Eine präzise und autonomen System zur Erkennung von Insekten entstehen Muster
Summary
Messung von Insekten entstehen Muster ist Präzision gefragt. Bestehenden Systeme sind nur semi-automatischen und Probe Größe begrenzt ist. Wir behandelten diese Themen durch die Gestaltung eines Systems mit Mikrocontrollern, um die Zeit der Entstehung einer großen Zahl von aufstrebenden Insekten genau zu messen.
Abstract
Bestehende Systeme, Insekten entstehen Muster zu messen haben Einschränkungen; Sie sind nur teilweise automatisiert und begrenzt die maximale Anzahl der aufstrebenden Insekten, die sie erkennen können. Um präzise Messung von Insekten auftauchen zu erhalten, ist es notwendig für Systeme zur semi-automatischen und in der Lage, große Anzahl von aufstrebenden Insekten zu messen sein. Wir adressiert diese Probleme durch entwirft und baut eine System, die ist automatisiert und Entstehung von bis zu 1200 Insekten messen kann. Wir haben das bestehende “fallen-Ball” System mit Arduino-Mikrocontroller zur Erhebung von Daten zu automatisieren und erweitern Sie die Größe der Stichprobe über mehrere Datenkanäle verändert. Mehrere Datenkanäle ermöglichen dem Benutzer, nicht nur ihre Probengröße zu erhöhen, aber auch für mehrere Behandlungen in einem einzigen Experiment gleichzeitig ausgeführt werden können. Darüber hinaus haben wir ein R-Skript, um die Daten als ein Blasendiagramm automatisch zu visualisieren, bei der Berechnung auch der mittlere Tag und Zeit der Entstehung. Das derzeitige System wurde entworfen mit 3D-Druck, so dass der Benutzer das System für verschiedene Arten von Insekten angepasst werden ändern kann. Das Ziel dieses Protokolls ist, wichtige Fragen in der Chronobiologie und Stress Physiologie, mit dieser präzise und automatisierten System zu Insekten entstehen Muster messen zu untersuchen.
Introduction
Das Timing der terrestrische Insekt Aufkommen im experimentellen Einstellungen genau zu messen ist notorisch schwierig und erfordert ein gewisses Maß an Automatisierung. In der Vergangenheit wurden verschiedene Mechanismen entwickelt mit entweder ein “fallen-Ball”-Prinzip, mit fallenden Kugeln und Sensoren oder eine “Bang-Box” mit einem Trichter-Art System1,2,3. Es gibt zwei Einschränkungen mit bestehenden Designs: (1) die Datenerhebung ist nur teilweise automatisiert und (2) Stichprobengröße oder beschränkt sich die Anzahl der aufstrebenden Insekten, die erkannt werden können. Diese Probleme verringern Sie die Genauigkeit der Datenerfassung, die zum Studium Timing der Bewegungsapparate bzw. Entstehung Muster wichtig ist. Wir adressiert diese Probleme durch die Entwicklung eines Systems, das ist automatisiert und nicht begrenzt durch die Größe der Stichprobe, ermöglicht dem Anwender entstehen Rhythmen als Reaktion auf ökologische Signale besser zu visualisieren.
Unser System ist eine Verbesserung gegenüber dem fallenden Kugel-Prinzip, die neueste, das Version von denen Infrarot-Sensoren verwendet, um Insekten entstehen im sechs-Minuten-Schritten2erkennen. Unser System noch Infrarot-Sensoren verwendet, sondern beinhaltet auch ein Arduino-Mikrocontroller um Datum und Uhrzeit jeder Entstehung Veranstaltung auf die Sekunde genau aufzuzeichnen. Daten werden automatisch zu einer sicheren digital (SD)-Karte, die als durch Trennzeichen getrennte Datei zur Analyse exportiert werden können. Die Analyse erfolgt automatisch, mithilfe eines benutzerdefinierten R-Skripts, die grafische Darstellung der Daten als ein Blasendiagramm und identifizieren Sie die mediane Zeit und Tag der Entstehung.
Mehrere Kanäle ermöglichen dem Anwender mehr Flexibilität bei der Datenerfassung. Zum Beispiel unsere mehrere Channel-Design nicht nur minimiert die Auswirkungen eines “verstopft” Sensors, sondern kann auch verwendet werden, um Probe zu vergrößern. Darüber hinaus erlauben mehrere Kanäle dem Benutzer, Anwendungen auf bestimmte Kanäle zu benennen, so dass sie gleichzeitig in einem Experiment ausgeführt werden können. Alle sechs Kanäle ermöglicht ca. 1200 neue Bienen in einem einzigen Experiment erfasst werden. Nach unserer Kenntnis Dies ist die größte Stichprobengröße von jedem aktuellen System messen Insekten entstehen und hat uns erlaubt, feinskaligen entstehen Muster in Reaktion auf ökologische Hinweise zu beobachten. Schließlich unser System profitiert von der Tatsache, dass die Mehrheit der Teile 3D gedruckt. Dadurch entsteht genau dimensionierte Bauteile, das verringert die Wahrscheinlichkeit von Fehlern auftreten (z. B. Detektor Verstopfung) während des Betriebs. Es ermöglicht auch für die Anpassung für andere Forschungssysteme.
Das Ziel dieses Protokolls ist es, benutzerdefinierte Build, die eine präzise und automatisierte System zur Messung von Insekten entstehen, zu untersuchen, in der Chronobiologie und Stress Physiologie zu Fragen. Dieses System wurde und wird weiterhin sein, kritisch bei der Untersuchung von unbeantworteten Fragen im Zusammenhang mit Insekten entstehen Muster in Reaktion auf ökologische Hinweise. Hier beschreiben wir die Montage und die Verwendung für Entstehung Erkennung der Luzerne Blatt-Schneiden Biene, Megachile Rotundata in Labor-basierte experimentelle Einstellungen. Das System ist automatisiert mit Hilfe eines programmierbaren Mikrocontrollers und anpassbare mit 3D gedruckte Teile. Gedruckte Regale halten im Ort Röhrchen mit Biene Nest Zellen nach einem Metall BB. Bei der Entstehung ist Metall BB aus dem Rack, ein Infrarot-Sensor, Aufnahme, das Datum und die Zeit der Entstehung auf eine SD-Karte auf der Durchreise befreit. Das aktuelle Design ist optimiert für M. Rotundata, aber mit geringfügigen Anpassungen für andere Arten von Insekten angepasst werden könnte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Montage und Nutzung eines Systems, das ermöglicht eine präzise Messung des zeitlichen Verlaufs der Insekten entstehen. Dieses System löst zwei Probleme, die bisherige Ausführungen beschränkt: Teilautomatisierung und begrenzten Stichprobe-Größe. Wir lösen diese Probleme durch die Automatisierung der Datenerfassung mit Mikrocontrollern, die auch ermöglicht, Stichprobenumfang erhöhen, indem Sie mehrere Kanäle. Das aktuelle Design hat sechs Kanäle, die insgesamt 1200 Bienen halten können. Zusätzliche Kanäle können addiert oder subtrahiert, bei Bedarf, die nicht nur für erhöhte Stichprobengröße, sondern auch gleichzeitig untersucht die Auswirkungen von mehreren Behandlungen. Wichtige Schritte, Modifikationen, Einschränkungen und zukünftige Anwendungen werden nachfolgend erläutert.
Der einzige Teil des Systems, die nicht automatisiert ist lädt die Racks mit Brutzellen, Metall BBs und Airsoft Pellets zu Beginn des Experiments. Obwohl die Regale so konzipiert sind, so dass sie lehnen sich zurück leicht zu verhindern, dass Metall BBs fallen, wenn die Regale stehen aufrecht, Pflege sind zu ergreifen wenn die Racks platziert, die unbeabsichtigte Freisetzung von Metall BBs zu verhindern. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Regale sind bündig mit der Kante des Regals, so deckt sich die fallende Flugbahn des Metall BB mit der Start-und Landebahn. Zu guter Letzt Blatt Schutt ergibt sich aus der Start-und Landebahn abgewischt werden, und das Fahrwerk hält den Metall BBs aus früheren Experimenten sollten gelöscht werden, um zu verhindern, blockieren des Sensors. Daten werden automatisch auf eine SD-Karte als CSV-Datei aufgezeichnet, und das Skript ist so geschrieben, dass die Arduino nicht ausgeführt werden, es sei denn, eine SD-Karte vorhanden ist. Die Datendatei wird in RStudio und visualisiert mit dem zuvor genannten R-Skript manuell importiert. Dieses Skript wird automatisch die Daten als ein Blasendiagramm grafisch darstellen und identifizieren Sie die mediane Zeit und Tag der Entstehung. Das Arduino-Drehbuch Ereignisdaten bis zum Ende der Datei anhängen, die Datenverlust bei Stromausfall verhindert. Dies bedeutet jedoch auch, dass sobald die SD-Karte Daten entnommen ist, alle Dateien vor der nächste Versuch gelöscht werden soll.
Änderungen an den SketchUp-Dateien können vorgenommen werden, um die Größe der Regale für Insekten in verschiedenen Größen, mit verschiedenen großen Röhren in den modifizierten Racks verwendet wird. Darüber hinaus ist die Größe des Airsoft Pellet wichtig, weil es verhindert, dass das Insekt verlassen das Rohr und Pellets in verschiedenen Größen sowie erforderlich sein. Eine Vielzahl von Änderungen kann an das R-Skript zum Ändern der Darstellung von der Blase Grundstücke und andere graphische Parameter erfolgen.
Wir reduziert das Risiko von Fehlalarmen durch das Schreiben eines Entprellung-Codes, der jeder Kanal für eine Sekunde, nachdem eine Metall ist BB erkannt und verhindert eine einzige Metall BB als mehrere Datenpunkte gezählt wird deaktiviert. Obwohl dies die Möglichkeit, einen Datenpunkt wird verfehlt schafft, wenn viele Bienen auf einmal entstehen, sondern die Tatsache, dass die Kanäle unabhängig sind verringert dieses Risiko. Eine weitere Einschränkung des aktuellen Systems ist, dass einzelne Datenpunkte sind nicht erkennbar, d. h. eine fallende Metall BB keine Rückschlüsse auf eine bestimmte Person. Darüber hinaus das aktuelle System misst Entstehung aber nicht Bewegungsapparate Rhythmen in M. Rotundata, aber Bewegungsapparate Rhythmen in Arten messen würde wo Entstehung und Bewegungsapparate gleichbedeutend sind. Schließlich ist das aktuelle Design nicht wetterfest, Begrenzung seiner Verwendung in kontrollierten Umgebungen.
Zukünftige Anwendungen gehören die Auswirkungen der anderen abiotischen und biotischen Umwelt Hinweise für Timing-Entstehung von M. Rotundata. Darüber hinaus da Insekten unterschiedliche Umgebungen belegen, variieren relevanten ökologischen Cues zwischen den Arten. Daher ist Aufnahme von mehr Insektenarten wichtig zu ermittelnden wie zirkadianen Systeme über Taxa entwickelt. Wenig ist bekannt über Entwicklungsbedingungen wie das Timing der Erwachsenen Entstehung beeinflussen; Daher kann unser System verwendet werden, zu entschlüsseln, die Auswirkungen der Behandlungen entstehen. Darüber hinaus Kombinationen von ökologischen Cues Insekt Antworten beeinflussen können, damit zukünftige Experimente aufzunehmen mehrere ökologische Hinweise um ihre relativen Auswirkungen auf die Entstehung zu verstehen. Zu guter Letzt Einsatz im Feld zu beobachten wie natürliche Einstellungen vermitteln entstehen Rhythmen von Interesse ist. Die einfache Handhabung dieses Systems und seine einzigartige Kombination von additiven Fertigung, Open-Source-Programmierung und beobachtbaren biologische Merkmale machen es ein Kandidat für die Verwendung in einer Bildungseinrichtung.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten die Insekt Kryobiologie und Ökophysiologie Arbeitsgruppe in Fargo, ND für ihr hilfreiches Feedback auf Experimente mit dem beschriebenen System anerkennen.
Materials
| PLA printer filament | www.lulzbot.com | various | Catalog number varies by color |
| 0.5 mL microcentrifuge tubes | www.daigger.com | EF4254C | |
| 4.5 mm size "bb" metal pellets | www.amazon.com | B00419C1IA | Daisy 4.5 mm metal size bb pellets |
| 6.0 mm plastic "softair" pellets | www.amazon.com | B003QNELYE | Crosman 6 mm airsoft pellets |
| Plastic corregated sheet | www.lowes.com | 345710 | Corrugated plastic sheet |
| Infrared emmiter/detector pair | www.amazon.com | B00XPSIT3O | 5 mm diameter, 940 nm wavelength |
| 120 ohm resisitors | www.amazon.com | B01MSZK8DV | 120 ohm, 1/4 watt |
| 22 GA hookup wire | www.adafruit.com | 1311 | |
| RJ45 jacks | www.sparkfun.com | PRT-00643 | |
| Custom PCB board | www.pcbexpress.com | n/a | Can be printed from files included in the supplimental data |
| Arduino Nano v 3.0 | www.roboshop.com | RB-Gra-01 | |
| SD card module | www.amazon.com | DFR0071 | DFRobot SD card module |
| Real Time Clock module | www.adafruit.com | 264 | DS1307 real time clock breakout board |
| Temperature/humidity sensor | www.tinyosshop.com | G4F4494F29ED05 | DHT11 temperature/humidity sensor on breakout board |
| 470k ohm resistors | www.amazon.com | B00EV2R39Y | |
| Female headers | www.adafruit.com | 598 | Break off to desired length |
| Male headers | www.adafruit.com | 392 | Break off to desired length |
| Ribbon wire | www.amazon.com | B00X77964O | 10 wire ribbon wire with connectors |
| LCD screen | www.adafruit.com | 198 | |
| Cat6 cable | www.amazon.com | B00N2VISLW | |
| SD card | www.amazon.com | B00E9W1URM |
References
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