テザード昆虫飛行研究のための強化飛行ミルの建設

昆虫の分散がいかに難しいかを考えると、飛行工場は昆虫の動き方という重要な生態学的現象に対処するための一般的な実験室ツールとなっています。その結果、フライトミル^{1、2、3、4}のパイオニアが60年にわたるフライトミルの設計と建設を導いて以来、技術が改善され、科学コミュニティに統合されるにつれて、顕著な設計シフトがありました。時間が経つにつれて、自動データ収集ソフトウェアは、チャートレコーダーを置き換え、フライトミルアームはガラス棒からカーボンロッドとスチールチューブ⁵に移行しました。過去10年間だけでも、磁気ベアリングはテフロンまたはガラスベアリングを最適な摩擦のないものに置き換え、飛行ミル機械と汎用性の高い技術のペアは、オーディオ、ビジュアル、レイヤーファブリケーション技術が研究者のワークフローにますます統合されるにつれて増殖しています。これらの組み合わせには、翼空気力学⁶を測定する高速ビデオカメラ、聴覚飛行応答⁷を研究するための感覚的手がかりを模倣するデジタルアナログボード、および飛行中の翼の変形を追跡するためのキャリブレーションリグを作るための3Dプリンティングが^{含まれています。}近年、メーカースペース、特に知識豊富なスタッフ⁹が運営するデジタルメディアセンターを持つ機関での新たな技術の台頭に伴い、より広い範囲の昆虫をテストし、デバイスを現場に輸送するために飛行工場を強化する可能性が高まっています。研究者が学問的な境界を越え、生産ベースの作業^{9、10、11、12}を通じて技術的な学習^を加速する可能性も高^い。ここで発表されたフライトミル(Attisanoと同僚¹³から適応)は、メーカースペースに見られる新しい技術を利用して1だけでなく、スケールと寸法が目の前のプロジェクトに微調整されているフライトミルコンポーネントを作成しますが、2) 高予算やコンピュータ支援設計(CAD)に専門的な知識を要求することなく、レーザー切断と3D印刷のアクセス可能なプロトコルを研究者に提供します。

新しい技術と方法をフライトミルと組み合じる利点は大きいですが、フライトミルも貴重なスタンドアロンマシンです。フライトミルは昆虫の飛行性能を測定し、飛行速度、距離、または周期性が温度、相対湿度、季節、宿主植物、体重、形態形質、年齢、生殖活動などの環境または生態学的要因にどのように関連しているかを判断するために使用されます。アクログラフ、トレッドミル、風洞や屋内アリーナ¹⁴での飛行運動のビデオ記録のような代替方法とは異なり、飛行ミルは、実験室の条件下で様々な飛行性能統計を収集する能力のために注目される。これは、生態学者が飛行分散に関する重要な質問に対処するのに役立ち、それは彼らの規律の進歩を助ける – それは統合された害虫管理^{15、16、17、}人口動態、遺伝学、生物地理学、生命史戦略^18、またはフェロツの可塑性19、20、21、22.一方、高速カメラやアクトグラフのようなデバイスは、厳密で複雑で高価なセットアップを必要としますが、ウィングビート周波数や昆虫光相活動^23、24などのより微調整された動きパラメータを導くことができます。したがって、ここで提示されるフライトミルは、研究者が飛行行動を調査するための柔軟で手頃な価格でカスタマイズ可能なオプションとして機能します。

同様に、新しい技術を生態学者のワークフローに統合するインセンティブは、分散研究に関する疑問やアプローチがより創造的で複雑になるにつれて上昇し続けています。技術革新を促進する場所として、メーカースペースは、専門知識の複数のレベルを引き出し、新しい技術的なスキルを習得するために、任意の年齢のユーザーのための低学習曲線を提供します^10,12.メーカー空間とオンラインオープンソースを通じて、プロトタイピング科学デバイスの反復的かつ協調的な性質は、理論¹¹の適用を加速し、生態学的科学における製品開発を促進することができます。さらに、科学ツールの再現性を高めることは、より広範なデータ収集とオープンサイエンスを促進します。これは、研究者が分散を測定するための機器や方法を標準化するのに役立ちます。ツールを標準化することで、生態学者は、分散カーネル²⁵またはソースシンクコロニー形成ダイナミクス²⁶から発達するメタ母集団モデルをテストするために、集団全体の分散データを統一することがさらに可能になる。医学界が患者ケアと解剖学教育²⁷に3Dプリンティングを採用しているのと同様に、生態学者はレーザーカッターと3Dプリンタを使用して生態学的ツールと教育を再設計することができ、この研究の範囲内で、着陸プラットフォームや垂直に移動できるフライトミルアームなどの追加のフライトミルコンポーネントを設計することができます。さらに、Makerspace技術が提供するカスタマイズ、費用対効果、生産性の向上は、独自のツールやデバイスを開発しようとする研究者にとって比較的低い障壁を持つ分散プロジェクトを立ち上げる手助けとなります。

この飛行ミルを構成するために、メーカーが考慮できる機械的および器械的な制限もあります。磁石と3Dプリントされた機能強化により、クロスブラケットの構築を除いて、フライトミルは本質的に接着剤がなく、異なるサイズの昆虫に対応できます。しかし、昆虫の質量と強度が増加するにつれて、昆虫はつながれながら自分自身を取り外す可能性が高くなる可能性があります。強い磁石は増加したトーショナルドラッグを犠牲にして使用することができ、またはボールベアリングは、数グラム^28、29の重量を量る昆虫を飛行試験するための堅牢なソリューションとして磁気ベアリングを置き換えることができます。それにもかかわらず、ボールベアリングは、主に高速および高温で長時間実験を行うとボールベアリングの潤滑を劣化させ、摩擦³⁰を増加させるといういくつかの問題を提示することができる。したがって、ユーザーは、どのフライトミルのメカニックが研究と実験設計の昆虫に最も適するかを識別する必要があります。

同様に、このペーパーの考慮事項を超えたフライトミルを計測する方法はいくつかあります。ここで紹介するフライトミルでは、IRセンサーを使用して回転を検出し、WinDAQソフトウェアで回転を記録し、生データを処理するプログラミングスクリプトを使用しています。使い方は簡単ですが、WinDAQソフトウェアには限られたツールがあります。ユーザは対応するチャネルにコメントを付けることができず、回線のコンポーネントに障害が発生した場合は警告を受けられません。これらのケースは、コードを通じて検出して修正することによって、データ収集後にのみ解決されます。あるいは、ユーザーはカスタマイズ可能なデータ収集機能²⁸ を提供する複数のソフトウェアを採用するか、またはバイクのmilometers²⁹のような直接の速度と距離の統計を取るセンサーを採用することができます。ただし、これらの代替手段は、貴重な生データをバイパスしたり、あまりにも多くのソフトウェアアプリケーションで機能を拡散したりして、データ処理を非効率的にする可能性があります。最終的には、このプロトコルは、フライトミル計測器を改造するのではなく、現在のソフトウェアの制限に対する堅牢なプログラミングソリューションを提供します。

本論文では、研究者の分散研究を支援し、行動生態学の分野における新たな技術の組み込みを促進するために、強化された簡単な飛行ミルの設計を説明する。この飛行ミルはインキュベーターの制約の範囲内に収まり、最大8つの昆虫を同時に収容し、データ収集と処理を自動化します。特に、その3Dプリントされた機能強化により、ユーザーはミルアームとIRセンサーの高さを調整して、さまざまなサイズの昆虫をテストし、迅速な保管や輸送のためにデバイスを分解することができます。共同メーカースペースへの制度的なアクセスのおかげで、すべての機能強化は無料で、シンプルで近代的なフライトミルと比較して追加コストは発生しません。必要なソフトウェアはすべて無料で、電子回路はシンプルで、実験計画の特定のニーズに合わせてすべてのスクリプトを変更できます。さらに、コード化された診断により、ユーザーは録音の完全性と精度を確認できます。最後に、このプロトコルは、昆虫をミルアームに磁気的に塗装し、テザリングすることによって、昆虫が持続するストレスを最小限に抑えます。シンプルなフライトミルの組み立てはすでにアクセス可能で、手頃な価格で柔軟であり、Makerspace技術を使用してシンプルなフライトミルを強化することで、研究者に独自の飛行研究ニーズを克服するスペースを与えることができ、この論文の考慮事項を超えた創造的なフライトミル設計を刺激することができます。