بناء مطحنة طيران معززة لدراسة رحلة الحشرات المربوطة

وبالنظر إلى مدى استعصاء انتشار الحشرات في الميدان ، أصبحت طاحونة الطيران أداة مختبرية مشتركة لمعالجة ظاهرة بيئية مهمة – كيفية تحرك الحشرات. ونتيجة لذلك ، منذ رواد طاحونة الطيران^1،2،3،4 بشرت في ستة عقود من تصميم مطحنة الطيران والبناء ، كانت هناك تحولات ملحوظة في التصميم مع تحسن التقنيات وأصبحت أكثر اندماجا في الأوساط العلمية. مع مرور الوقت، حلت برامج جمع البيانات الآلي محل مسجلات الرسم البياني، والأسلحة مطحنة الطيران انتقلت من قضبان زجاجية لقضبان الكربون وأنابيب الصلب⁵. في العقد الماضي وحده، حلت المحامل المغناطيسية محل محامل تفلون أو الزجاج كضروب احتكاك على النحو الأمثل، وانتشرت الأزواج بين آلات مطحنة الطيران والتكنولوجيا متعددة الاستخدامات مع اندماج تكنولوجيا تصنيع الصوت والبصر والطبقة بشكل متزايد في سير عمل الباحثين. وشملت هذه الاقترانات كاميرات الفيديو عالية^السرعةلقياس الديناميكا الهوائية الجناح 6 ، لوحات رقمية إلى التناظرية لمحاكاة الإشارات الحسية لدراسة استجابات الطيران^{السمعية 7}، والطباعة ثلاثية الأبعاد لجعل تلاعب المعايرة لتتبع تشوه الجناح خلال الرحلة⁸. مع الارتفاع الأخير للتكنولوجيات الناشئة في مساحات الصانع ، وخاصة في المؤسسات التي لديها مراكز إعلامية رقمية يديرها موظفون مطلعون⁹، هناك إمكانيات أكبر لتعزيز طاحونة الطيران لاختبار مجموعة أكبر من الحشرات ونقل الجهاز إلى الميدان. وهناك أيضا إمكانات عالية للباحثين لعبور الحدود التأديبية وتسريع التعلم التقني من خلال العمل القائم على الإنتاج^{9،10،11،12}. طاحونة الطيران المعروضة هنا (مقتبسة من Attisano وزملاؤه¹³) يستفيد من التكنولوجيات الناشئة الموجودة في makerspaces ليس فقط 1) إنشاء مكونات مطحنة الطيران التي يتم ضبطها جداول وأبعادها للمشروع في متناول اليد ولكن أيضا 2) تقدم للباحثين بروتوكول يمكن الوصول إليها في قطع الليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد دون الحاجة إلى ميزانية عالية أو أي معرفة متخصصة في التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).

فوائد اقتران التكنولوجيات والأساليب الجديدة مع طاحونة الطيران كبيرة، ولكن مطاحن الطيران هي أيضا آلات قائمة بذاتها قيمة. تقيس مطاحن الطيران أداء طيران الحشرات وتستخدم لتحديد كيفية ارتباط سرعة الطيران أو المسافة أو الدورية بالعوامل البيئية أو الإيكولوجية، مثل درجة الحرارة والرطوبة النسبية والموسم والنبات المضيف وكتلة الجسم والصفات المورفولوجية والعمر والنشاط الإنجابي. متميزة عن الطرق البديلة مثل actographs، المطاحن، وتسجيل الفيديو لحركة الطيران في أنفاق الرياح والساحات الداخلية^14،طاحونة الطيران بارز لقدرتها على جمع مختلف إحصاءات أداء الطيران في ظل ظروف المختبر. وهذا يساعد علماء البيئة على معالجة الأسئلة الهامة حول تشتت الرحلات الجوية ، ويساعدهم على التقدم في تخصصهم – سواء كان ذلك إدارة الآفات المتكاملة^15،16،17، ديناميات السكان ، علم الوراثة ، الجغرافيا الحيوية ، استراتيجيات تاريخ الحياة¹⁸، أو اللدونة^{الظاهرية 19،20،21،22} . من ناحية أخرى ، يمكن أن تتطلب أجهزة مثل الكاميرات عالية السرعة والاكاتوغرافيات إعدادا صارما ومعقدا ومكلفا ، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضا إلى معلمات حركة أكثر دقة ، مثل ترددات ضربات الجناح ونشاط الحشرات الضوئية^23،24. وبالتالي ، فإن طاحونة الطيران المعروضة هنا بمثابة خيار مرن وبأسعار معقولة وقابل للتخصيص للباحثين للتحقيق في سلوك الطيران.

وبالمثل، يستمر الحافز لإدماج التكنولوجيات الناشئة في سير عمل علماء البيئة في الارتفاع مع تزايد الأسئلة والنهج المتعلقة بدراسة التشتت. كمواقع تعزز الابتكار، تستمد مساحات الصانعين مستويات متعددة من الخبرة وتوفر منحنى تعلم منخفض للمستخدمين من أي عمر لاكتساب مهارات تقنية جديدة^10و12. ويمكن للطبيعة التكرارية والتعاونية للأجهزة العلمية الأولية في مساحة الصانع ومن خلال المصادر المفتوحة على الإنترنت تسريع تطبيق النظرية¹¹ وتسهيل تطوير المنتجات في العلوم الإيكولوجية. وعلاوة على ذلك، فإن زيادة إمكانية استنساخ الأدوات العلمية ستشجع على جمع البيانات على نطاق أوسع والعلوم المفتوحة. وهذا يمكن أن يساعد الباحثين على توحيد المعدات أو أساليب قياس التشتت. ويمكن أن تسمح أدوات التوحيد كذلك لعلماء البيئة بتوحيد بيانات التشتت عبر السكان من أجل اختبار نماذج ميتابوبيون التي تتطور من حبات التشتت²⁵ أو ديناميات الاستعمار بالوعة المصدر²⁶. مثل الكثير من كيفية اعتماد المجتمع الطبي الطباعة ثلاثية الأبعاد لرعاية المرضى وتعليم التشريح²⁷، يمكن لعلماء البيئة استخدام قواطع الليزر والطابعات ثلاثية الأبعاد لإعادة تصميم الأدوات البيئية والتعليم ، وفي نطاق هذه الدراسة ، يمكنهم تصميم مكونات إضافية لمطحنة الطيران ، مثل منصات الهبوط أو ذراع طاحونة الطيران التي يمكن أن تتحرك عموديا. وفي المقابل، يمكن أن يساعد التخصيص وفعالية التكلفة وزيادة الإنتاجية التي توفرها تكنولوجيا مساحة الصانع في بدء مشاريع التشتت مع حاجز منخفض نسبيا للباحثين الذين يعتزمون تطوير أدواتهم وأجهزتهم الخاصة.

لبناء هذه الطاحونة الطيران، وهناك أيضا القيود الميكانيكية والآلات التي يمكن النظر فيها من قبل صانع. مغناطيس والتحسينات المطبوعة 3D تسمح طاحونة الطيران لتكون أساسا الغراء، باستثناء بناء الأقواس المتقاطعة، وتكون قابلة للتعديل للحشرات من مختلف الأحجام. ومع ذلك ، مع زيادة كتلة وقوة الحشرات ، قد تكون الحشرات أكثر عرضة للإنزال على نفسها أثناء الحبل. يمكن استخدام مغناطيس قوي على حساب زيادة السحب التوربيونال ، أو يمكن أن تحل محامل الكرة محل المحامل المغناطيسية كحل قوي لحشرات اختبار الطيران التي تزن عدة غرامات^28،29. ومع ذلك ، يمكن أن تمثل محامل الكرة أيضا بعض المشاكل ، بشكل رئيسي أن تشغيل التجارب المطولة مع السرعات العالية ودرجات الحرارة العالية يمكن أن يؤدي إلى تشحيم محامل الكرة ، مما يزيد من الاحتكاك³⁰. وبالتالي ، سيتعين على المستخدمين تمييز ميكانيكا طاحونة الطيران التي تناسب الحشرات (الحشرات) الخاصة بهم من الدراسة والتصميم التجريبي.

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

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