходный файл записи WDH, чтобы подтвердить, действительно ли насекомое летало.

Построив статистику скорости и продолжительности полета индивидуума, поведение полета можно дополнительно охарактеризовать на четыре категории полета: всплески (B), всплески до непрерывного (BC), непрерывные до всплесков (CB) и непрерывные (C), как показано на рисунке 8. Человек, который строго демонстрировал непрерывный полет, летал непрерывно в течение 10 минут или более, по крайней мере, к концу 30-минутной фазы тестирования(рисунок 8A). Человек, который летал спорадически на протяжении 30-минутной фазы тестирования, демонстрировал взрывной полет(рисунок 8B). Человек, который первоначально демонстрировал непрерывный полет в течение более 10 минут, а затем сужался в течение 30-минутной фазы тестирования в спорадические всплески, демонстрировал непрерывный до разрывающего полета(рисунок 8C). Наконец, человек, который первоначально продемонстрировал разрыв полета, а затем перешел в непрерывный полет на оставшуюся часть 30-минутной фазы испытаний и далее, продемонстрировал прорыв к непрерывному полету(рисунок 8D). Таким образом, специфичный для модели насекомого и экспериментальной структуры, пользователь может использовать этот графический вывод для оценки и идентификации общих моделей поведения полета, несмотря на уникальные различия в отдельных треках.

Figure 1
Рисунок 1:Конструкции для лазерной резки для структуры акрилового пластикового листа. Восемь акриловых пластиковых листов были вырезаны лазером для того, чтобы построить пластиковую опорную конструкцию летной мельницы. Файловые линии были созданы в Adobe Illustrator в режиме RGB, где RGB Red (255, 0, 0) вырезали линии, а RGB Blue (0, 0, 255) травил линии. Для большей разборчивости на этом рисунке обводки строки файла были увеличены с 0,0001 пункта до 1 пункта. Единицами координат являются мм, а точка в левом верхнем углу каждого дизайна является началом, где движение дальше вниз и вправо от начала приводит к положительным значениям возрастания. Существует три различных дизайна листов: наружные вертикальные стены, центральная вертикальная стена и горизонтальные полки. Две внешние вертикальные стены скользят в горизонтальные полки в своих щелях, а их прямоугольные отверстия используются для крепления 3D-печатной линейной направляющей, блоков и опор. Имеется одна центральная вертикальная стена с щелями, которая делит летную мельницу на восемь ячеек и обеспечивает дополнительную структурную поддержку. Есть также пять горизонтальных полок с прорезями, вытравленными кругами, чтобы отметить расположение опор магнитной трубки, и небольшими прямоугольными отверстиями, чтобы можно было вкрутить опоры труб. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Собранная летная мельница. А) Сборка пролетноймельницы. Каждая горизонтальная полка (HS) была вставлена в открытые щели наружных вертикальных стен (OW) и центральной вертикальной стены (CW). Более того, каждая ячейка, или «камера», идентифицируется буквой канала (A или B), которая соответствует регистратору данных, и номером канала (1-4), который соответствует каналу на конкретном регистратореданных. Б) Сборка ячейки полетной мельницы с рычагом полетной мельницы. Магнитные подшипники могут быть подняты или опущены путем скольжения внутренних труб внутри наружных трубок для регулировки высоты рычага. ИК-датчики также могут быть подняты или опущены, чтобы выровнять датчики с высотой флага на руке. ИК-датчики также могут быть легко удалены из их линейных направляющих рельсовых блоков, если их необходимо заменить или проверить, или если полетная мельница нуждается в транспортировке. Поперечные кронштейны обеспечивают структурную поддержку для каждой акриловой ячейки и могут быть легко вставлены и удалены. C) Линейная направляющая рейка и блок в сборе в окне ячейки. Все 3D-компоненты и соответствующие винты в окне ячейки помечены для более четкой сборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3:3D-печатные проекты. Размеры указаны в мм. А) Линейная направляющая. B) Линейный блок направляющей рельсы в форме ИК-датчика. C) Винт используется в качестве опоры для замены железных винтов. D) Трубчатая опора. E) Магнитная поддержка. F) Поперечный кронштейн, используемый в качестве акрилового выравнивателя рамы и стабилизатора. G) Длинная опора и H) короткая опора для удержания линейных направляющих рельсов на месте. Показаны только линейные опоры направляющих, которые опираются на внешнюю сторону акриловой стены. Линейные опорные зеркала направляющих рельсов не показаны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4:Электрическая схема полетной мельницы. А) Простая схема электрической цепи, соединяющей ИК-датчики с регистратором данных. Когда флаг на мельничном рычаге прерывает луч, излучаемый передатчиком ИК-датчика, ток перестает поступать к приемнику ИК-датчика, и напряжение падает до нуля. Регистратор данных записывает все падения напряжения. Б) Электрические цепи выделены. Каждое желтое поле разграничивает компоненты схемы, подключенной к макетной плате. Несколько электрических цепей могут быть соединены с одной макетной платой чередующимися рядами. Размер макетной платы без пайки ограничивает количество летных ячеек, которые могут быть размещены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5:Насекомые разных размеров магнитно окрашены и привязаны. А) Drosophila melanogaster (обыкновенные плодовые мушки) магнитно окрашены и привязаны. Плодовые мушки — это мелкие насекомые (длина тела 5 мм; масса = 0,2 мг), которых необходимо сначала обезболить льдом или CO2 под микроскопом, прежде чем наносить магнитную краску на грудную клетку. Б) Несоответствие между размером насекомого и размером магнита. Магнит на рычаге полетной мельницы должен наилучшим образом соответствовать размеру насекомого. Здесь поле зрения насекомого затруднено, потому что магнит слишком велик. Меньший конический магнит или магнитная полоса решили бы это несоответствие. С-Ф) Oncopeltus fasciatus (молочай) и Jadera haematoloma (мыльные ягоды) магнитно окрашены и привязаны. Более крупные жучки (длина тела > 5 мм; масса > 0,1 г) могут быть зажаты за ноги перед нанесением слоя краски на грудную клетку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6:Примеры записей полетов WDH. Впадины напряжения представляют собой полные обороты руки летной мельницы. Красные пунктирные линии разделяют дисплей, а секунды на деление (сек/дел) каждой панели выделяются синим цветом. Черные вертикальные линии отмечают время курсора. A) Маркеры событий. Значение sec/div было изменено с 0,2 сек/div до максимума, что позволило нарисовать всю форму сигнала по экрану. Все маркеры событий, взятые по всем каналам, будут видны только в первом канале в виде линий, которые проходят от максимального напряжения до нижней части окна поля канала. Все создатели событий для этого набора записей находятся в пределах желтого овала. Б) Потеря сигнала. В другом наборе записей значение sec/div было изменено с 0,2 сек/div на 15 сек/div, чтобы помочь визуализировать записанный сигнал, потерянный с 17:09 до 17:15 в канале 3. Все остальные каналы, такие как канал 4, продолжали функционировать должным образом. В) Двойные желоба и зеркальные желоба. Двойные впадины - это когда напряжение падает, поднимается, а затем быстро опускается и снова поднимается, чтобы создать то, что кажется двумя сливающимися впадинами в одном событии разрыва луча. Двойные желоба также отражают друг друга, что говорит о том, что флаг перемещается взад и вперед между датчиками, что обычно происходит, когда насекомое перестает летать. Скрипты Python корректны для каждого случая. D) Шум напряжения. Вскоре после 13:14 можно увидеть небольшие удары по напряжению, которые предполагают шум напряжения в записи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7:Репрезентативные диагностические данные jadera haematoloma (мыльница). Потенциальный шум или чрезмерно чувствительные желоба легко распознаются в записях полета. А) Оптимальная, надежная запись из примера 318. Количество желобов не изменилось по мере увеличения минимальных и максимальных значений отклонения, и поэтому желоба были достаточно надежными, чтобы их можно было идентифицировать, несмотря на большой интервал стандартизации. Б) Неоптимальная, но все же надежная запись из примера индивидуума 371. Наблюдается снижение количества впадин по мере увеличения минимальных и максимальных значений отклонения; однако падение было минимальным (11 впадин). Там может быть шум и некоторые чувствительные желоба, но ничего существенного. В) Шумная запись из примера индивидуума 176. Наблюдается явное и быстрое падение числа впадин, определяемых как минимальные и максимальные значения отклонения, увеличенные до тех пор, пока его число не достигнет плато на уровне 12 впадин. Это сигнализирует о большом количестве потенциального шума или чрезмерно чувствительных желобов, в то время как 12 желобов остаются надежными желобами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8:Репрезентативные полетные данные от Jadera haematoloma (мыльница). Четыре категории поведения полета могут быть идентифицированы в записях полетов. А) Непрерывный полет. Этот человек летал непрерывно в течение 1,67 ч, начиная с высоких скоростей, а затем со временем сужаясь до более низких скоростей. Б) Лопнувший полет. Этот человек летал только очередями в течение первых 30 минут после испытания. Взрывники могут достигать высокой скорости, но этот человек может удерживать только низкие скорости. В) Непрерывный до разрыва полета. Этот человек поддерживал непрерывный полет в течение 25 минут, а затем сужался на всплески в течение оставшихся 5 минут своего испытания. Г) Прорыв к непрерывному полету. Этот человек начинал как разрывник, достигая высоких спорадических скоростей, а затем переходил в непрерывный полет в течение примерно 4 часов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 9
Рисунок 9:Репрезентативная канальная визуализация нескольких летных испытаний в рамках одного наборазаписей. Каждый цвет представляет собой отдельную ошибку мыльной ягоды в заданной букве канала и номере канала во время его испытания. Все время начала, время остановки и имена файлов были извлечены из уникального трека полета каждого человека .txt файла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1:клавиша Kerf. Керф - это толщина материала, удаленного или потерянного в процессе резки этого материала. Для лазерного резака ширину керфа будут определять два важных фактора: ширина луча и тип материала. Чтобы проверить и рассчитать точный керф, лазером вырежьте ключ и поместите ключ шириной 20 мм в слот, который он подходит наиболее надежно. Затем вычтите значение ширины слота из значения ширины ключа. Например, ключ шириной 20 мм, который помещается в слот 19,5 мм, будет иметь толщину керфа 0,5 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 2:Сравнение низких частот дискретизации. A) Соотношение между падением напряжения и скоростью по частоте дискретизации. Каждый цвет линии и форма точки представляют частоту дискретизации (100 Гц, 75 Гц, 50 Гц и 25 Гц). Падение напряжения является синонимом размера желоба. Линии соответствуют регрессиям второго порядка, которые описывают уменьшение размера желоба по мере увеличения скорости и последующее увеличение размера желоба на более высоких скоростях. Затененная полоса работает от 0 В до 0,1 В, что отмечает диапазон напряжения, в котором возникает шум. Данные были собраны на ячейке B-4 с использованием записывающего программного обеспечения WinDAQ и с размерами флага фольги длиной 30 мм и шириной 30 мм. Рычаг летной мельницы быстро вращался вручную и оставался вращаться до тех пор, пока он не перестал двигаться. Частоты дискретизации 25 Гц или ниже могут привести к неправильной идентификации желобов как шума во время стандартизации и диагностических испытаний. Частоты дискретизации 100 Гц или выше особенно надежны при записи больших впадин для скоростей менее 1 м/с. Б) Размеры желобов различных частот дискретизации, видимых через форму сигнала. По мере уменьшения частот дискретизации их представление на форме сигнала также уменьшается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 3:Блок-схема функций и структур данных каждого скрипта Python. Обзор входов, функциональных процессов и выходов каждого скрипта Python для предлагаемой летной мельницы обобщен и описан на примерах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная 3D-печать. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительные файлы кодирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Простая, современная летная мельница обеспечивает ряд преимуществ для исследователей, заинтересованных в изучении полета привязанных насекомых, предоставляя надежную и автоматизированную конструкцию, которая эффективно и экономично тестирует несколько насекомых13,31,35. Аналогичным образом, существует сильный стимул для исследователей использовать быстро развивающиеся технологии и методы из промышленности и других научных областей в качестве средства для создания экспериментальных инструментов для изучения экологических систем9,32,33. Этот протокол использует преимущества двух быстро развивающихся технологий, 3D-принтера и лазерного резака, которые становятся все более доступными в коммунальных производственных пространствах, чтобы улучшить простую, современную летную мельницу. Эти усовершенствования обеспечивают более гибкую, регулируемую и складную конструкцию, которая вмещает насекомых разных размеров, сводит к минимуму нагрузку на насекомое и позволяет легко транспортировать летную мельницу в различные места или среды. Кроме того, дополнительные расходы на использование технологий минимальны или даже бесплатны. Тем не менее, эти технологии также могут быть проблемой для экспериментов, если достижение уровня владения навыками использования векторных графических редакторов и программного обеспечения для 3D-изображений недоступно. В свою очередь, представленная здесь летная мельница служит как для поощрения исследователей к включению доступных новых технологий в свой рабочий процесс, так и для того, чтобы позволить исследователям построить настраиваемую, гибкую и эффективную летную мельницу без специальных знаний в области электроники, программирования или моделей САПР.

Самыми сильными аспектами этого протокола являются технологии makerspace, которые расширяют возможности проектирования летной мельницы пользователя, использование магнитной краски для минимизации стресса насекомых и автоматизация записей полетов, которая обрабатывает несколько насекомых в рамках одной записи. Лазерный резак предлагает точные и точные возможности резки, которые могут выполнять работы практически любой сложности. Пользователь может модифицировать структуру акриловой опоры для монтажа дополнительных 3D-отпечатков или приобретенных предметов. 3D-принтер позволяет пользователю создавать настраиваемые компоненты полетной мельницы, которые могут обходить дорогостоящие, готовые продукты с узко регулируемыми размерами. 3D-отпечатки, не предложенные в этой статье, также могут быть построены, такие как посадочные платформы, опоры, которые могут быстро обмениваться между магнитными подшипниками и шариковыми подшипниками, или даже новое крепление, которое привязывает насекомое. Наконец, использование автоматизированного программного обеспечения для записи и скриптов Python для дифференциации нескольких летных испытаний в рамках одной записи позволяет изучать спорадические приступы полета до очень длительных приступов полета. Однако, учитывая, насколько изменчива активность и продолжительность полета у разных видов, предлагается, чтобы пользователь провел предварительные испытания, чтобы понять пределы и общие закономерности поведения вида в полете, чтобы оптимизировать сбор данных. Пользователь также может оценить целостность своих записей с помощью диагностических тепловых карт и может учитывать любые необходимые корректировки скорости в скриптах.

Исследователи также должны знать об общих ограничениях летной мельницы. Предыдущие исследования сделали известными и попытались устранить ограничения привязного полета, в том числе отсутствие контакта с предплюсением, чтобы позволить насекомому отдыхать по желанию18,31,отсутствие энергии, затрачиваемой при взлете насекомого34,дополнительное сопротивление, которое насекомое преодолевает при нажатии на руку летной мельницы, и насекомое, нуждающееся в компенсации внешних аэродинамических сил, испытываемых из-за центробежного ускорения его круговой траектории полета. 6,35. Кроме того, по-прежнему существуют несоответствия в том, как классифицировать или, точнее, количественно оценивать короткие или «тривиальные» всплески насекомых, особенно при сравнении поведения и механизмов полета крупных мигрирующих насекомых с мелкими насекомыми, которые демонстрируют в основном парящий рейс24,36,37. . Несмотря на эти ограничения, был достигнут значительный прогресс в захвате и классификации поведения полета среди видов насекомых, и исследователи продолжали сочетать летную мельницу с другими технологиями и методами6,7,8.

Makerspace как место творчества, сотрудничества и низких барьеров еще больше вдохновит исследователей на устранение ограничений дизайна 3D-печати или лазерную резку более сложных конструкций. В исследованиях изучалась эффективность мейкерспейсов не только как итеративных пространств для создания продуктов, но и как мест ускоренного обучения10,11,12. Студенты-инженеры в целом набрали более высокие баллы в понимании дизайна, проектной документации и качестве модели, когда их проекты были сделаны с использованием технологии makerspace11. Кроме того, время разработки их модели сократилось на 50%, что указывает на то, что исследование makerspace превзошло традиционную механическую теорию и курсовую работу по применению11. В свою очередь, исследователи с небольшими знаниями в области дизайна смогут углубить его, а исследователи, которые также являются преподавателями, могут воспользоваться этим пространством в качестве средства для повышения организации проектирования, мастерства и технической ловкости для студентов. В такой дисциплине, как экология, которая уже использует различные инструменты для полевых и лабораторных работ, исследователи также могут разрабатывать, делиться и стандартизировать новые или улучшенные инструменты. Полетная мельница, предложенная в этой статье, является лишь началом того, что может быть подходом к демократизации и быстрому распространению новых средств сбора данных.

Летные мельницы сыграли важную роль в том, чтобы позволить исследователям понять рассеивание насекомых - экологическое явление, все еще по существу трудноразрешимое в полевых условиях. Будущие достижения в разработке и применении летной мельницы могут быть достигнуты по мере того, как исследователи становятся более опытными в новых технологиях и программном обеспечении, сопровождающем эти технологии. Это может включать в себя проектирование подшипников рычагов полета, которые обеспечивают вертикальный подъем или дают насекомому большую гибкость ориентации полета. Кроме того, точность лазерных резаков и 3D-принтеров может быть необходима исследователям, заинтересованным в уменьшении масштаба и калибровке для мелких насекомых с преимущественно возможностями зависания. В свою очередь, целью данного протокола было обеспечить легкий вход в эти технологии при построении одного из самых распространенных и полезных устройств в области поведенческой экологии – летной мельницы. Если исследователи имеют доступ к коммунальному пространству и привержены навигации по его технологиям, то полученные усовершенствования и усовершенствования современной летной мельницы приведут к творческому и совместному проектированию летной мельницы и будут продолжать предлагать понимание основных черт и механизмов, которые влияют на вариации и модели видов насекомых в движении.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Автору нечего раскрывать.

Acknowledgments

Я хотел бы поблагодарить Мередит Сензер за покупку всех материалов для полетных мельниц и обеспечение непрерывной обратной связи от строительства до написания проекта. Я также благодарю Ану Зильберг за ее вклад в standardize_troughs.py. Наконец, я благодарю Центр медиаискусства, данных и дизайна (MADD) в Чикагском университете за разрешение бесплатно использовать его оборудование, технологии и расходные материалы.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
180 Ω Resistor E-Projects 10EP514180R Carbon film; stiff 24 gauge lead.
19 Gauge Non-Magnetic Hypodermic Steel Tubing MicroGroup 304H19RW 
2.2 kΩ Resistor Adafruit 2782 Carbon film; stiff 24 gauge lead.
3D Printer FlashForge 700355100638
3D Printer Filament FlashForge 700355100638 Diameter 1.75 mm; 1kg/roll.
3D Printing Slicing Software FlashPrint 4.4.0
Acrylic Plastic Sheets Blick Art Supplies 28945-1006
Aluminum Foil Target 253-01-0860
Breadboard Power Supply HandsOn Tech MDU1025 Can take 6.5V to 12V input and can produce 3.3V and 5V.
DI-1100 USB Data Logger DATAQ Instruments DI-1100 Has 4 differential armored analog inputs.
Electrical Wires Striveday B077HWS5XV 24 gauge solid wire.
Entomological Pins BioQuip 1208S2 Size 2; diameter 0.45 mm.
Filtered 20 uL Pipette Tip Fisher Scientific 21-402-550
Hot Glue Gun with Hot Glue Joann Fabrics 17366956
IR Sensor Adafruit 2167 This is the 3 mm IR version; works up to 25 cm.
Large Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007008 Inner diameter 3/8 in; outer diameter 1/2 in; length 20 ft.
Large Magnets Bunting EP654 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.394 in; length 0.157 in; holding force 4.9 lb. 
Laser Cutter  Universal Laser Systems  PLS6.75
M5 Hex Nut Home Depot 204274112 Thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Long Iron Screws Home Depot 204283784 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Short Iron Screws Home Depot 203540129 Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 10 mm; diameter 5 mm.
Neoprene Rubber Sheet Grainger 60DC16 Length 12 in; width 12 in; depth 1/8in.
Online 3D Modeling Software Autodesk 2019_10_14 Tinkercad.com offers a free account.
Power Adaptor Adafruit 63 9 VDC 1000mA regulated switching; input voltage DC 3.3V 5V.
Small Clear Vinyl Tubing Home Depot T10007005 Inner diameter 1/4 in; outer diameter 3/8 in; 20 ft long.
Small Magnets Bunting N42P120060 Low-friction N42 neodymium; diameter 0.120 in; length 0.060 in; holding force 0.5 lb.
Solderless MB-102 Breadboard  Adafruit 239 830 tie points; length 17 cm; width 5.5 cm; input voltage, DC 3.3 V 5 V.
Sophisticated Finishes Iron Metallic Surfacer Blick Art Supplies 27105-2584
Wire Cutters Target  84-031W

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Krogh, A., Weis-Fogh, T. Roundabout for studying sustained flight of locusts. Journal of Experimental Biology. 29, 211-219 (1952).
  2. Hocking, B. The intrinsic range and speed of flight of insects. Transactions of the Royal Entomological Society of London. 104 (8), 223 (1953).
  3. Chambers, D. L., O'Connell, T. B. A flight mill for studies with the mexican fruit fly. Annals of the Entomological Society of America. 62 (4), 917-920 (1969).
  4. Chambers, D. L., Sharp, J. L., Ashley, T. R. Tethered insect flight: A system for automated data processing of behavioral events. Behavior Research Methods & Instrumentation. 8 (4), 352-356 (1976).
  5. Naranjo, S. E. Assessing insect flight behavior in the laboratory: a primer on flight mill methodology and what can be learned. Annals of the Entomological Society of America. 112 (3), 18 (2019).
  6. Ribak, G., Barkan, S., Soroker, V. The aerodynamics of flight in an insect flight-mill. PLoS ONE. 12 (11), 0186441 (2017).
  7. Pollack, G. S., Martins, R. Flight and hearing: Ultrasound sensitivity differs between flight-capable and flight-incapable morphs of a wing-dimorphic cricket species. The Journal of Experimental Biology. 210, 3160-3164 (2007).
  8. Koehler, C., Liang, Z., Gaston, Z., Wan, H., Dong, H. 3D reconstruction and analysis of wing deformation in free-flying dragonflies. The Journal of Experimental Biology. 215, 3018-3027 (2012).
  9. Behm, J. E., Waite, B. R., Hsieh, S. T., Helmus, M. R. Benefits and limitations of three-dimensional printing technology for ecological research. BMC Ecology. 18, 1-13 (2018).
  10. Sheridan, K. M., et al. Learning in the making: A comparative case study of three makerspaces. Harvard Educational Review. 84, 505-531 (2014).
  11. Khalifa, S., Brahimi, T. Makerspace: A novel approach to creative learning. Institute of Electrical and Electronics Engineers Xplore. 1, 43-48 (2017).
  12. Smay, D., Walker, C. Makerspaces: A creative approach to education. Teacher Librarian. 42, 39-43 (2015).
  13. Attisano, A., Murphy, J. T., Vickers, A., Moore, P. J. A simple flight mill for the study of tethered flight in insects. Journal of Visualized Experiments. 106, e53377 (2015).
  14. Reynolds, D. R., Riley, J. R. Remote-sensing, telemetric and computer-based technologies for investigating insect movement: A of existing and potential techniques. Computers and Electronics in Agriculture. 35 (2-3), 271-307 (2002).
  15. Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
  16. Taylor, R. A. J., Bauer, L. S., Poland, T. M., Windell, K. N. Flight performance of Agrilus planipennis (Cleoptera: Buprestidae) on a flight mill and in free flight. Journal of Insect Behavior. 23, 128-148 (2010).
  17. Irvin, N. A., Hoddle, M. S. Assessing the flight capabilities of fed and starved Allograpata obliqua (Diptera: Syrphidae), a natural enemy of Asian citrus psyllid, with computerized flight mills. Florida Entomologist. 103 (1), 139-140 (2020).
  18. Minter, M., et al. The tethered flight technique as a tool for studying life-history strategies associated with migration in insects. Ecological Entomology. 43 (4), 397-411 (2018).
  19. Dingle, H., Blakley, N. R., Miller, E. R. Variation in body size and flight performance in milkweed bugs (Oncopeltus). Evolution. 34 (2), 371-385 (1980).
  20. Martini, X., Hoyte, A., Stelinski, L. L. Abdominal color of the Asian citrus psyllid (Hempitera: Liviidae) is associated with flight capabilities. Annals of the Entomological Society of America. 107 (4), 842-847 (2014).
  21. Chen, M., et al. Flight capacity of Bactrocera dorsalis (Diptera: Tephritidae) adult females based on flight mill studies and flight muscle ultrastructure. Journal of Insect Science. 15 (1), 141 (2015).
  22. Guo, J., Li, X., Shen, X., Wang, M., Wu, K. Flight performance of Mamestra brassicae Noctuidae) under different biotic and abiotic conditions. Journal of Insect Science. 20 (1), 1-9 (2020).
  23. Johnson, M. W., Toscano, N. C., Jones, V. P., Bailey, J. B. Modified ultrasonic actograph for monitoring activity of lepidopterous larvae. Proceedings of the Hawaiian Entomological Society. 27, 141-146 (1986).
  24. Cheng, X., Sun, M. A. Wing-kinematics measurement and aerodynamics in a small insect in hovering flight. Scientific Reports. 6, 25706 (2016).
  25. Holland, J. D. Dispersal kernel determines symmetry of spread and geographical range for an insect. International Journal of Ecology. 2009, 4 (2009).
  26. Frouz, J., Kindlmann, P. Source-sink colonization as a possible strategry of insects living in temporary habitats. PLoS ONE. 10 (6), 1-10 (2015).
  27. Ventola, C. L. Medical applications for 3D printing: Current and projected uses. Pharmacy & Therapeutics. 39 (10), 704-711 (2014).
  28. Martí-Campoy, A., et al. Design of a computerized flight mill device to measure the flight potential of different insects. Sensors (Basel). 16 (4), 1-21 (2016).
  29. Dubois, G. F., Vernon, P., Brustel, H. A flight mill for large beetles such as Osmoderma eremita (Cleoptera: Cetoniidae). Saproxylic Beetles. Their Role and Diversity in European Woodland and Tree Habitats. 14, 219-224 (2009).
  30. Webster, M. N., Doner, J. P., Wikstrom, V., Lugt, P. Grease degradation in R0F bearing tests. Tribology Transactions. 50 (2), 187-197 (2007).
  31. Jones, H. B. C., Lim, K. S., Bell, J. R., Hill, J. K., Chapman, J. W. Quantifying interspecific variation in dispersal ability of noctuid moths using an advanced tethered flight technique. Ecology and Evolution. 6 (1), 181-190 (2016).
  32. Walker, M., Humphries, S. 3D Printing: applications in evolution and ecology. Ecology and Evolution. 9 (7), 4289-4301 (2019).
  33. Shahrubudin, N., Lee, T. C., Ramlan, R. An overview of 3D printing technology: technological, materials, and applications. Science Direct. 35, 1286-1296 (2019).
  34. Taylor, R. A. J., Nault, L. R., Styer, W. E., Cheng, Z. B. Computer-monitored, 16-channel flight mill for recording the flight of leafhoppers (Homoptera: Auchenorrhyncha). Journal of the Entomological Society of America. 85 (5), 627-632 (1992).
  35. Nachtigall, W., Hanauer-Thieser, U., Mörz, M. Flight of the honey bee VII: Metabolic power versus flight speed relation. Journal of Comparative Physiology B. 165, 484-489 (1995).
  36. Hardie, J. Flight behavior in migrating insects. Journal of Agricultural Entomology. 10 (4), 239-245 (1993).
  37. Blackmer, J. L., Naranjo, S. E., Williams, L. H. Tethered and untethered flight by Lyrgus Hesperus and Lygus lineolaris (Heteroptera: Miridae). Environmental Entomology. 33 (5), 1389-1400 (2004).

Tags

Инжиниринг Выпуск 169 Полетная мельница makerspace 3D-печать лазерная резка автоматизация анализ полета
Строительство усовершенствованной полетной мельницы для изучения привязного полета насекомых
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bernat, A. Building an Enhanced… More

Bernat, A. Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight. J. Vis. Exp. (169), e62171, doi:10.3791/62171 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter