Het bouwen van een verbeterde vluchtmolen voor de studie van vastgebonden insectenvlucht
Summary
Dit protocol maakt gebruik van driedimensionale (3D) printers en lasersnijders in makerspaces om een flexibeler ontwerp van de vluchtmolen te creëren. Door deze technologie te gebruiken, kunnen onderzoekers de kosten verlagen, de ontwerpflexibiliteit verbeteren en reproduceerbaar werk genereren bij het bouwen van hun vluchtmolens voor aangebonden insectenvluchtstudies.
Abstract
Makerspaces hebben een groot potentieel om onderzoekers in staat te stellen nieuwe technieken te ontwikkelen en met nieuwe soorten te werken in ecologisch onderzoek. Dit protocol laat zien hoe u kunt profiteren van de technologie in makerspaces om een meer veelzijdige vliegmolen te bouwen voor relatief lage kosten. Gezien het feit dat deze studie zijn prototype heeft geëxtraheerd uit vluchtmolens die in het afgelopen decennium zijn gebouwd, richt dit protocol zich meer op het schetsen van afwijkingen gemaakt van de eenvoudige, moderne vluchtmolen. Eerdere studies hebben al aangetoond hoe voordelig vluchtmolens zijn voor het meten van vluchtparameters zoals snelheid, afstand of periodiciteit. Dergelijke molens hebben onderzoekers in staat gesteld om deze parameters te associëren met morfologische, fysiologische of genetische factoren. Naast deze voordelen bespreekt deze studie de voordelen van het gebruik van de technologie in makerspaces, zoals 3D-printers en lasersnijders, om een flexibeler, steviger en inklapbaar ontwerp van de vluchtfrees te bouwen. Met name de 3D-geprinte componenten van dit ontwerp stellen de gebruiker in staat om insecten van verschillende groottes te testen door de hoogten van de molenarm en infrarood (IR) sensoren instelbaar te maken. De 3D-prints stellen de gebruiker ook in staat om de machine eenvoudig te demonteren voor snelle opslag of transport naar het veld. Bovendien maakt deze studie meer gebruik van magneten en magnetische verf om insecten met minimale stress vast te binden. Ten slotte beschrijft dit protocol een veelzijdige analyse van vluchtgegevens door middel van computerscripts die differentieerbare vluchtproeven efficiënt scheiden en analyseren binnen een enkele opname. Hoewel arbeidsintensiever, vergemakkelijkt het toepassen van de tools die beschikbaar zijn in makerspaces en op online 3D-modelleringsprogramma’s multidisciplinaire en procesgerichte praktijken en helpt het onderzoekers dure, vooraf gemaakte producten met nauw instelbare afmetingen te vermijden. Door gebruik te maken van de flexibiliteit en reproduceerbaarheid van technologie in makerspaces, bevordert dit protocol het ontwerp van creatieve vliegmolens en inspireert het open wetenschap.
Introduction
Gezien hoe hardnekkig de verspreiding van insecten in het veld is, is de vluchtmolen een veelgebruikt laboratoriuminstrument geworden om een belangrijk ecologisch fenomeen aan te pakken – hoe insecten bewegen. Als gevolg hiervan, sinds de pioniers van de vluchtmolen1,2,3,4 zes decennia van ontwerp en constructie van de vliegmolen inluidden, zijn er merkbare ontwerpverschuivingen geweest naarmate technologieën verbeterden en meer geïntegreerd raakten in wetenschappelijke gemeenschappen. In de loop van de tijd verving geautomatiseerde software voor het verzamelen van gegevens kaartrecorders en gingen de armen van de vliegmolen over van glazen staven naar koolstofstaven en stalen buizen5. Alleen al in het afgelopen decennium hebben magnetische lagers teflon- of glaslagers vervangen als optimaal wrijvingsloos, en paren tussen vluchtmolenmachines en veelzijdige technologie zijn toegenomen naarmate audio-, visuele en laagfabricagetechnologie steeds meer geïntegreerd worden in de workflows van onderzoekers. Deze combinaties omvatten high-speed videocamera’s om vleugelaërodynamica6te meten, digitaal-naar-analoog boards om sensorische aanwijzingen na te bootsen voor het bestuderen van auditieve vluchtreacties7,en 3D-printen om een kalibratie-rig te maken om vleugelvervorming tijdens vlucht8te volgen. Met de recente opkomst van opkomende technologieën bij makerspaces, met name bij instellingen met digitale mediacentra die worden gerund door deskundig personeel9, zijn er grotere mogelijkheden om de vluchtmolen te verbeteren om een groter scala aan insecten te testen en het apparaat naar het veld te vervoeren. Er is ook een groot potentieel voor onderzoekers om disciplinaire grenzen te overschrijden en technisch leren te versnellen door middel van productiegebaseerd werk9,10,11,12. De hier gepresenteerde vluchtmolen (aangepast van Attisano en collega’s13)maakt gebruik van opkomende technologieën in makerspaces om niet alleen 1) vluchtmolencomponenten te maken waarvan de schalen en afmetingen zijn afgestemd op het betreffende project, maar ook 2) onderzoekers een toegankelijk protocol te bieden in lasersnijden en 3D-printen zonder een hoog budget of gespecialiseerde kennis in computerondersteund ontwerp (CAD) te vereisen.
De voordelen van het koppelen van nieuwe technologieën en methoden aan de vliegmolen zijn aanzienlijk, maar vluchtmolens zijn ook waardevolle stand-alone machines. Vluchtmolens meten de vliegprestaties van insecten en worden gebruikt om te bepalen hoe vliegsnelheid, afstand of periodiciteit zich verhoudt tot omgevings- of ecologische factoren, zoals temperatuur, relatieve vochtigheid, seizoen, waardplant, lichaamsmassa, morfologische kenmerken, leeftijd en voortplantingsactiviteit. In tegenstelling tot alternatieve methoden zoals actografen, loopbanden en de video-opname van vliegbewegingen in windtunnels en overdekte arena’s14, is de vluchtmolen opmerkelijk vanwege zijn vermogen om verschillende vluchtprestatiestatistieken onder laboratoriumomstandigheden te verzamelen. Dit helpt ecologen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over vluchtverspreiding, en het helpt hen vooruitgang te boeken in hun discipline – of dat nu geïntegreerdeplaagbestrijding is15,16,17,populatiedynamiek, genetica, biogeografie, levensgeschiedenisstrategieën18, of fenotypische plasticiteit19,20,21,22 . Aan de andere kant kunnen apparaten zoals hogesnelheidscamera’s en actografen een strikte, gecompliceerde en dure opstelling vereisen, maar ze kunnen ook leiden tot meer nauwkeurig afgestemde bewegingsparameters, zoals wing-beat-frequenties en insectenfotofase-activiteit23,24. De hier gepresenteerde vluchtmolen dient dus als een flexibele, betaalbare en aanpasbare optie voor onderzoekers om vluchtgedrag te onderzoeken.
Evenzo blijft de stimulans om opkomende technologieën te integreren in de workflow van ecologen toenemen naarmate vragen en benaderingen voor het bestuderen van verspreiding creatiever en complexer worden. Als locaties die innovatie bevorderen, trekken makerspaces meerdere expertiseniveaus aan en bieden ze een lage leercurve voor gebruikers van elke leeftijd om nieuwe technische vaardigheden te verwerven10,12. Het iteratieve en collaboratieve karakter van prototyping van wetenschappelijke apparaten in de makerspace en via online open bronnen kan de toepassing van theorie11 versnellen en productontwikkeling in de ecologische wetenschappen vergemakkelijken. Bovendien zal het vergroten van de reproduceerbaarheid van wetenschappelijke instrumenten een bredere gegevensverzameling en open wetenschap aanmoedigen. Dit kan onderzoekers helpen bij het standaardiseren van apparatuur of methoden voor het meten van verspreiding. Het standaardiseren van tools zou ecologen verder in staat kunnen stellen om verspreidingsgegevens over populaties te verenigen om metapopulatiemodellen te testen die zich ontwikkelen uit dispersiekernen25 of bron-sink kolonisatiedynamiek26. Net als hoe de medische gemeenschap 3D-printen gebruikt voor patiëntenzorg en anatomieonderwijs27, kunnen ecologen lasersnijders en 3D-printers gebruiken om ecologische hulpmiddelen en onderwijs opnieuw te ontwerpen en, in het kader van deze studie, extra vluchtmolencomponenten ontwerpen, zoals landingsplatforms of een vluchtmolenarm die verticaal kan bewegen. Op zijn beurt kunnen de aanpassing, kosteneffectiviteit en verhoogde productiviteit die makerspace-technologie biedt, helpen bij het opstarten van verspreidingsprojecten met een relatief lage barrière voor onderzoekers die van plan zijn hun eigen tools en apparaten te ontwikkelen.
Om deze vluchtmolen te bouwen, zijn er ook mechanische en instrumentele beperkingen die door de maker kunnen worden overwogen. Magneten en 3D-geprinte verbeteringen zorgen ervoor dat de vliegmolen in wezen lijmloos is, behalve de constructie van de kruisbeugels, en geschikt is voor insecten van verschillende groottes. Naarmate de massa en de kracht van insecten toenemen, kunnen insecten echter eerder geneigd zijn zichzelf af te zetten terwijl ze vastgebonden zijn. Sterke magneten kunnen worden gebruikt ten koste van verhoogde torsieweerstand, of kogellagers kunnen magnetische lagers vervangen als een robuuste oplossing voor het testen van insecten die enkele grammen28,29wegen. Niettemin kunnen kogellagers ook enkele problemen opleveren, voornamelijk dat het uitvoeren van langdurige experimenten met hoge snelheden en hoge temperaturen de smering van kogellagers kan verminderen, wat de wrijving verhoogt30. Gebruikers zullen dus moeten onderscheiden welke mechanica van de vliegmolen het beste past bij hun insect (en) van studie en experimenteel ontwerp.
Evenzo zijn er verschillende manieren om een vliegmolen te instrumenteren die de overwegingen van dit artikel te boven gaat. De hier gepresenteerde vluchtmolen maakt gebruik van IR-sensoren om revoluties te detecteren, WinDAQ-software om revoluties op te nemen en programmeerscripts om de onbewerkte gegevens te verwerken. Hoewel het gemakkelijk te gebruiken is, heeft de WinDAQ-software een beperkt aantal tools beschikbaar. Gebruikers kunnen geen opmerkingen toevoegen aan hun overeenkomstige kanaal en ze kunnen niet worden gewaarschuwd als een onderdeel van het circuit uitvalt. Deze gevallen worden opgelost door ze te detecteren en te corrigeren door middel van code, maar alleen na het verzamelen van gegevens. Als alternatief kunnen gebruikers meer dan één software gebruiken die aanpasbare gegevensverzamelingsfuncties28 of sensoren biedt die directe snelheids- en afstandsstatistieken nemen, zoals fiets milometers29. Deze alternatieven kunnen echter waardevolle onbewerkte gegevens omzeilen of functionaliteit verspreiden over te veel softwaretoepassingen, waardoor gegevensverwerking inefficiënt kan worden. Uiteindelijk biedt dit protocol, in plaats van de instrumentatie van de vliegmolen opnieuw vorm te geven, robuuste programmeeroplossingen voor de huidige softwarebeperkingen.
In dit artikel wordt een ontwerp voor een verbeterde eenvoudige vluchtmolen beschreven om onderzoekers te helpen bij hun verspreidingsstudies en om de integratie van opkomende technologieën op het gebied van gedragsecologie aan te moedigen. Deze vluchtmolen past binnen de beperkingen van een incubator, biedt plaats aan maximaal acht insecten tegelijk en automatiseert het verzamelen en verwerken van gegevens. Met name de 3D-geprinte verbeteringen stellen de gebruiker in staat om de molenarm en IR-sensorhoogten aan te passen om insecten van verschillende groottes te testen en het apparaat te demonteren voor snelle opslag of transport. Dankzij institutionele toegang tot een gemeenschappelijke makerspace waren alle verbeteringen gratis en werden er geen extra kosten gemaakt in vergelijking met de eenvoudige, moderne vluchtmolen. Alle benodigde software is gratis, het elektronische circuit is eenvoudig en alle scripts kunnen worden aangepast om de specifieke behoeften van het experimentele ontwerp te volgen. Bovendien stelt gecodeerde diagnostiek de gebruiker in staat om de integriteit en precisie van hun opnames te controleren. Ten slotte minimaliseert dit protocol de stress die een insect oploopt door insecten magnetisch te schilderen en aan de molenarm te binden. Omdat de assemblage van de eenvoudige vluchtmolen al toegankelijk, betaalbaar en flexibel is, kan het gebruik van makerspace-technologieën om de eenvoudige vluchtmolen te verbeteren onderzoekers de ruimte geven om hun eigen specifieke vluchtstudiebehoeften te overwinnen en creatieve vluchtmolenontwerpen inspireren die verder gaan dan de overwegingen van dit artikel.
Protocol
Representative Results
Discussion
De eenvoudige, moderne vluchtmolen biedt een reeks voordelen voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van tethered insectenvlucht door een betrouwbaar en geautomatiseerd ontwerp te leveren dat meerdere insecten efficiënt en kosteneffectief test13,31,35. Evenzo is er een sterke stimulans voor onderzoekers om snel opkomende technologieën en technieken uit de industrie en andere wetenschappelijke gebieden toe …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ik wil Meredith Cenzer bedanken voor het kopen van alle materialen van de vliegmolen en het geven van continue feedback van de constructie tot het schrijven van het project. Ik dank ook Ana Silberg voor haar bijdragen aan standardize_troughs.py. Tot slot dank ik het Media Arts, Data, and Design Center (MADD) van de Universiteit van Chicago voor toestemming om zijn gemeenschappelijke makerspace-apparatuur, technologie en benodigdheden gratis te gebruiken.
Materials
| 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. Flight behavior in migrating insects. Journal of Agricultural Entomology. 10 (4), 239-245 (1993).
- 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).
