Summary
Detta protokoll använder tredimensionella (3D) skrivare och laserskärare som finns i makerspaces för att skapa en mer flexibel flygkvarnsdesign. Genom att använda denna teknik kan forskare minska kostnaderna, förbättra designflexibilitet och generera reproducerbart arbete när de konstruerar sina flygkvarnar för tjudrade insektsflygningsstudier.
Abstract
Makerspaces har en stor potential att göra det möjligt för forskare att utveckla nya tekniker och arbeta med nya arter inom ekologisk forskning. Detta protokoll visar hur man kan dra nytta av tekniken som finns i makerspaces för att bygga en mer mångsidig flygkvarn till en relativt låg kostnad. Med tanke på att denna studie extraherade sin prototyp från flygkvarnar byggda under det senaste decenniet, fokuserar detta protokoll mer på att beskriva skillnader från den enkla, moderna flygkvarnen. Tidigare studier har redan visat hur fördelaktigt flygkvarnar är för att mäta flygparametrar som hastighet, sträcka eller periodicitet. Sådana kvarnar har gjort det möjligt för forskare att associera dessa parametrar med morfologiska, fysiologiska eller genetiska faktorer. Utöver dessa fördelar diskuterar denna studie fördelarna med att använda tekniken i makerspaces, som 3D-skrivare och laserskärare, för att bygga en mer flexibel, robust och hopfällbar flygkvarnsdesign. Framför allt tillåter de 3D-utskrivna komponenterna i denna design användaren att testa insekter av olika storlekar genom att göra höjderna på kvarnarmen och infraröda (IR) sensorer justerbara. 3D-utskrifterna gör det också möjligt för användaren att enkelt demontera maskinen för snabb lagring eller transport till fältet. Dessutom använder denna studie större magneter och magnetisk färg för att binda insekter med minimal stress. Slutligen beskriver detta protokoll en mångsidig analys av flygdata genom datorskript som effektivt separerar och analyserar differentierbara flygförsök inom en enda inspelning. Även om det är mer arbetsintensivt, underlättar tillämpningen av de verktyg som finns tillgängliga i makerspaces och på online 3D-modelleringsprogram tvärvetenskapliga och processorienterade metoder och hjälper forskare att undvika kostsamma, färdiga produkter med snävt justerbara dimensioner. Genom att dra nytta av teknikens flexibilitet och reproducerbarhet i makerspaces främjar detta protokoll kreativ design av flygkvarnar och inspirerar till öppen vetenskap.
Introduction
Med tanke på hur svårbehandlad spridningen av insekter är på fältet har flygkvarnen blivit ett vanligt laboratorieverktyg för att ta itu med ett viktigt ekologiskt fenomen - hur insekter rör sig. Som en följd av detta, sedan pionjärerna i flygkvarnen1,2,3,4 inledde sex decennier av flygkvarnsdesign och konstruktion, har det varit märkbara designskiften när tekniken förbättrades och blev mer integrerad i vetenskapliga samhällen. Med tiden ersatte automatiserad datainsamlingsprogramvara diagraminspelare, och flygkvarnsarmar övergick från glasstänger till kolstänger och stålrör5. Bara under det senaste decenniet har magnetiska lager ersatt Teflon- eller glaslager som optimalt friktionsfria, och par mellan flygverksmaskiner och mångsidig teknik har ökat i takt med att ljud-, bild- och lagertillverkningstekniken blir alltmer integrerad i forskarnas arbetsflöden. Dessa parningar har inkluderat höghastighetsvideokameror för att mäta ving aerodynamik6, digitala till analoga brädor för att efterlikna sensoriska signaler för att studera hörselflygsvar7och 3D-utskrift för att göra en kalibreringsrigg för att spåra vingdeformation under flygning8. Med den senaste tidens ökning av framväxande teknik på makerspaces, särskilt vid institutioner med digitala mediecentra som drivs av kunnig personal9, finns det större möjligheter att förbättra flygkvarnen för att testa ett större utbud av insekter och att transportera enheten till fältet. Det finns också en stor potential för forskare att tvärvetenskapliga gränser och påskynda tekniskt lärande genom produktionsbaserat arbete9,10,11,12. Flygkvarnen som presenteras här (anpassad från Attisano och kollegor13) drar nytta av framväxande teknik som finns i makerspaces för att inte bara 1) skapa flygkvarnskomponenter vars vågar och dimensioner finjusteras till det tillgängliga projektet utan också 2) erbjuder forskare ett tillgängligt protokoll inom laserskärning och 3D-utskrift utan att kräva en högbudget eller någon specialiserad kunskap inom datorstödd design (CAD).
Fördelarna med att koppla ny teknik och nya metoder till flygverket är betydande, men flygkvarnar är också värdefulla fristående maskiner. Flygkvarnar mäter insektsflygningsprestanda och används för att bestämma hur flyghastighet, avstånd eller periodicitet relaterar till miljömässiga eller ekologiska faktorer, såsom temperatur, relativ luftfuktighet, säsong, värdväxt, kroppsmassa, morfologiska egenskaper, ålder och reproduktiv aktivitet. Till skillnad från alternativa metoder som aktografer, löpband och videoinspelning av flygrörelser i vindtunnlar och inomhusarenor14, är flygverket anmärkningsvärt för sin förmåga att samla in olika flygprestandastatistik under laboratorieförhållanden. Detta hjälper ekologer att ta itu med viktiga frågor om flygspridning, och det hjälper dem att utvecklas i sin disciplin - oavsett om det är integrerad skadedjursbekämpning15,16,17, populationsdynamik, genetik, biogeografi, livshistoriska strategier18eller fenotypisk plasticitet19,20,21,22 . Å andra sidan kan enheter som höghastighetskameror och aktografer kräva en strikt, komplicerad och dyr installation, men de kan också leda till mer finjusterade rörelseparametrar, såsom vingslagsfrekvenser och insektsfotofasaktivitet23,24. Således fungerar flygkvarnen som presenteras här som ett flexibelt, prisvärt och anpassningsbart alternativ för forskare att undersöka flygbeteende.
På samma sätt fortsätter incitamentet att integrera ny teknik i ekologernas arbetsflöde att öka i takt med att frågor och metoder för att studera spridning blir mer kreativa och komplexa. Som platser som främjar innovation drar makerspaces in flera nivåer av expertis och erbjuder en låg inlärningskurva för användare i alla åldrar att förvärva nya tekniska färdigheter10,12. Den iterativa och samarbetsinriktade karaktären hos prototyper av vetenskapliga enheter i makerspace och genom öppna källor online kan påskynda tillämpningen av teori11 och underlätta produktutveckling inom ekologiska vetenskaper. Dessutom kommer en ökad reproducerbarhet av vetenskapliga verktyg att uppmuntra till bredare datainsamling och öppen vetenskap. Detta kan hjälpa forskare att standardisera utrustning eller metoder för att mäta spridning. Standardiseringsverktyg kan ytterligare göra det möjligt för ekologer att förena spridningsdata mellan populationer för att testa metapopulationsmodeller som utvecklas från dispersionskärnor25 eller koloniseringsdynamik för källsänka26. Precis som hur det medicinska samfundet antar 3D-utskrift för patientvård och anatomiutbildning27, kan ekologer använda laserskärare och 3D-skrivare för att omforma ekologiska verktyg och utbildning och, inom ramen för denna studie, kan designa ytterligare flygkvarnskomponenter, såsom landningsplattformar eller en flygkvarnsarm som kan röra sig vertikalt. Anpassningen, kostnadseffektiviteten och den ökade produktiviteten som erbjuds av makerspace-teknik kan i sin tur hjälpa till att starta spridningsprojekt med en relativt låg barriär för forskare som avser att utveckla sina egna verktyg och enheter.
För att konstruera denna flygkvarn finns det också mekaniska och instrumentella begränsningar som kan övervägas av tillverkaren. Magneter och 3D-printade förbättringar gör att flygkvarnen i huvudsak är limfri, med undantag för byggandet av tvärkonsolerna, och att vara ackommodabel för insekter av olika storlekar. Men när massan och insektens styrka ökar kan insekter vara mer benägna att demontera sig medan de är fastbundna. Starka magneter kan användas på bekostnad av ökat vridmotstånd, eller kullager kan ersätta magnetiska lager som en robust lösning för flygtestinsekter som väger flera gram28,29. Ändå kan kullager också innebära vissa problem, främst att långvariga experiment med höga hastigheter och höga temperaturer kan försämra smörjningen av kullager, vilket ökarfriktionen 30. Således måste användarna urskilja vilken flygkvarnmekanik som bäst passar deras insekter av studier och experimentell design.
På samma sätt finns det flera sätt att instrumentera ett flygverk som ligger utanför detta dokuments överväganden. Flygkvarnen som presenteras här använder IR-sensorer för att upptäcka revolutioner, WinDAQ-programvara för att spela in revolutioner och programmeringsskript för att bearbeta rådata. Även om det är lätt att använda, har WinDAQ-programvaran ett begränsat utbud av verktyg tillgängliga. Användare kan inte bifoga kommentarer till motsvarande kanal och de kan inte varnas om någon komponent i kretsarna misslyckas. Dessa fall löses genom att identifiera och korrigera dem via kod men först efter datainsamling. Alternativt kan användare anta mer än en programvara som erbjuder anpassningsbara datainsamlingsfunktioner28 eller sensorer som tar direkt hastighets- och avståndsstatistik, som cykelmilometrar29. Dessa alternativ kan dock kringgå värdefulla rådata eller diffusa funktioner i för många program, vilket kan göra databehandling ineffektiv. I slutändan, snarare än att omföra flygverksinstrumentering, erbjuder detta protokoll robusta programmeringslösningar för dagens programvarubegränsningar.
I detta dokument beskrivs en design för en förbättrad enkel flygkvarn för att hjälpa forskare i deras spridningsstudier och för att uppmuntra införlivandet av framväxande teknik inom beteendeekologi. Denna flygkvarn passar in i en inkubators begränsningar, rymmer upp till åtta insekter samtidigt och automatiserar datainsamling och bearbetning. I synnerhet gör dess 3D-printade förbättringar det möjligt för användaren att justera kvarnarms- och IR-sensorhöjderna för att testa insekter av olika storlekar och demontera enheten för snabb lagring eller transport. Tack vare institutionell tillgång till ett gemensamt makerspace var alla förbättringar gratis, och inga extra kostnader uppkom jämfört med den enkla, moderna flygkvarnen. All programvara som behövs är gratis, de elektroniska kretsarna är enkla och alla skript kan ändras för att följa de specifika behoven i den experimentella designen. Dessutom tillåter kodad diagnostik användaren att kontrollera integriteten och precisionen i sina inspelningar. Slutligen minimerar detta protokoll den stress som en insekt upprätthåller genom att magnetiskt måla och binda insekter till kvarnarmen. Eftersom monteringen av det enkla flygverket redan är tillgängligt, prisvärt och flexibelt kan användningen av makerspace-teknik för att förbättra det enkla flygverket ge forskare utrymme att övervinna sina egna specifika flygstudiebehov och kan inspirera kreativa flygkvarnsdesigner utöver detta dokuments överväganden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bygg flygkvarnen i ett Makerspace
- Laserskuren och montera stödstrukturen i akrylplast.
- Använd 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) tjocka genomskinliga akrylskivor för att konstruera stödstrukturen i akrylplast. Se till att materialet inte är polykarbonat, vilket liknar akryl utan smälter istället för att skäras under lasern.
- Leta reda på laserskäraren i makerspace. Detta protokoll förutsätter att makerspace har en laserskärare som refereras i materialregistret. För andra laserskärare, läs laserskärarinställningarna för att bestämma vilken linjefärg eller tjocklek som behövs för att ställa in fillinjerna som ska laserskäras eller graveras (får inte rastraras).
- Öppna Adobe Illustrator, Inkscape (ledigt) eller en annan vektorgrafikredigerare. Förbered en fil som läser akrylstöddesignen i vektorformat med ovannämnda rader som visas i bild 1. Skapa filrader i läget Rött, Grönt och Blått (RGB) med en linje linje linje på 0,0001 punkter där RGB Röd (255, 0, 0) klipper linjer och RGB Blå (0, 0, 255) etches linjer.
- Som en försiktighetsåtgärd, testa och ta hänsyn till kerf för alla slits- och hålmätningar. Designa och testa kerfnyckeln(kompletterande figur 1).
OBS: Kerfbredden kan variera beroende på laserskärarens strålbredd, materialets bredd och vilken materialtyp som används. - Spara akrylstöddesigner och kerf-tangenten som läsbara filtyper som .ai, .dxf eller .svg filer. Om du vill skicka jobbet till laserskäraren skriver du ut filen på laserskärarens lokala maskin och öppnar sedan laserprogramvaran.
OBS: Om de skrivs ut korrekt visas alla vektorskärningslinjer i designen med lämpliga motsvarande färger på laserprogramvarans kontrollpanel. - Välj materialet som Plast och sedan materialtypen som Akryl. För extra precision, mät materialtjockleken med en bromsok och ange dess tjocklek i materialets tjockleksfält. Aktivera Z-axeln automatiskt för materialets brännpunkt. Ställ in figurtypen på Ingen och lämna intensiteten på 0 %. Om du vill ändra avancerade mått på laserskäraren, till exempel laser % Effekt eller % Hastighet, testar du med kerf-nyckeln.
OBS: Tumregeln är att ju tjockare materialet är, desto mer kraft krävs vid en lägre hastighet. - Innan du klipper, följ makerspaces riktlinjer för att starta, använda och underhålla laserskäraren. Placera materialen i skrivarhålan och skär akrylstöden.
OBS: För att förhindra eventuella ögonskador, titta inte på lasern eller lämna något akrylark obevakat under skärning. - Rengör överflödigt material ur skrivarhålan och montera stödstrukturen. Montera genom att föra in varje horisonthylla i de öppna slitsarna på de yttre vertikala väggarna och den centrala vertikala väggen enligt figur 2A. Se till att hålen mellan de horisontella hyllorna är justerade.
- 3D-tryck plaststöden.
- Öppna en webbläsare och skapa ett konto i ett online 3D-modelleringsprogram. Se materialförteckningen för ett gratis kontoalternativ.
- Klicka på 3D Designs > Skapa en ny design. För att replikera studiens exakta 3D-utskrivna mönster som ses i figur 3, ladda ner arkivet 3D_Prints.zip (Kompletterande 3D-utskrifter) och flytta mappen till skrivbordet. Packa upp och öppna mappen. På webbsidan för arbetsplan för online 3D-modelleringsprogram klickar du på Importera i det övre högra hörnet och väljer STL-filen .stl.
OBS: Flera designrepliter eller objekt kan fylla arbetsplanen och sparas som en enda STL-fil så länge användaren håller fast objekten inom gränserna för 3D-skrivarens byggområde. Det största objektet som en 3D-skrivare kan skriva ut är 140 mm längd x 140 mm bredd x 140 mm djup. Rotera dock inte objekten längs z-axeln som ett sätt att maximera antalet objekt på ett byggområde. Det beror på att de nedladdade objekten har placerats för att minimera överhäng, och så att de kan skrivas ut optimalt med minimala nödvändiga stöd. - Om du vill skapa eller göra justeringar av designerna följer du webbplatsens självstudier, redigerar och exporterar sedan de nya designerna som STL-filer. Totalt sett har 8 linjära styrskenor (100,05 mm långa x 23,50 mm bredd x 7,00 mm djup), 16 linjära styrskenblock (22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22,08 mm långa x 11,47 mm bredd x 12,47 mm djup), 22 12–20 skruvar (9,00 mm långa x 7,60 mm bredd x 13,00 mm djup), 15 tvärfästen (50,00 mm långa x 50,00 mm bredd x 20,00 mm djup), 16 magnethållare (12,75 mm långa x 12,50 mm bredd x 15,75 mm djup), 16 rörstöd (29,22 mm längd x 29,19 mm bredd x 11,00 mm djup), 16 korta linjära styrskenor (40,00 mm längd x 11,00 mm bredd x 13,00 mm djup) och 16 långa linjära styrskenor (40,00 mm längd x 16,00 mm bredd x 13,00 mm djup) måste 3D-printas. För att få spegeln för varje linjär styrskena design, klicka på objektet, tryck på Moch välj pilen som motsvarar objektets bredd.
OBS: Se steg 1.3.6. för mer information om de linjära styrskenorna. - Hämta och installera ett 3D-utskriftsprogram för att konvertera STL-filer till en 3D-skrivare läsbar .gx-fil. Se tabellen över material för att ladda ner det kostnadsfria programmet.
Andra konverteringsprogram är acceptabla, men det här protokollet förutsätter att makerspace använder 3D-skrivaren och skriver ut skivningsprogram som refereras i tabellen för material. - Dubbelklicka på ikonen för 3D-utskrifts skivningsprogrammet för att starta programvaran. Klicka på Skriv ut > maskintyp och välj den 3D-skrivare som finns i makerspace.
- Klicka på ikonen Läs in om du vill läsa in en STL-modellfil och visa objektet i byggområdet.
- Markera objektet och dubbelklicka på ikonen Flytta. Klicka på På plattform för att säkerställa att modellen finns på plattformen. Klicka på Centrera om du vill placera objektet i mitten av byggområdet eller dra objektet med muspekaren för att placera objektet i byggområdet.
- Klicka på ikonen Skriv ut. Kontrollera att materialtypen är inställd på PLA, stöd och flotte är aktiverad, upplösningen är inställd på standardoch extruderns temperatur matchar den temperatur som föreslås i 3D-skrivarguiden. Temperaturen kan ändras inom Fler alternativ >> temperatur.
- Tryck på OK och spara GX-filen i 3D_Prints mapp eller på ett USB-minne om filen inte kan överföras till 3D-skrivaren via en USB-kabel.
- Leta reda på en makerspaces 3D-utskriftsmaskin. Kalibrera extrudern och se till att det finns tillräckligt med glödtråd för utskrift. Överför .gx-filen till 3D-skrivaren och skriv ut alla typer och mängder av plaststöd och förbättringar. Kontrollera att glödtråden fastnar ordentligt på plattan för varje utskrift.
- Montera 3D-utskrifter på akrylstödstrukturen.
- Om du vill visualisera alla stöd på plats finns i bild 2B.
- Varmt limma de 3,175 mm tjocka neoprenplåtarna på tvärbalkens innerväggar. När det är torrt, sätt in tvärfästena vid korsningarna av akrylhyllorna och väggarna på baksidan av enheten för att stabilisera flygkvarnen.
- Använd om möjligt 3D-utskrivna skruvar för att minimera järnskruvarnas magnetiska påverkan. Skruva fast rörstöden på botten och toppen av varje cell. Se till att stöden för det övre och nedre röret är justerade.
- Sätt in ett 30 mm långt plaströr (innerdiameter (ID) 9,525 mm; ytterdiameter (OD) 12,7 mm) i det övre rörstödet och ett 15 mm långt plaströr (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) i bottenrörets stöd för varje cell. Sätt sedan in ett 40 mm långt plaströr (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) i det övre röret och ett 20 mm långt plaströr (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) i bottenröret. Se till att det finns tillräckligt stark friktion mellan rören för att hålla rören på plats, men inte för mycket att det inre röret fortfarande kan glida upp och ner om det dras på. Om rören är skeva, sänk ner rörsegmenten i 1 min i kokande vatten. Räta ut rören på en handduk, låt dem nå rumstemperatur och sätt sedan in rören.
- Placera de två neodymmagneterna med låg friktion (10 mm diameter, 4 mm längd; 2,22 kg hållkraft) i varje magnetstöd. Se till att varje magnetpar avvisar varandra. Sätt sedan fast ett inre rör i varje magnetstöd så att gravitationen som verkar på magneterna och magnetstödet inte är tillräckligt stark för att lossa stödet från det inre röret.
- Vänd mot samma riktning, skjut två linjära styrskenor i den linjära styrskenan. Sätt de linjära styrskenorna och blocken upprätt i fönstren på de yttre vertikala väggarna. Se till att blocköppningarna är vända uppåt. För att säkra en linjär styrskena på plats, använd två korta linjära styrskenor, två långa linjära styrskenor, fyra 10 mm långa järnskruvar (M5; 0,8 gänghöjd; 5 mm diameter), två 20 mm långa järnskruvar (M5; 0,8 gänghöjd, 5 mm diameter) och två hexmuttrar (M5; 0,8 gänghöjd; 5 mm diameter). Figur 2C visar den linjära styrskenan vid full montering.
OBS: Öppna slitsar i den linjära styrskenan är avsedda att användas om och endast om den linjära styrskenan urholkas av den upprepade glidningen av blocket. I så fall skriver 3D ut en liten T-formad pinne som finns i mappen 3D_Prints.
- Konstruera den svängbara armen.
ANMÄRKNING: Underavsnitten 1.4.1 och 1.4.2 motsvarar underavsnitten 1.2.2. och 1.2.3. i Attisano et al. 2015 metoder papper13.- Punktera filtret på en 20 μL filtrerad pipettspets i mitten med hjälp av en entomologisk stift. Tryck sedan stiftet genom pipettens spets tills stiftets ståländer sticker ut från pipetterspetsens kropp. Se till att pipetterspetsens filter säkrar stiftet på plats. Stiftet fungerar som flygkvarnens axel.
- För att maximera cellutrymmet, skär en 19 G icke-magnetisk hypodermisk stålrör till en längd av 24 cm (1 cm mindre än bredden på en flygcell). Varmt limma den utskjutande stiftet och pipettens krona från steg 1.4.1. till mitten av slangen. Böj ena änden av slangen i 2 cm från änden till en vinkel på 95°.
OBS: För att prioritera insektsstorlek snarare än att maximera cellutrymmet, förkorta armens radie för mindre insekter eller svaga flygblad. En längre flygarm kan också monteras om akrylväggen i mitten tas bort för större insekter eller starka flygblad. Dessutom kan armens böjda ände stödja olika vinklar för att placera insekten i sin naturliga flygorientering. - För att testa dess magnetiska fjädring, placera armen mellan magneternas övre uppsättning. Se till att den roterande armen snurrar fritt runt den vertikalt upphängda stiftet.
- Limma fast de två neodymmagneterna med låg friktion (3,05 mm diameter, 1,58 mm längd; 0,23 kg hållkraft) på den böjda änden av pivotarmen för att binda den magnetiskt målade insekten för flygning (massan av flygkvarnsarmen med magneter = 1,4 g). Linda en bit aluminiumfolie (massa per yta = 0,01 g/cm2)på den oförbätterade änden av pivotarmen för att skapa en flagga. Folieflaggan fungerar som en motvikt, och på grund av dess mycket reflekterande egenskaper bryter den optimalt IR-strålen som skickas från IR-sensorsändaren till mottagaren.
OBS: IR-balkens diameter är högst 2,4 mm, så folieflaggans optimala minsta bredd är 3 mm. En folieflagga bredd på 3 mm och placerad för att bryta strålen av IR-ljus framför sensorns emitterlins kommer att producera en spänningssänkning som kan detekteras under analyser.
- Ställ in IR-sensorn och dataloggern.
- Placera IR-sensorsändaren inuti det övre linjära styrskenan med strålens sändare vänd nedåt. Placera sedan IR-sensormottagaren inuti det nedre blocket vänd uppåt.
OBS: Sensorerna (20 mm längd x 10 mm bredd x 8 mm djup) kan separeras upp till ett avstånd av 250 mm och fortfarande fungera; Därför kommer de att fungera även när de är placerade i ändarna av den cirka 100 mm linjära styrskenan. - Anslut IR-sensorsändaren och mottagaren i serie på en lödfri brödskiva med den 4-kanaliga analoga indataloggern, som visas i den elektroniska kretsen i figur 4A. Anslut IR-sensorns (inte mottagarens) ingång först efter 180 Ω motstånd. Placera ytterligare ett 2,2 kΩ-motstånd före utgången från IR-mottagarens anslutning. Konfigurera varje kanals elektroniska krets i alternativa rader längs brödskivan för att minimera bruset i spänningssignalen från flera sensorer under inspelningen(bild 4B).
- Placera IR-sensorsändaren inuti det övre linjära styrskenan med strålens sändare vänd nedåt. Placera sedan IR-sensormottagaren inuti det nedre blocket vänd uppåt.
2. Genomföra flygförsök
- Magnetiskt tjuder insekter till flygkvarnsarmen.
- För att minimera stress som placeras på insekten, applicera magnetisk färg på insektens pronotum med antingen en tandpetare eller en fin precisionsapplikator (20 G spets). Låt färgen torka i minst 10 min. När du är torr, fäst insekten på flygkvarnens armmagneter. Se figur 5 för exempel på magnetiskt måla och tjudra insekter av olika storlekar. Detta protokoll använder Jadera haematoloma (soapberry bug) som modellinsekt för flygtjudering och försöksexperiment.
OBS: För en starkare attraktion mellan insekten och armmagneterna, applicera flera lager magnetisk färg. Byt dessutom ut magneterna som är fästa vid slutet av flygkvarnens arm mot magnetstorlekar som bäst rymmer insekternas synfält, massa och vingområde. - Flyga upp till 8 insekter åt gången i flygkvarnen. Måla förberedelse minst 16 insekter för att testa flera insekter sekventiellt under en enda inspelningssession.
- För att ta bort den magnetiska färgen efter testning, flisa av färgen med fina tångar och kassera den enligt Naturvårdsverkets (EPA) och Arbetarskyddsförvaltningens (OSHA) föreskrifter.
- För att minimera stress som placeras på insekten, applicera magnetisk färg på insektens pronotum med antingen en tandpetare eller en fin precisionsapplikator (20 G spets). Låt färgen torka i minst 10 min. När du är torr, fäst insekten på flygkvarnens armmagneter. Se figur 5 för exempel på magnetiskt måla och tjudra insekter av olika storlekar. Detta protokoll använder Jadera haematoloma (soapberry bug) som modellinsekt för flygtjudering och försöksexperiment.
- Spela in flera insekter sekventiellt utan att avsluta en inspelningssession med WinDAQ:s händelsemarkörkommentarverktyg.
- Ladda ner och installera den kostnadsfria WinDAQ-datainspelnings- och uppspelningsprogramvaran.
- Skapa en ny mapp med titeln Flight_scripts på skrivbordet. Skapa fem nya mappar med följande exakta namn i mappen Flight_scripts: data, files2split, recordings, split_filesoch standardized_files. Hämta databladet.xlsx (Kompletterande fil 1) och dra filen till datamappen i katalogen Flight_scripts.
- Använd databladet.xlsx som en manuell datainspelningsmall. Minst fyra kolumner behövs: buggens identifikationsnummer, om felet dog innan det testades, registreringsuppsättningsnumret och kammaren som består av kanalbrevet och kanalnumret (t.ex. "A-1", "B-4"). Se figur 2A för en eventuell kammarkonfiguration.
- Öppna WinDAQ-instrumentpanelen, markera datalogger i kryssrutan och tryck på 'Starta Windaq Software'. Ett nytt fönster öppnas för varje vald datalogger och ingångssignalen från varje sensor visas.
- Definiera en samplingsfrekvens genom att klicka på Redigera > exempelhastighet. Skriv en samplingsfrekvens på 100 prover/sekund i rutan Samplingsfrekvens/kanal och tryck på OK.
OBS: Detta protokoll föreslår 100 S/s eftersom tråg, som är spänningsfall till följd av flaggan som avbryter IR-sensorstrålen, fortfarande kommer att nå en minsta spänningssänkning på 0,36 V för hastigheter på 1,7 m/s. I sin tur kan brus, som har en maximal spänningssänkning på 0,10 V, fortfarande filtreras under standardiseringar utan att filtrera riktiga tråg. Dessutom gör en samplingsfrekvens på 100 S/s det enkelt för användaren att se tråg på vågformen på skärmen under och efter inspelningen. Om fel inträffar under inspelningen kan användaren snabbt urskilja tråg från fel eller brus. Se kompletterande figur 2 för jämförelser mellan flera låga provtagningsfrekvenser. - Om du vill starta en ny inspelningssession trycker du på Arkiv > Spela in. Välj platsen för inspelningsfilen i det första popup-fönstret. Skriv filnamnet noggrant. Filer måste ha minst följande i sina namn: inspelningsuppsättningens nummer och kanalbokstästäd. Ett exempel på ett filnamn som modelleras i Python-skripten är följande: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Se split_files.py raderna 78-87 från Flight_scripts för att få mer information. Tryck sedan på OK.
- I nästa popup-fönster anger du den förväntade längden på flyginspelningen. Tryck ok när insekterna är i stånd att börja flyga. När inspelningstiden har gått trycker du på Ctrl-S för att slutföra filen. Tryck inte på Ctrl-S om det inte finns behov av att avsluta inspelningen tidigt.
Obs: Om filen avslutas för tidigt antingen genom att skriva Ctrl+S eller om den ovan nämnda tiden var för kort, lägger du till en ny inspelning i en befintlig fil genom att klicka på Arkiv > Post. Välj filen som du vill lägga till i och klicka på Ja i följande popup-fönster. - När du drar ut testade insekter under inspelningen, sätt in en kommenterad händelsemarkör för den inkommande insekten vid sin valda kammare. Registrera alltid id-kort, kammare och inspelningsuppsättning för den inkommande insekten manuellt i databladet.xlsx innan du byter insekter.
- Om du vill göra en kommentar till händelsemarkören klickar du på kanalnumret. Klicka sedan på Redigera > Infoga kommenterad markering. Definiera kommentaren med identifieringsnumret för den nya insekten som kommer in i kammaren. Tryck ok och ladda insekten i kammaren.
- Visualisera händelsemarkörkommentarer och konvertera fil från WDH till TXT.
- Öppna en WDH-fil. Visualisera händelsemarkörkommentarer genom att gå till Redigera > komprimering... och klicka sedan på knappen Maximalt för att komprimera vågformen helt till ett fönster (bild 6A).
- Kontrollera om det finns avvikelser i inspelningen.
OBS: Typerna av avvikelser eller fel i inspelningen visas i bild 6. Dessa diagnostiseras senare och korrigeras i Python-skripten. - Spara filen i ett .txt format genom att gå till Spara > spara som. Välj inspelningsmappen i Flight_scripts katalogen som den plats där filen ska sparas. Välj filtypen som kalkylbladsutskrift (CSV) i popup-fönstret och skriv filnamnet med .txt i slutet. Klicka på Spara. I följande popup-fönster väljer du Exempelhastighet, Relativ tidoch Datum och tid. Skriv 1 mellan kanalnummer och händelsemarkörer. Avmarkera alla andra alternativ och klicka på OK för att spara filen.
3. Analysera flygdata
- Dela filer efter kommentarer om händelsemarkörer.
- Installera den senaste versionen av Python. Alla skript i det här protokollet har utvecklats på Python version 3.8.0.
- Hämta följande Python-skript: split_files.py, standardize_troughs.pyoch flight_analysis.py (Kompletterande kodningsfiler). Flytta skripten till mappen Flight_scripts.
- Kontrollera att Python är uppdaterad och installera följande bibliotek: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math och matplotlib. För att observera skriptens huvudfunktioner och datastrukturer, se schemat i Kompletterande figur 3.
- Öppna databladsfilen.xlsx och spara som en CSV genom att ändra filformatet till CSV UTF-8 (Kommaavgränsat) om du kör Windows eller Macintosh Comma Separated om du kör Mac.
- Öppna ikonen split_files.py med valfri textredigerare. Om det inte finns någon inställning högerklickar du på skriptikonen och väljer Öppna med IDLE.
- Koda om raderna 133-135 och 232-233 om användaren skrev ett annat filnamn än den föreslagna mallen (T1_set006-2-24-2020-B.txt"). Om du vill koda om skriptet så att det passar olika filnamn med funktionen split() finns på raderna 116-131.
- Skriv sökvägen till mappen Flight_scripts på rad 266 och kör skriptet. Efter en lyckad körning genererar skriptet mellanliggande .txt filer med mappade insekts-ID:n i mappen files2split och .txt filer för varje insekt som testas i varje inspelningsuppsättning i split_files mapp, i Flight_scripts katalogen.
I Python Shell bör användarna dessutom se utskriftssatser för filnamnet, vilka insekter som byts ut vid en numrerad händelsemarkör och vilka filer som delas upp och genereras till nya filer efter insekts-ID.
- Standardisera och välj tråg i den inspelade signalen.
- Öppna ikonen standardize_troughs.py med valfri textredigerare. Om det inte finns någon inställning högerklickar du på skriptikonen och väljer Öppna med IDLE.
- Skriv samplingsfrekvensen i linje 158.
- Skriv sökvägen till mappen Flight_scripts på rad 159 och kör skriptet. Om skriptet körs genereras filer i mappen standardized_files i katalogen Flight_scripts.
OBS: Alla filer ska börja med "standardized_" och sluta med det ursprungliga filnamnet. -
Kontrollera kvaliteten på inspelningarna: Öppna trough_diagnostic.png som genereras av standardize_troughs.py som finns i mappen Flight_scripts. Se till att alla poster är robusta för förändringar i det lägsta och högsta spänningsvärdet för medelvärdet av standardiseringsintervallet.
OBS: Inspelningar kan ha mycket buller eller ha alltför känsliga tråg om de uppvisar stora minskningar av antalet tråg som identifieras när minimi- och maximiavvikelsevärdena höjs. Ytterligare diagnostik för min-max normaliserings faktorn kan också kodas, utföras och ritas. En alternativ metod för att kontrollera registreringskvaliteten beskrivs i steg 2.3.1. och 2.3.2. av Attisano et al. 2015 metod papper13. - Utvärdera diagnostiken, avvikelselinjen 198, och ange minimi- och maximiavvikelsevärdena, som definierar minimi- och maximivärdena runt medelspänningen som används för att utföra standardiseringen för alla filer. Standardvärdet är 0,1 V för varje avvikelsevärde.
OBS: I linje 53 kan användaren också ange min-max normaliseringsfaktortröskeln för att identifiera en spänning långt under tröskelvärdet. - Kommentera rad 189 efter inmatning av avvikelsevärdena och kör sedan skriptet. Skriptet kör standardiseringarna effektivt för alla filer (nästan 25 gånger snabbare).
- Analysera flygspåret med hjälp av den standardiserade filen.
- Öppna ikonen flight_analysis.py med valfri textredigerare. Om det inte finns någon inställning högerklickar du på skriptikonen och väljer Öppna med IDLE.
- I linje 76-78, redigera den valfria hastighetskorrigeringen som undertrycker ytterligare rotationer av kvarnens arm efter att en insekt slutar flyga. Bestäm detta tröskelvärde med försiktighet när du arbetar med långsamma flygande insekter.
- I rad 121 redigerar du hastighetströsklarna för att korrigera för falska hastighetsavläsningar, till exempel extremt snabba hastigheter eller negativa hastigheter. I rad 130 redigerar du tidsgapets värde för att filtrera bort långa luckor som uppstår mellan två på varandra följande oavbrutna flygstrider.
- På rad 350 skriver du sökvägen till mappen där de *.txt standardiserade filerna sparas.
- I linje 353 anger du armradielängden som används under försök, som definierar den cirkulära flygbanan som bärs per varv av insekten.
- Identifiera avståndet och tiden SI-enheter som strängar i raderna 357 respektive 358.
- I raderna 388-397 använder du split() funktionen för att åtminstone extrahera insektens identifikationsnummer och det inställda numret och kammaren där insekten flög från filnamnet. Skriptet följer det omfattande filnamns exemplet "standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt". Förenkla filnamnet om det behövs enligt vad som föreslås i steg 2.2.6 och kommentera eller ta bort variabler som utvärderingstyp på raderna 392 och 401, om de inte används.
- Ange alla användarinställningar, spara och kör skriptet. Om skriptkörningen lyckas skrivs insektens motsvarande ID-nummer, kammare och beräknad flygstatistik ut i Python Shell. Dessutom genererar den en flight_stats_summary.csv fil som består av informationen som skrivs ut i Python Shell och sparar .csv-filen i datamappen i Flight_scripts-katalogen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Flygdata erhölls experimentellt under vintern 2020 med hjälp av fältinsamlade J. haematoloma från Florida som modellinsekter (Bernat, A. V. och Cenzer, M. L. , 2020, opublicerade data). Representativa flygförsök genomfördes vid institutionen för ekologi och evolution vid University of Chicago, vilket framgår nedan i figur 6, figur 7, figur 8och figur 9. Flygkvarnen sattes upp i en inkubator inställd på 28 °C/27 °C (dag/natt), 70% relativ luftfuktighet och en 14 h ljus/10 h mörk cykel. För varje försök registrerades flygspåret med flera buggar varje hundradels sekund av WinDAQ-programvaran i upp till 24 timmar. Efter preliminära försök kategoriserades flygbeteendet i sprängande flygning och kontinuerlig flygning. Bursters flög sporadiskt i mindre än 10 minuter åt gången, och kontinuerliga flygblad flög oavbrutet i 10 minuter eller längre. Varje individ som inte uppvisade kontinuerligt flygbeteende inom sin 30 minuters testfas drogs av flygkvarnen och ersattes med en ny bugg och dess medföljande ID i en händelsemarkörkommentar. Alla buggar som uppvisade kontinuerlig flygning stannade kvar på flygkvarnen över 30 minuter tills de slutade flyga. Buggar byttes från 08:00 till 16:00 varje dag. Som framgår av figur 9varierade flygförsöken av individer i en dags registrering i längd från 30 min till 11+ h. Genom att infoga händelsemarkörer vid tillägg av nya individer bearbetas den här komplexa datastrukturen med hjälp av Python-skripten, och koden hjälper effektivt användarna att visualisera omfattningen av sina experiment. Den föreslagna experimentella installationen fångar insekternas fulla flygkapacitet. emellertid utelämnar det eventuellt av att observera flykt periodicitet. Användare har sedan möjlighet att skräddarsy sina flygförsök för olika flygmått och välja vilket flygbeteende eller vilka strategier de mest vill testa.
Vågformen på skärmen och de diagnostiska värmekartongerna gör det också möjligt att identifiera luckor eller lösa inkonsekvenser i flygspårsdata. Figur 6A visar en uppsättning försök vars flygdata framgångsrikt registrerats för alla kanaler utan buller eller störningar. Den visar också alla kommentarer om händelsemarkörer som gjorts under inspelningen. Figur 6B visar ett ögonblick då den inspelade signalen förlorades i kanal 3 och omedelbart sänkte spänningen till 0 V. Detta berodde möjligen på korsningen av öppna ledningar eller lossning av ledningar. Det finns också särskilda händelser under inspelningen som kan inträffa men korrigeras för i Python-skripten. Detta inkluderar dubbla tråg, spegeltråg och spänningsljud(figur 6C,D). Dessa händelser leder till falska trågavläsningar, men de kan på ett tillförlitligt sätt identifieras och tas bort under analyser. I figur 7 jämförs tre datafiler för att visa hur brus eller känsliga tråg i inspelningsdata diagnostiserades under standardiseringsprocessen. Den första (figur 7A) är en fil vars tråg som genererades av varje revolution av flygkvarnens arm var robusta, vilket innebär att de till stor del avvek från filens medelspänning. I sin tur, när standardiseringsintervallet runt medelvärdet ökade, fanns det ingen förändring i antalet identifierade tråg. Detta föreslog att det inte fanns något spänningsljud, och användaren kan då vara säker på standardiseringens noggrannhet. Å andra sidan hade den tredje filen (figur 7C) tråg som antingen var för känsliga eller hade främmande spänningsbrus som inte till stor del avvek från filens medelspänning. Som ett resultat minskade dess numrerar av tråg väsentligen, som standardiseringsintervallet runt om medelvärdet ökade. Det skulle då vara lämpligt att titta tillbaka på den ursprungliga WDH-inspelningsfilen för att bekräfta om insekten verkligen flög.
Genom att plotta individens flyghastighets- och varaktighetsstatistik kan flygbeteendet ytterligare karakteriseras i fyra flygkategorier: sprängningar (B), bursts till kontinuerlig (BC), kontinuerliga bursts (CB) och kontinuerlig (C), som representeras i figur 8. En person som strikt uppvisade kontinuerlig flygning flög oavbrutet i 10 minuter eller mer åtminstone i slutet av sin 30 minuters testfas (figur 8A). En individ som flög sporadiskt under hela sin 30 minuters testfas uppvisade sprängflygning(figur 8B). En individ som ursprungligen uppvisade kontinuerlig flygning i mer än 10 minuter och sedan avsmalnande inom sin 30 minuters testfas i sporadiska skurar uppvisade kontinuerlig till sprängning flygning (figur 8C). Slutligen visade en individ som ursprungligen visade sprängflygning och sedan övergick till kontinuerlig flygning under återstoden av 30 minuters testfas och därefter uppvisade sprängning till kontinuerlig flygning(figur 8D). Således, specifikt för modellinsekten och experimentella ramverket, kan användaren använda denna grafiska utgång för att bedöma och identifiera allmänna flygbeteendemönster trots unika variationer i enskilda spår.
Bild 1: Mönster som ska laserskuras för akrylplastplåtsstruktur. Åtta plastplåtar i akryl laserskurits för att konstruera flygverkets plaststödsstruktur. Filrader skapades i Adobe Illustrator i RGB-läge, där RGB Red (255, 0, 0) klippte linjer och RGB Blue (0, 0, 255) etsade linjer. För större läsbarhet i denna siffra ökades filradsslag från 0,0001 punkt till 1 punkt. Koordinatenheter är mm, och pricken i det övre vänstra hörnet av varje design är ursprunget, där flytta längre ner och till höger om ursprunget leder till positiva stigande värden. Det finns tre olika arkdesigner: de yttre vertikala väggarna, en central vertikal vägg och horisontella hyllor. De två vertikala ytterväggarna glider in i de horisontella hyllorna vid sina slitsar, och deras rektangulära hål används för att montera den 3D-tryckta linjära styrskenan, blocken och stöden. Det finns en central vertikal vägg med slitsar som delar upp flygkvarnen i åtta celler och ger ytterligare strukturellt stöd. Det finns också fem horisonthyllor med slitsar, etsade cirklar för att markera placeringen av magnetrörsstöden och små rektangulära hål så att rörstöden kan skruvas in. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Monterad flygkvarn. A) Montering av flygkvarnar. Varje horisonthylla (HS) har satts in i de öppna slitsarna på de yttre vertikala väggarna (OW) och den centrala vertikala väggen (CW). Dessutom identifieras varje cell, eller "kammare", med en kanalbokstav (A eller B) som motsvarar en datalogger och ett kanalnummer (1-4) som motsvarar kanalen på den specifika dataloggern. B) Flygkvarnscellenhet med flygkvarnsarm. Magnetiska lager kan höjas eller sänkas genom att skjuta de inre rören i de yttre rören för att justera armens höjd. IR-sensorerna kan också höjas eller sänkas för att justera sensorerna med flaggans höjd på armen. IR-sensorer kan också enkelt tas bort från sina linjära styrskenor om de behöver bytas ut eller inspekteras eller om flygverket behöver transporteras. Tvärfästen ger strukturellt stöd för varje akrylcell och kan enkelt sättas in och tas bort. C) Linjär styrskena och blockmontering i cellfönstret. Alla 3D-komponenter och respektive skruvar i cellfönstret är märkta för tydligare montering. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 3:3D-utskrivna mönster. Mätningarna är i mm. A) Linjär styrskena. B) Linjärt styrskenablock format för att hålla en IR-sensor. C) Skruv som används som stöd för att ersätta järnskruvar. D) Rörstöd. E) Magnetstöd. F) Tvärbalk som används som akrylram aligner och stabilisator. G) Långt stöd och H) kort stöd för att hålla de linjära styrskenorna på plats. Endast linjära styrskenor som vilar på akrylväggens utsida visas. Linjära styrspegelstödspeglar visas inte. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 4: Flygkvarnens elektriska kretsar. A) Enkelt diagram över en elektrisk krets som förbinder IR-sensorerna med dataloggern. När flaggan på kvarnarmen avbryter strålen som avges av IR-sensorsändaren slutar strömmen att flöda till IR-sensormottagaren och spänningen sjunker till noll. Dataloggern registrerar alla spänningsfall. B) Elektriska kretsar markerade. Varje gul låda avgränsar komponenterna i en krets som är ansluten till brödbrädan. Flera elektriska kretsar kan anslutas till en enda brödskiva i alternerande rader. Storleken på den lödfria brödbrädan begränsar hur många flygceller som får plats. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 5: Insekter av olika storlekar magnetiskt målade och fastbundna. A) Drosophila melanogaster (vanliga fruktflugor) magnetiskt målade och bundna. Fruktflugor är små insekter (kroppslängd 5 mm; massa = 0,2 mg) som först måste bedövas med is eller CO2 under ett mikroskop innan de applicerar den magnetiska färgen på bröstkorgen. B) Obalans mellan insektsstorlek och magnetstorlek. Magneten på flygkvarnsarmen bör bäst rymma insektens storlek. Här hindras insektens synfält eftersom magneten är för stor. En mindre konisk magnet eller magnetremsa skulle lösa denna missmatchning. C-F) Oncopeltus fasciatus (milkweed bugs) och Jadera haematoloma (tvålbärsbuggar) magnetiskt målade och bundna. Större buggar (kroppslängd > 5 mm; massa > 0,1 g) kan klämmas av benen innan de applicerar ett lager färg på bröstkorgen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 6: Exempel på WDH-flyginspelningar. Spänningstråg representerar fullständiga varv av flygkvarnens arm. De röda prickade linjerna delar upp displayen och sekunderna per division (sek/div) på varje panel markeras i blått. Svarta lodräta linjer markerar markörens tid. A) Händelsemarkörer. Sec/div ändrades från 0,2 sek/div till dess max, vilket gör att hela vågformen kan ritas över skärmen. Alla händelsemarkörer som tas över alla kanaler visas bara i den första kanalen som linjer som går från maxspänningen till botten av kanalfältsfönstret. Alla händelseskapare för den här inspelningsuppsättningen finns i den gula ovalen. B) Signalförlust. I en annan inspelningsuppsättning ändrades sec/div från 0,2 sek/div till 15 sek/div för att visualisera en inspelad signal som förlorats från 17:09 till 17:15 i kanal 3. Alla andra kanaler som kanal 4 fortsatte att fungera korrekt. C) Dubbla tråg och spegeltråg. Dubbla tråg är när spänningen sjunker, stiger och sedan snabbt sjunker och stiger igen för att skapa vad som verkar vara två sammanslagna tråg i en strålbrytande händelse. De dubbla tråg speglar också varandra, vilket tyder på att flaggan rörde sig fram och tillbaka mellan sensorn, vilket vanligtvis händer när en insekt slutar flyga. Python-skripten är korrekta för varje enskilt fall. D) Spänningsljud. Strax efter 13:14 kan små stötar i spänningen ses, vilket tyder på spänningsljud i inspelningen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 7: Representativa trågdiagnostikdata från Jadera haematoloma (tvålbärsbuggen). Potentiellt buller eller alltför känsliga tråg känns lätt igen i flyginspelningarna. A) En optimal, robust inspelning från exempel individ 318. Det fanns ingen förändring i antalet tråg som minsta och maximala avvikelse värden ökade, och så tråg var robust nog att identifieras trots ett stort standardiseringsintervall. B) En suboptimmal, men ändå robust inspelning från exempel individ 371. Det finns en minskning av antalet tråg när minimi- och maximiavvikelsevärdena ökade. Minskningen var dock minimal (11 tråg). Det kan vara buller och några känsliga tråg men inget väsentligt. C) En bullrig inspelning från exempel individ 176. Det finns en tydlig och snabb minskning av antalet tråg som identifierats som minimi- och maximiavvikelsevärden ökade tills dess antal platåer vid 12 dalar. Detta signalerar mycket potentiellt buller eller alltför känsliga tråg medan de 12 tråg förblir som robusta tråg. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 8: Representativa flygdata från Jadera haematoloma (tvålbärsbugg). Fyra kategorier av flygbeteende kan identifieras i flyginspelningarna. A) Kontinuerlig flygning. Denna individ flög kontinuerligt i 1,67 h, började vid höga hastigheter och avsmalnar sedan med tiden i lägre hastigheter. B) Sprängande flygning. Denna individ flög endast i skurar inom de första 30 minuterna av deras rättegång. Bursters kan nå hög hastighet men denna individ kunde bara behålla låga hastigheter. C) Kontinuerlig till sprängflygning. Denna individ hade upprätthållit kontinuerlig flygning i 25 minuter och sedan avsmalnat i bursts under de återstående 5 minuterna av deras rättegång. D) Spricker till kontinuerlig flygning. Denna individ började som en burster, nådde höga sporadiska hastigheter och övergick sedan till kontinuerlig flygning i ca 4 h. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 9:Representativ kanalvisualisering av flera flygförsök inom en enda inspelningsuppsättning. Varje färg representerar en enskild tvålbärsbugg vid dess givna kanalbrev och kanalnummer under rättegången. Alla starttider, stopptider och filnamn extraherades från varje individs unika flygspår .txt fil. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Kompletterande figur 1: Kerf nyckel. Kerf är tjockleken på det material som avlägsnas eller går förlorat i processen att skära det materialet. För en laserskärare kommer två viktiga faktorer att bestämma bredden på trottoaren: balkbredden och materialtypen. För att testa och beräkna den exakta trottoarkanten skär laser nyckeln och montera 20 mm breddnyckeln i facket som den passar säkert. Subtrahera sedan värdet för kortplatsens bredd från nyckelbreddsvärdet. Till exempel kommer en nyckel med en bredd på 20 mm som passar in i en 19,5 mm-kortplats att ha en kerftjocklek på 0,5 mm. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande figur 2: Jämförelse av låga provtagningsfrekvenser. A) Förhållandet mellan spänningsfall och hastighet genom provtagningsfrekvens. Varje linjefärg och punktform representerar en samplingsfrekvens (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz och 25 Hz). Spänningsfall är synonymt med trågets storlek. Linjer passar andra ordningen regressioner, som beskriver minskningen i tråg storlek som hastighet ökar och följande ökning i tråg storlek vid högre hastigheter. Den skuggade stången går från 0 V till 0,1 V, vilket markerar spänningsområdet där buller uppstår. Data samlades in på cell B-4 med windaq-inspelningsprogramvaran och med folieflaggade dimensioner 30 mm längd med 30 mm bredd. Flygkvarnens arm snurrades snabbt för hand och lämnades att snurra tills den slutade röra sig. Provtagningsfrekvenser 25 Hz eller lägre riskerar att felidentifiera tråg som brus under standardiserings- och diagnostiska tester. Provtagningsfrekvenser på 100 Hz eller högre är särskilt robusta vid registrering av stora tråg för hastigheter under 1 m/s. B) Trågstorlekar för olika provtagningsfrekvenser som ses genom vågformen. När samplingsfrekvenserna minskar krymper också deras representation på vågformen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande bild 3:Flödesschema för funktionerna och datastrukturerna för varje Python-skript. En översikt över indata, funktionella processer och utdata för varje Python-skript för det föreslagna flight mill sammanfattas och beskrivs genom exempel. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande 3D-utskrift. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfiler. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den enkla, moderna flygkvarnen ger en rad fördelar för forskare som är intresserade av att studera tjudrad insektsflygning genom att leverera en pålitlig och automatiserad design som testar flera insekter effektivt ochkostnadseffektivt 13,31,35. På samma sätt finns det ett starkt incitament för forskare att anta snabb framväxande teknik och tekniker från industrin och andra vetenskapliga områden som ett sätt att bygga experimentella verktyg för att studera ekologiska system9,32,33. Detta protokoll drar nytta av två snabbt framväxande tekniker, 3D-skrivaren och laserskäraren, som blir alltmer tillgängliga i gemensamma makerspaces, för att förbättra den enkla, moderna flygkvarnen. Dessa förbättringar ger en mer flexibel, justerbar och hopfällbar design som rymmer insekter av olika storlekar, minimerar stress som placeras på insekten och gör att flygkvarnen enkelt kan transporteras till flera platser eller miljöer. Dessutom är de extra kostnaderna för att använda tekniken minimala eller till och med gratis. Men dessa tekniker kan också vara en utmaning att experimentera med om det inte är lätt att nå färdigheter i att använda vektorgrafikredigerare och 3D-bildprogramvara. I sin tur tjänar flygkvarnen som presenteras här till att både uppmuntra forskare att införliva tillgänglig framväxande teknik i sitt arbetsflöde och att låta forskare bygga en anpassningsbar, flexibel och effektiv flygkvarn utan specialiserad kunskap om elektronik, programmering eller CAD-modeller.
De starkaste aspekterna av detta protokoll är makerspaces teknik som utökar en användares designalternativ för flygkvarnar, användningen av magnetisk färg för att minimera insektsstress och automatisering av flyginspelningar som bearbetar flera insekter i en enda inspelning. Laserskäraren erbjuder exakta och exakta skärfunktioner som kan hantera jobb av nästan vilken komplexitet som helst. Användaren kan ändra akrylstödstrukturen för att montera ytterligare 3D-utskrifter eller inköpta föremål. 3D-skrivaren gör det möjligt för användaren att skapa anpassningsbara flygkvarnskomponenter som kan kringgå dyra, färdiga produkter med snävt justerbara dimensioner. 3D-utskrifter som inte föreslås i detta papper kan också byggas, till exempel landningsplattformar, stöd som snabbt kan växla mellan magnetiska lager och kullager, eller till och med en ny bilaga som binder en insekt. Slutligen gör användningen av automatiserad inspelningsprogramvara och Python-skript för att skilja flera flygförsök inom en enda inspelning det möjligt att studera sporadiska flygattacker till mycket långa flygattacker. Med tanke på hur variabel flygaktivitet och varaktighet är mellan arter föreslås det dock att användaren genomför preliminära försök för att förstå gränserna och de allmänna mönstren för en arts flygbeteende för att optimera datainsamlingen. Användaren kan också bedöma integriteten för sina inspelningar med hjälp av de diagnostiska värmemapparna och kan redogöra för eventuella nödvändiga hastighetskorrigeringar i skripten.
Forskare bör också vara medvetna om flygverkets allmänna begränsningar. Tidigare studier har gjort kända och har försökt att åtgärda begränsningarna för tjudrade flygningar, inklusive brist på tarsal kontakt för att låta insekten vila vidvilja 18,31, frånvaron av energi som förbrukas när en insekt lyfter34, det extra drag insekten övervinner när man trycker på flygkvarnsarmen och insekten som behöver kompensera för de yttre aerodynamiska krafterna som upplevs på grund av centrifugalaccelerationen av dess cirkulära flygspår 6,35. Dessutom fortsätter det att finnas inkonsekvenser i hur man kategoriserar eller mer exakt kvantifierar de korta eller "triviala" sprängningar insekterna visar, särskilt när man jämför flygbeteendet och mekanismerna hos stora flyttande insekter med de hos små insekter som uppvisar mestadels svävande flygning24,36,37 . Trots dessa begränsningar har det gjorts betydande framsteg när det gäller att fånga och kategorisera flygbeteende inom insektsarter, och forskare har fortsatt att koppla flygkvarnen med andra tekniker och metoder6,7,8.
Makerspace som en plats för kreativitet, samarbete och låga barriärer kommer ytterligare att inspirera forskare att felsöka 3D-utskriftsdesignbegränsningar eller laserskurna mer invecklade mönster. Studier har undersökt effektiviteten hos makerspaces inte bara som iterativa produkttillverkningsutrymmen utan också som platser för accelererat lärande10,11,12. Ingenjörsstudenter fick totalt högre poäng i designförståelse, designdokumentation och modellkvalitet när deras design gjordes med makerspace-teknik11. Dessutom sjönk deras modellutvecklingstid med 50%, vilket indikerar att makerspace-utforskning överträffade traditionell roteteori och applikationskursarbete11. I sin tur kommer forskare med liten designkunskap att kunna fördjupa den, och forskare som också är lärare kan dra nytta av detta utrymme som ett sätt att öka designorganisation, hantverk och teknisk fingerfärdighet för studenter. I en disciplin som ekologi som redan använder sig av en mängd olika verktyg för fält- och laboratoriearbete kan forskare också utveckla, dela och standardisera nya eller förbättrade verktyg. Det flygbruk som föreslås i detta dokument är bara början på vad som skulle kunna vara en strategi för att demokratisera och snabbt sprida nya sätt att samla in data.
Flygkvarnar har spelat en viktig roll för att göra det möjligt för forskare att förstå spridningen av insekter - ett ekologiskt fenomen som fortfarande i huvudsak är svårlöst på fältet. Framtida framsteg i utformningen och tillämpningen av flygverket kan uppnås när forskare blir mer skickliga på ny teknik och den programvara som åtföljer dessa tekniker. Detta kan inkludera design av flygkvarnsarmlager som möjliggör vertikal lyft eller ger insekten större flygorienteringsflexibilitet. Dessutom kan precisionen hos laserskärare och 3D-skrivare vara nödvändig för forskare som är intresserade av att skala ner och kalibrera för små insekter med mestadels svävande kapacitet. Målet med detta protokoll var i sin tur att ge en enkel ingång till dessa tekniker samtidigt som man konstruerade en av de vanligaste och mest användbara enheterna inom beteendeekologi - flygkvarnen. Om forskare har tillgång till ett gemensamt makerspace och är engagerade i att navigera i dess teknik, kommer de resulterande förbättringarna och förbättringarna av den moderna flygkvarnen att leda till kreativ och samarbetsinriktad design av flygkvarnar och kommer att fortsätta att erbjuda insikter om de underliggande egenskaperna och mekanismerna som påverkar insektsarters variationer och mönster i rörelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författaren har inget att avslöja.
Acknowledgments
Jag vill tacka Meredith Cenzer för att ha köpt allt flygverksmaterial och gett kontinuerlig feedback från konstruktionen till uppskrivningen av projektet. Jag tackar också Ana Silberg för hennes bidrag till standardize_troughs.py. Slutligen tackar jag Media Arts, Data, and Design Center (MADD) vid University of Chicago för tillstånd att använda sin gemensamma makerspace-utrustning, teknik och förnödenheter 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 |
References
- Krogh, A., Weis-Fogh, T. Roundabout for studying sustained flight of locusts. Journal of Experimental Biology. 29, 211-219 (1952).
- Hocking, B. The intrinsic range and speed of flight of insects. Transactions of the Royal Entomological Society of London. 104 (8), 223 (1953).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ribak, G., Barkan, S., Soroker, V. The aerodynamics of flight in an insect flight-mill. PLoS ONE. 12 (11), 0186441 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sheridan, K. M., et al. Learning in the making: A comparative case study of three makerspaces. Harvard Educational Review. 84, 505-531 (2014).
- Khalifa, S., Brahimi, T. Makerspace: A novel approach to creative learning. Institute of Electrical and Electronics Engineers Xplore. 1, 43-48 (2017).
- Smay, D., Walker, C. Makerspaces: A creative approach to education. Teacher Librarian. 42, 39-43 (2015).
- 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).
- 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).
- Davis, M. A. Geographic patterns in the flight ability of a monophagous beetle. Oecologia. 69, 407-412 (1986).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cheng, X., Sun, M. A. Wing-kinematics measurement and aerodynamics in a small insect in hovering flight. Scientific Reports. 6, 25706 (2016).
- Holland, J. D. Dispersal kernel determines symmetry of spread and geographical range for an insect. International Journal of Ecology. 2009, 4 (2009).
- Frouz, J., Kindlmann, P. Source-sink colonization as a possible strategry of insects living in temporary habitats. PLoS ONE. 10 (6), 1-10 (2015).
- Ventola, C. L. Medical applications for 3D printing: Current and projected uses. Pharmacy & Therapeutics. 39 (10), 704-711 (2014).
- 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).
- 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).
- Webster, M. N., Doner, J. P., Wikstrom, V., Lugt, P. Grease degradation in R0F bearing tests. Tribology Transactions. 50 (2), 187-197 (2007).
- 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).
- Walker, M., Humphries, S. 3D Printing: applications in evolution and ecology. Ecology and Evolution. 9 (7), 4289-4301 (2019).
- Shahrubudin, N., Lee, T. C., Ramlan, R. An overview of 3D printing technology: technological, materials, and applications. Science Direct. 35, 1286-1296 (2019).
- 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).
- 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).
- Hardie, J.
- 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).
