Waiting
Login processing...

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

Engineering

Bygge en forbedret flymølle for studiet av tethered insektflyvning

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

Summary

Denne protokollen bruker tredimensjonale (3D) skrivere og laserkuttere som finnes i makerspaces for å skape en mer fleksibel flymølledesign. Ved å bruke denne teknologien kan forskere redusere kostnadene, forbedre designfleksibilitet og generere reproduserbart arbeid når de bygger sine flymøller for tethered insektflygingsstudier.

Abstract

Makerspaces har et stort potensial for å gjøre det mulig for forskere å utvikle nye teknikker og arbeide med nye arter i økologisk forskning. Denne protokollen viser hvordan du kan dra nytte av teknologien som finnes i makerspaces for å bygge en mer allsidig flymølle til en relativt lav pris. Gitt at denne studien hentet ut prototypen fra flymøller bygget det siste tiåret, fokuserer denne protokollen mer på å skissere avvik laget av den enkle, moderne flyfabrikken. Tidligere studier har allerede vist hvor fordelaktige flymøller er for å måle flyparametere som hastighet, avstand eller periodicitet. Slike møller har gjort det mulig for forskere å knytte disse parametrene til morfologiske, fysiologiske eller genetiske faktorer. I tillegg til disse fordelene diskuterer denne studien fordelene ved å bruke teknologien i makerspaces, som 3D-skrivere og laserkuttere, for å bygge en mer fleksibel, solid og sammenleggbar flymølledesign. Spesielt tillater de 3D-trykte komponentene i dette designet brukeren å teste insekter av forskjellige størrelser ved å gjøre høydene på fresearmen og infrarøde (IR) sensorer justerbare. 3D-utskriftene gjør det også mulig for brukeren å enkelt demontere maskinen for rask lagring eller transport til feltet. Videre gjør denne studien større bruk av magneter og magnetisk maling for å tether insekter med minimal stress. Til slutt beskriver denne protokollen en allsidig analyse av flydata gjennom dataskript som effektivt skiller og analyserer differensierbare flyforsøk i ett enkelt opptak. Selv om det er mer arbeidskrevende å bruke verktøyene som er tilgjengelige i makerspaces og på online 3D-modelleringsprogrammer, letter tverrfaglig og prosessorientert praksis og hjelper forskere med å unngå kostbare, forhåndslagde produkter med smalt justerbare dimensjoner. Ved å dra nytte av fleksibiliteten og reproduserbarheten til teknologi i makerspaces, fremmer denne protokollen kreativ flymølledesign og inspirerer til åpen vitenskap.

Introduction

Gitt hvor intractable spredningen av insekter er i feltet, har flymøllen blitt et vanlig laboratorieverktøy for å adressere et viktig økologisk fenomen - hvordan insekter beveger seg. Som en konsekvens, siden pionerene i flymøllen1,2,3,4 innledet i seks tiår med flymølledesign og konstruksjon, har det vært merkbare designskift etter hvert som teknologiene forbedret seg og ble mer integrert i vitenskapelige samfunn. Over tid erstattet automatisert datainnsamlingsprogramvare kartopptakere, og flymøllearmer gikk fra glassstenger til karbonstenger og stålrør5. Bare i løpet av det siste tiåret har magnetiske lagre erstattet Teflon- eller glasslagre som optimalt friksjonsfrie, og par mellom flymøllemaskiner og allsidig teknologi har spredd seg etter hvert som lyd-, visuell- og lagproduksjonsteknologi blir stadig mer integrert i forskernes arbeidsflyter. Disse paringene har inkludert høyhastighets videokameraer for å måle vingeakrodynamikk6, digitale til analoge tavler for å etterligne sensoriske signaler for å studere auditive flyresponser7og 3D-utskrift for å lage en kalibreringsrigg for å spore vingedeformasjon under flight8. Med den nylige fremveksten av nye teknologier på makerspaces, spesielt ved institusjoner med digitale mediesentre drevet av kunnskapsrike ansatte9, er det større muligheter for å forbedre flyfabrikken for å teste et større spekter av insekter og å transportere enheten til feltet. Det er også et stort potensial for forskere å krysse disiplinære grenser og akselerere teknisk læring gjennom produksjonsbasert arbeid9,10,11,12. Flymøllen som presenteres her (tilpasset fra Attisano og kollegene13) drar nytte av nye teknologier som finnes i makerspaces for ikke bare å 1) lage flymøllekomponenter hvis vekter og dimensjoner er finjustert til prosjektet for hånden, men også 2) tilbyr forskere en tilgjengelig protokoll i laserskjæring og 3D-utskrift uten å kreve et høyt budsjett eller spesialisert kunnskap om dataassistert design (CAD).

Fordelene med å koble sammen ny teknologi og metoder med flyfabrikken er betydelige, men flymøller er også verdifulle frittstående maskiner. Flymøller måler insektfluktytelse og brukes til å bestemme hvordan flyhastighet, avstand eller periodicitet er relatert til miljømessige eller økologiske faktorer, for eksempel temperatur, relativ fuktighet, sesong, vertsplante, kroppsmasse, morfologiske egenskaper, alder og reproduktiv aktivitet. Bortsett fra alternative metoder som aktografer, tredemøller og videoopptak av flybevegelse i vindtunneler og innendørs arenaer14, er flymøllen kjent for sin evne til å samle ulike flyytelsesstatistikker under laboratorieforhold. Dette hjelper økologer med å ta opp viktige spørsmål om flyspredning, og det hjelper dem å utvikle seg i deres disiplin - enten det er integrert skadedyrshåndtering15,16,17, populasjonsdynamikk, genetikk, biogeografi, livshistoriestrategier18eller fenotypisk plastisitet19,20,21,22 . På den annen side kan enheter som høyhastighetskameraer og aktografier kreve et strengt, komplisert og dyrt oppsett, men de kan også føre til mer finjusterte bevegelsesparametere, for eksempel vinge-beat-frekvenser og insektfotofaseaktivitet23,24. Dermed fungerer flymøllen som presenteres her som et fleksibelt, rimelig og tilpassbart alternativ for forskere å undersøke flyadferd.

På samme måte fortsetter insentivet til å integrere nye teknologier i økologenes arbeidsflyt å stige etter hvert som spørsmål og tilnærminger til å studere spredning blir mer kreative og komplekse. Som steder som fremmer innovasjon, trekker makerspaces i flere nivåer av ekspertise og tilbyr en lav læringskurve for brukere i alle aldre for å skaffe seg nye tekniske ferdigheter10,12. Den iterative og samarbeidende karakteren av prototyping av vitenskapelige enheter i makerspace og gjennom online åpne kilder kan akselerere anvendelsen av teori11 og lette produktutviklingen i de økologiske vitenskapene. Videre vil det å øke reproduserbarheten av vitenskapelige verktøy oppmuntre til bredere datainnsamling og åpen vitenskap. Dette kan hjelpe forskere med å standardisere utstyr eller metoder for måling av spredning. Standardiseringsverktøy kan ytterligere gjøre det mulig for økologer å forene spredningsdata på tvers av populasjoner for å teste metapopulasjoner som utvikler seg fra spredningskjerner25 eller kildevaskkoloniseringsdynamikk26. I likhet med hvordan det medisinske samfunnet tar i bruk 3D-utskrift for pasientbehandling og anatomiutdanning27, kan økologer bruke laserkuttere og 3D-skrivere til å redesigne økologiske verktøy og utdanning, og innenfor rammen av denne studien kan designe flere flymøllekomponenter, for eksempel landingsplattformer eller en flymøllearm som kan bevege seg vertikalt. Tilpasningen, kostnadseffektiviteten og den økte produktiviteten som tilbys av makerspace-teknologi, kan igjen bidra til å starte opp spredningsprosjekter med en relativt lav barriere for forskere som har til hensikt å utvikle sine egne verktøy og enheter.

For å konstruere denne flyfabrikken er det også mekaniske og instrumentelle begrensninger som kan vurderes av produsenten. Magneter og 3D-trykte forbedringer gjør at flymøllen i hovedsak er limløs, bortsett fra bygging av kryssbrakettene, og å være imøtekommende for insekter av forskjellige størrelser. Men etter hvert som massen og styrken av insekter øker, kan insekter være mer sannsynlig å demontere seg selv mens de er bundet. Sterke magneter kan brukes på bekostning av økt torsjons drag, eller kulelagre kan erstatte magnetiske lagre som en robust løsning for flytesting av insekter som veier flere gram28,29. Likevel kan kulelagre også presentere noen problemer, hovedsakelig at kjøring av langvarige eksperimenter med høye hastigheter og høye temperaturer kan forringe smøringen av kulelagre, noe som økerfriksjonen 30. Dermed må brukerne skjelne hvilke flymøllemekanikker som passer best til deres insekt (er) av studie og eksperimentell design.

På samme måte er det flere måter å instrumentere en flymølle som er utenfor dette papirets hensyn. Flymøllen som presenteres her bruker IR-sensorer for å oppdage omdreininger, WinDAQ-programvare for å registrere omdreininger og programmeringsskript for å behandle rådataene. Selv om den er enkel å bruke, har WinDAQ-programvaren et begrenset utvalg av verktøy tilgjengelig. Brukere kan ikke legge ved kommentarer til den tilsvarende kanalen, og de kan ikke varsles hvis noen av kretsene mislykkes. Disse sakene løses ved å oppdage og korrigere dem gjennom kode, men bare etter datainnsamling. Alternativt kan brukere ta i bruk mer enn én programvare som tilbyr tilpassbare datainnsamlingsfunksjoner28 eller sensorer som tar direkte hastighets- og avstandsstatistikk, for eksempel sykkelmilometere29. Disse alternativene kan imidlertid omgå verdifulle rådata eller spre funksjonalitet på tvers av for mange programmer, noe som kan gjøre databehandling ineffektiv. Til syvende og sist, i stedet for å omforme flymølleinstrumentering, tilbyr denne protokollen robuste programmeringsløsninger til dagens programvarebegrensninger.

I dette dokumentet beskrives et design for en forbedret enkel flymølle for å hjelpe forskere i deres spredningsstudier og for å oppmuntre til innlemmelse av nye teknologier innen atferdsøkologi. Denne flymøllen passer innenfor begrensningene til en inkubator, holder opptil åtte insekter samtidig, og automatiserer datainnsamling og behandling. Spesielt tillater de 3D-trykte forbedringene brukeren å justere fresearmen og IR-sensorhøydene for å teste insekter av forskjellige størrelser og demontere enheten for rask lagring eller transport. Takket være institusjonell tilgang til et felles makerspace var alle forbedringer gratis, og ingen ekstra kostnader ble påløpt sammenlignet med den enkle, moderne flyfabrikken. All programvare som trengs er gratis, den elektroniske kretsen er enkel, og alle skript kan endres for å følge de spesifikke behovene til eksperimentell design. Videre tillater kodet diagnostikk brukeren å sjekke integriteten og presisjonen til opptakene sine. Til slutt minimerer denne protokollen stresset som opprettholdes av et insekt ved magnetisk maling og tethering insekter til møllearmen. Med monteringen av den enkle flyfabrikken som allerede er tilgjengelig, rimelig og fleksibel, kan bruken av makerspace-teknologier for å forbedre den enkle flyfabrikken gi forskere plass til å overvinne sine egne spesifikke flystudiebehov og kan inspirere kreative flymølledesign utover dette papirets betraktninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bygg flight mill i et makerspace

  1. Laserkutt og monter akryl plaststøttestrukturen.
    1. Bruk 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) tykke gjennomsiktige akrylplater for å konstruere akrylplaststøttestrukturen. Forsikre deg om at materialet ikke er polykarbonat, som ser ut som akryl, men vil smelte i stedet for å bli kuttet under laseren.
    2. Finn laserkutteren i makerspace. Denne protokollen forutsetter at makerspace har en laserkutter som referert i Materialtabellen. For andre laserkuttere, les laserkutterinnstillingene for å bestemme hvilken linjefarge eller tykkelse som trengs for å angi at fillinjene skal laserskjæres eller graveres (må ikke rastreres).
    3. Åpne Adobe Illustrator, Inkscape (gratis) eller et annet redigeringsprogram for vektorgrafikk. Klargjør en fil som leser akrylstøtteutformingen i et vektorformat med de nevnte linjene vist i figur 1. Opprett fillinjer i Adobe Illustrator i rød, grønn og blå modus (RGB) med et linjestrektrykk på 0,0001 punkt der RGB Rød (255, 0, 0) kutter linjer og RGB Blue (0, 0, 255) etser linjer.
    4. Som en forholdsregel, test og ta hensyn til kerf for alle spalte- og hullmålinger. Design og test utligningsnøkkelen (Tilleggsfigur 1).
      MERK: Bredden på skjærekanten kan variere avhengig av strålebredden på laserkutteren, bredden på materialet og materialtypen som brukes.
    5. Lagre akrylstøtteutformingene og utligningsnøkkelen som lesbare filtyper, for eksempel .ai-, .dxf- eller .svg filer. Hvis du vil sende jobben til laserkutteren, skriver du ut filen på laserkutterens lokale maskin og åpner laserprogramvaren.
      MERK: Hvis de skrives ut riktig, vises alle vektorskjærelinjene i designet med de riktige tilsvarende fargene i laserprogramvarens kontrollpanel.
    6. Velg materialet som Plast , og deretter materialtypen som Akryl. For ekstra presisjon, mål materialtykkelsen med et kaliper og skriv inn tykkelsen i materialtykkelsesfeltet. Aktiver Z-aksen for materialets fokuspunkt automatisk. Sett Figurtype til Ingen , og la intensiteten være 0 %. Hvis du vil endre eventuelle avanserte beregninger på laserkutteren, for eksempel laserens % effekt eller % hastighet, tester du med utligningsnøkkelen.
      MERK: Tommelfingerregelen er at jo tykkere materialet er, jo mer kraft kreves med lavere hastighet.
    7. Før du kutter, følg makerspaceens retningslinjer for å slå på, bruke og vedlikeholde laserkutteren. Plasser materialene i skriverhulen og kutt akrylstøttene.
      MERK: For å unngå mulig øyeskade må du ikke se på laseren eller la akrylplaten stå uten tilsyn under kuttingen.
    8. Rengjør overflødig materiale ut av skriverhulen og monter støttestrukturen. Monter ved å sette inn hver horisonthylle i de åpne spaltene på de utvendige vertikale veggene og den sentrale vertikale veggen som merket i figur 2A. Pass på at hullene mellom de horisontale hyllene er justert.
  2. 3D-print plaststøttene.
    1. Åpne en nettleser og opprett en konto i et online 3D-modelleringsprogram. Se materialfortegnelsen for et gratis kontoalternativ.
    2. Klikk på 3D Designs > Opprett et nytt design. Hvis du vil replikere den nøyaktige 3D-utskrevne utformingen for denne studien, som vist i figur 3, laster du ned arkivet 3D_Prints.zip (Ekstra 3D-utskrifter), og flytter mappen til skrivebordet. Pakk ut og åpne mappen. I den elektroniske 3D-modelleringsprogrammet workplane nettside, klikk på Importer øverst til høyre og velg .stl fil(er).
      MERK: Flere designrepliseringer eller objekter kan fylle arbeidsplanen og lagres som en enkelt STL-fil så lenge brukeren begrenser objektene innenfor grensene til byggeområdet til 3D-skriveren. Det største objektet en 3D-skriver kan skrive ut, er 140 mm lengde x 140 mm bredde x 140 mm dybde. Roter imidlertid ikke objektene langs z-aksen for å maksimere antall objekter på et byggeområde. Det er fordi de nedlastede objektene er plassert for å minimere overheng, og slik at de kan skrives ut optimalt med de minimale nødvendige støttene.
    3. Hvis du vil opprette eller gjøre justeringer i utformingene selv, følger du webområdets opplæringsprogrammer, gjør endringer og eksporterer deretter de nye designene som STL-filer. Totalt sett, 8 lineære føringsskinner (100,05 mm lengde x 23,50 mm bredde x 7,00 mm dybde), 16 lineære føringsskinneblokker (22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm dybde), 22,08 mm lengde x 11,47 mm bredde x 12,47 mm 12 til 20 skruer (9,00 mm lengde x 7,60 mm bredde x 13,00 mm dybde), 15 tverrbraketter (50,00 mm lengde x 50,00 mm bredde x 20,00 mm dybde), 16 magnetholdere (12,75 mm lengde x 12,50 mm bredde x 15,75 mm dybde), 16 rørstøtter (29,22 mm lengde x 29,19 mm bredde x 11,00 mm dybde), 16 korte lineære føringsskinnestøtter (40,00 mm lengde x 11,00 mm bredde x 13,00 mm dybde) og 16 lange lineære føringsskinnestøtter (40,00 mm lengde x 16,00 mm bredde x 13,00 mm dybde) må skrives ut i 3D. Hvis du vil ha speilet til hver lineære føringsskinneutforming, klikker du objektet, trykker på Mog velger pilen som tilsvarer objektets bredde.
      MERK: Se trinn 1.3.6. for mer informasjon om de lineære føringsskinnepinnene.
    4. Last ned og installer en 3D-utskriftsslicing-programvare for å konvertere STL-filer til en 3D-skriver lesbar GX-fil. Se materialfortegnelsen for å laste ned gratisprogrammet.
      MERK: Andre konverteringsprogrammer godtas, men denne protokollen forutsetter at makerspace bruker 3D-skriveren og utskriftsslicing-programvaren som referert i Materialtabellen.
    5. Dobbeltklikk ikonet for 3D-utskriftsskjæreprogramvaren for å starte programvaren. Klikk Skriv ut > maskintype, og velg 3D-skriveren som er plassert i makerspace.
    6. Klikk Last inn-ikonet for å laste inn en STL-modellfil og vise objektet i byggeområdet.
    7. Merk objektet, og dobbeltklikk Flytt -ikonet. Klikk på Plattform for å sikre at modellen er på plattformen. Klikk Midtstill for å plassere objektet midt i byggeområdet, eller dra objektet med musepekeren for å plassere objektet på byggeområdet.
    8. Klikk på Skriv ut-ikonet. Kontroller at Materialtype er satt til PLA, støtter og flåte er aktivert, Oppløsning er satt til Standard, og temperaturen på ekstruderen samsvarer med temperaturen som foreslås av 3D-skriverføreren. Temperaturen kan endres i Flere alternativer >> Temperatur.
    9. Trykk OK og lagre GX-filen i 3D_Prints-mappen eller på en USB-pinne hvis filen ikke kan overføres til 3D-skriveren via en USB-kabel.
    10. Finn 3D-utskriftsmaskinen til et makerspace. Kalibrer ekstruderen og sørg for at det er nok filament til utskrift. Overfør GX-filen til 3D-skriveren og skriv ut alle typer og mengder plaststøtter og forbedringer. For hver utskrift må du kontrollere at filamentet sitter riktig på platen.
  3. Sett sammen 3D-utskrifter på akrylstøttestrukturen.
    1. Hvis du vil visualisere alle støttene på plass, se Figur 2B.
    2. Varm lim de 3,175 mm tykke neoprenplatene på tverrbrakettens indre vegger. Når det er tørt, sett inn kryssbrakettene i kryssene på akrylhyllene og veggene på baksiden av enheten for å stabilisere flymøllen.
    3. Der det er mulig, bruk 3D-trykte skruer for å minimere den magnetiske påvirkningen av jernskruer. Skru inn rørstøttene på bunnen og toppen av hver celle. Kontroller at topp- og bunnrørstøttene er justert.
    4. Sett inn et 30 mm langt plastrør (indre diameter (ID) 9,525 mm; ytre diameter (OD) 12,7 mm) i topprørstøtten og et 15 mm langt plastrør (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) inn i bunnrørstøtten til hver celle. Sett deretter inn et 40 mm langt plastrør (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) inn i topprøret og et 20 mm langt plastrør (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) inn i bunnrøret. Pass på at det er sterk nok friksjon mellom rørene til å holde rørene på plass, men ikke for mye at det indre røret fortsatt kan gli opp og ned hvis det trekkes på. Hvis rørene er fordreid, senk segmentene av rørene i 1 min i kokende vann. Rett ut rørene på et håndkle, la dem nå romtemperatur og sett deretter inn rørene.
    5. Plasser de to lavfriksjons neodymiummagnetene (10 mm diameter; 4 mm lengde; 2,22 kg holdekraft) i hver magnetstøtte. Forsikre deg om at hvert par magneter avviser hverandre. Deretter legger du fast et indre rør i hver magnetstøtte slik at tyngdekraften som virker på magnetene og magnetstøtten ikke er sterk nok til å løsne støtten fra det indre røret.
    6. Skyv to lineære føringsskinneblokker inn i den lineære føringsskinnen i samme retning. Ta de lineære føringsskinnene og blokkene rett inn i vinduene på de ytre vertikale veggene. Påse at blokkåpningene vender oppover. For å feste en lineær føringsskinne på plass, bruk to korte lineære føringsskinnestøtter, to lange lineære føringsskinnestøtter, fire 10 mm lange jernskruer (M5; 0,8 gjengehøyde; 5 mm diameter) og to sekskantmuttere (M5; 0,8 gjengehøyde; 5 mm diameter). Figur 2C viser full montering av den lineære føringsskinnen.
      MERK: Åpne spor i den lineære føringsskinnen er ment å brukes hvis og bare hvis den lineære føringsskinnen blir erodert ved gjentatt glidning av blokken. I så fall skriver 3D ut en liten T-formet pinne som finnes i 3D_Prints-mappen.
  4. Konstruer dreiearmen.
    MERK: Underseksjonene 1.4.1 og 1.4.2 tilsvarer delseksjonene 1.2.2. og 1.2.3. i Attisano et al. 2015 metoder papir13.
    1. Punkter filteret til en 20 μL filtrert pipettespiss ved senterpunktet ved hjelp av en entomologisk pinne. Skyv deretter pinnen gjennom pipettespissen til stålendene på pinnen stikker ut fra pipettespissens kropp. Påse at filteret på pipettespissen fester pinnen på plass. Pinnen fungerer som aksen til flymøllearmen.
    2. For å maksimere celleplassen, kutt en 19 G ikke-magnetisk hypodermisk stålrør til en lengde på 24 cm (1 cm mindre enn bredden på en flycelle). Varm lim den fremspringende pinnen og kronen på pipettespissen fra trinn 1.4.1. midtpunktet på slangen. Bøy den ene enden av slangen på 2 cm fra enden til en vinkel på 95°.
      MERK: For å prioritere insektstørrelse i stedet for å maksimere celleplassen, forkort armradiusen for mindre insekter eller svake flygeblad. En lengre flyarm kan også monteres hvis senterakrylveggen fjernes for større insekter eller sterke flygeblad. Videre kan den bøyde enden av armen støtte forskjellige vinkler for å plassere insektet i sin naturlige flyorientering.
    3. For å teste den magnetiske fjæringen, plasser armen mellom det øverste settet med magneter. Pass på at den roterende armen spinner fritt rundt den vertikalt hengende pinnen.
    4. Lim de to lavfriksjons neodymiummagnetene (3,05 mm diameter; 1,58 mm lengde; 0,23 kg holdekraft) på den bøyde enden av dreiearmen for å tether det magnetisk malte insektet for flytur (masse av flymøllearm med magneter = 1,4 g). På den unbent enden av dreiearmen, pakk et stykke aluminiumsfolie (masse per område = 0,01 g / cm2) for å lage et flagg. Folieflagget fungerer som en motvekt, og på grunn av de svært reflekterende egenskapene bryter det optimalt IR-strålen som sendes fra IR-sensorsenderen til mottakeren.
      MERK: Diameteren på IR-strålen er på det meste 2,4 mm, så den optimale minimumsbredden på folieflagget er 3 mm. En folie flaggbredde på 3 mm og plassert for å bryte strålen av IR-lys foran sensorens senderlinse vil produsere et fall i spenningen som kan påvises under analyser.
  5. Sett opp IR-sensoren og dataloggeren.
    1. Plasser IR-sensorsenderen inne i den øverste lineære føringsskinneblokken med senderen av strålen vendt nedover. Plasser deretter IR-sensormottakeren inne i den nederste blokken vendt oppover.
      MERK: Sensorene (20 mm lengde x 10 mm bredde x 8 mm dybde) kan separeres opp til en avstand på 250 mm og fortsatt fungere; Derfor vil de fungere selv når de er plassert i enden av den ca. 100 mm lineære føringsskinnen.
    2. På et loddfritt brødbrett kobler du IR-sensorsenderen og mottakeren i serie med den 4-kanals analoge inngangsdataloggeren, som vist i den elektroniske kretsen i figur 4A. Koble først til IR-sensorsenderen (ikke mottakeren) etter 180 Ω motstand. Plasser en annen 2,2 kΩ motstand før utgangen av IR-mottakertilkoblingen. Konfigurer hver kanals elektroniske krets i annenhver rad langs brødplaten for å minimere støy i spenningssignalet fra flere sensorer under opptak (Figur 4B).

2. Gjennomføre flyforsøk

  1. Magnetisk tether insekter til flymøllearmen.
    1. For å minimere stress plassert på insektet, bruk magnetisk maling på insektets pronotum ved hjelp av enten en tannpirker eller en finlinjepresisjonsapplikator (20 G tips). La malingen tørke i minst 10 min. Når det er tørt, fest insektet til flymøllearmmagnetene. Se figur 5 for eksempler på magnetisk maling og tethering insekter av forskjellige størrelser. Denne protokollen bruker Jadera hematoloma (såpebær bug) som modell insekt for fly tethering og prøve eksperimentering.
      MERK: For en sterkere tiltrekning mellom insektet og armmagnetene, bruk flere lag magnetisk maling. I tillegg bytter du ut magnetene festet til enden av flymøllearmen for magnetstørrelser som best imøtekommer insektenes synsfelt, masse og vingeområde.
    2. Fly opptil 8 insekter om gangen i flymøllen. Mal prep minst 16 insekter for å teste flere insekter sekvensielt under en enkelt opptaksøkt.
    3. For å fjerne den magnetiske malingen etter testing, spon malingen med fine tang og kast den i henhold til Environmental Protection Agency (EPA) og HMS-forskrifter (OSHA).
  2. Ta opp flere insekter sekvensielt uten å avslutte en innspillingsøkt ved hjelp av WinDAQs Event Comment-verktøy.
    1. Last ned og installer den gratis WinDAQ-programvaren for dataopptak og avspilling.
    2. Opprett en ny mappe med tittelen Flight_scripts på skrivebordet. Opprett fem nye mapper med følgende eksakte navn i Flight_scripts-mappen: data, filer2split, innspillinger, split_filesog standardized_files. Last ned dataarket.xlsx (Tilleggsfil 1) og dra filen til datamappen i mappen Flight_scripts.
    3. Bruk dataarket.xlsx som en manuell dataregistreringsmal. Minimum fire kolonner er nødvendig: identifikasjonsnummeret til feilen, om feilen døde før den ble testet, opptakssettnummeret og kammeret som består av kanalbokstaven og kanalnummeret (f.eks. Se figur 2A for en mulig kammerkonfigurasjon.
    4. Åpne WinDAQ Dashboard, velg dataloggeren(e) fra listen over avmerkingsbokser, og trykk 'Start Windaq Software'. Et nytt vindu åpnes for hver valgt datalogger, og inngangssignalet fra hver sensor vises.
    5. Definer en samplingsfrekvens ved å klikke Rediger > samplingsfrekvens. Skriv inn en samplingsfrekvens på 100 prøver/sekund i boksen Samplingsfrekvens/kanal , og trykk OK.
      MERK: Denne protokollen antyder 100 S/s fordi troughs, som er fall i spenning som følge av at flagget forstyrrer IR-sensorstrålen, fortsatt vil nå et minimumsfall i spenning på 0,36 V for hastigheter på 1,7 m/s. I sin tur kan støy, som har en maksimal spenningsfall på 0,10 V, fortsatt filtreres under standardiseringer uten filtrering av ekte troughs. I tillegg gjør en samplingsfrekvens på 100 S/s det enkelt for brukeren å se troughs på bølgeformen på skjermen under og etter opptak. Hvis det oppstår feil under innspillingen, kan brukeren raskt skjelne troughs fra feil eller støy. Se Supplerende figur 2 for sammenligninger mellom flere lave utvalgsfrekvenser.
    6. Hvis du vil starte en ny innspillingsøkt, trykker du Fil > Spill inn. Velg plasseringen til innspillingsfilen i det første popup-vinduet. Skriv filnavnet nøye. Filer må ha minst følgende i navnene: innspillingssettnummeret og kanalbokstaven. Et eksempel på et filnavn som er modellert i Python-skriptene, er følgende: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Se split_files.py linje 78-87 fra Flight_scripts-mappen for å få mer informasjon. Trykk deretter OK.
    7. I det neste popup-vinduet angir du den forventede lengden på flyopptaket. Trykk OK når insektene er i stand til å begynne å fly. Når innspillingstiden er utløpt, trykker du CTRL-S for å fullføre filen. Ikke trykk Ctrl-S med mindre det er behov for å avslutte innspillingen tidlig.
      MERK: Hvis filen avsluttes for tidlig, enten ved å skrive Ctrl+S eller den nevnte tiden var for kort, legger du til en ny innspilling i en eksisterende fil ved å klikke På Fil >Post. Velg filen du vil føye til, og klikk ja i popup-vinduet nedenfor.
    8. Når du trekker ut testede insekter under innspillingen, sett inn en kommentert hendelsesmarkør for det innkommende insektet ved det valgte kammeret. Registrer alltid ID-en, kammeret og opptakssettet til det innkommende insektet manuelt i dataark.xlsx før du bytter insekter.
    9. Hvis du vil lage en kommentar til en hendelsesmarkør, klikker du kanalnummeret. Deretter klikker du Rediger > Sett inn kommentert merke. Definer kommentaren med identifikasjonsnummeret til det nye insektet som kommer inn i kammeret. Trykk OK og last insektet inn i kammeret.
  3. Visualiser kommentarer til hendelsesmarkører, og konverter filen fra WDH til TXT.
    1. Åpne en WDH-fil. Visualiser kommentarer til hendelsesmarkører ved å gå til Rediger > komprimering... , og klikk deretter Maksimum -knappen for å komprimere bølgeformen fullstendig i ett vindu (Figur 6A).
    2. Se etter eventuelle abnormiteter i opptaket.
      MERK: Typene abnormiteter eller feil i opptaket vises i figur 6. Disse diagnostiseres senere og korrigeres i Python-skriptene.
    3. Lagre filen i et .txt format ved å gå til Lagre som > Fil. Velg innspillingsmappen i Flight_scripts-katalogen som plassering for lagring av filen. Velg filtypen som Regnearkutskrift (CSV) i popup-vinduet, og skriv filnavnet med .txt på slutten. Klikk Lagre. I popup-vinduet nedenfor velger du Samplingsfrekvens, Relativ klokkeslettog Dato og klokkeslett. Skriv inn 1 mellom Kanalnummer og Hendelsesindikatorer. Fjern merket for alle andre alternativer, og klikk OK for å lagre filen.

3. Analysere flydata

  1. Del filer etter kommentarer fra hendelsesmarkøren.
    1. Installer den nyeste versjonen av Python. Alle skript i denne protokollen ble utviklet på Python versjon 3.8.0.
    2. Last ned følgende Python-skript: split_files.py, standardize_troughs.pyog flight_analysis.py (Ekstra kodefiler). Flytt skriptene til Flight_scripts mappen.
    3. Kontroller at Python er oppdatert og installer følgende biblioteker: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math og matplotlib. Hvis du vil se hovedfunksjonene og datastrukturene til skriptene, se skjematisk i Supplerende figur 3.
    4. Åpne dataarket.xlsx fil og lagre som en CSV-fil ved å endre filformatet til CSV UTF-8 (kommadelt) hvis du kjører Windows- eller Macintosh-komma atskilt hvis du kjører Mac.
    5. Åpne split_files.py-ikonet med tekstredigeringsprogrammet du velger. Hvis det ikke er noen preferanse, høyreklikker du skriptikonet og velger Åpne med IDLE.
    6. Kod linjene 133-135 og 232-233 på nytt hvis brukeren skrev et annet filnavn enn den foreslåtte malen ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Hvis du vil kode skriptet på nytt for å få plass til forskjellige filnavn ved hjelp av split()-funksjonen, kan du se linje 116-131.
    7. I linje 266 skriver du inn banen til mappen Flight_scripts, og kjører skriptet. Etter en vellykket kjøring genererer skriptet mellomliggende .txt filer med kartlagte insekt-IDer i files2split-mappen og .txt filer for hvert insekt som testes i hvert opptakssett i split_files-mappen, i Flight_scripts-katalogen.
      MERK: I tillegg, i Python Shell, bør brukerne se trykte uttalelser av filnavnet, hvilke insekter som byttes på en nummerert hendelsesmarkør, og hvilke filer som deles og genereres i nye filer av insekt-ID.
  2. Standardiser og velg troughs i det registrerte signalet.
    1. Åpne standardize_troughs.py-ikonet med tekstredigeringsprogrammet du velger. Hvis det ikke er noen preferanse, høyreklikker du skriptikonet og velger Åpne med IDLE.
    2. I linje 158 skriver du inn samplingsfrekvensen.
    3. I linje 159 skriver du inn banen til Flight_scripts mappe, og kjører skriptet. Hvis skriptet kjører, genererer det filer i standardized_files-mappen i Flight_scripts-mappen.
      MERK: Alle filer skal starte med 'standardized_' og slutte med det opprinnelige filnavnet.
    4. Sjekk kvaliteten på opptakene: Åpne trough_diagnostic.png som genereres av standardize_troughs.py i Flight_scripts-mappen. Forsikre deg om at alle poster er robuste mot endringer i minimums- og maksimumsspenningsverdien til gjennomsnittlig standardiseringsintervall.
      MERK: Opptak kan ha mye støy eller ha altfor følsomme troughs hvis de viser store reduksjoner i antall troughs identifisert når minimums- og maksimumsavviksverdiene økes. Ytterligere diagnostikk for min-max normaliseringsfaktoren kan også kodes, utføres og plottes. En alternativ metode for kontroll av opptakskvalitet er beskrevet i trinn 2.3.1. og 2.3.2. av Attisano et al. 2015-metodene papir13.
    5. Vurder diagnostikk, uncomment linje 198, og spesifiser minimums- og maksimumsavviksverdiene, som definerer minimums- og maksimumsverdiene rundt gjennomsnittsspenningen som brukes til å utføre standardiseringen for alle filer. Standarden er 0,1 V for hver avviksverdi.
      MERK: I linje 53 kan brukeren også spesifisere minimums-maks normaliseringsfaktorterskelen for å identifisere en spenning langt under terskelverdien.
    6. Kommenter linje 189 etter at du har skrevet inn avviksverdiene, og kjør deretter skriptet. Skriptet vil kjøre standardiseringene effektivt for alle filer (nesten 25 ganger raskere).
  3. Analyser flysporet ved hjelp av den standardiserte filen.
    1. Åpne flight_analysis.py-ikonet med tekstredigeringsprogrammet du velger. Hvis det ikke er noen preferanse, høyreklikker du skriptikonet og velger Åpne med IDLE.
    2. I linje 76-78 redigerer du den valgfrie hastighetskorrigeringen som undertrykker ytterligere rotasjoner av møllens arm etter at et insekt slutter å fly. Bestem denne terskelverdien med forsiktighet når du arbeider med langsomme flygende insekter.
    3. I linje 121 redigerer du hastighetstersklene for å korrigere for falske hastighetsavlesninger, for eksempel ekstremt høye hastigheter eller negative hastigheter. I linje 130 redigerer du tidsgapverdien for å filtrere ut lange hull som oppstår mellom to påfølgende uavbrutte flygende kamper.
    4. I linje 350 skriver du inn banen til mappen der *.txt standardiserte filer lagres.
    5. I linje 353, skriv inn armradiuslengden som brukes under forsøk, som definerer den sirkulære flybanen fløyet per revolusjon av insektet.
    6. Identifiser SI-enhetene for avstand og tid som strenger i henholdsvis linje 357 og 358.
    7. I linje 388-397 bruker du split()-funksjonen til å trekke ut insektets identifikasjonsnummer og det angitte nummeret og kammeret der insektet fløy fra filnavnet. Skriptet følger det omfattende filnavneksemplet "standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt". Forenkle om nødvendig dette filnavnet som foreslått i trinn 2.2.6., og kommenter eller slett variabler som prøvetype på linje 392 og 401, hvis det ikke brukes.
    8. Angi alle brukerinnstillingene, lagre og kjør skriptet. Hvis skriptkjøringen er vellykket, skriver den ut insektets tilsvarende ID-nummer, kammer og beregnet flystatistikk i Python Shell. I tillegg genererer den en flight_stats_summary.csv fil som består av informasjonen som er trykt i Python Shell og lagrer .csv-filen i datamappen til Flight_scripts-katalogen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flydata ble innhentet eksperimentelt i løpet av vinteren 2020 ved hjelp av felt samlet J. hematoloma fra Florida som modellinsekter (Bernat, A. V. og Cenzer, M. L. , 2020, upubliserte data). Representative flyforsøk ble gjennomført i Institutt for økologi og evolusjon ved University of Chicago, som vist nedenfor i figur 6, figur 7, figur 8og figur 9. Flyfabrikken ble satt opp i en inkubator satt til 28 °C (dag/natt), 70 % relativ luftfuktighet og en mørk syklus på 14 timer. For hver prøveperiode ble flysporet med flere feil registrert hvert hundredel av et sekund av WinDAQ-programvaren i opptil 24 timer. Etter foreløpige forsøk ble flyadferd kategorisert i sprengningsflyvning og kontinuerlig flytur. Bursters fløy sporadisk i mindre enn 10 minutter om gangen, og kontinuerlige flygeblad fløy uavbrutt i 10 minutter eller lenger. Enhver person som ikke utviste kontinuerlig flyatferd innen sin 30 min testfase ble trukket av flymøllen og erstattet med en ny feil og tilhørende ID i en hendelsesmarkørkommentar. Alle feil som viste kontinuerlig flytur forble på flymøllen utover 30 minutter til de sluttet å fly. Feil ble byttet fra 08.00 til 16.00 hver dag. Som representert i figur 9varierte flyforsøkene til enkeltpersoner i en dags opptak i lengde fra 30 min til 11 + t. Ved å sette inn hendelsesmarkører ved å legge til nye personer, blir denne komplekse datastrukturen behandlet gjennom Python-skriptene, og koden hjelper effektivt brukerne med å visualisere omfanget av eksperimentene sine. Det foreslåtte eksperimentelle oppsettet fanger full flykapasitet av insekter; Det utelater imidlertid muligens å observere fly periodicity. Brukere har da muligheten til å skreddersy sine flyforsøk for forskjellige flymålinger og velge hvilken flyadferd eller strategier de mest ønsker å teste.

Bølgeformen(e) på skjermen og det diagnostiske varmekartet gjør det også mulig å identifisere hull eller løse inkonsekvenser i flyspordataene. Figur 6A viser et sett med prøveversjoner der flydata ble registrert for alle kanaler uten støy eller forstyrrelser. Den viser også alle hendelsesmarkørkommentarene som ble gjort under innspillingen. Figur 6B viser et øyeblikk der det registrerte signalet gikk tapt i kanal 3, og mistet spenningen umiddelbart til 0 V. Dette skyldtes muligens overkrysning av åpne ledninger eller løsning av ledninger. Det er også spesielle hendelser under innspilling som kan oppstå, men som er korrigert for i Python-skriptene. Dette inkluderer doble troughs, speilbakker og spenningsstøy (Figur 6C,D). Disse hendelsene fører til falske trough-avlesninger, men de kan på en pålitelig måte identifiseres og fjernes under analyser. Figur 7 sammenligner tre datafiler for å vise hvordan støy eller sensitive troughs i opptaksdataene ble diagnostisert under standardiseringsprosessen. Den første (Figur 7A) er en fil hvis troughs generert av hver revolusjon av flymøllearmen var robuste, noe som betyr at de i stor grad avviker fra filens gjennomsnittlige spenning. I sin tur, etter hvert som standardiseringsintervallet rundt gjennomsnittet økte, var det ingen endring i antall troughs identifisert. Dette antydet at det ikke var spenningsstøy, og brukeren kan da være trygg på nøyaktigheten av standardiseringen. På den annen side hadde den tredje filen (figur 7C) troughs som enten var for følsomme eller hadde ekstern spenningsstøy som ikke avvikte i stor grad fra filens gjennomsnittsspenning. Som et resultat av dette gikk antallet troughs betydelig ned etter hvert som standardiseringsintervallet rundt gjennomsnittet økte. Det ville da være tilrådelig å se tilbake på den originale WDH-opptaksfilen for å bekrefte om insektet virkelig fløy.

Ved å plotte flyhastighets- og varighetsstatistikken til individet, kan flyadferd ytterligere karakteriseres i fire flykategorier: brister (B), brister til kontinuerlig (BC), kontinuerlig til brister (CB) og kontinuerlig (C), som representert i figur 8. En person som strengt stilte ut kontinuerlig flyvning fløy uavbrutt i minst 10 minutter eller mer ved slutten av testfasen på 30 minutter (figur 8A). En person som fløy sporadisk gjennom sin 30 min testfase viste sprengningsflyvning (Figur 8B). En person som i utgangspunktet viste kontinuerlig flyvning i mer enn 10 minutter og deretter avsmalnet innen sin 30 min testfase i sporadiske brister, viste kontinuerlig til sprengningsflyvning (Figur 8C). Til slutt, en person som først demonstrerte sprengningsflyvning og deretter gikk over til kontinuerlig flytur for resten av 30 min testfasen og utover utstilt sprengning til kontinuerlig flytur (Figur 8D). Dermed, spesifikk for modellen insekt og eksperimentelt rammeverk, brukeren kan bruke denne grafiske utgangen til å vurdere og identifisere generelle fly atferd mønstre til tross for unike variasjoner i individuelle spor.

Figure 1
Figur 1: Design som skal laserskjæres for akrylplastplatestruktur. Åtte akrylplastplater ble laserkuttet for å konstruere plaststøttestrukturen til flyfabrikken. Fillinjer ble opprettet i Adobe Illustrator i RGB-modus, der RGB Red (255, 0, 0) kuttet linjer og RGB Blue (0, 0, 255) etsede linjer. For større lesbarhet i denne figuren ble fillinjestrøk økt fra 0,0001 punkt til 1 punkt. Koordinatenheter er mm, og prikken øverst til venstre i hver utforming er utgangspunktet, der det å bevege seg lenger ned og til høyre for utgangspunktet fører til positive stigende verdier. Det er tre forskjellige arkdesign: de utvendige vertikale veggene, en sentral vertikal vegg og horisontale hyller. De to utvendige vertikale veggene glir inn i de horisontale hyllene ved spaltene, og deres rektangulære hull brukes til å montere den 3D-trykte lineære føringsskinnen, blokkene og støttene. Det er en sentral vertikal vegg med spalter som deler flymøllen i åtte celler og gir ekstra strukturell støtte. Det er også fem horisonthyller med spalter, etsede sirkler for å markere plasseringen av de magnetiske rørstøttene, og små rektangulære hull slik at rørstøttene kan skrus inn. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Montert flymølle. A) Montering av flymølle. Hver horisonthylle (HS) er satt inn i de åpne spaltene på de utvendige vertikale veggene (OW) og den sentrale vertikale veggen (CW). Videre identifiseres hver celle, eller "kammer", med en kanalbokstav (A eller B) som tilsvarer en datalogger og et kanalnummer (1-4) som tilsvarer kanalen på den spesifikke dataloggeren. B) Flymøllecellemontering med flymøllearm. Magnetiske lagre kan heves eller senkes ved å skyve de indre rørene i de ytre rørene for å justere høyden på armen. IR-sensorene kan også heves eller senkes for å justere sensorene etter flaggets høyde på armen. IR-sensorer kan også enkelt fjernes fra sine lineære føringsskinneblokker hvis de må byttes ut eller inspiseres, eller hvis flyfabrikken må transporteres. Tverrbraketter gir strukturell støtte for hver akrylcelle og kan enkelt settes inn og fjernes. C) Lineær føringsskinne og blokkmontering i cellevinduet. Alle 3D-komponenter og respektive skruer i cellevinduet er merket for klarere montering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: 3D-trykte utforminger. Målene er i mm. A) Lineær føringsskinne. B) Lineær føringsskinneblokk formet for å holde en IR-sensor. C) Skrue som brukes som støtte for å skifte ut jernskruer. D) Støtte for rør. E) Magnetstøtte. F) Tverrbrakett som brukes som akrylrammejustering og stabilisator. G) Lang støtte og H) kort støtte for å holde de lineære føringsskinnene på plass. Bare lineære føringsskinnestøtter som hviler på utsiden av akrylveggen vises. Lineære styreskinnestøttespeil vises ikke. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Flymølle elektriske kretser. A) Enkelt diagram over en elektrisk krets som kobler IR-sensorene til dataloggeren. Når flagget på fresearmen avbryter strålen som sendes ut av IR-sensorsenderen, slutter strømmen å strømme til IR-sensormottakeren og spenningen faller til null. Dataloggeren registrerer alle fall i spenning. B) Elektriske kretser uthevet. Hver gule boks avgrenser komponentene i en krets som er koblet til brødplaten. Flere elektriske kretser kan kobles til et enkelt brødbrett i vekslende rader. Størrelsen på loddefri brødplate begrenser hvor mange flyceller som kan innkvarteres. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Insekter av forskjellige størrelser magnetisk malt og bundet. A) Drosophila melanogaster (vanlige fruktfluer) magnetisk malt og bundet. Fruktfluer er små insekter (kroppslengde 5 mm; masse = 0,2 mg) som først må bedøves med is eller CO2 under et mikroskop før du påfører den magnetiske malingen på thoraxen. B) Uoverensstemmelse mellom insektstørrelse og magnetstørrelse. Magneten på flymøllearmen bør best imøtekomme størrelsen på insektet. Her er insektets synsfelt blokkert fordi magneten er for stor. En mindre konisk magnet eller magnetstripe ville løse denne uoverensstemmelsen. C-F) Oncopeltus fasciatus (milkweed bugs) og Jadera hematoloma (såpebær bugs) magnetisk malt og bundet. Større bugs (kroppslengde > 5 mm; masse > 0,1 g) kan klemmes av bena før de påfører et lag med maling på thoraxen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Eksempler på WDH-flyopptak. Spenningsbakker representerer komplette omdreininger av flyfabrikkens arm. De røde prikkede linjene deler skjermen, og sekundene per divisjon (sek/div) for hvert panel utheves i blått. Svarte loddrette linjer markerer markørtiden. A) Hendelsesmarkører. Sec/div ble endret fra 0,2 sek/div til maksimum, slik at hele bølgeformen kunne tegnes over skjermen. Alle hendelsesmarkører som tas over alle kanaler, vil bare være synlige i den første kanalen som linjer som går fra maksspenningen til bunnen av kanalfeltvinduet. Alle hendelsesopprettere for dette innspillingssettet er innenfor den gule ellipsen. B) Signal tap. I et annet opptakssett ble sec/div endret fra 0,2 sek/div til 15 sek/div for å visualisere et innspilt signal som gikk tapt fra 17:09 til 17:15 i kanal 3. Alle andre kanaler som kanal 4 fortsatte å fungere som de skulle. C) Doble troughs og speil troughs. Doble troughs er når spenningen faller, stiger, og deretter raskt dypper og stiger igjen for å skape det som ser ut til å være to sammenslåtte troughs i en strålebrytende hendelse. De doble troughs speiler også hverandre, noe som antyder at flagget beveget seg frem og tilbake mellom sensoren, noe som vanligvis skjer når et insekt slutter å fly. Python-skriptene er riktige for hvert tilfelle. D) Spenningsstøy. Like etter 13:14 kan det ses små støt i spenningen, noe som tyder på spenningsstøy i opptaket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Representative trough diagnostiske data fra Jadera hematoloma (soapberry bug). Potensiell støy eller altfor følsomme troughs er lett gjenkjennelig i flyopptakene. A) Et optimalt, robust opptak fra eksempel individuell 318. Det var ingen endring i antall troughs da minimums- og maksimumsavviksverdiene økte, og derfor var troughs robuste nok til å bli identifisert til tross for et stort standardiseringsintervall. B) En sub-optimal, men likevel robust opptak fra eksempel individuell 371. Det er en nedgang i antall troughs etter hvert som minimums- og maksimumsavviksverdiene økte; Fallet var imidlertid minimalt (11 troughs). Det kan være støy og noen følsomme troughs, men ikke noe betydelig. C) En støyende innspilling fra eksempel individuell 176. Det er et klart og raskt fall i antall troughs identifisert som minimums- og maksimumsavviksverdiene økt til antall platåer ved 12 troughs. Dette signaliserer mye potensiell støy eller altfor følsomme troughs mens de 12 troughs forblir som robuste troughs. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Representative flydata fra Jadera hematoloma (soapberry bug). Fire kategorier av flyatferd kan identifiseres i flyopptakene. A) Kontinuerlig flyvning. Denne personen fløy kontinuerlig i 1,67 timer, begynte med høye hastigheter og deretter taper over tid i lavere hastigheter. B) Sprengende fly. Denne personen fløy bare i eksplosjoner i løpet av de første 30 min av rettssaken. Bursters kan nå høy hastighet, men denne personen kunne bare beholde lave hastigheter. C) Kontinuerlig til sprengningsflyvning. Denne personen hadde opprettholdt kontinuerlig flytur i 25 minutter og deretter avsmalnet til brister for de resterende 5 min av rettssaken. D) Bursting til kontinuerlig flytur. Denne personen begynte som en burster, nådde høye sporadiske hastigheter, og deretter gikk over til kontinuerlig flytur i ca 4 h. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: Representativ kanalvisualisering av flere forsøk i ett enkelt opptakssett. Hver farge representerer en individuell såpebærfeil ved det gitte kanalbrevet og kanalnummeret under rettssaken. Alle starttider, stopptider og filnavn ble trukket ut fra hver enkelt persons unike flight track .txt fil. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende figur 1: Utligningsnøkkel. Kerf er tykkelsen på materialet fjernet eller tapt i ferd med å kutte det materialet. For en laserkutter vil to viktige faktorer bestemme bredden på kerf: strålebredden og materialtypen. For å teste og beregne den nøyaktige kerf, laser kutte nøkkelen og montere 20 mm bredde nøkkelen i sporet som den passer mest sikkert. Deretter trekker du verdien for sporbredde fra nøkkelbreddeverdien. For eksempel vil en nøkkel med en bredde på 20 mm som passer inn i et 19,5 mm spor ha en kanttykkelse på 0,5 mm. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplerende figur 2: Sammenligning av lave prøvefrekvenser. A) Sammenheng mellom spenningsfall og hastighet ved prøvetakingsfrekvens. Hver linjefarge og punktform representerer en samplingsfrekvens (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz og 25 Hz). Spenningsfall er synonymt med størrelsen på troughen. Linjer passer til andre orden regresjoner, som beskriver nedgangen i trough størrelse som hastighet øker og følgende økning i trough størrelse ved høyere hastigheter. Den skyggelagte stangen går fra 0 V til 0,1 V, som markerer spenningsområdet der støy oppstår. Data ble samlet inn på celle B-4 ved hjelp av WinDAQ-opptaksprogramvaren og med folieflaggdimensjoner 30 mm lengde med 30 mm bredde. Flymøllearmen ble spunnet raskt for hånd og igjen for å spinne til den sluttet å bevege seg. Prøvefrekvenser på 25 Hz eller lavere står i fare for å misidentifisere troughs som støy under standardisering og diagnostiske tester. Samplingsfrekvenser på 100 Hz eller høyere er spesielt robuste ved registrering av store troughs for hastigheter mindre enn 1 m / s. B) Gjennom størrelser av forskjellige prøvefrekvenser sett gjennom bølgeformen. Etter hvert som samplingsfrekvensene reduseres, krymper også representasjonen på bølgeformen. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplerende figur 3: Flytskjema over funksjonene og datastrukturene til hvert Python-skript. En oversikt over innganger, funksjonelle prosesser og utganger for hvert Python-skript for den foreslåtte flyfabrikken oppsummeres og beskrives gjennom eksempler. Klikk her for å laste ned denne filen.

Ekstra 3D-utskrift. Klikk her for å laste ned denne filen.

Ekstra kodefiler. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den enkle, moderne flyfabrikken gir en rekke fordeler for forskere som er interessert i å studere tethered insektflukt ved å levere en pålitelig og automatisert design som tester flere insekter effektivt ogkostnadseffektivt 13,31,35. På samme måte er det et sterkt insentiv for forskere å ta i bruk raskt voksende teknologier og teknikker fra industri og andre vitenskapelige felt som et middel til å bygge eksperimentelle verktøy for å studere økologiske systemer9,32,33. Denne protokollen drar nytte av to raskt nye teknologier, 3D-skriveren og laserkutteren, som blir stadig mer tilgjengelig i felles makerspaces, for å forbedre den enkle, moderne flyfabrikken. Disse forbedringene gir en mer fleksibel, justerbar og sammenleggbar design som imøtekommer insekter av forskjellige størrelser, minimerer stress plassert på insektet, og gjør at flyfabrikken enkelt kan transporteres til flere steder eller miljøer. Videre er de ekstra utgiftene ved å bruke teknologiene minimale eller til og med gratis. Imidlertid kan disse teknologiene også være en utfordring å eksperimentere med hvis det ikke er lett tilgjengelig å nå ferdigheter i å bruke vektorgrafikkredigerere og 3D-bildeprogramvare. I sin tur tjener flyfabrikken som presenteres her, både til å oppmuntre forskere til å innlemme tilgjengelige nye teknologier i arbeidsflyten og la forskere bygge en tilpassbar, fleksibel og effektiv flymølle uten spesialisert kunnskap om elektronikk, programmering eller CAD-modeller.

De sterkeste aspektene ved denne protokollen er makerspace-teknologiene som utvider brukerens flymølledesignalternativer, bruk av magnetisk maling for å minimere insektstress og automatisering av flyopptak som behandler flere insekter i et enkelt opptak. Laserkutteren tilbyr presise og nøyaktige skjæreegenskaper som kan håndtere jobber med nesten enhver kompleksitet. Brukeren kan endre akrylstøttestrukturen for å montere flere 3D-utskrifter eller kjøpte varer. 3D-skriveren lar brukeren lage tilpassbare flymøllekomponenter som kan omgå kostbare, ferdiglagde produkter med smalt justerbare dimensjoner. 3D-utskrifter som ikke er foreslått i dette papiret, kan også bygges, for eksempel landingsplattformer, støtter som raskt kan bytte mellom magnetiske lagre og kulelager, eller til og med et nytt vedlegg som tethers et insekt. Til slutt gjør bruken av automatisert opptaksprogramvare og Python-skript for å skille flere flyforsøk i et enkelt opptak det mulig å studere sporadiske flykamper til svært lange flykamper. Men gitt hvor variabel flyaktivitet og varighet er på tvers av arter, foreslås det at brukeren gjennomfører foreløpige forsøk for å forstå grensene og generelle mønstrene for en arts flyadferd for å optimalisere datainnsamlingen. Brukeren kan også vurdere integriteten til opptakene sine ved hjelp av diagnostiske varmekart og kan ta hensyn til eventuelle nødvendige hastighetskorrigeringer i skriptene.

Forskeren bør også være klar over flyfabrikkens generelle begrensninger. Tidligere studier har gjort kjent og har forsøkt å utbedre begrensningene ved tethered fly, inkludert mangel på tarsal kontakt for å tillate insektet å hvile på vilje18,31, fraværet av energi brukt når et insekt tar av34, den ekstra dra insektet overvinner når du skyver flymøllearmen, og insektet trenger å kompensere for de ytre aerodynamiske kreftene som oppleves på grunn av sentrigal akselerasjonen av sin sirkulære flyspor. 6,35. I tillegg fortsetter det å være uoverensstemmelser om hvordan man kategoriserer eller mer presist kvantifiserer de korte eller "trivielle" utbruddene insekter viser, spesielt når man sammenligner flyadferden og mekanismene til store trekkende insekter med de av små insekter som for det meste svinger flight24,36,37 . Til tross for disse begrensningene har det vært betydelig fremgang i å fange og kategorisere flyadferd innen insektarter, og forskere har fortsatt å koble flymøllen med andre teknologier og metoder6,7,8.

Makerspace som et sted for kreativitet, samarbeid og lave barrierer vil ytterligere inspirere forskere til å feilsøke 3D-utskriftsdesignbegrensninger eller laserkutte mer intrikate design. Studier har kartlagt effektiviteten av makerspaces ikke bare som iterative produktproduksjonsrom, men også som steder for akselerert læring10,11,12. Ingeniørstudenter scoret generelt høyere i designforståelse, designdokumentasjon og modellkvalitet da designene deres ble laget ved hjelp av makerspace-teknologi11. I tillegg falt deres modellutviklingstid med 50%, noe som indikerer at makerspace-utforskning utkonkurrerte tradisjonell roteteori og applikasjonskurs11. I sin tur vil forskere med lite designkunnskap kunne utdype det, og forskere som også er lærere kan dra nytte av dette rommet som et middel til å øke designorganisasjon, håndverk og teknisk fingerferdighet for studenter. I en disiplin som økologi som allerede benytter seg av en rekke verktøy for felt- og laboratoriearbeid, kan forskere også utvikle, dele og standardisere nye eller forbedrede verktøy. Flyfabrikken som foreslås i denne artikkelen er bare starten på det som kan være en tilnærming til demokratisering og rask spredning av nye metoder for å samle inn data.

Flymøller har spilt en viktig rolle i å gjøre det mulig for forskere å forstå spredningen av insekter - et økologisk fenomen som fortsatt i hovedsak er ugjennomtrengelig i feltet. Fremtidige fremskritt innen design og anvendelse av flyfabrikken kan oppnås etter hvert som forskere blir mer dyktige i nye teknologier og programvaren som følger med disse teknologiene. Dette kan omfatte å designe flymøllearmlagre som tillater vertikal løft eller gir insektet større flyretningsfleksibilitet. I tillegg kan presisjonen til laserkuttere og 3D-skrivere være nødvendig for forskere som er interessert i å skalere ned og kalibrere for små insekter med for det meste sveveevner. I sin tur var målet med denne protokollen å gi en enkel inngang til disse teknologiene mens du konstruerte en av de vanligste og nyttige enhetene innen atferdsøkologi - flymøllen. Hvis forskere har tilgang til et felles makerspace og er forpliktet til å navigere i teknologiene sine, vil de resulterende forbedringene og forbedringene av den moderne flyfabrikken føre til kreativ og samarbeidende flymølledesign og vil fortsette å gi innsikt i de underliggende egenskapene og mekanismene som påvirker insektarters variasjoner og mønstre i bevegelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatteren har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Jeg vil takke Meredith Cenzer for at han kjøpte alle flymøllematerialer og ga kontinuerlig tilbakemelding fra konstruksjonen til oppskrivningen av prosjektet. Jeg takker også Ana Silberg for hennes bidrag til standardize_troughs.py. Til slutt takker jeg Media Arts, Data og Design Center (MADD) ved University of Chicago for tillatelse til å bruke sitt felles makerspace-utstyr, teknologi og forsyninger gratis.

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

Engineering Utgave 169 flymølle makerspace 3D-utskrift laserskjæring automatisering flyanalyse
Bygge en forbedret flymølle for studiet av tethered insektflyvning
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