테더드 곤충 비행 연구를 위한 향상된 비행 밀 구축
Summary
이 프로토콜은 보다 유연한 비행 밀 설계를 만들기 위해 메이커 스페이스에 있는 3차원(3D) 프린터와 레이저 커터를 사용합니다. 이 기술을 사용하여 연구원은 테더드 곤충 비행 연구를 위해 비행 공장을 건설할 때 비용을 절감하고 설계 유연성을 향상시키며 재현 가능한 작업을 생성할 수 있습니다.
Abstract
메이커스페이스는 연구자들이 새로운 기술을 개발하고 생태 연구에서 새로운 종과 함께 일할 수 있게 하는 잠재력이 높습니다. 이 프로토콜은 상대적으로 저렴한 비용으로 보다 다재다능한 비행 공장을 구축하기 위해 메이커스페이스에서 발견되는 기술을 활용하는 방법을 보여줍니다. 이 연구는 지난 10 년 동안 지어진 비행 공장에서 프로토 타입을 추출한 것을 감안할 때,이 프로토콜은 간단하고 현대적인 비행 공장에서 만든 발산을 요약하는 데 더 중점을 둡니다. 이전 연구는 이미 비행 공장이 속도, 거리 또는 주기와 같은 비행 매개 변수를 측정하는 데 얼마나 유리한지를 보여주었습니다. 그 같은 공장은 연구원이 형태학, 생리학, 또는 유전 요인과 이 매개 변수를 연관시키기 위하여 허용했습니다. 이러한 장점 외에도 이 연구는 보다 유연하고 튼튼하며 접을 수 있는 비행 밀 설계를 구축하기 위해 3D 프린터 및 레이저 커터와 같은 제조 업체공간에서 기술을 사용하는 이점에 대해 설명합니다. 특히, 이 설계의 3D 인쇄 구성 요소는 사용자가 밀 팔과 적외선 (IR) 센서의 높이를 조절하여 다양한 크기의 곤충을 테스트 할 수 있습니다. 또한 3D 인쇄를 통해 사용자는 기계를 쉽게 분해하여 신속하게 저장하거나 현장으로 운송할 수 있습니다. 또한,이 연구는 최소한의 스트레스와 곤충을 밧줄 자석과 자기 페인트의 더 큰 사용을합니다. 마지막으로 이 프로토콜은 컴퓨터 스크립트를 통해 비행 데이터의 다재다능한 분석을 자세히 설명하여 단일 레코딩 내에서 차별화가능한 비행 시험을 효율적으로 분리하고 분석합니다. 더 많은 노동 집약적이지만, 메이커 스페이스와 온라인 3D 모델링 프로그램에서 사용할 수있는 도구를 적용하면 다분야 및 프로세스 지향 관행을 용이하게하고 연구원이 좁게 조정 가능한 치수를 가진 비용이 많이 드는 미리 만들어진 제품을 피할 수 있습니다. 이 프로토콜은 메이커스페이스에서 기술의 유연성과 재현성을 활용하여 창의적인 비행 공장 설계를 촉진하고 개방형 과학에 영감을 줍니다.
Introduction
곤충의 분산이 현장에 얼마나 난해할 수 있는지를 감안할 때, 비행 공장은 곤충이 어떻게 움직이는지 중요한 생태 학적 현상을 해결하기위한 일반적인 실험실 도구가되었습니다. 그 결과, 비행 공장1,2,3,4의 개척자들이 6년간의 비행 공장 설계 및 건설을 시작한 이래로 기술이 개선되고 과학 공동체에 통합됨에 따라 눈에 띄는 설계 변화가 있었습니다. 시간이 지남에 따라 자동화 된 데이터 수집 소프트웨어는 차트 레코더를 대체하고, 비행 공장 무기는 유리 막대에서 탄소 막대및 강철 튜브5로전환. 지난 10년 동안만 해도 마그네틱 베어링은 테플론 또는 유리 베어링을 최적으로 마찰이 없는 것으로 대체했으며, 비행 밀 기계와 다목적 기술 간의 쌍은 오디오, 시각 및 레이어 제작 기술이 점점 더 연구자의 워크플로우에 통합됨에 따라 확산되고 있습니다. 이 페어링에는 날개 공기역학6을측정하는 고속 비디오 카메라, 청각 비행 응답7을연구하기위한 감각 신호를 모방하는 디지털 – 아날로그 보드,비행 8시 날개 변형을 추적하는 교정 장비를 만드는 3D 프린팅이 포함되어 있습니다. 최근 메이커스페이스에서 신흥 기술이 부상하면서, 특히 지식이 풍부한 직원9명이운영하는 디지털 미디어 센터가 있는 기관에서 는 더 넓은 범위의 곤충을 테스트하고 장치를 현장으로 운송할 수 있는 비행 공장을 강화할 수 있는 더 큰 가능성이 있습니다. 또한 연구자들이9,10,11,12를통해 징계 경계를 넘어 기술 학습을 가속화할 가능성이 높다. 여기에 제시된 비행 밀(Attisano 및 동료13)은메이커스페이스에서 발견되는 신흥 기술을 1개까지 활용하며, 저울과 치수가 프로젝트에 미세 조정되는 비행 밀 부품을 제작할 뿐만 아니라 2) 연구원들에게 고예산 또는 컴퓨터 지원 설계(CAD)에 대한 전문 지식을 요구하지 않고도 레이저 절단 및 3D 프린팅에 액세스할 수 있는 프로토콜을 제공합니다.
새로운 기술과 방법을 비행 공장과 결합하는 이점은 상당하지만 비행 공장은 귀중한 독립 형 기계입니다. 비행 공장은 곤충 비행 성능을 측정하고 비행 속도, 거리 또는 주기성이 온도, 상대 습도, 계절, 호스트 식물, 체질량, 형태학적 특성, 나이 및 생식 활동과 같은 환경 또는 생태 적 요인과 어떻게 관련이 있는지 결정하는 데 사용됩니다. actographs, 러닝머신, 풍동 및 실내 경기장에서의 비행 움직임 의 비디오 녹화와 같은 대체 방법과는 별개로비행공장은 실험실 조건에서 다양한 비행 성능 통계를 수집 할 수있는 능력으로 유명합니다. 이것은 생태학자들이 비행 분산에 대한 중요한 질문을 해결하는 데 도움이되며, 통합 해충 관리15,16,17,인구 역학, 유전학, 생체 지리학, 생명 역사 전략18,또는 phenotypic 가소성19,20,21,22 등 그들의 분야에서 진행되는 데도움이됩니다. . 한편, 고속 카메라와 박도서와 같은 장치는 엄격하고 복잡하며 값비싼 설정이 필요할 수 있지만 윙 비트 주파수 및 곤충 광상활동(23,24)과같은 미세 조정 된 운동 매개 변수로 이어질 수도 있습니다. 따라서 여기에 제시된 비행 공장은 연구원이 비행 행동을 조사할 수 있는 유연하고 저렴하며 사용자 지정 가능한 옵션역할을 합니다.
마찬가지로, 신흥 기술을 생태학자의 워크플로우에 통합하는 인센티브는 분산을 연구하는 질문과 접근 방식이 더욱 창의적이고 복잡해짐에 따라 계속 증가하고 있습니다. 혁신을 촉진하는 위치로, 메이커 스페이스는 여러 수준의 전문 지식을 끌어들이고 모든 연령대의 사용자가 새로운 기술 기술을 습득할 수 있도록 낮은 학습 곡선을 제공합니다10,12. 제조 공간과 온라인 오픈 소스에서 과학 장치를 프로토타이핑하는 반복적이고 협력적인 특성은 이론11의 적용을 가속화하고 생태 과학의 제품 개발을 촉진 할 수 있습니다. 또한 과학 도구의 재현성을 높이면 더 넓은 데이터 수집 및 개방형 과학이 장려될 것입니다. 이는 연구원이 분산을 측정하는 장비 또는 방법을 표준화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 도구를 표준화하면 생태학자들이 분산커널(25) 또는 소스 싱크대 식민지 역학26에서발생하는 메타모집단 모델을 테스트하기 위해 인구 전반에 걸쳐 분산 데이터를 통합할 수 있습니다. 의료계가 환자 치료 및 해부학교육(27)을위해 3D 프린팅을 채택하는 방법과 마찬가지로, 생태학자들은 레이저 커터와 3D 프린터를 사용하여 생태 도구와 교육을 재설계할 수 있으며, 이 연구의 범위 내에서 착륙 플랫폼이나 수직으로 이동할 수 있는 비행 공장 암과 같은 추가 비행 밀 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 또한 메이커스페이스 기술이 제공하는 사용자 지정, 비용 효율성 및 생산성 향상은 자체 도구와 장치를 개발하려는 연구자를 위한 장벽이 상대적으로 낮은 분산 프로젝트를 시작하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 비행 공장을 구성하기 위해 제조업체가 고려할 수있는 기계적 및 기악적 제한도 있습니다. 자석과 3D 프린팅 된 개선 기능을 사용하면 크로스 브래킷의 건설을 제외하고 비행 공장은 본질적으로 접착제가 없으며 다양한 크기의 곤충을 수용 할 수 있습니다. 그러나 곤충의 질량과 강도가 증가함에 따라 곤충은 묶여있는 동안 자신을 해체 할 가능성이 더 높을 수 있습니다. 강력한 자석은 비틀림 드래그가 증가하는 비용으로 사용할 수 있으며, 볼 베어링은 여러그램28,29의무게를 가진 비행 테스트 곤충을 위한 견고한 솔루션으로 자기 베어링을 대체할 수 있다. 그럼에도 불구하고 볼 베어링은 고속및 고온으로 장기간 실험을 하면 볼 베어링의 윤활을 저하시킬 수 있어마찰(30)을증가시키는 몇 가지 문제가 발생할 수 있다. 따라서 사용자는 어떤 비행 공장 역학이 곤충과 실험 설계에 가장 잘 어울리는지 분별해야 합니다.
마찬가지로 이 논문의 고려 를 넘어서는 비행 공장을 계측하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 여기에 제시된 비행 공장은 IR 센서를 사용하여 혁명을 감지하고 WinDAQ 소프트웨어가 회전을 기록하며 스크립트를 프로그래밍하여 원시 데이터를 처리합니다. 사용하기 쉽지만 WinDAQ 소프트웨어에는 제한된 배열의 도구가 있습니다. 사용자는 해당 채널에 주석을 첨부할 수 없으며 회로구성 요소가 실패하면 알림을 받을 수 없습니다. 이러한 경우는 코드를 통해 하지만 데이터 수집 후에만 검색하고 수정하여 해결됩니다. 또는 사용자는 사용자 지정 가능한 데이터 수집 기능을 제공하는 두 개 이상의 소프트웨어 또는 자전거 마일로미터29와같은 직접 속도 및 거리 통계를 취하는 센서를 채택할 수 있습니다. 그러나 이러한 대안은 너무 많은 소프트웨어 응용 프로그램에서 중요한 원시 데이터 또는 분산 기능을 우회하여 데이터 처리를 비효율적으로 만들 수 있습니다. 궁극적으로 이 프로토콜은 비행 밀 계측을 재구축하는 대신 현재소프트웨어 제한에 대한 강력한 프로그래밍 솔루션을 제공합니다.
이 논문에서는 분산 연구에서 연구자들이 돕고 행동 생태 분야에서 새로운 기술의 통합을 장려하기 위해 향상된 간단한 비행 공장에 대한 설계가 설명되어 있습니다. 이 비행 공장은 인큐베이터의 제약 에 적합하며 최대 8 개의 곤충을 동시에 보유하고 데이터 수집 및 처리를 자동화합니다. 특히 3D 프린팅 을 통해 사용자는 밀 암과 IR 센서 높이를 조정하여 다양한 크기의 곤충을 테스트하고 장치를 분해하여 빠른 저장 또는 운송을 할 수 있습니다. 공동 메이커 스페이스에 대한 제도적 접근 덕분에 모든 개선 사항은 무료였으며 단순하고 현대적인 비행 공장에 비해 추가 비용이 발생하지 않았습니다. 필요한 모든 소프트웨어는 무료이며 전자 회로는 간단하며 모든 스크립트는 실험 설계의 특정 요구를 따르도록 수정할 수 있습니다. 또한 코딩된 진단을 통해 사용자는 녹음의 무결성과 정밀도를 확인할 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로토콜은 곤충을 자기적으로 페인팅하고 곤충을 밀 팔에 테더링하여 곤충에 의해 지속되는 응스트레스를 최소화합니다. 간단한 비행 공장의 조립이 이미 접근 가능하고 저렴하며 유연하기 때문에 간단한 비행 공장을 향상시키기 위해 메이커 스페이스 기술을 사용하면 연구원에게 특정 비행 연구 요구를 극복 할 수있는 공간을 부여하고이 논문의 고려 를 넘어 창의적인 비행 공장 설계를 고무 시킬 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
간단하고 현대적인 비행 공장은 여러 곤충을 효율적이고 비용 효율적으로13,31,35로테스트하는 신뢰할 수 있고 자동화된 설계를 제공함으로써 테더드 곤충 비행을 연구하는 데 관심이 있는 연구자들에게 다양한 이점을 제공합니다. 마찬가지로, 연구자들이 생태체계9,32,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
모든 비행 공장 자재를 구입하고 프로젝트의 작성에 건설에서 지속적인 피드백을 제공 한 메레디스 Cenzer에게 감사드립니다. 나는 또한 standardize_troughs.py 그녀의 기여에 대한 아나 실버버그에게 감사드립니다. 마지막으로, 시카고 대학의 미디어 아트, 데이터 및 디자인 센터(MADD)에 공동 메이커 스페이스 장비, 기술 및 소모품을 무료로 사용할 수 있는 허가를 받은 것에 감사드립니다.
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).
