Bau einer verbesserten Flugmühle für die Untersuchung des Fluges mit angebundenen Insekten

Angesichts der Hartnäckigkeit der Ausbreitung von Insekten auf dem Feld ist die Flugmühle zu einem gängigen Laborwerkzeug geworden, um ein wichtiges ökologisches Phänomen anzugehen – wie sich Insekten bewegen. Seit die Pioniere der Flugmühle¹, 2 ,^3,4sechs Jahrzehnte Flugmühlenkonstruktion und -konstruktion einleiteten, gab es spürbare Konstruktionsänderungen, da sich die Technologien verbesserten und stärker in wissenschaftliche Gemeinschaften integriert wurden. Im Laufe der Zeit ersetzte eine automatisierte Datenerfassungssoftware die Kartenschreiber, und die Arme der Flugmühle wechselten von Glasstäben zu Kohlenstoffstäben und Stahlrohren⁵. Allein in den letzten zehn Jahren ersetzten Magnetlager Teflon- oder Glaslager als optimal reibungsfrei, und Paare zwischen Flugmühlenmaschinen und vielseitiger Technologie haben sich vermehrt, da die Audio-, Video- und Schichtherstellungstechnologie zunehmend in die Arbeitsabläufe der Forscher integriert wird. Zu diesen Paarungen gehörten Hochgeschwindigkeits-Videokameras zur Messung der Flügelaerodynamik⁶, Digital-Analog-Boards zur Nachahmung sensorischer Hinweise zur Untersuchung auditiver Flugreaktionen⁷und 3D-Druck zur Herstellung eines Kalibrierriggs zur Verfolgung der Flügelverformung während Flug⁸. Mit dem jüngsten Aufkommen neuer Technologien in Makerspaces, insbesondere in Institutionen mit digitalen Medienzentren, die von sachkundigen Mitarbeitern geleitet werden⁹, gibt es größere Möglichkeiten, die Flugmühle zu verbessern, um eine größere Auswahl an Insekten zu testen und das Gerät auf das Feld zu transportieren. Es besteht auch ein hohes Potenzial für Forscher, disziplinäre Grenzen zu überschreiten und das technische Lernen durch produktionsbasierte Arbeit zu beschleunigen^9,10,11,12. Die hier vorgestellte Flugmühle (angepasst von Attisano und Kollegen¹³⁾nutzt die neuen Technologien, die in Makerspaces zu finden sind, um nicht nur 1) Flugmühlenkomponenten zu erstellen, deren Maßstäbe und Abmessungen auf das vorliegende Projekt abgestimmt sind, sondern auch 2) den Forschern ein zugängliches Protokoll im Laserschneiden und 3D-Druck zu bieten, ohne ein hohes Budget oder spezielle Kenntnisse in computergestütztem Design (CAD) zu erfordern.

Die Vorteile der Kopplung neuer Technologien und Methoden mit der Flugmühle sind beträchtlich, aber Flugmühlen sind auch wertvolle Einzelmaschinen. Flugmühlen messen die Flugleistung von Insekten und werden verwendet, um zu bestimmen, wie Fluggeschwindigkeit, Entfernung oder Periodizität mit umweltbedingten oder ökologischen Faktoren wie Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Jahreszeit, Wirtspflanze, Körpermasse, morphologischen Merkmalen, Alter und Fortpflanzungsaktivität zusammenhängen. Im Gegensatz zu alternativen Methoden wie Aktographen, Laufbändern und der Videoaufzeichnung von Flugbewegungen in Windkanälen und Indoor-Arenen¹⁴zeichnet sich die Flugmühle durch ihre Fähigkeit aus, verschiedene Flugleistungsstatistiken unter Laborbedingungen zu sammeln. Dies hilft Ökologen, wichtige Fragen zur Fluchtausbreitung zu beantworten, und es hilft ihnen, in ihrer Disziplin voranzukommen – sei es integrierte Schädlingsbekämpfung¹⁵, 16^,17, Populationsdynamik, Genetik, Biogeographie, Lebensverlaufsstrategien¹⁸oder phänotypische Plastizität^19,20,21,22 . Auf der anderen Seite können Geräte wie Hochgeschwindigkeitskameras und Aktographen eine strenge, komplizierte und teure Einrichtung erfordern, aber sie können auch zu feiner abgestimmten Bewegungsparametern wie Flügelschlagfrequenzen und Insektenphotophasenaktivität^{führen 23,24}. Somit dient die hier vorgestellte Flugmühle als flexible, erschwingliche und anpassbare Option für Forscher, um das Flugverhalten zu untersuchen.

Ebenso steigt der Anreiz, neue Technologien in den Workflow von Ökologen zu integrieren, da Fragen und Ansätze zur Untersuchung der Verbreitung immer kreativer und komplexer werden. Als Standorte, die Innovation fördern, ziehen Makerspaces mehrere Ebenen des Fachwissens an und bieten eine geringe Lernkurve für Benutzer jeden Alters, um neue technische Fähigkeiten zu erwerben^10,12. Die iterative und kollaborative Natur des Prototypings wissenschaftlicher Geräte im Makerspace und durch Online-Open-Source kann die Anwendung von Theorie¹¹ beschleunigen und die Produktentwicklung in den ökologischen Wissenschaften erleichtern. Darüber hinaus wird die Erhöhung der Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Instrumente eine breitere Datenerhebung und offene Wissenschaft fördern. Dies kann Forschern helfen, Geräte oder Methoden zur Messung der Ausbreitung zu standardisieren. Die Standardisierung von Werkzeugen könnte es Ökologen weiter ermöglichen, Streuungsdaten über Populationen hinweg zu vereinheitlichen, um Metapopulationsmodelle zu testen, die sich aus dispersalen Kernen²⁵ oder der Quell-Sink-Kolonisationsdynamik^{entwickeln 26}. Ähnlich wie die medizinische Gemeinschaft den 3D-Druck für die Patientenversorgung und anatomierische Ausbildung einsetzt^27,können Ökologen Laserschneider und 3D-Drucker verwenden, um ökologische Werkzeuge und Bildung neu zu gestalten und im Rahmen dieser Studie zusätzliche Flugmühlenkomponenten wie Landeplattformen oder einen Flugmühlenarm zu entwerfen, der sich vertikal bewegen kann. Im Gegenzug können die Anpassung, Kosteneffizienz und erhöhte Produktivität, die die Makerspace-Technologie bietet, dazu beitragen, Dispersal-Projekte mit einer relativ niedrigen Barriere für Forscher zu starten, die beabsichtigen, ihre eigenen Werkzeuge und Geräte zu entwickeln.

Um diese Flugmühle zu konstruieren, gibt es auch mechanische und instrumentelle Einschränkungen, die vom Hersteller berücksichtigt werden können. Magnete und 3D-gedruckte Verbesserungen ermöglichen es der Flugmühle, mit Ausnahme der Konstruktion der Kreuzhalterungen, im Wesentlichen klebstofffrei zu sein und für Insekten unterschiedlicher Größe geeignet zu sein. Wenn jedoch die Masse und die Stärke von Insekten zunehmen, können Insekten eher selbst absteigen, während sie angebunden sind. Starke Magnete können auf Kosten eines erhöhten Torsionswiderstands verwendet werden, oder Kugellager können Magnetlager als robuste Lösung für Flugversuchsinsekten ersetzen, die mehrere Gramm^{wiegen 28,29}. Dennoch können Kugellager auch einige Probleme aufwerfen, vor allem, dass längere Experimente mit hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen die Schmierung von Kugellagern beeinträchtigen können, was die Reibung erhöht³⁰. Daher müssen die Benutzer unterscheiden, welche Flugmühlenmechanik am besten zu ihren Insekten des Studiums und des experimentellen Designs passt.

Ebenso gibt es mehrere Möglichkeiten, eine Flugmühle zu instrumentieren, die über die Überlegungen dieses Papiers hinausgeht. Die hier vorgestellte Flugmühle verwendet IR-Sensoren zur Erkennung von Drehungen, WinDAQ-Software zur Erfassung von Umdrehungen und Programmierskripte zur Verarbeitung der Rohdaten. Obwohl sie einfach zu bedienen ist, verfügt die WinDAQ-Software über eine begrenzte Auswahl an Tools. Benutzer können keine Kommentare an den entsprechenden Kanal anhängen, und sie können nicht benachrichtigt werden, wenn eine Komponente der Schaltung ausfällt. Diese Fälle werden gelöst, indem sie durch Code erkannt und korrigiert werden, jedoch erst nach der Datenerfassung. Alternativ können Benutzer mehr als eine Software verwenden, die anpassbare Datenerfassungsfunktionen²⁸ oder Sensoren bietet, die direkte Geschwindigkeits- und Entfernungsstatistiken erfassen, wie Fahrradmilometer²⁹. Diese Alternativen können jedoch wertvolle Rohdaten umgehen oder Die Funktionalität über zu viele Softwareanwendungen hinweg diffundieren, was die Datenverarbeitung ineffizient machen kann. Anstatt die Flugmühleninstrumentierung umzugestalten, bietet dieses Protokoll robuste Programmierlösungen für die heutigen Softwarebeschränkungen.

In diesem Artikel wird ein Entwurf für eine verbesserte einfache Flugmühle beschrieben, um Forscher bei ihren Ausbreitungsstudien zu unterstützen und die Integration neuer Technologien auf dem Gebiet der Verhaltensökologie zu fördern. Diese Flugmühle passt in die Grenzen eines Inkubators, fasst bis zu acht Insekten gleichzeitig und automatisiert die Datenerfassung und -verarbeitung. Insbesondere die 3D-gedruckten Verbesserungen ermöglichen es dem Benutzer, die Höhe des Mühlenarms und des IR-Sensors einzustellen, um Insekten verschiedener Größen zu testen und das Gerät für eine schnelle Lagerung oder einen schnellen Transport zu zerlegen. Dank des institutionellen Zugangs zu einem kommunalen Makerspace waren alle Erweiterungen kostenlos und es fielen keine zusätzlichen Kosten im Vergleich zur einfachen, modernen Flugmühle an. Die gesamte benötigte Software ist kostenlos, die elektronische Schaltung ist einfach und alle Skripte können modifiziert werden, um den spezifischen Anforderungen des experimentellen Designs zu entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht die codierte Diagnose dem Benutzer, die Integrität und Präzision seiner Aufzeichnungen zu überprüfen. Schließlich minimiert dieses Protokoll den Stress, den ein Insekt erleidet, indem Insekten magnetisch bemalt und an den Mühlenarm gebunden werden. Da die Montage der einfachen Flugmühle bereits zugänglich, erschwinglich und flexibel ist, kann der Einsatz von Makerspace-Technologien zur Verbesserung der einfachen Flugmühle den Forschern den Raum geben, ihre eigenen spezifischen Flugstudienanforderungen zu überwinden und kreative Flugmühlendesigns über die Überlegungen dieses Papiers hinaus zu inspirieren.