Waiting
Login processing...

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

Engineering

بناء مطحنة طيران معززة لدراسة رحلة الحشرات المربوطة

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

Summary

يستخدم هذا البروتوكول طابعات ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) وقواطع ليزر موجودة في مساحات صانعة من أجل إنشاء تصميم مطحنة طيران أكثر مرونة. وباستخدام هذه التكنولوجيا، يمكن للباحثين خفض التكاليف، وتعزيز مرونة التصميم، وتوليد أعمال قابلة للاستنساخ عند بناء مطاحن الطيران الخاصة بهم لدراسات طيران الحشرات المربوطة.

Abstract

تتمتع مساحات الصانع بإمكانية عالية لتمكين الباحثين من تطوير تقنيات جديدة والعمل مع أنواع جديدة في البحوث البيئية. يوضح هذا البروتوكول كيفية الاستفادة من التكنولوجيا الموجودة في مساحات الصانع من أجل بناء مطحنة طيران أكثر تنوعا بتكلفة منخفضة نسبيا. وبالنظر إلى أن هذه الدراسة استخرجت نموذجها الأولي من مطاحن الطيران التي بنيت في العقد الماضي، يركز هذا البروتوكول بشكل أكبر على تحديد الاختلافات المصنوعة من طاحونة الطيران البسيطة والحديثة. وقد أظهرت الدراسات السابقة بالفعل مدى فائدة مطاحن الطيران لقياس معلمات الطيران مثل السرعة أو المسافة أو الدورية. وقد سمحت هذه المطاحن للباحثين بربط هذه المعلمات بعوامل مورفولوجية أو فسيولوجية أو وراثية. بالإضافة إلى هذه المزايا، تناقش هذه الدراسة فوائد استخدام التكنولوجيا في مساحات الصانع، مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد وقواطع الليزر، من أجل بناء تصميم مطحنة طيران أكثر مرونة وقوة وقابلية للطي. وعلى الأخص ، تسمح المكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد لهذا التصميم للمستخدم باختبار الحشرات من مختلف الأحجام من خلال جعل ارتفاعات ذراع الطاحونة وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء (IR) قابلة للتعديل. كما تمكن المطبوعات ثلاثية الأبعاد المستخدم من تفكيك الجهاز بسهولة للتخزين السريع أو النقل إلى الحقل. وعلاوة على ذلك ، فإن هذه الدراسة تجعل استخدام أكبر للمغناطيس والطلاء المغناطيسي لربط الحشرات مع الحد الأدنى من الإجهاد. وأخيرا، يفصل هذا البروتوكول تحليلا متعدد الاستخدامات لبيانات الطيران من خلال نصوص الكمبيوتر التي تفصل بكفاءة وتحلل تجارب الطيران المختلفة داخل تسجيل واحد. على الرغم من أن أكثر كثافة في العمالة، وتطبيق الأدوات المتاحة في makerspaces وعلى الانترنت برامج النمذجة 3D يسهل الممارسات متعددة التخصصات وعملية المنحى ويساعد الباحثين تجنب مكلفة، والمنتجات الجاهزة ذات أبعاد قابلة للتعديل بشق الأنفس. من خلال الاستفادة من مرونة واستنساخ التكنولوجيا في مساحات الصانع ، يعزز هذا البروتوكول تصميم مطحنة الطيران الإبداعية ويلهم العلوم المفتوحة.

Introduction

وبالنظر إلى مدى استعصاء انتشار الحشرات في الميدان ، أصبحت طاحونة الطيران أداة مختبرية مشتركة لمعالجة ظاهرة بيئية مهمة - كيفية تحرك الحشرات. ونتيجة لذلك ، منذ رواد طاحونة الطيران1،2،3،4 بشرت في ستة عقود من تصميم مطحنة الطيران والبناء ، كانت هناك تحولات ملحوظة في التصميم مع تحسن التقنيات وأصبحت أكثر اندماجا في الأوساط العلمية. مع مرور الوقت، حلت برامج جمع البيانات الآلي محل مسجلات الرسم البياني، والأسلحة مطحنة الطيران انتقلت من قضبان زجاجية لقضبان الكربون وأنابيب الصلب5. في العقد الماضي وحده، حلت المحامل المغناطيسية محل محامل تفلون أو الزجاج كضروب احتكاك على النحو الأمثل، وانتشرت الأزواج بين آلات مطحنة الطيران والتكنولوجيا متعددة الاستخدامات مع اندماج تكنولوجيا تصنيع الصوت والبصر والطبقة بشكل متزايد في سير عمل الباحثين. وشملت هذه الاقترانات كاميرات الفيديو عاليةالسرعةلقياس الديناميكا الهوائية الجناح 6 ، لوحات رقمية إلى التناظرية لمحاكاة الإشارات الحسية لدراسة استجابات الطيرانالسمعية 7، والطباعة ثلاثية الأبعاد لجعل تلاعب المعايرة لتتبع تشوه الجناح خلال الرحلة8. مع الارتفاع الأخير للتكنولوجيات الناشئة في مساحات الصانع ، وخاصة في المؤسسات التي لديها مراكز إعلامية رقمية يديرها موظفون مطلعون9، هناك إمكانيات أكبر لتعزيز طاحونة الطيران لاختبار مجموعة أكبر من الحشرات ونقل الجهاز إلى الميدان. وهناك أيضا إمكانات عالية للباحثين لعبور الحدود التأديبية وتسريع التعلم التقني من خلال العمل القائم على الإنتاج9،10،11،12. طاحونة الطيران المعروضة هنا (مقتبسة من Attisano وزملاؤه13) يستفيد من التكنولوجيات الناشئة الموجودة في makerspaces ليس فقط 1) إنشاء مكونات مطحنة الطيران التي يتم ضبطها جداول وأبعادها للمشروع في متناول اليد ولكن أيضا 2) تقدم للباحثين بروتوكول يمكن الوصول إليها في قطع الليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد دون الحاجة إلى ميزانية عالية أو أي معرفة متخصصة في التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).

فوائد اقتران التكنولوجيات والأساليب الجديدة مع طاحونة الطيران كبيرة، ولكن مطاحن الطيران هي أيضا آلات قائمة بذاتها قيمة. تقيس مطاحن الطيران أداء طيران الحشرات وتستخدم لتحديد كيفية ارتباط سرعة الطيران أو المسافة أو الدورية بالعوامل البيئية أو الإيكولوجية، مثل درجة الحرارة والرطوبة النسبية والموسم والنبات المضيف وكتلة الجسم والصفات المورفولوجية والعمر والنشاط الإنجابي. متميزة عن الطرق البديلة مثل actographs، المطاحن، وتسجيل الفيديو لحركة الطيران في أنفاق الرياح والساحات الداخلية14،طاحونة الطيران بارز لقدرتها على جمع مختلف إحصاءات أداء الطيران في ظل ظروف المختبر. وهذا يساعد علماء البيئة على معالجة الأسئلة الهامة حول تشتت الرحلات الجوية ، ويساعدهم على التقدم في تخصصهم - سواء كان ذلك إدارة الآفات المتكاملة15،16،17، ديناميات السكان ، علم الوراثة ، الجغرافيا الحيوية ، استراتيجيات تاريخ الحياة18، أو اللدونةالظاهرية 19،20،21،22 . من ناحية أخرى ، يمكن أن تتطلب أجهزة مثل الكاميرات عالية السرعة والاكاتوغرافيات إعدادا صارما ومعقدا ومكلفا ، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضا إلى معلمات حركة أكثر دقة ، مثل ترددات ضربات الجناح ونشاط الحشرات الضوئية23،24. وبالتالي ، فإن طاحونة الطيران المعروضة هنا بمثابة خيار مرن وبأسعار معقولة وقابل للتخصيص للباحثين للتحقيق في سلوك الطيران.

وبالمثل، يستمر الحافز لإدماج التكنولوجيات الناشئة في سير عمل علماء البيئة في الارتفاع مع تزايد الأسئلة والنهج المتعلقة بدراسة التشتت. كمواقع تعزز الابتكار، تستمد مساحات الصانعين مستويات متعددة من الخبرة وتوفر منحنى تعلم منخفض للمستخدمين من أي عمر لاكتساب مهارات تقنية جديدة10و12. ويمكن للطبيعة التكرارية والتعاونية للأجهزة العلمية الأولية في مساحة الصانع ومن خلال المصادر المفتوحة على الإنترنت تسريع تطبيق النظرية11 وتسهيل تطوير المنتجات في العلوم الإيكولوجية. وعلاوة على ذلك، فإن زيادة إمكانية استنساخ الأدوات العلمية ستشجع على جمع البيانات على نطاق أوسع والعلوم المفتوحة. وهذا يمكن أن يساعد الباحثين على توحيد المعدات أو أساليب قياس التشتت. ويمكن أن تسمح أدوات التوحيد كذلك لعلماء البيئة بتوحيد بيانات التشتت عبر السكان من أجل اختبار نماذج ميتابوبيون التي تتطور من حبات التشتت25 أو ديناميات الاستعمار بالوعة المصدر26. مثل الكثير من كيفية اعتماد المجتمع الطبي الطباعة ثلاثية الأبعاد لرعاية المرضى وتعليم التشريح27، يمكن لعلماء البيئة استخدام قواطع الليزر والطابعات ثلاثية الأبعاد لإعادة تصميم الأدوات البيئية والتعليم ، وفي نطاق هذه الدراسة ، يمكنهم تصميم مكونات إضافية لمطحنة الطيران ، مثل منصات الهبوط أو ذراع طاحونة الطيران التي يمكن أن تتحرك عموديا. وفي المقابل، يمكن أن يساعد التخصيص وفعالية التكلفة وزيادة الإنتاجية التي توفرها تكنولوجيا مساحة الصانع في بدء مشاريع التشتت مع حاجز منخفض نسبيا للباحثين الذين يعتزمون تطوير أدواتهم وأجهزتهم الخاصة.

لبناء هذه الطاحونة الطيران، وهناك أيضا القيود الميكانيكية والآلات التي يمكن النظر فيها من قبل صانع. مغناطيس والتحسينات المطبوعة 3D تسمح طاحونة الطيران لتكون أساسا الغراء، باستثناء بناء الأقواس المتقاطعة، وتكون قابلة للتعديل للحشرات من مختلف الأحجام. ومع ذلك ، مع زيادة كتلة وقوة الحشرات ، قد تكون الحشرات أكثر عرضة للإنزال على نفسها أثناء الحبل. يمكن استخدام مغناطيس قوي على حساب زيادة السحب التوربيونال ، أو يمكن أن تحل محامل الكرة محل المحامل المغناطيسية كحل قوي لحشرات اختبار الطيران التي تزن عدة غرامات28،29. ومع ذلك ، يمكن أن تمثل محامل الكرة أيضا بعض المشاكل ، بشكل رئيسي أن تشغيل التجارب المطولة مع السرعات العالية ودرجات الحرارة العالية يمكن أن يؤدي إلى تشحيم محامل الكرة ، مما يزيد من الاحتكاك30. وبالتالي ، سيتعين على المستخدمين تمييز ميكانيكا طاحونة الطيران التي تناسب الحشرات (الحشرات) الخاصة بهم من الدراسة والتصميم التجريبي.

وبالمثل، هناك عدة طرق لآلة طاحونة الطيران التي تتجاوز اعتبارات هذه الورقة. تستخدم طاحونة الطيران المعروضة هنا مستشعرات الأشعة تحت الحمراء للكشف عن الثورات ، وبرنامج WinDAQ لتسجيل الثورات ، وبرامج برمجة لمعالجة البيانات الأولية. على الرغم من أنه سهل الاستخدام، برنامج WinDAQ لديه مجموعة محدودة من الأدوات المتاحة. لا يمكن للمستخدمين إرفاق تعليقات بقناتهم المقابلة، ولا يمكن تنبيههم إذا فشل أي مكون من مكونات الدوائر. يتم حل هذه الحالات عن طريق الكشف عن وتصحيحها من خلال التعليمات البرمجية ولكن فقط بعد جمع البيانات. بدلا من ذلك ، يمكن للمستخدمين اعتماد أكثر من برنامج واحد يقدم ميزات جمع البيانات القابلة للتخصيص28 أو أجهزة الاستشعار التي تأخذ إحصاءات السرعة والمسافة المباشرة ، مثل عدادات الدراجات29. ومع ذلك، يمكن تجاوز هذه البدائل قيمة البيانات الخام أو وظائف منتشر عبر تطبيقات البرامج كثيرة جدا، والتي يمكن أن تجعل معالجة البيانات غير فعالة. في نهاية المطاف ، بدلا من إعادة تشكيل آلات طاحونة الطيران ، يقدم هذا البروتوكول حلولا برمجية قوية لقيود البرامج الحالية.

في هذه الورقة، يتم وصف تصميم لمطحنة طيران بسيطة معززة لمساعدة الباحثين في دراسات التشتت وتشجيع دمج التقنيات الناشئة في مجال البيئة السلوكية. مطحنة الطيران هذه تناسب قيود الحاضنة ، وتحمل ما يصل إلى ثماني حشرات في وقت واحد ، وأتمتة جمع البيانات ومعالجتها. وتجدر الإشارة إلى أن تحسيناته المطبوعة ثلاثية الأبعاد تسمح للمستخدم بضبط ذراع الطاحونة وارتفاعات مستشعر الأشعة تحت الحمراء لاختبار الحشرات من مختلف الأحجام وتفكيك الجهاز للتخزين السريع أو النقل. وبفضل الوصول المؤسسي إلى مساحة مشتركة للصانعين، كانت جميع التحسينات مجانية، ولم تتراكم أي تكاليف إضافية مقارنة بمطحنة الطيران البسيطة والحديثة. جميع البرامج اللازمة مجانية ، والدوائر الإلكترونية بسيطة ، ويمكن تعديل جميع البرامج النصية لمتابعة الاحتياجات المحددة للتصميم التجريبي. وعلاوة على ذلك، التشخيصات المشفرة تسمح للمستخدم للتحقق من سلامة ودقة التسجيلات الخاصة بهم. وأخيرا ، يقلل هذا البروتوكول من الإجهاد الذي تعاني منه الحشرة عن طريق الطلاء المغناطيسي وربط الحشرات بذراع الطاحونة. مع تجميع طاحونة الطيران البسيطة التي يمكن الوصول إليها بالفعل ، وبأسعار معقولة ، ومرنة ، واستخدام تقنيات makerspace لتعزيز طاحونة الطيران البسيطة يمكن أن تمنح الباحثين مساحة للتغلب على احتياجاتهم الخاصة لدراسة الطيران ويمكن أن تلهم تصاميم مطحنة الطيران الإبداعية خارج اعتبارات هذه الورقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. بناء مطحنة الطيران في مساحة صانع

  1. قطع الليزر وتجميع هيكل الدعم البلاستيك الاكريليك.
    1. استخدم 8 (304.8 مم × 609.6 مم × 3.175 مم) أوراق أكريليك شفافة سميكة لبناء هيكل دعم البلاستيك الأكريليك. تأكد من أن المادة ليست بولي كربونات ، والتي تبدو مشابهة للأكريليك ولكنها ستذوب بدلا من الحصول على قطع تحت الليزر.
    2. حدد موقع قاطع الليزر في مساحة الصانع. يفترض هذا البروتوكول أن مساحة الصانع تحتوي على قاطع ليزر كما هو مشار إليه في جدول المواد. بالنسبة لقطع الليزر الأخرى، اقرأ إعدادات قاطع الليزر لتحديد لون الخط أو سمكه المطلوب لتعيين خطوط الملف لتكون قطع ليزر أو محفورة (لا يجب أن تكون تنقيطية).
    3. افتح Adobe Illustrator أو Inkscape (مجانا) أو محرر رسومات متجه آخر. إعداد ملف يقرأ تصميم دعم الاكريليك بتنسيق متجه مع الأسطر المذكورة أعلاه الموضحة في الشكل 1. إنشاء خطوط الملفات في Adobe Illustrator في وضع الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) مع حد خط 0.0001 نقطة حيث RGB الأحمر (255، 0، 0) يقطع خطوط وRGB الأزرق (0، 0، 255) خطوط الشقوق.
    4. كإجراء وقائي، اختبار وحساب لkerf لجميع القياسات شق وحفرة. تصميم واختبار مفتاح kerf (الشكل التكميلي 1).
      ملاحظة: يمكن أن يختلف عرض Kerf استنادا إلى عرض الحزمة لقاطع الليزر وعرض المادة ونوع المادة المستخدمة.
    5. حفظ تصميمات دعم الاكريليك ومفتاح kerf كأنواع الملفات القابلة للقراءة مثل ملفات .ai أو .dxf أو .svg. لإرسال المهمة إلى قاطع الليزر، قم بطباعة الملف على الجهاز المحلي لقطع الليزر ثم افتح برنامج الليزر.
      ملاحظة: إذا تمت طباعته بشكل صحيح، ستظهر كافة خطوط القطع المتجهة في التصميم مع الألوان المناسبة المطابقة في لوحة التحكم الخاصة ببرنامج الليزر.
    6. حدد المادة كما البلاستيك ومن ثم نوع المواد والاكريليك. لمزيد من الدقة، قياس سمك المواد مع الفرجار وأدخل سمكها في حقل سمك المواد. تمكين تلقائي لمحور Z من النقطة المحورية للمادة. تعيين نوع الشكل إلى بلا وترك كثافة في 0٪. لتغيير أي مقاييس متقدمة على قاطع الليزر، مثل طاقة الليزر ٪ أو السرعة٪ ، اختبر باستخدام مفتاح kerf.
      ملاحظة: القاعدة الأساسية هي أنه كلما كانت المادة أكثر سمكا، كلما تطلب الأمر المزيد من الطاقة بسرعة أقل.
    7. قبل القطع، اتبع إرشادات مساحة التصنيع حول تشغيل القاطع بالليزر واستخدامه وصيانته. ضع المواد في تجويف الطابعة وقطع دعامات الأكريليك.
      ملاحظة: لمنع تلف العين المحتمل، لا تنظر إلى الليزر أو تترك أي ورقة أكريليك دون مراقبة أثناء القطع.
    8. تنظيف المواد الزائدة من تجويف الطابعة وتجميع هيكل الدعم. تجميع عن طريق إدراج كل رف الأفق في الشقوق المفتوحة من الجدران الرأسية الخارجية والجدار العمودي المركزي كما هو المسمى في الشكل 2A. تأكد من محاذاة الثقوب بين الرفوف الأفقية.
  2. طباعة ثلاثية الأبعاد يدعم البلاستيك.
    1. افتح مستعرض ويب وانشئ حسابا على برنامج تصميم ثلاثي الأبعاد عبر الإنترنت. راجع جدول المواد للحصول على خيار حساب مجاني.
    2. انقر على تصاميم ثلاثية الأبعاد > إنشاء تصميم جديد. لتكرار هذه الدراسة بالضبط 3D التصاميم المطبوعة كما رأينا في الشكل 3، تحميل الأرشيف 3D_Prints.zip (تكميلية 3D يطبع)، ونقل المجلد على سطح المكتب. فك ضغط وفتح المجلد. في صفحة ويب خطة عمل برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد عبر الإنترنت، انقر على استيراد في الزاوية اليمنى العليا وحدد ملف .stl (ملفات).
      ملاحظة: يمكن نسخ تصميم متعددة أو الكائنات تعبئة العمل ثم حفظها كملف .stl واحد طالما يقيد المستخدم الكائنات داخل حدود ناحية الإنشاء من الطابعة ثلاثية الأبعاد. أكبر كائن يمكن للطابعة ثلاثية الأبعاد طباعته هو طول 140 مم × عرض 140 مم × عمق 140 مم. ومع ذلك، لا تدوير الكائنات على طول محور z الخاصة بهم كوسيلة لزيادة عدد الكائنات على منطقة بناء. وذلك لأنه تم وضع الكائنات التي تم تحميلها لتقليل تراكمات، وحتى يمكن طباعتها على النحو الأمثل مع الحد الأدنى من الدعم اللازم.
    3. لإنشاء ذاتي أو إجراء تعديلات على التصاميم، اتبع الدروس الموقع، وإجراء تعديلات، ومن ثم تصدير التصاميم الجديدة كملفات .stl. في المجموع، 8 القضبان دليل خطي (100.05 مم طول × 23.50 مم عرض × عمق 7.00 ملم)، 16 خطية دليل كتل السكك الحديدية (22.08 ملم طول × 11.47 مم عرض × عمق 12.47 ملم)، 200 ملم 12 إلى 20 مسامير (طول 9.00 مم × 7.60 مم عرض × عمق 13.00 مم)، 15 قوسا متقاطعا (طول 50.00 مم × 50.00 مم عرض × عمق 20.00 مم)، 16 حامل مغناطيس (طول 12.75 مم × 12.50 مم عرض × عمق 15.75 مم)، 16 دعامة أنبوبية (طول 29.22 مم × 29.19 مم عرض × عمق 11.00 مم)، 16 خطية قصيرة تدعم السكك الحديدية الدليلية (طول 40.00 مم × 11.00 مم عرض × عمق 13.00 مم)، و 16 خطية طويلة دليل السكك الحديدية يدعم (40.00 مم طول × 16.00 مم عرض × 13.00 مم عمق) تحتاج إلى طباعة 3D. للحصول على مرآة كل خطي دليل تصميم السكك الحديدية، انقر على الكائن، اضغط M،وحدد السهم المقابل لعرض الكائن.
      ملاحظة: راجع الخطوة 1.3.6. لمزيد من المعلومات حول أوتاد السكك الحديدية دليل خطي.
    4. قم بتنزيل وتثبيت برنامج تقطيع الطباعة ثلاثي الأبعاد لتحويل ملفات .stl إلى ملف .gx قابل للقراءة من طابعة ثلاثية الأبعاد. راجع جدول المواد لتحميل برنامج البرمجيات الحرة.
      ملاحظة: برامج التحويل الأخرى مقبولة، ولكن هذا البروتوكول يفترض أن مساحة صانع يستخدم الطابعة ثلاثية الأبعاد وطباعة برامج تشريح كما هو المشار إليه في جدول المواد.
    5. انقر نقرا مزدوجا فوق رمز برنامج تشريح الطباعة ثلاثية الأبعاد لبدء تشغيل البرنامج. انقر فوق طباعة > نوع الجهاز وحدد الطابعة ثلاثية الأبعاد الموجودة في مساحة صانع.
    6. انقر فوق رمز تحميل لتحميل ملف طراز .stl وعرض الكائن على منطقة الإنشاء.
    7. حدد الكائن وانقر نقرا مزدوجا فوق رمز نقل. انقر على منصة لضمان أن النموذج هو على المنصة. انقر فوق مركز لوضع الكائن في وسط منطقة الإنشاء أو اسحب الكائن بمؤشر الماوس لوضع الكائن في منطقة الإنشاء.
    8. انقر على أيقونة الطباعة. تأكد من تعيين نوع المادة إلى جيش التحرير الشعبى الصينى، ويدعم وطوف يتم تمكين ، يتم تعيين القرار إلى معيار، ودرجة حرارة البثق يطابق درجة الحرارة المقترحة من قبل دليل الطابعة 3D. يمكن تغيير درجة الحرارة داخل خيارات أكثر >> درجة الحرارة.
    9. اضغط على موافق واحفظ الملف .gx في مجلد 3D_Prints أو على عصا USB إذا تعذر نقل الملف إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد عبر كبل USB.
    10. حدد موقع آلة الطباعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بمساحة الصانع. معايرة البثق وضمان وجود خيوط كافية للطباعة. نقل الملف .gx إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد وطباعة كافة أنواع وكميات من البلاستيك يدعم والتحسينات. لكل طباعة، تحقق من أن خيوط هو التمسك بشكل صحيح إلى لوحة.
  3. تجميع مطبوعات ثلاثية الأبعاد على هيكل دعم الاكريليك.
    1. لتصور كل الدعم في مكان، انظر الشكل 2B.
    2. الغراء الساخن ورقة النيوبرين سميكة 3.175 ملم على الجدران الداخلية للشريحة الصليب. عندما تجف, إدراج الأقواس المتقاطعة عند تقاطعات الرفوف الاكريليك والجدران في الجزء الخلفي من الجهاز لتحقيق الاستقرار في طاحونة الطيران.
    3. حيثما أمكن، استخدم مسامير مطبوعة ثلاثية الأبعاد لتقليل التأثير المغناطيسي لالمسامير الحديدية. المسمار في أنبوب يدعم على الجزء السفلي والجزء العلوي من كل خلية. تأكد من محاذاة دعامات الأنبوب العلوي والسفلي.
    4. أدخل أنبوب بلاستيكي بطول 30 مم (القطر الداخلي (ID) 9.525 مم؛ القطر الخارجي (OD) 12.7 مم) في دعم الأنبوب العلوي وأنبوب بلاستيكي بطول 15 مم (معرف 9.525 مم؛ OD 12.7 مم) في دعم أنبوب أسفل كل خلية. ثم أدخل أنبوب بلاستيكي بطول 40 مم (معرف 6.35 مم؛ OD 9.525 مم) في الأنبوب العلوي وأنبوب بلاستيكي بطول 20 مم (معرف 6.35 مم؛ OD 9.525 مم) في الأنبوب السفلي. تأكد من وجود احتكاك قوي بما فيه الكفاية بين الأنابيب لعقد الأنابيب في مكانها، ولكن ليس كثيرا أن الأنبوب الداخلي لا يزال يمكن أن تنزلق صعودا وهبوطا إذا سحبت على. إذا كانت الأنابيب مشوهة، اغمر أجزاء من الأنابيب لمدة دقيقة واحدة في الماء المغلي. تصويب الأنابيب على منشفة، والسماح لهم للوصول إلى درجة حرارة الغرفة ومن ثم إدراج الأنابيب.
    5. ضع مغناطيسي النيودميوم منخفضي الاحتكاك (قطرهما 10 مم؛ طول 4 مم؛ قوة حمل 2.22 كجم) في كل دعم مغناطيسي. تأكد من أن كل زوج من المغناطيس يصد بعضه البعض. ثم، تقديم بحزم أنبوب داخلي في كل دعم المغناطيس بحيث الجاذبية تعمل على المغناطيس ودعم المغناطيس ليست قوية بما يكفي لطرد الدعم من الأنبوب الداخلي.
    6. تواجه نفس الاتجاه، الشريحة اثنين من كتل السكك الحديدية دليل خطي في السكك الحديدية دليل خطي. لودج القضبان دليل خطي وكتل تستقيم في النوافذ على الجدران العمودية الخارجية. تأكد من أن فتحات الكتلة تواجه صعودا. لتأمين السكك الحديدية دليل خطي واحد في مكان، واستخدام اثنين من قصيرة خطية دليل السكك الحديدية يدعم، واثنين من السكك الحديدية دليل خطي طويل يدعم، أربعة مسامير الحديد 10 ملم طويلة (M5؛ 0.8 الملعب الموضوع؛ 0.8 درجة الموضوع؛ 5 مم الملعب)، واثنين من المكسرات هيكس (M5؛ 0.8 الملعب الموضوع؛ قطر 5 ملم). الشكل 2C يظهر التجميع الكامل للسكك الحديدية دليل خطي.
      ملاحظة: فتحات مفتوحة في خط السكك الحديدية دليل المقصود لاستخدامها إذا وفقط إذا كان خطية دليل السكك الحديدية يصبح تآكل انزلاق المتكررة من كتلة لها. إذا كان الأمر كذلك، طباعة 3D ربط صغير على شكل حرف T وجدت في المجلد 3D_Prints.
  4. بناء الذراع المحورية.
    ملاحظة: القسمان الفرعيان 1-4-1 و 1-4-2 متساويان مع الفرعين الفرعيين 1-2-2. و 1.2.3. في Attisano وآخرون. 2015 طرق ورقة13.
    1. ثقب مرشح من طرف ماصة 20 ميكرولتر تصفيتها في نقطة مركزها باستخدام دبوس الحشرات. ثم، دفع دبوس من خلال طرف ماصة حتى ينتهي الصلب من دبوس تبرز من الجسم من طرف ماصة. تأكد من أن مرشح طرف ماصة يؤمن دبوس في مكان. دبوس بمثابة محور ذراع طاحونة الطيران.
    2. لزيادة مساحة الخلية، اقطع أنابيب فولاذية غير مغناطيسية 19 G بطول 24 سم (أقل بمقدار 1 سم من عرض خلية الطيران). الغراء الساخن دبوس جاحظ وتاج من طرف ماصة من الخطوة 1.4.1. إلى منتصف الأنبوب. ثني نهاية واحدة من الأنابيب في 2 سم من نهاية إلى زاوية 95 درجة.
      ملاحظة: لتحديد أولويات حجم الحشرات بدلا من زيادة مساحة الخلية ، قم بتقصير نصف قطر الذراع للحشرات الصغيرة أو النشرات الضعيفة. يمكن أيضا تجميع ذراع طيران أطول إذا تمت إزالة جدار الأكريليك المركزي للحشرات الكبيرة أو النشرات القوية. وعلاوة على ذلك ، يمكن أن تدعم النهاية المنحنية للذراع زوايا مختلفة من أجل وضع الحشرة في اتجاه طيرانها الطبيعي.
    3. لاختبار تعليق المغناطيسي، وضع الذراع بين أعلى مجموعة من المغناطيس. تأكد من دوران الذراع الدوارة بحرية حول الدبوس المعلق عموديا.
    4. الغراء اثنين من المغناطيس النيودميوم منخفضة الاحتكاك (قطر 3.05 ملم؛ 1.58 ملم طول؛ 0.23 كجم عقد القوة) على الطرف عازمة من الذراع المحوري لربط الحشرة رسمت مغناطيسيا للطيران (كتلة ذراع طاحونة الطيران مع المغناطيس = 1.4 غرام). على الطرف غير الماصة من الذراع المحورية، التفاف قطعة من رقائق الألومنيوم (كتلة لكل منطقة = 0.01 غرام / سم2) لإنشاء العلم. يعمل علم احباط كثقل موازن، ونظرا لخصائصه عاكسة للغاية، فإنه يكسر على النحو الأمثل شعاع الأشعة تحت الحمراء المرسلة من جهاز الإرسال استشعار الأشعة تحت الحمراء إلى المتلقي.
      ملاحظة: قطر شعاع الأشعة تحت الحمراء هو على الأكثر 2.4 مم، وبالتالي فإن الحد الأدنى الأمثل لعرض العلم احباط هو 3 ملم. عرض العلم احباط من 3 ملم ووضعها لكسر شعاع من ضوء الأشعة تحت الحمراء أمام عدسة باعث الاستشعار سوف تنتج انخفاض في الجهد الذي يمكن الكشف عنه أثناء التحليلات.
  5. إعداد مستشعر الأشعة تحت الحمراء ومسجل البيانات.
    1. ضع جهاز إرسال مستشعر الأشعة تحت الحمراء داخل كتلة السكك الحديدية العلوية الخطية مع مصدر الشعاع المواجه للأسفل. ثم ضع جهاز استقبال مستشعر الأشعة تحت الحمراء داخل الكتلة السفلية التي تواجه لأعلى.
      ملاحظة: يمكن فصل أجهزة الاستشعار (طول 20 ملم × 10 مم عرض × عمق 8 ملم) حتى مسافة 250 ملم ولا تزال تعمل؛ لذلك، فإنها سوف تعمل حتى عندما وضعت في نهايات السكك الحديدية دليل خطي 100 ملم تقريبا.
    2. على لوح خبز بلا حام، قم بتوصيل جهاز إرسال جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء وجهاز الاستقبال في السلسلة مع مسجل بيانات الإدخال التناظري من 4 قنوات، كما هو موضح في الدائرة الإلكترونية في الشكل 4A. قم بتوصيل جهاز إرسال مستشعر الأشعة تحت الحمراء (وليس جهاز الاستقبال) أولا، بعد مقاومة Ω 180. ضع مقاوما آخر 2.2 كيلوΩ قبل إخراج اتصال استقبال الأشعة تحت الحمراء. تكوين الدائرة الإلكترونية لكل قناة في صفوف بديلة على طول لوح الخبز لتقليل الضوضاء في إشارة الجهد من أجهزة استشعار متعددة أثناء التسجيل(الشكل 4B).

2. إجراء تجارب الطيران

  1. ربط مغناطيسيا الحشرات إلى ذراع طاحونة الطيران.
    1. لتقليل الضغط على الحشرة ، ضع الطلاء المغناطيسي على مخاط الحشرة باستخدام مسواك أو قضيب دقيق دقيق (تلميح 20 G). دع الطلاء يجف لمدة 10 دقائق على الأقل. بمجرد الجفاف ، قم بتوصيل الحشرة إلى مغناطيس ذراع طاحونة الطيران. راجع الشكل 5 للحصول على أمثلة من الحشرات المغنطيسية و اللوحة المربوطة من مختلف الأحجام. يستخدم هذا البروتوكول Jadera haematoloma (علة التوت الصابوني) كحشرة نموذجية لربط الطيران والتجريب التجريبي.
      ملاحظة: للحصول على جذب أقوى بين الحشرة ومغناطيس الذراع ، ضع طبقات متعددة من الطلاء المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك ، قم بتبديل المغناطيس المرفق بنهاية ذراع طاحونة الطيران بأحجام مغناطيسية تستوعب على أفضل وجه مجال الرؤية والكتلة ونطاق الجناح للحشرات.
    2. يطير ما يصل إلى 8 حشرات في وقت واحد في طاحونة الطيران. الطلاء الإعدادية ما لا يقل عن 16 الحشرات من أجل اختبار الحشرات متعددة بشكل متسلسل خلال جلسة تسجيل واحدة.
    3. لإزالة الطلاء المغناطيسي بعد الاختبار، قم بإزالة الطلاء بالملقط الدقيق والتخلص منه وفقا للوائح وكالة حماية البيئة (EPA) وإدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA).
  2. سجل العديد من الحشرات بشكل تسلسلي دون إنهاء جلسة تسجيل باستخدام أداة تعليق علامة الحدث الخاصة ب WinDAQ.
    1. تحميل وتثبيت برنامج تسجيل البيانات وتشغيل WinDAQ مجانا.
    2. إنشاء مجلد جديد بعنوان Flight_scripts على سطح المكتب. إنشاء خمسة مجلدات جديدة مع الأسماء التالية بالضبط داخل المجلد Flight_scripts: البياناتو files2split و التسجيلات split_filesو standardized_files. قم بتنزيل ورقة البيانات.xlsx (الملف التكميلي 1) واسحب الملف إلى مجلد البيانات في دليل Flight_scripts.
    3. استخدم ورقة البيانات.xlsx كقالب يدوي لتسجيل البيانات. هناك حاجة إلى أربعة أعمدة على الأقل: رقم تعريف الخطأ ، وما إذا كان الخطأ قد توفي قبل اختباره ، ورقم مجموعة التسجيل ، والغرفة المكونة من خطاب القناة ورقم القناة (على سبيل المثال ، "A-1" ، "B-4"). راجع الشكل 2A لتكوين غرفة واحد محتمل.
    4. افتح لوحة معلومات WinDAQ، وحدد مسجل (مسجلي) البيانات من قائمة مربع الاختيار ، واضغط على 'Start Windaq Software'. سيتم فتح نافذة جديدة لكل مسجل بيانات تم تحديده، وسيتم عرض إشارة الإدخال من كل مستشعر.
    5. حدد تكرار أخذ العينات بالنقر على تعديل > معدل العينة. اكتب تكرار أخذ عينات من 100 عينة/الثانية في المربع معدل العينة/القناة واضغط على موافق.
      ملاحظة: يقترح هذا البروتوكول 100 S/s لأن الأحواض، التي هي قطرات في الجهد الناتج عن مقاطعة العلم لشعاع مستشعر الأشعة تحت الحمراء، ستظل تصل إلى الحد الأدنى من الانخفاض في الجهد الكهربائي 0.36 V لسرعات 1.7 م/ث. بدوره، يمكن تصفية الضوضاء، التي لديها الحد الأقصى لانخفاض في الجهد من 0.10 V، أثناء التوحيد دون تصفية أحواض حقيقية. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل العينة 100 S/s يجعل من السهل على المستخدم رؤية الأحواض على شكل الموجة على الشاشة أثناء التسجيل وبعده. إذا حدثت أخطاء أثناء التسجيل ، فيمكن للمستخدم تمييز الأحواض بسرعة من الأخطاء أو الضوضاء. انظر الشكل التكميلي 2 للاطلاع على مقارنات بين عدة ترددات منخفضة لأخذ العينات.
    6. لبدء جلسة تسجيل جديدة، اضغط على ملف > Record. حدد موقع ملف التسجيل في النافذة المنبثقة الأولى. اكتب اسم الملف بعناية. يجب أن تحتوي الملفات على الأقل على ما يلي في أسمائهم: رقم مجموعة التسجيل وحرف القناة. مثال على اسم ملف على غرار في البرامج النصية بيثون هو ما يلي: T1_set006-2-24-2020-B.txt. راجع split_files.py الأسطر 78-87 من المجلد Flight_scripts للحصول على مزيد من التفاصيل. ثم اضغط موافق.
    7. في النافذة المنبثقة التالية، أدخل الطول المتوقع لتسجيل الرحلة. اضغط موافق عندما تكون الحشرات في وضع يمكنها من بدء الطيران. بعد انقضاء وقت التسجيل، اضغط Ctrl-S لإنهاء الملف. لا تضغط Ctrl-S إلا إذا كانت هناك حاجة لإنهاء التسجيل مبكرا.
      ملاحظة: إذا كان الملف إنهاء مبكرا جدا إما بكتابة Ctrl + S أو طول الوقت المذكورة أعلاه قصيرة جدا إلحاق تسجيل جديد إلى ملف موجود بالنقر فوق ملف > سجل. حدد الملف لإلحاقه وانقر فوق نعم في النافذة المنبثقة التالية.
    8. عند سحب الحشرات المختبرة أثناء التسجيل ، أدخل علامة حدث معلقا للحشرة الواردة في غرفتها المختارة. سجل دائما يدويا مجموعة معرف الحشرة الواردة وغرفة تسجيلها في ورقة البيانات .xlsx قبل تبديل الحشرات.
    9. لإجراء تعليق على علامة الحدث، انقر على رقم القناة. ثم انقر فوق تحرير > إدراج علامة التعليق. حدد التعليق مع رقم تعريف الحشرة الجديدة التي تدخل الغرفة. اضغط موافق وتحميل الحشرة في الغرفة.
  3. تصور تعليقات علامة الحدث وتحويل الملف من WDH إلى TXT.
    1. فتح ملف WDH. تصور تعليقات علامة الحدث عن طريق الانتقال إلى تحرير ضغط> ... ثم انقر فوق الزر الحد الأقصى لضغط الموجي بالكامل في إطار واحد(الشكل 6A).
    2. تحقق من وجود أي تشوهات في التسجيل.
      ملاحظة: يتم عرض أنواع التشوهات أو الفشل في التسجيل في الشكل 6. يتم تشخيص هذه لاحقا وتصحيحها في البرامج النصية بيثون.
    3. حفظ الملف بتنسيق .txt عن طريق الانتقال إلى ملف > حفظ باسم. حدد مجلد التسجيلات داخل الدليل Flight_scripts كموقع لحفظ الملف. حدد نوع الملف كطباعة جدول البيانات (CSV) في النافذة المنبثقة واكتب اسم الملف مع .txt في النهاية. انقر فوق حفظ. في الإطار المنبثق التالي، حدد معدل العينة والوقت النسبي والتاريخ والوقت. اكتب 1 بين رقم القناة وعلامات الأحداث. قم بإلغاء تحديد كافة الخيارات الأخرى وانقر فوق موافق لحفظ الملف.

3. تحليل بيانات الرحلة

  1. تقسيم الملفات حسب تعليقات علامة الحدث.
    1. تثبيت أحدث إصدار من بيثون. تم تطوير كافة البرامج النصية في هذا البروتوكول على إصدار Python 3.8.0.
    2. تحميل البرامج النصية بيثون التالية: split_files.py، standardize_troughs.py، flight_analysis.py ( ملفاتالترميز التكميلية). نقل البرامج النصية إلى المجلد Flight_scripts.
    3. تأكد من أن Python محدث وتثبيت المكتبات التالية: csv ، os ، sys ، re ، وقت التاريخ ، الوقت ، numpy ، الرياضيات ، وmatplotlib. لمراقبة الوظائف الرئيسية وهياكل البيانات من البرامج النصية، راجع التخطيطي في الشكل التكميلي 3.
    4. افتح ورقة البيانات.xlsx الملف واحفظه ك CSV عن طريق تغيير تنسيق الملف إلى CSV UTF-8 (فاصلة محددة) إذا كان تشغيل Windows أو Macintosh Comma منفصلا إذا كان يعمل بنظام التشغيل Mac.
    5. افتح رمز split_files.py مع محرر النص الذي تختاره. إذا لم يكن هناك تفضيل، انقر بزر الماوس الأيمن فوق رمز البرنامج النصي وحدد فتح مع IDLE.
    6. إعادة ترميز الأسطر 133-135 و 232-233 إذا كان المستخدم كتابة اسم ملف مختلف عن القالب المقترح ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). لإعادة ترميز البرنامج النصي لاحتواء أسماء الملفات المختلفة باستخدام الدالة split() ، راجع الأسطر 116-131.
    7. في السطر 266 اكتب المسار إلى المجلد Flight_scripts ثم قم بتشغيل البرنامج النصي. بعد تشغيل ناجح ، يقوم البرنامج النصي بإنشاء ملفات .txt متوسطة لم معرفات الحشرات المعينة في مجلد files2split وملفات .txt لكل حشرة تم اختبارها في كل مجموعة تسجيل في مجلد split_files ، داخل دليل Flight_scripts.
      ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك، في Python Shell، يجب أن يرى المستخدمون عبارات مطبوعة من اسم الملف، والتي يتم تبديل الحشرات في علامة حدث مرقم، والملفات التي يتم تقسيمها وتوليدها إلى ملفات جديدة عن طريق معرف الحشرات.
  2. توحيد وتحديد أحواض في إشارة مسجلة.
    1. افتح رمز standardize_troughs.py مع محرر النص الذي تختاره. إذا لم يكن هناك تفضيل، انقر بزر الماوس الأيمن فوق رمز البرنامج النصي وحدد فتح مع IDLE.
    2. في السطر 158، اكتب تردد أخذ العينات.
    3. في السطر 159 اكتب المسار إلى المجلد Flight_scripts ثم قم بتشغيل البرنامج النصي. إذا كان البرنامج النصي يعمل بنجاح، فإنه ينشئ الملفات في المجلد standardized_files في الدليل Flight_scripts.
      ملاحظة: يجب أن تبدأ كافة الملفات ب 'standardized_' وتنتهي باسم الملف الأصلي.
    4. تحقق من جودة التسجيلات: افتح trough_diagnostic.png التي تم إنشاؤها بواسطة standardize_troughs.py الموجود في المجلد Flight_scripts. تأكد من أن جميع السجلات قوية للتغيرات في الحد الأدنى والحد الأقصى لقيمة الجهد الفاصل الزمني للتوحيد المتوسط.
      ملاحظة: قد يكون التسجيلات الكثير من الضوضاء أو يكون أحواض حساسة للغاية إذا كانت تظهر انخفاضات كبيرة في عدد أحواض المحددة عند زيادة الحد الأدنى والحد الأقصى لقيم الانحراف. يمكن أيضا ترميز التشخيصات الإضافية لعامل التطبيع الحد الأدنى، وتنفيذها، ورسمها. يتم وصف طريقة بديلة للتحقق من جودة التسجيل في الخطوات 2.3.1. و2.3.2. من Attisano وآخرون. 2015 طرق ورقة13.
    5. تقييم التشخيص، سطر uncomment 198، وتحديد الحد الأدنى والحد الأقصى لقيم الانحراف، والتي تحدد القيم الدنيا والقصوة حول متوسط الجهد المستخدمة لتنفيذ التوحيد لجميع الملفات. الافتراضي هو 0.1 V لكل قيمة الانحراف.
      ملاحظة: في السطر 53، يمكن للمستخدم أيضا تحديد عتبة عامل التطبيع الحد الأدنى الأقصى من أجل تحديد الجهد أقل بكثير من قيمة العتبة.
    6. التعليق خارج السطر 189 بعد إدخال قيم الانحراف ثم قم بتشغيل البرنامج النصي. سيتم تشغيل البرنامج النصي المقاييس بكفاءة لكافة الملفات (تقريبا 25 مرات أسرع).
  3. تحليل مسار الرحلة باستخدام ملف موحد.
    1. افتح رمز flight_analysis.py مع محرر النص الذي تختاره. إذا لم يكن هناك تفضيل، انقر بزر الماوس الأيمن فوق رمز البرنامج النصي وحدد فتح مع IDLE.
    2. في الخطوط 76-78 ، قم بتحرير تصحيح السرعة الاختياري الذي يقمع الدورانات الإضافية لذراع الطاحونة بعد توقف الحشرة عن الطيران. حدد قيمة العتبة هذه بحذر عند العمل مع الحشرات الطائرة البطيئة.
    3. في السطر 121، قم بتحرير عتبات السرعة لتصحيح قراءات السرعة الخاطئة، مثل السرعات السريعة للغاية أو السرعات السلبية. في السطر 130، قم بتحرير قيمة الفجوة الزمنية لتصفية الفجوات الطويلة التي تحدث بين اثنين متتاليتين من نوبات الطيران المتواصلة.
    4. في السطر 350 اكتب المسار إلى المجلد الذي يتم حفظ الملفات الموحدة .txt *.
    5. في السطر 353 ، أدخل طول نصف قطر الذراع المستخدم أثناء التجارب ، والذي يحدد مسار الطيران الدائري الذي تطير به الحشرة لكل ثورة.
    6. تحديد المسافة والوقت وحدات SI كسلاسل في السطرين 357 و 358 على التوالي.
    7. في الخطوط 388-397 ، استخدم وظيفة التقسيم () لاستخراج ، على الأقل ، رقم تعريف الحشرة والعدد المحدد والغرفة التي طارت فيها الحشرة من اسم الملف. يتبع البرنامج النصي مثال اسم الملف الشامل "standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt". إذا لزم الأمر، قم بتبسيط اسم الملف هذا كما هو مقترح في الخطوة 2.2.6.، ثم قم بالتعليق أو حذف متغيرات مثل نوع الإصدار التجريبي على السطرين 392 و401، إذا لم يتم استخدامها.
    8. تحديد كافة إعدادات المستخدم وحفظ وتشغيل البرنامج النصي. إذا كان تشغيل البرنامج النصي ناجحا ، فإنه يطبع رقم معرف الحشرة المقابل ، والغرفة ، وإحصاءات الطيران المحسوبة في Python Shell. بالإضافة إلى ذلك، فإنه ينشئ ملف flight_stats_summary.csv تتألف من المعلومات المطبوعة في Shell بيثون ويحفظ ملف .csv في مجلد البيانات من الدليل Flight_scripts.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم الحصول على بيانات الطيران تجريبيا خلال شتاء 2020 باستخدام الحقل الذي تم جمعه J. haematoloma من فلوريدا كحشرات نموذجية (بيرنات، أ. ف. وسينوزر، م. ل. ، 2020، بيانات غير منشورة). أجريت تجارب الطيران التمثيلي في قسم الإيكولوجيا والتطور في جامعة شيكاغو، كما هو موضح أدناه في الشكل 6 والشكل 7 والشكل 8 والشكل 9. تم إنشاء طاحونة الطيران داخل حاضنة تم تعيينها إلى 28 درجة مئوية / 27 درجة مئوية (ليلا / نهارا) ، ورطوبة نسبية بنسبة 70٪ ، ودورة داكنة 14 ساعة / 10 ساعة. لكل تجربة ، تم تسجيل مسار طيران الأخطاء المتعددة كل مائة من الثانية من قبل برنامج WinDAQ لمدة تصل إلى 24 ساعة. بعد التجارب الأولية، تم تصنيف سلوك الطيران إلى رحلة انفجار ورحلة مستمرة. طارت الانفجارات بشكل متقطع لمدة تقل عن 10 دقائق في كل مرة ، وحلقت النشرات المستمرة دون انقطاع لمدة 10 دقائق أو أكثر. تم سحب أي فرد لم يظهر سلوك الطيران المستمر ضمن مرحلة الاختبار 30 دقيقة قبالة طاحونة الطيران واستبدالها بعلة جديدة وهوية المصاحبة لها في تعليق علامة الحدث. بقيت جميع الحشرات التي أظهرت الطيران المستمر على طاحونة الطيران بعد 30 دقيقة حتى توقفت عن الطيران. تم تبديل الأخطاء من الساعة 8 صباحا إلى 4 مساء كل يوم. وكما هو منسدل في الشكل 9،تباينت مدة تجارب الطيران للأفراد في تسجيل يوم واحد من 30 دقيقة إلى 11+ ساعة. بإدراج علامات الأحداث في إضافة أفراد جدد، يصبح هذا الهيكل المعقد للبيانات معالجة ناجحة من خلال البرامج النصية بيثون، ورمز يساعد المستخدمين على نحو فعال تصور نطاق تجاربهم. يلتقط الإعداد التجريبي المقترح القدرة الكاملة للحشرات على الطيران ؛ ومع ذلك، فإنه يغفل احتمال مراقبة دورية الطيران. ثم يكون لدى المستخدمين خيار تخصيص تجارب الرحلات الخاصة بهم لمقاييس الطيران المختلفة واختيار سلوك الرحلة أو الاستراتيجيات التي يرغبون في اختبارها.

كما أن الشكل الموجي والتشخيصي (خرائط) الحرارة على الشاشة يجعلان من الممكن تحديد الفجوات أو حل التناقضات في بيانات مسار الرحلة. ويبين الشكل 6 أ مجموعة من التجارب التي سجلت بيانات رحلاتها بنجاح لجميع القنوات دون ضجيج أو تعطيل. كما يظهر جميع التعليقات علامة الحدث المحرز أثناء التسجيل. يظهر الشكل 6B لحظة فقدت فيها الإشارة المسجلة في القناة 3، مما أسقط الجهد على الفور إلى 0 V. وربما كان ذلك بسبب عبور الأسلاك المفتوحة أو تخفيف الأسلاك. هناك أيضا أحداث معينة أثناء التسجيل التي يمكن أن تحدث ولكن يتم تصحيحها في البرامج النصية Python. وهذا يشمل أحواض مزدوجة، وأحواض مرآة، والضوضاء الجهد (الشكل 6C،D). تؤدي هذه الأحداث إلى قراءات خاطئة للحوض الصغير ، ولكن يمكن التعرف عليها وإزالتها بشكل موثوق أثناء التحليلات. يقارن الشكل 7 ثلاثة ملفات بيانات لإظهار كيفية تشخيص الضوضاء أو الأحواض الحساسة في بيانات التسجيل أثناء عملية التوحيد القياسي. الأول (الشكل 7A) هو ملف كانت أحواضه الناتجة عن كل ثورة في ذراع طاحونة الطيران قوية ، مما يعني أنها انحرفت إلى حد كبير عن متوسط الجهد في الملف. وفي المقابل، ومع زيادة فترة التوحيد حول المتوسط، لم يطرأ أي تغيير على عدد الأحواض المحددة. وهذا يشير إلى أنه لم يكن هناك ضجيج الجهد، ويمكن للمستخدم ثم تكون واثقة في دقة التوحيد القياسي. من ناحية أخرى ، كان الملف الثالث(الشكل 7C)أحواض إما حساسة للغاية أو لديها ضوضاء الجهد الدخيلة التي لم تنحرف إلى حد كبير عن الجهد المتوسط للملف. ونتيجة لذلك، انخفض عدد الأحواض بشكل كبير مع زيادة فاصل التوحيد القياسي حول المتوسط. سيكون من المستحسن بعد ذلك النظر إلى ملف تسجيل WDH الأصلي لتأكيد ما إذا كانت الحشرة تطير حقا.

من خلال رسم سرعة الرحلة وإحصاءات المدة للفرد ، يمكن توصيف سلوك الرحلة إلى أربع فئات طيران: رشقات نارية (B) ، رشقات نارية مستمرة (BC) ، مستمرة إلى رشقات نارية (CB) ، ومستمرة (C) ، كما هو ممثل في الشكل 8. سافر الفرد الذي أظهر بدقة الطيران المستمر دون انقطاع لمدة 10 دقائق أو أكثر على الأقل بحلول نهاية مرحلة اختبار 30 دقيقة(الشكل 8A). أظهر فرد طار بشكل متقطع طوال مرحلة اختبار 30 دقيقة رحلة انفجار(الشكل 8B). الفرد الذي أظهر في البداية رحلة مستمرة لأكثر من 10 دقيقة ثم مدبب داخل مرحلة اختبار 30 دقيقة في رشقات نارية متفرقة أظهرت مستمرة لانفجار الطيران (الشكل 8C). وأخيرا، أظهر فرد أظهر في البداية انفجار رحلة جوية ثم انتقل إلى رحلة مستمرة لما تبقى من مرحلة اختبار 30 دقيقة وما بعدها انفجارا إلى الطيران المستمر(الشكل 8D). وهكذا ، خاصة بالنموذج الحشرة والإطار التجريبي ، يمكن للمستخدم استخدام هذا الإخراج البياني لتقييم وتحديد أنماط سلوك الطيران العامة على الرغم من الاختلافات الفريدة في المسارات الفردية.

Figure 1
الشكل 1: تصاميم لتكون قطع الليزر لهيكل ورقة بلاستيكية الاكريليك. تم قطع ثمانية صفائح بلاستيكية أكريليك بالليزر من أجل بناء هيكل الدعم البلاستيكي لمطحنة الطيران. تم إنشاء خطوط الملفات في Adobe Illustrator في وضع RGB ، حيث قطع RGB Red (255 و 0 و 0) خطوطا وخطوطا محفورة RGB Blue (0 و 0 و 255). للحصول على وضوح أكبر في هذا الرقم، تم زيادة ضربات خط الملف من 0.0001 نقطة إلى نقطة واحدة. وحدات التنسيق هي مم، والنقطة في الزاوية اليسرى العليا من كل تصميم هي الأصل، حيث يؤدي الانتقال إلى الأسفل وإلى يمين الأصل إلى قيم تصاعدية موجبة. هناك ثلاثة تصاميم ورقة مختلفة: الجدران الرأسية الخارجية, جدار عمودي مركزي, والرفوف الأفقية. الجدارين العمودي الخارجي تنزلق إلى الرفوف الأفقية في الشقوق، وتستخدم ثقوب مستطيلة لتركيب السكك الحديدية دليل خطي المطبوعة 3-D، وكتل، ويدعم. هناك جدار عمودي مركزي واحد مع الشقوق التي تقسم طاحونة الطيران إلى ثماني خلايا ويوفر دعما هيكليا إضافيا. وهناك أيضا خمسة رفوف الأفق مع الشقوق, دوائر محفورة للاحتفال موقع يدعم الأنبوب المغناطيسي, وثقوب مستطيلة صغيرة للسماح للأنابيب يدعم أن يكون ثمل في. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مطحنة الطيران المجمعة. أ) تجميع مطحنة الطيران. تم إدخال كل رف الأفق (HS) في الشقوق المفتوحة من الجدران الرأسية الخارجية (OW) والجدار العمودي المركزي (CW). وعلاوة على ذلك، يتم تعريف كل خلية، أو "غرفة"، مع رسالة قناة (A أو B) التي تتوافق مع مسجل البيانات ورقم قناة (1-4) التي تتوافق مع القناة على مسجل بياناتمحددة . ب) خلية مطحنة الطيران التجمع مع ذراع طاحونة الطيران. يمكن رفع المحامل المغناطيسية أو خفضها عن طريق انزلاق الأنابيب الداخلية داخل الأنابيب الخارجية لضبط ارتفاع الذراع. يمكن أيضا رفع مستشعرات الأشعة تحت الحمراء أو خفضها لمحاذاة أجهزة الاستشعار مع ارتفاع العلم على الذراع. يمكن أيضا إزالة مستشعرات الأشعة تحت الحمراء من كتل السكك الحديدية الدليل الخطية بسهولة إذا كانت بحاجة إلى استبدالها أو فحصها أو إذا كان مطحنة الطيران بحاجة إلى نقلها. توفر الأقواس المتقاطعة دعما هيكليا لكل خلية أكريليك ويمكن إدخالها وإزالتها بسهولة. ج) الخطي دليل السكك الحديدية والتجمع كتلة في إطار الخلية. جميع المكونات ثلاثية الأبعاد ومسامير كل منها في إطار الخلية وصفت لتجميع أكثر وضوحا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: تصاميم مطبوعة ثلاثية الأبعاد. القياسات هي في مم. أ) خطية دليل السكك الحديدية. ب) دليل خطي كتلة السكك الحديدية على شكل لعقد استشعار الأشعة تحت الحمراء. ج) المسمار تستخدم كدعم لاستبدال مسامير الحديد. د) دعم أنبوب. ه) دعم المغناطيس. F) قوس الصليب تستخدم كمصفح إطار الاكريليك ومثبت. ز) دعم طويل وH) دعم قصير للحفاظ على القضبان دليل خطي في مكان. فقط الخطية دليل السكك الحديدية يدعم أن بقية على الوجه الخارجي للجدار الاكريليك تظهر. لا يتم عرض مرايا دعم السكك الحديدية الدليل الخطي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: الدوائر الكهربائية مطحنة الطيران. أ) رسم تخطيطي بسيط من دائرة كهربائية تربط أجهزة الاستشعار الأشعة تحت الحمراء إلى مسجل البيانات. عندما يقطع العلم على ذراع الطاحونة الشعاع المنبعث من جهاز إرسال مستشعر الأشعة تحت الحمراء ، يتوقف التيار عن التدفق إلى جهاز استقبال مستشعر الأشعة تحت الحمراء وينخفض الجهد إلى الصفر. يسجل مسجل البيانات جميع الانخفاضات في الجهد. ب) الدوائر الكهربائية أبرز. كل مربع أصفر يحدد مكونات الدائرة المتصلة بلوحة الخبز. يمكن توصيل دوائر كهربائية متعددة بلوحة خبز واحدة في صفوف متناوبة. حجم لوح الخبز لحام يحد من عدد خلايا الطيران التي يمكن استيعابها. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: الحشرات من مختلف الأحجام رسمت مغناطيسيا ومربطة. أ) Drosophila الميلانوغاستر (ذباب الفاكهة المشتركة) رسمت مغناطيسيا ومربوطة. ذباب الفاكهة هي حشرات صغيرة (طول الجسم 5 مم؛ كتلة = 0.2 ملغ) التي تحتاج أولا إلى تخدير مع الثلج أو CO2 تحت المجهر قبل تطبيق الطلاء المغناطيسي على الصدر. ب) عدم التطابق بين حجم الحشرات وحجم المغناطيس. يجب أن يستوعب المغناطيس على ذراع طاحونة الطيران حجم الحشرة بشكل أفضل. هنا يتم إعاقة مجال الرؤية للحشرة لأن المغناطيس كبير جدا. مغناطيس مخروطي أصغر أو شريط مغناطيسي من شأنه أن يحل هذا عدم التطابق. سي إف) أونكوبيلتوس fasciatus (البق الأعشاب اللبنية) وJaadera haematoloma (البق التوت) رسمت مغناطيسيا ومربوطة. يمكن قرص الحشرات الأكبر (طول الجسم > 5 مم ؛ الكتلة > 0.1 غرام) من أرجلها قبل تطبيق طبقة من الطلاء على الصدر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: أمثلة على تسجيلات رحلات WDH. تمثل أحواض الجهد ثورات كاملة في ذراع طاحونة الطيران. تقسم الخطوط المنقطة الحمراء الشاشة، ويتم تمييز الثواني لكل قسم (ثانية/div) لكل لوحة باللون الأزرق. خطوط عمودية سوداء علامة وقت المؤشر. أ) علامات الأحداث. تم تغيير ثانية / div من 0.2 ثانية / div إلى أقصى حد ، مما يسمح برسم الشكل الموجي بأكمله عبر الشاشة. جميع علامات الأحداث التي يتم التقاطها عبر جميع القنوات ستكون مرئية فقط في القناة الأولى كخطوط تعمل من الجهد الأقصى إلى أسفل إطار حقل القناة. جميع صانعي الحدث لهذه المجموعة التسجيل داخل البيضاوي الأصفر. ب) فقدان الإشارة. في مجموعة تسجيل أخرى، تم تغيير ثانية/div من 0.2 ثانية/div إلى 15 ثانية/div للمساعدة في تصور إشارة مسجلة فقدت من 17:09 إلى 17:15 في القناة 3. وواصلت جميع القنوات الأخرى، مثل القناة 4، العمل على النحو الصحيح. ج) أحواض مزدوجة وأحواض المرآة. أحواض مزدوجة هي عندما ينخفض الجهد، ويرتفع، ومن ثم ينخفض بسرعة ويرتفع مرة أخرى لخلق ما يبدو أن اثنين من أحواض المدمجة في حدث واحد كسر شعاع. تعكس الأحواض المزدوجة بعضها البعض أيضا ، مما يشير إلى أن العلم يتحرك ذهابا وإيابا بين المستشعر ، وهو ما يحدث عادة عندما تتوقف الحشرة عن الطيران. البرامج النصية بيثون الصحيح لكل حالة. د) ضجيج الجهد. بعد الساعة 13:14 بقليل ، يمكن رؤية نتوءات صغيرة في الجهد ، مما يشير إلى ضوضاء الجهد في التسجيل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: بيانات تشخيص الحوض الصغير التمثيلي من Jadera haematoloma (علة التوت الصابوني). يتم التعرف بسهولة على الضوضاء المحتملة أو أحواض حساسة للغاية في تسجيلات الطيران. أ) تسجيل الأمثل وقوية من المثال الفردية 318. لم يكن هناك أي تغيير في عدد أحواض كما زادت قيم الانحراف الحد الأدنى والحد الأقصى، وبالتالي فإن أحواض كانت قوية بما يكفي لتحديدها على الرغم من فاصل زمني كبير التوحيد القياسي. ب) تسجيل دون المستوى الأمثل ، ولكن لا يزال قويا من 371 الفردية على سبيل المثال. هناك انخفاض في عدد الأحواض مع زيادة قيم الانحراف الدنيا والقصية؛ ومع ذلك ، كان الانخفاض ضئيلا (11 حوضا). يمكن أن يكون هناك ضوضاء وبعض أحواض حساسة ولكن لا شيء كبير. ج) تسجيل صاخبة من مثال فردي 176. هناك انخفاض واضح وسريع في عدد الأحواض المحددة على أنها قيم الانحراف الدنيا والقصودة زادت حتى عدد الهضاب في 12 أحواض. وهذا يشير إلى الكثير من الضوضاء المحتملة أو أحواض حساسة للغاية في حين أن أحواض 12 لا تزال أحواض قوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: بيانات رحلة تمثيلية من Jadera haematoloma (علة التوت). يمكن تحديد أربع فئات من سلوك الطيران في تسجيلات الطيران. أ) الطيران المستمر. طار هذا الفرد باستمرار لمدة 1.67 ساعة، بدءا من سرعات عالية ومن ثم خفض مع مرور الوقت إلى سرعات أقل. ب) انفجار الطيران. هذا الشخص طار فقط في رشقات نارية في غضون أول 30 دقيقة من محاكمته. يمكن أن تصل إلى سرعة عالية الانفجارات ولكن هذا الفرد يمكن أن تحتفظ فقط سرعات منخفضة. ج) مستمرة لانفجار الطيران. وقد حافظ هذا الشخص على طيران مستمر لمدة 25 دقيقة ثم اندفع إلى رشقات نارية لمدة 5 دقائق المتبقية من محاكمته. د) الانفجار إلى الطيران المستمر. بدأ هذا الشخص كمفجر ، ليصل إلى سرعات متفرقة عالية ، ثم انتقل إلى الطيران المستمر لمدة 4 ساعة تقريبا .

Figure 9
الشكل 9:تصور القناة التمثيلي لتجارب الطيران المتعددة ضمن مجموعة تسجيلواحدة. يمثل كل لون علة صابون فردية في حرف القناة ورقم القناة المحددين أثناء تجربته. تم استخراج جميع أوقات البدء وأوقات التوقف وأسماء الملفات من ملف .txt مسار الرحلة الفريد لكل فرد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: مفتاح كيرف. Kerf هو سمك المواد إزالتها أو فقدانها في عملية قطع تلك المواد. بالنسبة لقطع الليزر ، سيحدد عاملان مهمان عرض الكيرف: عرض الحزمة ونوع المادة. لاختبار وحساب kerf الدقيق، قطع الليزر المفتاح وتناسب مفتاح العرض 20 ملم في الفتحة التي تناسبها بشكل أكثر أمانا. ثم طرح قيمة عرض الفتحة من قيمة عرض المفتاح. على سبيل المثال، المفتاح بعرض 20 مم الذي يتناسب مع فتحة 19.5 مم سيكون سمك kerf 0.5 مم. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2:مقارنة ترددات أخذ العينات المنخفضة. أ) العلاقة بين انخفاض الجهد والسرعة عن طريق أخذ العينات التردد. يمثل كل لون خط وشكل نقطة تردد أخذ عينات (100 هرتز و75 هرتز و50 هرتز و25 هرتز). انخفاض الجهد مرادف لحجم الحوض الصغير. تناسب الخطوط الانحدارات من الدرجة الثانية، والتي تصف الانخفاض في حجم الحوض الصغير مع زيادة السرعة والارتفاع التالي في حجم الحوض الصغير بسرعات أعلى. يمتد الشريط المظلل من 0 V إلى 0.1 V، والذي يمثل نطاق الجهد الذي يحدث فيه الضوضاء. تم جمع البيانات على الخلية B-4 باستخدام برنامج تسجيل WinDAQ ومع أبعاد علامة احباط 30 مم طولها بعرض 30 ملم. تم نسج ذراع طاحونة الطيران بسرعة باليد وتركها تدور حتى توقفت عن الحركة. ترددات أخذ العينات 25 هرتز أو أقل في خطر سوء تحديد أحواض كضوضاء أثناء التوحيد القياسي والاختبارات التشخيصية. ترددات أخذ العينات من 100 هرتز أو أعلى قوية بشكل خاص في تسجيل أحواض كبيرة لسرعات أقل من 1 م / ثانية. ب) أحجام الحوض الصغير من ترددات أخذ العينات المختلفة ينظر من خلال الموجي. ومع انخفاض ترددات أخذ العينات، يتقلص تمثيلها على الشكل الموجي أيضا. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: مخطط انسيابي للوظائف وهياكل البيانات لكل برنامج نصي Python. يتم تلخيص ووصف لمحة عامة عن المدخلات والعمليات الوظيفية والمخرجات من كل سيناريو بيثون لمطحنة الطيران المقترحة من خلال الأمثلة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

طباعة ثلاثية الأبعاد تكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

ملفات الترميز التكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

توفر طاحونة الطيران الحديثة البسيطة مجموعة من المزايا للباحثين المهتمين بدراسة طيران الحشرات المربوطة من خلال تقديم تصميم موثوق وآلي يختبر حشرات متعددة بكفاءة وفعالية من حيث التكلفة13و31و35. وبالمثل، هناك حافز قوي للباحثين لاعتماد التقنيات والتقنيات الناشئة بسرعة من الصناعة والمجالات العلمية الأخرى كوسيلة لبناء أدوات تجريبية لدراسة النظم الإيكولوجية9و32و33. يستفيد هذا البروتوكول من تقنيتين ناشئتين بسرعة، هما الطابعة ثلاثية الأبعاد وقاطع الليزر، اللذين أصبحا متاحين بشكل متزايد في مساحات الصانعين المجتمعية، من أجل تعزيز طاحونة الطيران البسيطة والحديثة. توفر هذه التحسينات تصميما أكثر مرونة وقابلية للتعديل وقابلية للطي يستوعب الحشرات ذات الأحجام المختلفة ، ويقلل من الضغط على الحشرة ، ويسمح بنقل طاحونة الطيران بسهولة إلى مواقع أو بيئات متعددة. وعلاوة على ذلك، فإن النفقات الإضافية لاستخدام التكنولوجيات ضئيلة أو حتى مجانية. ومع ذلك ، يمكن أن تكون هذه التقنيات أيضا تحديا للتجربة إذا لم يكن الوصول إلى الكفاءة في استخدام محرري الرسومات المتجهة وبرامج الصور ثلاثية الأبعاد متاحا بسهولة. وفي المقابل، تعمل طاحونة الطيران المعروضة هنا على تشجيع الباحثين على دمج التقنيات الناشئة المتاحة في سير عملهم والسماح للباحثين ببناء مطحنة طيران قابلة للتخصيص ومرنة وفعالة دون معرفة متخصصة بالإلكترونيات أو البرمجة أو نماذج CAD.

أقوى جوانب هذا البروتوكول هي تقنيات makerspace التي توسع خيارات تصميم مطحنة الطيران للمستخدم ، واستخدام الطلاء المغناطيسي لتقليل إجهاد الحشرات ، وأتمتة تسجيلات الطيران التي تعالج الحشرات المتعددة داخل تسجيل واحد. يوفر قاطع الليزر قدرات قطع دقيقة ودقيقة يمكنها التعامل مع الوظائف التي تكاد تكون أي تعقيد. يمكن للمستخدم تعديل بنية دعم الاكريليك لتحميل مطبوعات ثلاثية الأبعاد إضافية أو العناصر المشتراة. تتيح الطابعة ثلاثية الأبعاد للمستخدم إنشاء مكونات مطحنة طيران قابلة للتخصيص يمكنها تجاوز المنتجات المكلفة والمصطحة مسبقا ذات الأبعاد القابلة للتعديل الضيق. يمكن أيضا بناء مطبوعات ثلاثية الأبعاد غير مقترحة في هذه الورقة ، مثل منصات الهبوط ، أو الدعامات التي يمكن أن تتبادل بسرعة بين المحامل المغناطيسية والكرة ، أو حتى مرفق جديد يربط حشرة. وأخيرا، فإن استخدام برامج التسجيل الآلي ومخطوطات Python للتمييز بين تجارب الطيران المتعددة ضمن تسجيل واحد يجعل من الممكن دراسة نوبات متقطعة من الطيران إلى نوبات طيران طويلة جدا. ومع ذلك، وبالنظر إلى مدى تغير نشاط الرحلة ومدتها عبر الأنواع، يقترح أن يجري المستخدم تجارب أولية من أجل فهم حدود وأنماط السلوك العام لرحلة الأنواع من أجل تحسين جمع البيانات. يمكن للمستخدم أيضا تقييم سلامة التسجيلات الخاصة بهم باستخدام خريطة الحرارة التشخيصية (صور) ويمكن أن يفسر أي تصحيحات السرعة اللازمة في البرامج النصية.

كما ينبغي على الباحثين أن يكونوا على دراية بالقيود العامة لمطحنة الطيران. وقد أعلنت الدراسات السابقة وحاولت إصلاح قيود الطيران المربوط ، بما في ذلك عدم وجود اتصال قطري للسماح للحشرة بالراحة فيالإرادة 18،31، وعدم وجود الطاقة المستهلكة عند إقلاع حشرة34، والسحب الإضافي الذي تتغلب عليه الحشرة عند دفع ذراع طاحونة الطيران ، والحشرة التي تحتاج إلى تعويض القوى الهوائية الخارجية التي شهدتها بسبب التسارع الطرد المركزي لمسار رحلتها الدائري 6،35. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال هناك تناقضات حول كيفية تصنيف أو تحديد بدقة أكبر الرشقات القصيرة أو "التافهة" التي تعرضها الحشرات ، خاصة عند مقارنة سلوك الطيران وآليات الحشرات المهاجرة الكبيرة بتصرفات الحشرات الصغيرة التي تظهر في الغالبالرحلة 24و36و37 . على الرغم من هذه القيود ، كان هناك تقدم كبير في التقاط وتصنيف سلوك الطيران داخل أنواع الحشرات ، واستمر الباحثون في ربط طاحونة الطيران بتقنيات وأساليب أخرى6و7و8.

وs makerspace كموقع للإبداع والتعاون، والحواجز المنخفضة سوف تلهم الباحثين لاستكشاف القيود تصميم الطباعة 3D أو الليزر قطع تصاميم أكثر تعقيدا. وقد استطلعت الدراسات فعالية مساحات صانع ليس فقط كما تكراري صناعة المنتجات الفضاءات ولكن أيضا كأماكن للتعلم المتسارع10،11،12. طلاب الهندسة عموما سجل أعلى في فهم التصميم، وثائق التصميم، ونوعية النموذج عندما تم إجراء تصاميمهم باستخدام تكنولوجيا makerspace11. بالإضافة إلى ذلك ، انخفض وقت تطوير نموذجهم بنسبة 50 ٪ ، مما يشير إلى أن استكشاف makerspace تفوق على نظرية الروت التقليدية والدورات التدريبية للتطبيق11. وفي المقابل، سيتمكن الباحثون الذين لديهم القليل من المعرفة التصميمية من تعميقها، ويمكن للباحثين الذين هم أيضا معلمون الاستفادة من هذا الفضاء كوسيلة لزيادة تنظيم التصميم والحرفية والبراعة التقنية للطلاب. في تخصص مثل علم البيئة الذي يستخدم بالفعل مجموعة متنوعة من الأدوات للعمل الميداني والمختبري ، يمكن للباحثين أيضا تطوير ومشاركة وتوحيد الأدوات الجديدة أو المحسنة. طاحونة الطيران المقترحة في هذه الورقة ليست سوى بداية ما يمكن أن يكون نهجا لإضفاء الطابع الديمقراطي والانتشار السريع وسائل جديدة لجمع البيانات.

لعبت مطاحن الطيران دورا مهما في تمكين الباحثين من فهم تشتت الحشرات - وهي ظاهرة بيئية لا تزال مستعصية بشكل أساسي في هذا المجال. ويمكن تحقيق التقدم في المستقبل في تصميم وتطبيق طاحونة الطيران مع إتقان الباحثين للتكنولوجيات الناشئة والبرامج المصاحبة لتلك التقنيات. ويمكن أن يشمل ذلك تصميم محامل ذراع طاحونة الطيران التي تسمح بالرفع الرأسي أو تمنح الحشرة مرونة أكبر في اتجاه الرحلة. بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون دقة قواطع الليزر والطابعات ثلاثية الأبعاد ضرورية للباحثين المهتمين بتقليص ومعايرة الحشرات الصغيرة ذات القدرات الحوامة في الغالب. وفي المقابل، كان الهدف من هذا البروتوكول هو توفير دخول سهل لهذه التقنيات مع بناء أحد الأجهزة الأكثر شيوعا وفائدة في مجال الإيكولوجيا السلوكية - طاحونة الطيران. إذا تمكن الباحثون من الوصول إلى مساحة صانع مجتمعية والتزموا بالتنقل في تقنياتها ، فإن التحسينات والتحسينات الناتجة عن طاحونة الطيران الحديثة ستؤدي إلى تصميم مطحنة طيران مبتكرة وتعاونية وستواصل تقديم رؤى حول الصفات والآليات الأساسية التي تؤثر على اختلافات وأنماط أنواع الحشرات في الحركة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحب البلاغ ما يكشف عنه.

Acknowledgments

أود أن أشكر ميريديث سينزر على شراء جميع مواد مطحنة الطيران وتقديم ردود فعل مستمرة من البناء إلى كتابة المشروع. كما أشكر آنا سيلبرغ على مساهماتها في standardize_troughs.py. وأخيرا، أشكر مركز الفنون والبيانات والتصميم الإعلامي (MADD) في جامعة شيكاغو على الإذن باستخدام معداته وتكنولوجياه ولوازمه المشتركة مجانا.

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

الهندسة، العدد 169، مطحنة الطيران، مساحة الصانع، الطباعة ثلاثية الأبعاد، قطع الليزر، التشغيل الآلي، فحص الطيران
بناء مطحنة طيران معززة لدراسة رحلة الحشرات المربوطة
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