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Engineering

Costruire un mulino di volo potenziato per lo studio del volo degli insetti legati

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

Summary

Questo protocollo utilizza stampanti tridimensionali (3D) e taglierine laser presenti nei makerspace al fine di creare un design più flessibile del mulino di volo. Utilizzando questa tecnologia, i ricercatori possono ridurre i costi, migliorare la flessibilità di progettazione e generare lavoro riproducibile durante la costruzione dei loro mulini di volo per studi di volo di insetti legati.

Abstract

I makerspace hanno un alto potenziale di consentire ai ricercatori di sviluppare nuove tecniche e di lavorare con nuove specie nella ricerca ecologica. Questo protocollo dimostra come sfruttare la tecnologia presente nei makerspace per costruire un mulino di volo più versatile a un costo relativamente basso. Dato che questo studio ha estratto il suo prototipo da mulini di volo costruiti nell'ultimo decennio, questo protocollo si concentra maggiormente sulla delineazione delle divergenze fatte dal semplice e moderno mulino di volo. Studi precedenti hanno già dimostrato quanto siano vantaggiosi i mulini di volo per misurare parametri di volo come velocità, distanza o periodicità. Tali mulini hanno permesso ai ricercatori di associare questi parametri a fattori morfologici, fisiologici o genetici. Oltre a questi vantaggi, questo studio discute i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia nei makerspace, come stampanti 3D e taglierine laser, al fine di costruire un design del mulino di volo più flessibile, robusto e pieghevole. In particolare, i componenti stampati in 3D di questo design consentono all'utente di testare insetti di varie dimensioni rendendo regolabili le altezze del braccio del mulino e dei sensori a infrarossi (IR). Le stampe 3D consentono inoltre all'utente di smontare facilmente la macchina per una rapida conservazione o trasporto sul campo. Inoltre, questo studio fa un maggiore uso di magneti e vernice magnetica per legare gli insetti con il minimo stress. Infine, questo protocollo descrive in dettaglio un'analisi versatile dei dati di volo attraverso script informatici che separano e analizzano in modo efficiente le prove di volo differenziabili all'interno di una singola registrazione. Sebbene sia più laborioso, l'applicazione degli strumenti disponibili nei makerspace e nei programmi di modellazione 3D online facilita pratiche multidisciplinari e orientate ai processi e aiuta i ricercatori a evitare costosi prodotti predefiniti con dimensioni strettamente regolabili. Sfruttando la flessibilità e la riproducibilità della tecnologia nei makerspace, questo protocollo promuove la progettazione creativa del mulino di volo e ispira la scienza aperta.

Introduction

Dato quanto sia intrattabile la dispersione degli insetti sul campo, il mulino di volo è diventato uno strumento di laboratorio comune per affrontare un importante fenomeno ecologico: come si muovono gli insetti. Di conseguenza, da quando i pionieri del mulino di volo1,2,3,4 hanno inaugurato sei decenni di progettazione e costruzione di mulini di volo, ci sono stati notevoli cambiamenti di progettazione man mano che le tecnologie miglioravano e diventavano più integrate nelle comunità scientifiche. Nel corso del tempo, il software di raccolta dati automatizzato ha sostituito i registratori grafici e i bracci del mulino di volo sono passati da barre di vetro a barre di carbonio e tubi in acciaio5. Solo nell'ultimo decennio, i cuscinetti magnetici hanno sostituito i cuscinetti in teflon o vetro come ottimali senza attrito e le coppie tra macchinari per mulini di volo e tecnologia versatile sono proliferate man mano che la tecnologia di fabbricazione audio, visiva e di strati diventa sempre più integrata nei flussi di lavoro dei ricercatori. Questi abbinamenti hanno incluso videocamere ad alta velocità per misurare l'aerodinamica delle ali6,schede digitali-analogiche per imitare i segnali sensoriali per studiare le risposte di volo uditive7e stampa 3D per realizzare un impianto di calibrazione per tracciare la deformazione delle ali durante il volo8. Con il recente aumento delle tecnologie emergenti nei makerspace, in particolare nelle istituzioni con centri multimediali digitali gestiti da personaleesperto 9, ci sono maggiori possibilità di migliorare il mulino di volo per testare una gamma più ampia di insetti e trasportare il dispositivo sul campo. C'è anche un alto potenziale per i ricercatori di attraversare i confini disciplinari e accelerare l'apprendimento tecnico attraverso il lavoro basato sulla produzione9,10,11,12. Il mulino di volo qui presentato (adattato da Attisano e colleghi13)sfrutta le tecnologie emergenti presenti nei makerspace non solo per 1) creare componenti del mulino di volo le cui scale e dimensioni sono messe a punto per il progetto in questione, ma anche 2) offrire ai ricercatori un protocollo accessibile nel taglio laser e nella stampa 3D senza richiedere un budget elevato o alcuna conoscenza specializzata nella progettazione assistita da computer (CAD).

I vantaggi dell'accoppiamento di nuove tecnologie e metodi con il mulino di volo sono sostanziali, ma i mulini di volo sono anche preziose macchine autonome. I mulini di volo misurano le prestazioni di volo degli insetti e vengono utilizzati per determinare in che modo la velocità, la distanza o la periodicità del volo si riferiscono a fattori ambientali o ecologici, come temperatura, umidità relativa, stagione, pianta ospite, massa corporea, tratti morfologici, età e attività riproduttiva. Distinto da metodi alternativi come actografi, tapis roulant e la registrazione video del movimento di volo nelle gallerie del vento e nelle arene interne14, il mulino di volo è notevole per la sua capacità di raccogliere varie statistiche sulle prestazioni di volo in condizioni di laboratorio. Questo aiuta gli ecologi ad affrontare importanti domande sulla dispersione del volo e li aiuta a progredire nella loro disciplina - che si tratti di gestione integrata dei parassiti15,16,17, dinamicadella popolazione, genetica, biogeografia, strategie di storia della vita18o plasticità fenotipica19,20,21,22 . D'altra parte, dispositivi come telecamere ad alta velocità e actografi possono richiedere una configurazione rigorosa, complicata e costosa, ma possono anche portare a parametri di movimento più sintonizzati, come le frequenze del battito d'ala e l'attività della fotofase degli insetti23,24. Pertanto, il mulino di volo presentato qui funge da opzione flessibile, economica e personalizzabile per i ricercatori per studiare il comportamento di volo.

Allo stesso modo, l'incentivo a integrare le tecnologie emergenti nel flusso di lavoro degli ecologisti continua a crescere man mano che le domande e gli approcci allo studio della dispersione diventano più creativi e complessi. Come sedi che promuovono l'innovazione, i makerspace attingono a più livelli di competenza e offrono una bassa curva di apprendimento per gli utenti di qualsiasi età per acquisire nuove competenze tecniche10,12. La natura iterativa e collaborativa della prototipazione di dispositivi scientifici nel makerspace e attraverso fonti aperte online può accelerare l'applicazione della teoria11 e facilitare lo sviluppo del prodotto nelle scienze ecologiche. Inoltre, l'aumento della riproducibilità degli strumenti scientifici incoraggerà una più ampia raccolta di dati e la scienza aperta. Questo può aiutare i ricercatori a standardizzare le attrezzature o i metodi per misurare la dispersione. Gli strumenti di standardizzazione potrebbero inoltre consentire agli ecologi di unificare i dati di dispersione tra le popolazioni al fine di testare modelli di metapopolazione che si sviluppano da kernel di dispersione25 o dinamiche di colonizzazione source-sink26. Proprio come la comunità medica sta adottando la stampa 3D per la cura del paziente e l'educazione anatomica27, gli ecologi possono utilizzare taglierine laser e stampanti 3D per riprogettare strumenti ecologici e istruzione e, nell'ambito di questo studio, possono progettare componenti aggiuntivi del mulino di volo, come piattaforme di atterraggio o un braccio del mulino di volo che può muoversi verticalmente. A loro volta, la personalizzazione, l'economicità e l'aumento della produttività offerti dalla tecnologia makerspace possono aiutare ad avviare progetti di dispersione con una barriera relativamente bassa per i ricercatori che intendono sviluppare i propri strumenti e dispositivi.

Per costruire questo mulino di volo, ci sono anche limitazioni meccaniche e strumentali che possono essere considerate dal produttore. Magneti e miglioramenti stampati in 3D consentono al mulino di volo di essere essenzialmente senza colla, ad eccezione della costruzione delle staffe trasversali, e di essere adattabile a insetti di diverse dimensioni. Tuttavia, con l'aumentare della massa e della forza degli insetti, gli insetti possono avere maggiori probabilità di smontarsi mentre sono legati. I magneti forti possono essere utilizzati al costo di una maggiore resistenza torsionale, oppure i cuscinetti a sfere possono sostituire i cuscinetti magnetici come soluzione robusta per gli insetti che testano il volo che pesano diversi grammi28,29. Tuttavia, i cuscinetti a sfere possono anche presentare alcuni problemi, principalmente che l'esecuzione di esperimenti prolungati con alte velocità e alte temperature può degradare la lubrificazione dei cuscinetti a sfere, il che aumenta l'attrito30. Pertanto, gli utenti dovranno discernere quale meccanica del mulino di volo si adatterebbe meglio ai loro insetti di studio e progettazione sperimentale.

Allo stesso modo, ci sono diversi modi per strumentare un mulino di volo che è al di là delle considerazioni di questo documento. Il mulino di volo qui presentato utilizza sensori IR per rilevare le rivoluzioni, software WinDAQ per registrare le rivoluzioni e script di programmazione per elaborare i dati grezzi. Sebbene sia facile da usare, il software WinDAQ ha una gamma limitata di strumenti disponibili. Gli utenti non possono allegare commenti al canale corrispondente e non possono essere avvisati in caso di guasto di un componente del circuito. Questi casi vengono risolti rilevandoli e correggendoli tramite codice, ma solo dopo la raccolta dei dati. In alternativa, gli utenti possono adottare più di un software che offre funzionalità di raccolta dati personalizzabili28 o sensori che prendono statistiche dirette di velocità e distanza, come i milometri per bici29. Tuttavia, queste alternative possono bypassare preziosi dati grezzi o diffondere funzionalità tra troppe applicazioni software, il che può rendere inefficiente l'elaborazione dei dati. In definitiva, piuttosto che rimodellare la strumentazione del mulino di volo, questo protocollo offre solide soluzioni di programmazione alle attuali limitazioni del software.

In questo articolo, viene descritto un progetto per un semplice mulino di volo migliorato per aiutare i ricercatori nei loro studi di dispersione e per incoraggiare l'incorporazione di tecnologie emergenti nel campo dell'ecologia comportamentale. Questo mulino di volo si adatta ai vincoli di un incubatore, contiene fino a otto insetti contemporaneamente e automatizza la raccolta e l'elaborazione dei dati. In particolare, i suoi miglioramenti stampati in 3D consentono all'utente di regolare le altezze del braccio del mulino e del sensore IR per testare insetti di varie dimensioni e smontare il dispositivo per una rapida conservazione o trasporto. Grazie all'accesso istituzionale a un makerspace comune, tutti i miglioramenti sono stati gratuiti e non sono stati accumulati costi aggiuntivi rispetto al semplice e moderno mulino di volo. Tutto il software necessario è gratuito, i circuiti elettronici sono semplici e tutti gli script possono essere modificati per seguire le esigenze specifiche del progetto sperimentale. Inoltre, la diagnostica codificata consente all'utente di verificare l'integrità e la precisione delle proprie registrazioni. Infine, questo protocollo riduce al minimo lo stress sostenuto da un insetto dipingendo magneticamente e legando gli insetti al braccio del mulino. Con l'assemblaggio del semplice mulino di volo già accessibile, economico e flessibile, l'uso di tecnologie makerspace per migliorare il semplice mulino di volo può garantire ai ricercatori lo spazio per superare le proprie specifiche esigenze di studio di volo e può ispirare progetti creativi di mulini di volo al di là delle considerazioni di questo documento.

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Protocol

1. Costruisci il Flight Mill in un Makerspace

  1. Tagliare e assemblare al laser la struttura di supporto in plastica acrilica.
    1. Utilizzare 8 fogli acrilici trasparenti spessi (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) per costruire la struttura di supporto in plastica acrilica. Assicurarsi che il materiale non sia in policarbonato, che sembra simile all'acrilico ma si scioglierà invece di essere tagliato sotto il laser.
    2. Individuare la fresa laser nel makerspace. Questo protocollo presuppone che il makerspace abbia una fresa laser come indicato nella Tabella dei materiali. Per altre frese laser, leggere le impostazioni della fresa laser per determinare quale colore o spessore della linea è necessario per impostare le linee del file da tagliare o incidere al laser (non da rasterizzare).
    3. Apri Adobe Illustrator, Inkscape (gratuito) o un altro editor di grafica vettoriale. Preparare un file che legga il progetto di supporto acrilico in formato vettoriale con le righe sopra menzionate nella Figura 1. Create linee di file in Adobe Illustrator in modalità Rossa, Verde e Blu (RGB) con un tratto linea di 0,0001 punti in cui RGB Rosso (255, 0, 0) taglia le linee e RGB Blu (0, 0, 255) incide le linee.
    4. Come precauzione, testare e tenere conto di kerf per tutte le misurazioni di fessure e fori. Progettare e testare la chiave kerf (Figura supplementare 1).
      NOTA: la larghezza del Kerf può variare in base alla larghezza del fascio della fresa laser, alla larghezza del materiale e al tipo di materiale utilizzato.
    5. Salvare i disegni di supporto acrilico e la chiave kerf come tipi di file leggibili, ad esempio file .ai, .dxf o .svg. Per inviare il lavoro alla fresa laser, stampare il file sulla macchina locale della fresa laser e quindi aprire il software laser.
      NOTA: se stampate correttamente, tutte le linee di taglio vettoriale nel disegno appariranno con i colori corrispondenti appropriati nel pannello di controllo del software laser.
    6. Selezionate il materiale come Plastica e quindi il tipo di materiale come Acrilico. Per una maggiore precisione, misurare lo spessore del materiale con una pinza e inserire il suo spessore nel campo dello spessore del materiale. Attiva automaticamente l'asse Z del punto focale del materiale. Impostate il tipo di figura su Nessuno e lasciate l'intensità su 0%. Per modificare qualsiasi metrica avanzata sulla fresa laser, ad esempio la potenza % del laser o la velocità %, eseguire il test con il tasto kerf.
      NOTA: La regola empirica è che più spesso è il materiale, maggiore è la potenza richiesta a una velocità inferiore.
    7. Prima di tagliare, seguire le linee guida del makerspace sull'accensione, l'utilizzo e la manutenzione della fresa laser. Posizionare i materiali nella cavità della stampante e tagliare i supporti acrilici.
      NOTA: Per evitare possibili danni agli occhi, non guardare il laser o lasciare incustodito alcun foglio acrilico durante il taglio.
    8. Pulire il materiale in eccesso dalla cavità della stampante e assemblare la struttura di supporto. Assemblate inserendo ogni ripiano orizzontale nelle fessure aperte delle pareti verticali esterne e della parete verticale centrale come indicato nella Figura 2A. Assicurarsi che i fori tra i ripiani orizzontali siano allineati.
  2. Stampa in 3D i supporti in plastica.
    1. Aprire un browser Web e creare un account su un programma di modellazione 3D online. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per un'opzione di account gratuita.
    2. Fare clic su Progetti 3D > Creare un nuovo progetto. Per replicare i disegni esatti stampati in 3D di questo studio come mostrato nella Figura 3,scarica l'archivio 3D_Prints.zip (Stampe 3D supplementari)e sposta la cartella sul desktop. Decomprimi e apri la cartella. Nella pagina web del piano di lavoro del programma di modellazione 3D online, fare clic su Importa nell'angolo in alto a destra e selezionare i file .stl.
      NOTA: più repliche o oggetti di progettazione possono riempire il piano di lavoro ed essere salvati come un singolo file .stl purché l'utente trattiene gli oggetti entro i limiti dell'area di costruzione della stampante 3D. L'oggetto più grande che una stampante 3D può stampare è di 140 mm di lunghezza x 140 mm di larghezza x 140 mm di profondità. Tuttavia, non ruotare gli oggetti lungo il loro asse z come mezzo per massimizzare il numero di oggetti in un'area di costruzione. Questo perché gli oggetti scaricati sono stati posizionati per ridurre al minimo le sporgenze e quindi possono essere stampati in modo ottimale con i supporti minimi necessari.
    3. Per creare autonomamente o apportare modifiche ai progetti, seguire le esercitazioni del sito Web, apportare modifiche e quindi esportare i nuovi progetti come file con estensione stl. In totale, 8 guide lineari (100,05 mm di lunghezza x 23,50 mm di larghezza x 7,00 mm di profondità), 16 blocchi di guide lineari (22,08 mm di lunghezza x 11,47 mm di larghezza x 12,47 mm di profondità), da 12 a 20 viti (9,00 mm di lunghezza x 7,60 mm di larghezza x 13,00 mm di profondità), 15 staffe trasversali (50,00 mm di lunghezza x 50,00 mm di larghezza x 20,00 mm di profondità), È necessario stampare in 3D 16 supporti magnetici (lunghezza 12,75 mm x larghezza 12,50 mm x profondità 15,75 mm), 16 supporti per tubi (lunghezza 29,22 mm x larghezza 29,19 mm x profondità 11,00 mm), 16 supporti guida lineari corti (lunghezza 40,00 mm x larghezza 11,00 mm x profondità 13,00 mm) e 16 supporti guida lineari lunghi (lunghezza 40,00 mm x larghezza 16,00 mm x profondità 13,00 mm). Per ottenere lo specchio di ogni progetto di guida lineare, fare clic sull'oggetto, premere Me selezionare la freccia corrispondente alla larghezza dell'oggetto.
      NOTA: vedere il passaggio 1.3.6. per maggiori informazioni sui pioli guida lineari.
    4. Scarica e installa un software di slicing di stampa 3D per convertire i file .stl in un file .gx leggibile dalla stampante 3D. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per scaricare il programma software gratuito.
      NOTA: altri programmi software di conversione sono accettabili, ma questo protocollo presuppone che il makerspace utilizzi la stampante 3D e il software di stampa di slicing come indicato nella Tabella dei materiali.
    5. Fare doppio clic sull'icona del software di slicing di stampa 3D per avviare il software. Fare clic su Stampa > Tipo di macchina e selezionare la stampante 3D che si trova nel makerspace.
    6. Fare clic sull'icona Carica per caricare un file di modello con estensione stl e visualizzare l'oggetto nell'area di compilazione.
    7. Selezionare l'oggetto e fare doppio clic sull'icona Sposta. Fare clic su Sulla piattaforma per assicurarsi che il modello sia sulla piattaforma. Fare clic su Centro per posizionare l'oggetto al centro dell'area di compilazione oppure trascinare l'oggetto con il puntatore del mouse per posizionare l'oggetto sull'area di compilazione.
    8. Fare clic sull'icona Stampa. Assicurarsi che il tipo di materiale sia impostato su PLA,che i supporti e la zattera siano abilitati, che la risoluzione sia impostata su Standarde che la temperatura dell'estrusore corrisponda alla temperatura suggerita dalla guida della stampante 3D. La temperatura può essere modificata in Altre opzioni >> Temperatura.
    9. Premere OK e salvare il file .gx nella cartella 3D_Prints o su una chiavetta USB se il file non può essere trasferito alla stampante 3D tramite un cavo USB.
    10. Individua la macchina da stampa 3D di un makerspace. Calibrare l'estrusore e assicurarsi che ci sia abbastanza filamento per la stampa. Trasferisci il file .gx alla stampante 3D e stampa tutti i tipi e le quantità di supporti e miglioramenti in plastica. Per ogni stampa, verificare che il filamento si attacchi correttamente alla piastra.
  3. Assembla stampe 3D sulla struttura di supporto acrilica.
    1. Per visualizzare tutti i supporti in posizione, vedere la Figura 2B.
    2. Incollare a caldo i fogli di neoprene di 3.175 mm di spessore sulle pareti interne della staffa trasversale. Quando è asciutto, inserire le staffe trasversali alle giunzioni dei ripiani acrilici e le pareti sul retro del dispositivo per stabilizzare il mulino di volo.
    3. Ove possibile, utilizzare viti stampate in 3D per ridurre al minimo l'influenza magnetica delle viti in ferro. Avvitare i supporti del tubo sul fondo e sulla parte superiore di ogni cella. Assicurarsi che i supporti del tubo superiore e inferiore siano allineati.
    4. Inserire un tubo di plastica lungo 30 mm (diametro interno (ID) 9,525 mm; diametro esterno (OD) 12,7 mm) nel supporto del tubo superiore e un tubo di plastica lungo 15 mm (ID 9,525 mm; OD 12,7 mm) nel supporto del tubo inferiore di ciascuna cella. Quindi, inserire un tubo di plastica lungo 40 mm (ID 6,35 mm; OD 9,525 mm) nel tubo superiore e un tubo di plastica lungo 20 mm (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) nel tubo inferiore. Assicurarsi che ci sia un attrito abbastanza forte tra i tubi per mantenere i tubi in posizione, ma non troppo che il tubo interno possa ancora scorrere su e giù se tirato. Se i tubi sono deformati, immergere segmenti dei tubi per 1 minuto in acqua bollente. Raddrizzare i tubi su un asciugamano, lasciarli raggiungere la temperatura ambiente e quindi inserire i tubi.
    5. Posizionare i due magneti al neodimio a basso attrito (diametro 10 mm; lunghezza 4 mm; forza di tenuta di 2,22 kg) in ciascun supporto magnetico. Assicurati che ogni coppia di magneti si respinga a vicenda. Quindi, inserire saldamente un tubo interno in ciascun supporto magnetico in modo che la gravità che agisce sui magneti e il supporto del magnete non sia abbastanza forte da rimuovere il supporto dalla camera d'aria.
    6. Di fronte alla stessa direzione, far scorrere due blocchi di guide lineari nella guida lineare. Alloggiare le guide lineari e i blocchi in posizione verticale nelle finestre sulle pareti verticali esterne. Assicurarsi che le aperture dei blocchi siano rivolte verso l'alto. Per fissare una guida lineare in posizione, utilizzare due supporti per guide lineari corte, due supporti per guide lineari lunghe, quattro viti in ferro lunghe 10 mm (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm), due viti in ferro lunghe 20 mm (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm) e due dadi esagonali (M5; passo filettatura 0,8; diametro 5 mm). La Figura 2C mostra l'assemblaggio completo della guida lineare.
      NOTA: le fessure aperte nella guida lineare sono destinate ad essere utilizzate se e solo se la guida lineare viene erosa dallo scorrimento ripetuto del suo blocco. In tal caso, stampa in 3D un piccolo piolo a forma di T trovato nella cartella 3D_Prints.
  4. Costruisci il braccio girevole.
    NOTA: le sottosezioni 1.4.1 e 1.4.2 sono equivalenti alle sottosezioni 1.2.2. e 1.2.3. in Attisano et al. 2015 metodi paper13.
    1. Forare il filtro di una punta di pipetta filtrata da 20 μL nel suo punto centrale utilizzando un perno entomologico. Quindi, spingere il perno attraverso la punta della pipetta fino a quando le estremità in acciaio del perno sporgono dal corpo della punta della pipetta. Assicurarsi che il filtro della punta della pipetta fissi il perno in posizione. Il perno funge da asse del braccio del mulino di volo.
    2. Per massimizzare lo spazio della cella, tagliare un tubo di acciaio ipodermico non magnetico da 19 G a una lunghezza di 24 cm (1 cm in meno rispetto alla larghezza di una cella di volo). Incollare a caldo il perno sporgente e la corona della punta della pipetta dal punto 1.4.1. al punto medio del tubo. Piegare un'estremità del tubo a 2 cm dall'estremità con un angolo di 95°.
      NOTA: per dare priorità alle dimensioni degli insetti piuttosto che massimizzare lo spazio cellulare, accorciare il raggio del braccio per gli insetti più piccoli o i volantini deboli. Un braccio di volo più lungo può anche essere assemblato se la parete acrilica centrale viene rimossa per insetti più grandi o volatori forti. Inoltre, l'estremità piegata del braccio può supportare diverse angolazioni per posizionare l'insetto nel suo naturale orientamento di volo.
    3. Per testare la sua sospensione magnetica, posizionare il braccio tra il set superiore di magneti. Assicurarsi che il braccio rotante giri liberamente attorno al perno sospeso verticalmente.
    4. Incollare i due magneti al neodimio a basso attrito (diametro 3,05 mm; lunghezza 1,58 mm; forza di tenuta di 0,23 kg) sull'estremità piegata del braccio pivot per legare l'insetto verniciato magneticamente per il volo (massa del braccio del mulino di volo con magneti = 1,4 g). All'estremità non piegata del braccio pivot, avvolgere un pezzo di foglio di alluminio (massa per area = 0,01 g/ cm2) per creare una bandiera. La bandiera della lamina funge da contrappeso e, grazie alle sue proprietà altamente riflettenti, rompe in modo ottimale il raggio IR inviato dal trasmettitore del sensore IR al ricevitore.
      NOTA: il diametro del fascio IR è al massimo di 2,4 mm, quindi la larghezza minima ottimale della bandiera della lamina è di 3 mm. Una larghezza della bandiera della lamina di 3 mm e posizionata per rompere il fascio di luce IR davanti alla lente dell'emettitore del sensore produrrà un calo di tensione rilevabile durante le analisi.
  5. Configurare il sensore IR e il data logger.
    1. Posizionare il trasmettitore del sensore IR all'interno del blocco della guida lineare superiore con l'emettitore del raggio rivolto verso il basso. Quindi, posizionare il ricevitore del sensore IR all'interno del blocco inferiore rivolto verso l'alto.
      NOTA: I sensori (20 mm di lunghezza x 10 mm di larghezza x 8 mm di profondità) possono essere separati fino a una distanza di 250 mm e funzionano ancora; pertanto, funzioneranno anche se posizionati alle estremità della guida lineare di circa 100 mm.
    2. Su una breadboard senza saldatura, collegare il trasmettitore e il ricevitore del sensore IR in serie con il data logger di ingresso analogico a 4 canali, come mostrato nel circuito elettronico nella Figura 4A. Collegare prima l'ingresso del trasmettitore del sensore IR (non del ricevitore), dopo il resistore Ω 180. Posizionare un altro resistore da 2,2 kΩ prima dell'uscita della connessione del ricevitore IR. Configurare il circuito elettronico di ciascun canale in file alternate lungo la breadboard per ridurre al minimo il rumore nel segnale di tensione proveniente da più sensori durante la registrazione (Figura 4B).

2. Condurre prove di volo

  1. Legare magneticamente gli insetti al braccio del mulino di volo.
    1. Per ridurre al minimo lo stress posto sull'insetto, applicare vernice magnetica sul pronoto dell'insetto usando uno stuzzicadenti o un applicatore di precisione fine (punta da 20 G). Lasciare asciugare la vernice per almeno 10 minuti. Una volta asciutto, attaccare l'insetto ai magneti del braccio del mulino di volo. Fare riferimento alla Figura 5 per esempi di insetti che dipingono magneticamente e legano insetti di diverse dimensioni. Questo protocollo utilizza l'ematoloma Jadera (insetto di soapberry) come insetto modello per il tethering di volo e la sperimentazione di prova.
      NOTA: Per una maggiore attrazione tra l'insetto e i magneti del braccio, applicare più strati di vernice magnetica. Inoltre, sostituisci i magneti attaccati all'estremità del braccio del mulino di volo con le dimensioni dei magneti che meglio si adattano al campo visivo, alla massa e alla gamma alare degli insetti.
    2. Vola fino a 8 insetti alla volta nel mulino di volo. Prepara almeno 16 insetti per testare più insetti in sequenza durante una singola sessione di registrazione.
    3. Per rimuovere la vernice magnetica dopo il test, scheggiare la vernice con una pinza fine e smaltirla secondo le normative dell'Environmental Protection Agency (EPA) e dell'Occupational Safety and Health Administration (OSHA).
  2. Registra più insetti in sequenza senza terminare una sessione di registrazione utilizzando lo strumento Commento marcatore eventi di WinDAQ.
    1. Scarica e installa il software gratuito winDAQ per la registrazione e la riproduzione dei dati.
    2. Creare una nuova cartella denominata Flight_scripts sul desktop. Crea cinque nuove cartelle con i seguenti nomi esatti all'interno della cartella Flight_scripts: dati, files2split, registrazioni, split_filese standardized_files. Scaricare il foglio dati.xlsx (File supplementare 1) e trascinare il file nella cartella dati nella directory Flight_scripts.
    3. Utilizzare il foglio dati.xlsx come modello di registrazione manuale dei dati. Sono necessarie almeno quattro colonne: il numero di identificazione del bug, se il bug è morto prima di essere testato, il numero del set di registrazione e la camera composta dalla lettera del canale e dal numero del canale (ad esempio, "A-1", "B-4"). Fare riferimento alla Figura 2A per una possibile configurazione della camera.
    4. Aprire winDAQ Dashboard, selezionare i data-logger dall'elenco delle caselle di controllo e premere'Avvia software Windaq'. Si aprirà una nuova finestra per ogni data-logger selezionato e verrà mostrato il segnale di ingresso da ciascun sensore.
    5. Definire una frequenza di campionamento facendo clic su Modifica > frequenza di campionamento. Digitare una frequenza di campionamento di 100 campioni al secondo nella casella Frequenza di campionamento/Canale e premere OK.
      NOTA: Questo protocollo suggerisce 100 S/s perché i trogoli, che sono cadute di tensione derivanti dalla bandiera che interrompe il fascio del sensore IR, raggiungeranno comunque un calo minimo di tensione di 0,36 V per velocità di 1,7 m/s. A sua volta, il rumore, che ha una caduta massima di tensione di 0,10 V, può ancora essere filtrato durante le standardizzazioni senza filtrare i trogoli reali. Inoltre, una frequenza di campionamento di 100 S / s rende facile per l'utente vedere i trogoli sulla forma d'onda sullo schermo durante e dopo la registrazione. Se si verificano errori durante la registrazione, l'utente può discernere rapidamente i trogoli da errori o rumore. Vedere la Figura 2 supplementare per i confronti tra diverse frequenze di campionamento basse.
    6. Per avviare una nuova sessione di registrazione, premere File > Registra. Selezionare la posizione del file di registrazione nella prima finestra pop-up. Scrivere il nome del file con attenzione. I file devono avere almeno quanto segue nei loro nomi: il numero del set di registrazione e la lettera del canale. Un esempio di nome file modellato negli script Python è il seguente: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Fare riferimento alle righe split_files.py 78-87 dalla cartella Flight_scripts per ottenere ulteriori dettagli. Quindi, premere OK.
    7. Nella finestra pop-up successiva, inserisci la durata prevista della registrazione del volo. Premere OK quando gli insetti sono in grado di iniziare il volo. Trascorso il tempo di registrazione, premere CTRL-S per finalizzare il file. Non premere CTRL-S a meno che non sia necessario terminare la registrazione in anticipo.
      NOTA: se il file termina troppo presto digitando Ctrl+S o il periodo di tempo di cui sopra era troppo breve, aggiungere una nuova registrazione a un file esistente facendo clic su File > Record. Selezionare il file a cui aggiungere e fare clic su Sì nella seguente finestra popup.
    8. Quando si estraggono gli insetti testati durante la registrazione, inserire un marcatore di evento commentato dell'insetto in arrivo nella camera selezionata. Registra sempre manualmente l'ID, la camera e il set di registrazione dell'insetto in arrivo nel foglio dati.xlsx prima di scambiare gli insetti.
    9. Per fare un commento sull'indicatore di evento, fai clic sul numero del canale. Quindi, fai clic su Modifica > Inserisci segno commentato. Definisci il commento con il numero di identificazione del nuovo insetto che entra nella camera. Premere OK e caricare l'insetto nella camera.
  3. Visualizza i commenti degli indicatori di evento e converti i file da WDH a TXT.
    1. Aprire un file WDH. Visualizza i commenti dei marcatori di eventi andando su Modifica > Compressione... e quindi fare clic sul pulsante Massimo per comprimere completamente la forma d'onda in un'unica finestra (Figura 6A).
    2. Verificare la presenza di eventuali anomalie nella registrazione.
      NOTA: i tipi di anomalie o errori nella registrazione sono visualizzati nella Figura 6. Questi vengono diagnosticati in seguito e corretti negli script Python.
    3. Salvare il file in un formato .txt accedendo a File > Salva con nome. Selezionare la cartella delle registrazioni all'interno della directory Flight_scripts come percorso in cui salvare il file. Seleziona il tipo di file come Spreadsheet print (CSV) nella finestra pop-up e scrivi il nome del file con .txt alla fine. Fai clic su Salva. Nella seguente finestra pop-up, selezionare Frequenza di campionamento, Ora relativae Data e ora. Digitare 1 tra il numero di canale e i marcatori di evento. Deselezionate tutte le altre opzioni e fate clic su OK per salvare il file.

3. Analizza i dati di volo

  1. Dividere i file in base ai commenti del marcatore di eventi.
    1. Installa l'ultima versione di Python. Tutti gli script di questo protocollo sono stati sviluppati su Python versione 3.8.0.
    2. Scarica i seguenti script Python: split_files.py, standardize_troughs.pye flight_analysis.py ( File dicodifica supplementari). Spostare gli script nella cartella Flight_scripts.
    3. Assicurati che Python sia aggiornato e installa le seguenti librerie: csv, os, sys, re, datetime, time, numpy, math e matplotlib. Per osservare le principali funzioni e strutture di dati degli script, vedere lo schema in Figura supplementare 3.
    4. Apri il file del foglio dati.xlsx e salva come CSV modificando il formato del file in CSV UTF-8 (delimitato da virgole) se esegui Windows o Macintosh Comma Separated se esegui Mac.
    5. Apri l'icona split_files.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    6. Ricodifica le righe 133-135 e 232-233 se l'utente ha scritto un nome file diverso dal modello suggerito ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Per ricodificare lo script in modo da contenere nomi di file diversi utilizzando la funzione split(), vedere le righe 116-131.
    7. Nella riga 266 digitare il percorso della cartella Flight_scripts ed eseguire lo script. Dopo un'esecuzione riuscita, lo script genera file di .txt intermedi di ID insetto mappati nella cartella files2split e file di .txt per ogni insetto testato in ogni registrazione impostata nella cartella split_files, all'interno della directory Flight_scripts.
      NOTA: Inoltre, nella shell Python, gli utenti dovrebbero vedere le istruzioni di stampa del nome del file, quali insetti vengono scambiati in un marcatore di evento numerato e quali file vengono divisi e generati in nuovi file dall'ID insetto.
  2. Standardizzare e selezionare i trogoli nel segnale registrato.
    1. Apri l'icona standardize_troughs.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    2. Nella riga 158 digitare la frequenza di campionamento.
    3. Nella riga 159 digitare il percorso della cartella Flight_scripts ed eseguire lo script. Se lo script viene eseguito correttamente, genera file nella cartella standardized_files nella directory Flight_scripts.
      NOTA: tutti i file devono iniziare con 'standardized_' e terminare con il nome del file originale.
    4. Controlla la qualità delle registrazioni: Aprire il trough_diagnostic.png generato dal standardize_troughs.py che si trova nella cartella Flight_scripts. Assicurarsi che tutti i record siano robusti alle variazioni del valore di tensione minima e massima dell'intervallo medio di standardizzazione.
      NOTA: le registrazioni possono avere molto rumore o avere depressioni eccessivamente sensibili se mostrano grandi diminuzioni nel numero di depressioni identificate quando vengono aumentati i valori di deviazione minima e massima. È inoltre possibile codificare, eseguire e tracciare ulteriori diagnostica per il fattore di normalizzazione min-max. Un metodo alternativo per controllare la qualità della registrazione è descritto nei passaggi 2.3.1. e 2.3.2. dell'articolo Attisano et al. 201513.
    5. Valutare la diagnostica, decommentare la linea 198 e specificare i valori di deviazione minima e massima, che definiscono i valori minimi e massimi intorno alla tensione media utilizzata per eseguire la standardizzazione per tutti i file. Il valore predefinito è 0,1 V per ogni valore di deviazione.
      NOTA: nella riga 53, l'utente può anche specificare la soglia del fattore di normalizzazione min-max per identificare una tensione molto al di sotto del valore di soglia.
    6. Commentare la riga 189 dopo aver immesso i valori di deviazione e quindi eseguire lo script. Lo script eseguirà le standardizzazioni in modo efficiente per tutti i file (quasi 25 volte più veloce).
  3. Analizza la traccia di volo utilizzando il file standardizzato.
    1. Apri l'icona flight_analysis.py con l'editor di testo scelto. Se non vi è alcuna preferenza, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'icona dello script e selezionare Apri con IDLE.
    2. Nelle righe 76-78, modificare la correzione della velocità opzionale che sopprime le rotazioni aggiuntive del braccio del mulino dopo che un insetto smette di volare. Determinare questo valore di soglia con cautela quando si lavora con insetti volanti lenti.
    3. Nella riga 121, modificare le soglie di velocità per correggere le letture false della velocità, ad esempio velocità estremamente elevate o velocità negative. Nella riga 130, modificare il valore dell'intervallo di tempo per filtrare gli intervalli lunghi che si verificano tra due periodi di volo ininterrotti consecutivi.
    4. Nella riga 350 digitare il percorso della cartella in cui vengono salvati i file standardizzati *.txt.
    5. Nella riga 353, inserire la lunghezza del raggio del braccio utilizzata durante le prove, che definisce la traiettoria di volo circolare volata per giro dall'insetto.
    6. Identificare le unità SI di distanza e tempo come stringhe rispettivamente nelle righe 357 e 358.
    7. Nelle righe 388-397, utilizzare la funzione split() per estrarre, come minimo, il numero di identificazione dell'insetto e il numero impostato e la camera in cui l'insetto è volato dal nome del file. Lo script segue l'esempio completo del nome file "standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt". Se necessario, semplificare questo nome di file come suggerito nel passaggio 2.2.6. e commentare o eliminare variabili come il tipo di prova sulle righe 392 e 401, se non utilizzate.
    8. Specificare tutte le impostazioni utente, salvare ed eseguire lo script. Se l'esecuzione dello script ha esito positivo, stampa il numero ID corrispondente dell'insetto, la camera e le statistiche di volo calcolate nella shell Python. Inoltre, genera un file di flight_stats_summary.csv composto dalle informazioni stampate nella shell Python e salva il file .csv nella cartella dati della directory Flight_scripts.

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Representative Results

I dati di volo sono stati ottenuti sperimentalmente durante l'inverno 2020 utilizzando J. haematoloma raccolto dal campo dalla Florida come insetti modello (Bernat, A. V. e Cenzer, M. L. , 2020, dati non pubblicati). Prove di volo rappresentative sono state condotte presso il Dipartimento di Ecologia ed Evoluzione dell'Università di Chicago, come mostrato di seguito in Figura 6, Figura 7, Figura 8e Figura 9. Il mulino di volo è stato installato all'interno di un incubatore impostato a 28 ° C / 27 ° C (giorno / notte), 70% di umidità relativa e un ciclo di luce di 14 ore / 10 ore di buio. Per ogni prova, la traccia di volo di più bug è stata registrata ogni centesimo di secondo dal software WinDAQ per un massimo di 24 ore. Dopo le prove preliminari, il comportamento di volo è stato classificato in volo a raffica e volo continuo. I burster volavano sporadicamente per meno di 10 minuti alla volta e i volantini continui volavano ininterrottamente per 10 minuti o più. Qualsiasi individuo che non ha mostrato un comportamento di volo continuo durante la sua fase di test di 30 minuti è stato estratto dal mulino di volo e sostituito con un nuovo bug e il suo ID di accompagnamento in un commento del marcatore di evento. Tutti gli insetti che mostravano un volo continuo rimasero sul mulino di volo oltre i 30 minuti fino a quando non smisero di volare. I bug sono stati scambiati dalle 8:00 alle 16:00 ogni giorno. Come rappresentato nella Figura 9,le prove di volo di individui nella registrazione di un giorno variavano in lunghezza da 30 minuti a 11+ h. Inserendo marcatori di eventi all'aggiunta di nuovi individui, questa complessa struttura di dati viene elaborata con successo attraverso gli script Python e il codice aiuta efficacemente gli utenti a visualizzare l'ambito dei loro esperimenti. La configurazione sperimentale proposta cattura la piena capacità di volo degli insetti; tuttavia, omette la possibilità di osservare la periodicità del volo. Gli utenti hanno quindi la possibilità di personalizzare le loro prove di volo per diverse metriche di volo e scegliere quale comportamento o strategie di volo desiderano testare.

La forma d'onda su schermo e le mappe di calore diagnostiche consentono inoltre di identificare lacune o risolvere incongruenze nei dati della traccia di volo. La Figura 6A mostra una serie di prove i cui dati di volo sono stati registrati con successo per tutti i canali senza rumore o interruzioni. Mostra anche tutti i commenti dei marcatori di evento fatti durante la registrazione. La Figura 6B mostra un momento in cui il segnale registrato è stato perso nel canale 3, abbassando immediatamente la tensione a 0 V. Ciò era probabilmente dovuto all'attraversamento di fili aperti o all'allentamento dei fili. Ci sono anche eventi particolari durante la registrazione che potrebbero verificarsi ma sono corretti negli script Python. Ciò include doppi avvallamenti, abbeveratoi a specchio e rumore di tensione (Figura 6C,D). Questi eventi portano a false letture attraverso, ma possono essere identificati e rimossi in modo affidabile durante le analisi. La Figura 7 confronta tre file di dati per mostrare come sono stati diagnosticati il rumore o le depressioni sensibili nei dati di registrazione durante il processo di standardizzazione. Il primo (Figura 7A) è un file le cui depressioni generate da ogni giro del braccio del mulino di volo erano robuste, il che significa che si discostavano in gran parte dalla tensione media del file. A sua volta, con l'aumentare dell'intervallo di standardizzazione intorno alla media, non vi è stato alcun cambiamento nel numero di depressioni identificate. Ciò ha suggerito che non c'era rumore di tensione e l'utente può quindi essere sicuro dell'accuratezza della standardizzazione. D'altra parte, il terzo file (Figura 7C) aveva depressioni troppo sensibili o con rumore di tensione estraneo che non si discostava in gran parte dalla tensione media del file. Di conseguenza, il suo numero di depressioni è diminuito sostanzialmente all'aumentare dell'intervallo di standardizzazione intorno alla media. Sarebbe quindi consigliabile esaminare il file di registrazione WDH originale per confermare se l'insetto stava davvero volando.

Tracciando le statistiche di velocità e durata del volo dell'individuo, il comportamento di volo può essere ulteriormente caratterizzato in quattro categorie di volo: scoppi (B), scoppi a continui (BC), continui a scoppi (CB) e continui (C), come rappresentato nella Figura 8. Un individuo che ha rigorosamente esibito un volo continuo ha volato ininterrottamente per 10 minuti o più almeno entro la fine della sua fase di test di 30 minuti (Figura 8A). Un individuo che ha volato sporadicamente durante la sua fase di test di 30 minuti ha mostrato un volo scoppiante (Figura 8B). Un individuo che inizialmente ha mostrato un volo continuo per più di 10 minuti e poi si è assottigliato entro la sua fase di test di 30 minuti in raffiche sporadiche ha mostrato un volo continuo a scoppio (Figura 8C). Infine, un individuo che inizialmente ha dimostrato il volo in scoppio e poi è passato al volo continuo per il resto della fase di test di 30 minuti e oltre ha mostrato scoppio a volo continuo (Figura 8D). Pertanto, specifico per l'insetto modello e il framework sperimentale, l'utente può utilizzare questo output grafico per valutare e identificare modelli generali di comportamento di volo nonostante variazioni uniche nelle singole tracce.

Figure 1
Figura 1: Disegni da tagliare al laser per la struttura in fogli di plastica acrilica. Otto fogli di plastica acrilica sono stati tagliati al laser per costruire la struttura di supporto in plastica del mulino di volo. Le linee di file sono state create in Adobe Illustrator in modalità RGB, dove RGB Red (255, 0, 0) taglia le linee e RGB Blue (0, 0, 255) le linee incise. Per una maggiore leggibilità in questa figura, i tratti di riga del file sono stati aumentati da 0,0001 punti a 1 punto. Le unità di coordinate sono mm e il punto nell'angolo in alto a sinistra di ogni disegno è l'origine, dove spostarsi più in basso e a destra dell'origine porta a valori ascendenti positivi. Ci sono tre diversi disegni di fogli: le pareti verticali esterne, una parete verticale centrale e scaffali orizzontali. Le due pareti verticali esterne scorrono nei ripiani orizzontali alle loro fessure e i loro fori rettangolari vengono utilizzati per montare la guida lineare stampata in 3D, i blocchi e i supporti. C'è una parete verticale centrale con fessure che divide il mulino di volo in otto celle e fornisce un ulteriore supporto strutturale. Ci sono anche cinque ripiani orizzontali con fessure, cerchi incisi per contrassegnare la posizione dei supporti magnetici del tubo e piccoli fori rettangolari per consentire l'avvitamento dei supporti del tubo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Mulino di volo assemblato. A) Assemblaggio del mulino divolo. Ogni ripiano orizzontale (HS) è stato inserito nelle fessure aperte delle pareti verticali esterne (OW) e della parete verticale centrale (CW). Inoltre, ogni cella, o 'camera', è identificata con una lettera di canale (A o B) che corrisponde a un data logger e un numero di canale (1-4) che corrisponde al canale sullo specifico datalogger. B) Assemblaggio di celle di fresatura di volo con braccio di fresatura di volo. I cuscinetti magnetici possono essere sollevati o abbassati facendo scorrere le camere d'aria all'interno dei tubi esterni per regolare l'altezza del braccio. I sensori IR possono anche essere sollevati o abbassati per allineare i sensori con l'altezza della bandiera sul braccio. I sensori IR possono anche essere rimossi facilmente dai loro blocchi di guida lineare se devono essere sostituiti o ispezionati o se il mulino di volo deve essere trasportato. Le staffe trasversali forniscono un supporto strutturale per ogni cella acrilica e possono essere facilmente inserite e rimosse. C) Guida lineare e assemblaggio del blocco nella finestra della cella. Tutti i componenti 3D e le rispettive viti nella finestra della cella sono etichettati per un assemblaggio più chiaro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Disegni stampati in 3D. Le misure sono in mm. A) Guida lineare. B) Blocco guida lineare sagomato per contenere un sensore IR. C) Vite utilizzata come supporto per sostituire le viti in ferro. D) Supporto del tubo. E) Supporto magnetico. F) Staffa trasversale utilizzata come allineatore e stabilizzatore del telaio acrilico. G) Supporto lungo e H) supporto corto per mantenere in posizione le guide lineari. Vengono mostrati solo i supporti lineari della guida che poggiano sulla faccia esterna della parete acrilica. Gli specchi di supporto della guida lineare non vengono visualizzati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Circuito elettrico del mulino di volo. A) Schema semplice di un circuito elettrico che collega i sensori IR al data logger. Quando la bandiera sul braccio del mulino interrompe il raggio emesso dal trasmettitore del sensore IR, la corrente smette di fluire verso il ricevitore del sensore IR e la tensione scende a zero. Il data logger registra tutte le cadute di tensione. B) Circuiti elettrici evidenziati. Ogni scatola gialla delimita i componenti di un circuito collegato alla breadboard. Più circuiti elettrici possono essere collegati a una singola breadboard in file alternate. La dimensione della breadboard senza saldatura limita il numero di celle di volo che possono essere ospitate. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Insetti di diverse dimensioni dipinti magneticamente e legati. A) Drosophila melanogaster (comuni moscerini della frutta) dipinti magneticamente e legati. I moscerini della frutta sono piccoli insetti (lunghezza del corpo 5 mm; massa = 0,2 mg) che devono prima essere anestetizzati con ghiaccio o CO2 al microscopio prima di applicare la vernice magnetica al torace. B) Mancata corrispondenza tra dimensione dell'insetto e dimensione del magnete. Il magnete sul braccio del mulino di volo dovrebbe adattarsi al meglio alle dimensioni dell'insetto. Qui il campo visivo dell'insetto è ostruito perché il magnete è troppo grande. Un magnete conico più piccolo o una striscia magnetica risolverebbe questa discrepanza. C-F) Oncopeltus fasciatus (insetti di alghe) e Jadera haematoloma (insetti di soapberry) dipinti magneticamente e legati. Gli insetti più grandi (lunghezza del corpo > 5 mm; massa > 0,1 g) possono essere pizzicati dalle gambe prima di applicare una mano di vernice sul torace. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Esempi di registrazioni di volo WDH. Le depressioni di tensione rappresentano rivoluzioni complete del braccio del mulino di volo. Le linee tratteggiate rosse dividono il display e i secondi per divisione (sec/div) di ciascun pannello sono evidenziati in blu. Le linee verticali nere segnano il tempo del cursore. A) Marcatori di eventi. Il sec/div è stato modificato da 0,2 sec/div al suo massimo, consentendo di disegnare l'intera forma d'onda sullo schermo. Tutti i marcatori di eventi presi su tutti i canali saranno visibili solo nel primo canale come linee che vanno dalla tensione massima alla parte inferiore della finestra del campo del canale. Tutti i creatori di eventi per questo set di registrazione si trovano all'interno dell'ovale giallo. B) Perdita di segnale. In un altro set di registrazione, il sec/div è stato modificato da 0,2 sec/div a 15 sec/div per aiutare a visualizzare un segnale registrato perso da 17:09 a 17:15 nel canale 3. Tutti gli altri canali come il canale 4 hanno continuato a funzionare correttamente. C) Doppi abbeveratoi e abbeveratoi a specchio. Le doppie depressioni sono quando la tensione scende, sale e poi scende rapidamente e sale di nuovo per creare quelle che sembrano essere due depressioni unite in un unico evento di rottura del fascio. I doppi avvallamenti si rispecchiano anche l'un l'altro, il che suggerisce che la bandiera si è spostata avanti e indietro tra il sensore, cosa che di solito accade quando un insetto smette di volare. Gli script Python sono corretti per ogni caso. D) Rumore di tensione. Poco dopo le 13:14, si possono vedere piccoli dossi nella tensione, che suggeriscono rumore di tensione nella registrazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Dati diagnostici rappresentativi dell'ematoloma di Jadera (cimice di soapberry). Il rumore potenziale o le depressioni eccessivamente sensibili sono facilmente riconoscibili nelle registrazioni di volo. A) Una registrazione ottimale e robusta dall'esempio individuale 318. Non c'è stato alcun cambiamento nel numero di depressioni poiché i valori di deviazione minima e massima sono aumentati, e quindi i minimi sono stati abbastanza robusti da essere identificati nonostante un ampio intervallo di standardizzazione. B) Una registrazione sub-ottimale, ma comunque robusta dall'esempio individuale 371. C'è un calo del numero di depressioni all'aumentare dei valori di deviazione minima e massima; tuttavia, il calo è stato minimo (11 depressioni). Potrebbe esserci rumore e alcuni abbeveratoi sensibili ma niente di sostanziale. C) Una registrazione rumorosa dall'esempio individuale 176. C'è un calo chiaro e rapido del numero di depressioni identificate come i valori di deviazione minima e massima aumentati fino a quando il suo numero si stabilizza a 12 minimi. Questo segnala un sacco di rumore potenziale o depressioni eccessivamente sensibili mentre le 12 depressioni rimangono come depressioni robuste. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Dati rappresentativi di volo dall'ematoloma Jadera (insetto di soapberry). Quattro categorie di comportamento di volo possono essere identificate nelle registrazioni di volo. A) Volo continuo. Questo individuo ha volato ininterrottamente per 1,67 ore, iniziando ad alte velocità e poi assottigliandosi nel tempo a velocità inferiori. B) Volo scoppiettante. Questo individuo ha volato solo a raffica entro i primi 30 minuti della loro prova. I burster possono raggiungere l'alta velocità, ma questo individuo poteva mantenere solo basse velocità. C) Volo continuo a scoppio. Questo individuo aveva mantenuto il volo continuo per 25 minuti e poi si era assottigliato in raffiche per i restanti 5 minuti della loro prova. D) Scoppio a volo continuo. Questo individuo è iniziato come un burster, raggiungendo alte velocità sporadiche, e poi è passato al volo continuo per circa 4 ore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Visualizzazione rappresentativa del canale di più prove di volo all'interno di un singolo set di registrazione. Ogni colore rappresenta un singolo bug soapberry alla sua data lettera di canale e numero di canale durante la sua prova. Tutti gli orari di inizio, gli orari di arresto e i nomi dei file sono stati estratti dal file di traccia di volo .txt unico di ogni individuo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura supplementare 1: Chiave Kerf. Kerf è lo spessore del materiale rimosso o perso nel processo di taglio di quel materiale. Per una fresa laser, due fattori importanti determineranno la larghezza del kerf: la larghezza del raggio e il tipo di materiale. Per testare e calcolare il kerf esatto, tagliare al laser la chiave e inserire la chiave di larghezza di 20 mm nello slot che si adatta più saldamente. Quindi, sottrarre il valore della larghezza dello slot dal valore della larghezza della chiave. Ad esempio, una chiave con una larghezza di 20 mm che si inserisce in uno slot da 19,5 mm avrà uno spessore di kerf di 0,5 mm. Fare clic qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 2: Confronto delle basse frequenze di campionamento. A) Relazione tra caduta di tensione e velocità in base alla frequenza di campionamento. Ogni colore di linea e forma di punto rappresenta una frequenza di campionamento (100 Hz, 75 Hz, 50 Hz e 25 Hz). La caduta di tensione è sinonimo della dimensione del trogolo. Le linee si adattano alle regressioni del secondo ordine, che descrivono la diminuzione delle dimensioni di depressione all'aumentare della velocità e il successivo aumento delle dimensioni del trogolo a velocità più elevate. La barra ombreggiata va da 0 V a 0,1 V, che segna l'intervallo di tensione in cui si verifica il rumore. I dati sono stati raccolti sulla cella B-4 utilizzando il software di registrazione WinDAQ e con dimensioni della bandiera di lamina di 30 mm di lunghezza per 30 mm di larghezza. Il braccio del mulino di volo è stato ruotato rapidamente a mano e lasciato girare fino a quando non ha smesso di muoversi. Le frequenze di campionamento a 25 Hz o inferiori rischiano di identificare erroneamente le depressioni come rumore durante i test di standardizzazione e diagnostica. Le frequenze di campionamento di 100 Hz o superiori sono particolarmente robuste nella registrazione di grandi depressioni per velocità inferiori a 1m/s. B) Dimensioni minime di diverse frequenze di campionamento viste attraverso la forma d'onda. Man mano che le frequenze di campionamento diminuiscono, anche la loro rappresentazione sulla forma d'onda si restringe. Fare clic qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 3: Diagramma di flusso delle funzioni e delle strutture dati di ogni script Python. Una panoramica degli input, dei processi funzionali e degli output di ogni script Python per il flight mill proposto è riassunta e descritta attraverso esempi. Fare clic qui per scaricare questo file.

Stampa 3D supplementare. Fare clic qui per scaricare questo file.

File di codifica supplementari. Fare clic qui per scaricare questo file.

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Discussion

Il semplice e moderno mulino di volo offre una serie di vantaggi per i ricercatori interessati a studiare il volo degli insetti legati fornendo un design affidabile e automatizzato che testa più insetti in modo efficiente ed economico13,31,35. Allo stesso modo, vi è un forte incentivo per i ricercatori ad adottare tecnologie e tecniche in rapida crescita dall'industria e da altri campi scientifici come mezzo per costruire strumenti sperimentali per studiare i sistemi ecologici9,32,33. Questo protocollo sfrutta due tecnologie rapidamente emergenti, la stampante 3D e la taglierina laser, che stanno diventando sempre più disponibili nei makerspace comuni, al fine di migliorare il semplice e moderno mulino di volo. Questi miglioramenti forniscono un design più flessibile, regolabile e pieghevole che ospita insetti di diverse dimensioni, riduce al minimo lo stress posto sull'insetto e consente al mulino di volo di essere trasportato facilmente in più posizioni o ambienti. Inoltre, le spese aggiuntive per l'utilizzo delle tecnologie sono minime o addirittura gratuite. Tuttavia, queste tecnologie possono anche essere una sfida da sperimentare se il raggiungimento della competenza nell'utilizzo di editor di grafica vettoriale e software di immagini 3D non è prontamente disponibile. A sua volta, il mulino di volo qui presentato serve sia a incoraggiare i ricercatori a incorporare le tecnologie emergenti disponibili nel loro flusso di lavoro sia a consentire ai ricercatori di costruire un mulino di volo personalizzabile, flessibile ed efficace senza conoscenze specialistiche di elettronica, programmazione o modelli CAD.

Gli aspetti più forti di questo protocollo sono le tecnologie del makerspace che espandono le opzioni di progettazione del mulino di volo di un utente, l'uso di vernice magnetica per ridurre al minimo lo stress degli insetti e l'automazione delle registrazioni di volo che elabora più insetti all'interno di una singola registrazione. La fresa laser offre capacità di taglio precise ed esatte in grado di gestire lavori di quasi tutte le complessità. L'utente può modificare la struttura di supporto acrilica per montare ulteriori stampe 3D o articoli acquistati. La stampante 3D consente all'utente di creare componenti personalizzabili del mulino di volo che possono bypassare costosi prodotti prefabbricati con dimensioni strettamente regolabili. Possono essere costruite anche stampe 3D non proposte in questo documento, come piattaforme di atterraggio, supporti che possono scambiarsi rapidamente tra cuscinetti magnetici e cuscinetti a sfera, o anche un nuovo accessorio che lega un insetto. Infine, l'uso di software di registrazione automatizzata e script Python per differenziare più prove di volo all'interno di una singola registrazione consente di studiare periodi sporadici di volo a periodi di volo molto lunghi. Tuttavia, data la variabile attività e durata del volo tra le specie, si suggerisce che l'utente conduca prove preliminari al fine di comprendere i limiti e i modelli generali del comportamento di volo di una specie in modo da ottimizzare la raccolta dei dati. L'utente può anche valutare l'integrità delle proprie registrazioni utilizzando le mappe di calore diagnostiche e può tenere conto di eventuali correzioni di velocità necessarie negli script.

I ricercatori dovrebbero anche essere consapevoli dei vincoli generali del mulino di volo. Studi precedenti hanno reso noti e hanno tentato di rimediare ai limiti del volo legato, tra cui la mancanza di contatto tarsale per consentire all'insetto di riposare a volontà18, 31, l'assenzadi energia spesa quando un insetto decolla34,la resistenza aggiuntiva che l'insetto supera quando spinge il braccio del mulino di volo e l'insetto che ha bisogno di compensare le forze aerodinamiche esterne sperimentate a causa dell'accelerazione centrifuga della sua pista di volo circolare 6,35. Inoltre, continuano ad esserci incongruenze su come categorizzare o quantificare più precisamente le esplosioni brevi o "banali" che gli insetti mostrano, specialmente quando si confrontano il comportamento e i meccanismi di volo dei grandi insetti migratori con quelli dei piccoli insetti che esibiscono per lo più voli in bilico24,36,37 . Nonostante queste limitazioni, ci sono stati progressi significativi nella cattura e nella categorizzazione del comportamento di volo all'interno delle specie di insetti e i ricercatori hanno continuato ad accoppiare il mulino di volo con altre tecnologie e metodi6,7,8.

Il makerspace come luogo di creatività, collaborazione e basse barriere ispirerà ulteriormente i ricercatori a risolvere i problemi di progettazione della stampa 3D o a tagliare al laser progetti più intricati. Gli studi hanno esaminato l'efficacia dei makerspace non solo come spazi iterativi per la produzione di prodotti, ma anche come luoghi di apprendimento accelerato10,11,12. Gli studenti di ingegneria nel complesso hanno ottenuto punteggi più alti nella comprensione del progetto, nella documentazione di progettazione e nella qualità del modello quando i loro progetti sono stati realizzati utilizzando la tecnologia makerspace11. Inoltre, il loro tempo di sviluppo del modello è diminuito del 50%, indicando che l'esplorazione del makerspace ha superato i tradizionali corsi di teoria eapplicazione 11. A loro volta, i ricercatori con poca conoscenza del design saranno in grado di approfondirlo, e i ricercatori che sono anche educatori possono sfruttare questo spazio come mezzo per aumentare l'organizzazione del design, l'artigianato e la destrezza tecnica per gli studenti. In una disciplina come l'ecologia che già fa uso di una varietà di strumenti per il lavoro sul campo e di laboratorio, i ricercatori possono anche sviluppare, condividere e standardizzare strumenti nuovi o migliorati. Il mulino di volo proposto in questo documento è solo l'inizio di quello che potrebbe essere un approccio alla democratizzazione e alla rapida diffusione di nuovi mezzi di raccolta dei dati.

I mulini di volo hanno svolto un ruolo importante nel consentire ai ricercatori di comprendere la dispersione degli insetti, un fenomeno ecologico ancora essenzialmente intrattabile sul campo. I futuri progressi nella progettazione e nell'applicazione del mulino di volo possono essere raggiunti man mano che i ricercatori diventano più esperti nelle tecnologie emergenti e nel software che accompagna tali tecnologie. Ciò potrebbe includere la progettazione di cuscinetti a braccio del mulino di volo che consentano il sollevamento verticale o diano all'insetto una maggiore flessibilità di orientamento al volo. Inoltre, la precisione dei tagliatori laser e delle stampanti 3D può essere necessaria per i ricercatori interessati a ridimensionare e calibrare piccoli insetti con capacità per lo più hovering. A sua volta, l'obiettivo di questo protocollo era quello di fornire un facile accesso a queste tecnologie mentre si costruiva uno dei dispositivi più comuni e utili nel campo dell'ecologia comportamentale: il mulino di volo. Se i ricercatori hanno accesso a un makerspace comune e si impegnano a navigare nelle sue tecnologie, i miglioramenti e i miglioramenti risultanti del moderno mulino di volo porteranno a una progettazione creativa e collaborativa del mulino di volo e continueranno a offrire approfondimenti sui tratti e sui meccanismi sottostanti che influenzano le variazioni e i modelli delle specie di insetti nel movimento.

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Disclosures

L'autore non ha nulla da rivelare.

Acknowledgments

Vorrei ringraziare Meredith Cenzer per aver acquistato tutti i materiali del mulino di volo e aver fornito un feedback continuo dalla costruzione alla stesura del progetto. Ringrazio anche Ana Silberg per il suo contributo a standardize_troughs.py. Infine, ringrazio il Media Arts, Data and Design Center (MADD) dell'Università di Chicago per il permesso di utilizzare gratuitamente le attrezzature, la tecnologia e le forniture del suo makerspace comune.

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

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References

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Costruire un mulino di volo potenziato per lo studio del volo degli insetti legati
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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).

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