Construindo uma usina de voo aprimorada para o estudo do voo de insetos amarrados

Dado o quão intratável é a dispersão de insetos no campo, a usina de voo tornou-se uma ferramenta de laboratório comum para abordar um importante fenômeno ecológico – como os insetos se movem. Como consequência, desde que os pioneiros da usina de voo^1,2,3,4 inauguraram seis décadas de projeto e construção de moinhos de voo, houve mudanças notáveis de design à medida que as tecnologias melhoraram e se tornaram mais integradas às comunidades científicas. Com o tempo, o software automatizado de coleta de dados substituiu gravadores de gráficos, e os braços da usina de voo erram-se de barras de vidro para barras de carbono e tubos de aço⁵. Somente na última década, os rolamentos magnéticos substituíram os rolamentos de Teflon ou vidro como sem atrito, e os pares entre máquinas de moinhos de voo e tecnologia versátil têm se proliferado à medida que a tecnologia de fabricação de áudio, visual e camadas se torna cada vez mais integrada aos fluxos de trabalho dos pesquisadores. Esses pares incluíram câmeras de vídeo de alta velocidade para medir a aerodinâmica de asa^6,placas digitais-analógicas para imitar pistas sensoriais para estudar respostas de voo auditiva⁷e impressão 3D para fazer uma plataforma de calibração para rastrear a deformação das asas durante o voo⁸. Com o recente surgimento de tecnologias emergentes em espaços maker, particularmente em instituições com centros de mídia digital administrados por funcionários experientes^9,há maiores possibilidades de melhorar a fábrica de voo para testar uma gama maior de insetos e transportar o dispositivo para o campo. Há também um alto potencial para os pesquisadores cruzarem limites disciplinares e acelerarem o aprendizado técnico através do trabalho baseado na produção^9,10,11,12. A usina de voo apresentada aqui (adaptada a partir de Attisano e colegas¹³) aproveita tecnologias emergentes encontradas em espaços makers para não apenas 1) criar componentes de moinhos de voo cujas escalas e dimensões são afinadas para o projeto em mãos, mas também 2) oferecem aos pesquisadores um protocolo acessível em corte a laser e impressão 3D sem exigir um conhecimento de alto orçamento ou qualquer conhecimento especializado em design auxiliado por computador (CAD).

Os benefícios do acoplamento de novas tecnologias e métodos com a usina de voo são substanciais, mas as usinas de voo também são valiosas máquinas autônomas. As usinas de voo medem o desempenho do voo de insetos e são usadas para determinar como a velocidade de voo, a distância ou a periodicidade se relacionam com fatores ambientais ou ecológicos, como temperatura, umidade relativa, estação, planta hospedeira, massa corporal, traços morfológicos, idade e atividade reprodutiva. Diferente de métodos alternativos como actógrafos, esteiras e gravação de vídeo do movimento de voo em túneis de vento e arenas internas^14,a usina de voo é notável por sua capacidade de coletar várias estatísticas de desempenho de voo em condições laboratoriais. Isso ajuda os ecologistas a abordar questões importantes sobre a dispersão de voo, e ajuda-os a progredir em sua disciplina – seja o manejo integrado de pragas^15,16,17, dinâmica populacional, genética, biogeografia, estratégias de história de vida¹⁸, ou plasticidade fenotípica^19,20,21,22 . Por outro lado, dispositivos como câmeras de alta velocidade e actógrafos podem exigir uma configuração rigorosa, complicada e cara, mas também podem levar a parâmetros de movimento mais afinados, como frequências de batida de asa e atividade fotográfica de insetos^23,24. Assim, a fábrica de voo aqui apresentada serve como uma opção flexível, acessível e personalizável para os pesquisadores investigarem o comportamento de voo.

Da mesma forma, o incentivo à integração de tecnologias emergentes no fluxo de trabalho dos ecologistas continua a aumentar à medida que as questões e abordagens para estudar a dispersão se tornam mais criativas e complexas. Como locais que promovem a inovação, os makerspaces se baseiam em múltiplos níveis de experiência e oferecem uma curva de aprendizado baixa para usuários de qualquer idade adquirirem novas habilidades técnicas^10,12. A natureza iterativa e colaborativa de prototipar dispositivos científicos no espaço maker e através de fontes abertas on-line pode acelerar a aplicação da teoria¹¹ e facilitar o desenvolvimento de produtos nas ciências ecológicas. Além disso, o aumento da reprodutibilidade das ferramentas científicas incentivará a coleta mais ampla de dados e a ciência aberta. Isso pode ajudar os pesquisadores a padronizar equipamentos ou métodos para medir a dispersão. A padronização das ferramentas poderia permitir ainda que os ecologistas unificassem dados de dispersão entre populações, a fim de testar modelos de metapopulação que se desenvolvem a partir de núcleos de dispersão²⁵ ou dinâmica de colonização de pia-fonte²⁶. Assim como a comunidade médica está adotando a impressão 3D para o cuidado do paciente e educação de anatomia^27,os ecologistas podem usar cortadores a laser e impressoras 3D para redesenhar ferramentas ecológicas e educação e, no âmbito deste estudo, podem projetar componentes adicionais da fábrica de voo, como plataformas de pouso ou um braço de moinho de voo que pode se mover verticalmente. Por sua vez, a personalização, o custo-efetividade e o aumento da produtividade oferecido pela tecnologia makerspace podem ajudar a iniciar projetos de dispersão com uma barreira relativamente baixa para pesquisadores que pretendem desenvolver suas próprias ferramentas e dispositivos.

Para construir esta usina de voo, há também limitações mecânicas e instrumentais que podem ser consideradas pelo fabricante. Ímãs e melhorias impressas em 3D permitem que a usina de voo seja essencialmente sem cola, exceto para a construção dos suportes cruzados, e seja acomodada a insetos de diferentes tamanhos. No entanto, à medida que a massa e a força dos insetos aumentam, os insetos podem ser mais propensos a desmontar-se enquanto amarrados. Ímãs fortes podem ser usados ao custo de arrasto torcional aumentado, ou rolamentos de esferas podem substituir rolamentos magnéticos como uma solução robusta para insetos de teste de voo que pesam vários gramas^28,29. No entanto, os rolamentos de esferas também podem apresentar alguns problemas, principalmente que a execução de experimentos prolongados com altas velocidades e altas temperaturas pode degradar a lubrificação dos rolamentos de esferas, o que aumenta o atrito³⁰. Assim, os usuários terão que discernir qual mecânica de moinho de voo se adequaria melhor ao seu (s) insetos de estudo e design experimental.

Da mesma forma, existem várias maneiras de instrumentar uma usina de voo que está além das considerações deste artigo. A usina de voo apresentada aqui usa sensores de IR para detectar revoluções, software WinDAQ para registrar revoluções e scripts de programação para processar os dados brutos. Embora seja fácil de usar, o software WinDAQ tem uma matriz limitada de ferramentas disponíveis. Os usuários não podem anexar comentários ao canal correspondente e não podem ser alertados se algum componente do circuito falhar. Esses casos são resolvidos detectando-os e corrigindo-os através do código, mas somente após a coleta de dados. Alternativamente, os usuários podem adotar mais de um software que ofereça recursos de coleta de dados personalizáveis²⁸ ou sensores que levam estatísticas diretas de velocidade e distância, como os milômetros de bicicleta²⁹. No entanto, essas alternativas podem contornar dados brutos valiosos ou funcionalidades difusas em muitos aplicativos de software, o que pode tornar o processamento de dados ineficiente. Em última análise, em vez de remodelar a instrumentação da usina de voo, este protocolo oferece soluções robustas de programação para as limitações atuais do software.

Neste artigo, um projeto para uma usina de voo simples aprimorada é descrito para auxiliar os pesquisadores em seus estudos de dispersão e incentivar a incorporação de tecnologias emergentes no campo da ecologia comportamental. Esta usina de voo se encaixa dentro das restrições de uma incubadora, sustenta até oito insetos simultaneamente e automatiza a coleta e o processamento de dados. Notavelmente, seus aprimoramentos impressos em 3D permitem ao usuário ajustar as alturas do braço do moinho e do sensor IR para testar insetos de vários tamanhos e desmontar o dispositivo para armazenamento ou transporte rápido. Graças ao acesso institucional a um espaço de maker comum, todos os aprimoramentos foram gratuitos, e nenhum custo adicional foi acumulado em comparação com a simples e moderna fábrica de voo. Todos os softwares necessários são gratuitos, os circuitos eletrônicos são simples, e todos os scripts podem ser modificados para seguir as necessidades específicas do design experimental. Além disso, os diagnósticos codificados permitem que o usuário verifique a integridade e precisão de suas gravações. Por fim, este protocolo minimiza o estresse sustentado por um inseto pintando magneticamente e amarrando insetos ao braço do moinho. Com a montagem da usina de voo simples já acessível, acessível e flexível, o uso de tecnologias makerspace para melhorar a simples fábrica de voo pode dar aos pesquisadores o espaço para superar suas próprias necessidades específicas de estudo de voo e pode inspirar projetos criativos de moinhos de voo além das considerações deste artigo.