Costruire un mulino di volo potenziato per lo studio del volo degli insetti legati

Dato quanto sia intrattabile la dispersione degli insetti sul campo, il mulino di volo è diventato uno strumento di laboratorio comune per affrontare un importante fenomeno ecologico: come si muovono gli insetti. Di conseguenza, da quando i pionieri del mulino di volo^1,2,3,4 hanno inaugurato sei decenni di progettazione e costruzione di mulini di volo, ci sono stati notevoli cambiamenti di progettazione man mano che le tecnologie miglioravano e diventavano più integrate nelle comunità scientifiche. Nel corso del tempo, il software di raccolta dati automatizzato ha sostituito i registratori grafici e i bracci del mulino di volo sono passati da barre di vetro a barre di carbonio e tubi in acciaio⁵. Solo nell’ultimo decennio, i cuscinetti magnetici hanno sostituito i cuscinetti in teflon o vetro come ottimali senza attrito e le coppie tra macchinari per mulini di volo e tecnologia versatile sono proliferate man mano che la tecnologia di fabbricazione audio, visiva e di strati diventa sempre più integrata nei flussi di lavoro dei ricercatori. Questi abbinamenti hanno incluso videocamere ad alta velocità per misurare l’aerodinamica delle ali^6,schede digitali-analogiche per imitare i segnali sensoriali per studiare le risposte di volo uditive⁷e stampa 3D per realizzare un impianto di calibrazione per tracciare la deformazione delle ali durante il volo^8. Con il recente aumento delle tecnologie emergenti nei makerspace, in particolare nelle istituzioni con centri multimediali digitali gestiti da personale^{esperto 9}, ci sono maggiori possibilità di migliorare il mulino di volo per testare una gamma più ampia di insetti e trasportare il dispositivo sul campo. C’è anche un alto potenziale per i ricercatori di attraversare i confini disciplinari e accelerare l’apprendimento tecnico attraverso il lavoro basato sulla produzione^9,10,11,12. Il mulino di volo qui presentato (adattato da Attisano e colleghi¹³⁾sfrutta le tecnologie emergenti presenti nei makerspace non solo per 1) creare componenti del mulino di volo le cui scale e dimensioni sono messe a punto per il progetto in questione, ma anche 2) offrire ai ricercatori un protocollo accessibile nel taglio laser e nella stampa 3D senza richiedere un budget elevato o alcuna conoscenza specializzata nella progettazione assistita da computer (CAD).

I vantaggi dell’accoppiamento di nuove tecnologie e metodi con il mulino di volo sono sostanziali, ma i mulini di volo sono anche preziose macchine autonome. I mulini di volo misurano le prestazioni di volo degli insetti e vengono utilizzati per determinare in che modo la velocità, la distanza o la periodicità del volo si riferiscono a fattori ambientali o ecologici, come temperatura, umidità relativa, stagione, pianta ospite, massa corporea, tratti morfologici, età e attività riproduttiva. Distinto da metodi alternativi come actografi, tapis roulant e la registrazione video del movimento di volo nelle gallerie del vento e nelle arene interne¹⁴, il mulino di volo è notevole per la sua capacità di raccogliere varie statistiche sulle prestazioni di volo in condizioni di laboratorio. Questo aiuta gli ecologi ad affrontare importanti domande sulla dispersione del volo e li aiuta a progredire nella loro disciplina – che si tratti di gestione integrata dei parassiti^{15,16,17, dinamica}della popolazione, genetica, biogeografia, strategie di storia della vita¹⁸o plasticità fenotipica^19,20,21,22 . D’altra parte, dispositivi come telecamere ad alta velocità e actografi possono richiedere una configurazione rigorosa, complicata e costosa, ma possono anche portare a parametri di movimento più sintonizzati, come le frequenze del battito d’ala e l’attività della fotofase degli insetti^23,24. Pertanto, il mulino di volo presentato qui funge da opzione flessibile, economica e personalizzabile per i ricercatori per studiare il comportamento di volo.

Allo stesso modo, l’incentivo a integrare le tecnologie emergenti nel flusso di lavoro degli ecologisti continua a crescere man mano che le domande e gli approcci allo studio della dispersione diventano più creativi e complessi. Come sedi che promuovono l’innovazione, i makerspace attingono a più livelli di competenza e offrono una bassa curva di apprendimento per gli utenti di qualsiasi età per acquisire nuove competenze tecniche^10,12. La natura iterativa e collaborativa della prototipazione di dispositivi scientifici nel makerspace e attraverso fonti aperte online può accelerare l’applicazione della teoria¹¹ e facilitare lo sviluppo del prodotto nelle scienze ecologiche. Inoltre, l’aumento della riproducibilità degli strumenti scientifici incoraggerà una più ampia raccolta di dati e la scienza aperta. Questo può aiutare i ricercatori a standardizzare le attrezzature o i metodi per misurare la dispersione. Gli strumenti di standardizzazione potrebbero inoltre consentire agli ecologi di unificare i dati di dispersione tra le popolazioni al fine di testare modelli di metapopolazione che si sviluppano da kernel di dispersione²⁵ o dinamiche di colonizzazione source-sink²⁶. Proprio come la comunità medica sta adottando la stampa 3D per la cura del paziente e l’educazione anatomica²⁷, gli ecologi possono utilizzare taglierine laser e stampanti 3D per riprogettare strumenti ecologici e istruzione e, nell’ambito di questo studio, possono progettare componenti aggiuntivi del mulino di volo, come piattaforme di atterraggio o un braccio del mulino di volo che può muoversi verticalmente. A loro volta, la personalizzazione, l’economicità e l’aumento della produttività offerti dalla tecnologia makerspace possono aiutare ad avviare progetti di dispersione con una barriera relativamente bassa per i ricercatori che intendono sviluppare i propri strumenti e dispositivi.

Per costruire questo mulino di volo, ci sono anche limitazioni meccaniche e strumentali che possono essere considerate dal produttore. Magneti e miglioramenti stampati in 3D consentono al mulino di volo di essere essenzialmente senza colla, ad eccezione della costruzione delle staffe trasversali, e di essere adattabile a insetti di diverse dimensioni. Tuttavia, con l’aumentare della massa e della forza degli insetti, gli insetti possono avere maggiori probabilità di smontarsi mentre sono legati. I magneti forti possono essere utilizzati al costo di una maggiore resistenza torsionale, oppure i cuscinetti a sfere possono sostituire i cuscinetti magnetici come soluzione robusta per gli insetti che testano il volo che pesano diversi grammi^28,29. Tuttavia, i cuscinetti a sfere possono anche presentare alcuni problemi, principalmente che l’esecuzione di esperimenti prolungati con alte velocità e alte temperature può degradare la lubrificazione dei cuscinetti a sfere, il che aumenta l’attrito³⁰. Pertanto, gli utenti dovranno discernere quale meccanica del mulino di volo si adatterebbe meglio ai loro insetti di studio e progettazione sperimentale.

Allo stesso modo, ci sono diversi modi per strumentare un mulino di volo che è al di là delle considerazioni di questo documento. Il mulino di volo qui presentato utilizza sensori IR per rilevare le rivoluzioni, software WinDAQ per registrare le rivoluzioni e script di programmazione per elaborare i dati grezzi. Sebbene sia facile da usare, il software WinDAQ ha una gamma limitata di strumenti disponibili. Gli utenti non possono allegare commenti al canale corrispondente e non possono essere avvisati in caso di guasto di un componente del circuito. Questi casi vengono risolti rilevandoli e correggendoli tramite codice, ma solo dopo la raccolta dei dati. In alternativa, gli utenti possono adottare più di un software che offre funzionalità di raccolta dati personalizzabili²⁸ o sensori che prendono statistiche dirette di velocità e distanza, come i milometri per bici²⁹. Tuttavia, queste alternative possono bypassare preziosi dati grezzi o diffondere funzionalità tra troppe applicazioni software, il che può rendere inefficiente l’elaborazione dei dati. In definitiva, piuttosto che rimodellare la strumentazione del mulino di volo, questo protocollo offre solide soluzioni di programmazione alle attuali limitazioni del software.

In questo articolo, viene descritto un progetto per un semplice mulino di volo migliorato per aiutare i ricercatori nei loro studi di dispersione e per incoraggiare l’incorporazione di tecnologie emergenti nel campo dell’ecologia comportamentale. Questo mulino di volo si adatta ai vincoli di un incubatore, contiene fino a otto insetti contemporaneamente e automatizza la raccolta e l’elaborazione dei dati. In particolare, i suoi miglioramenti stampati in 3D consentono all’utente di regolare le altezze del braccio del mulino e del sensore IR per testare insetti di varie dimensioni e smontare il dispositivo per una rapida conservazione o trasporto. Grazie all’accesso istituzionale a un makerspace comune, tutti i miglioramenti sono stati gratuiti e non sono stati accumulati costi aggiuntivi rispetto al semplice e moderno mulino di volo. Tutto il software necessario è gratuito, i circuiti elettronici sono semplici e tutti gli script possono essere modificati per seguire le esigenze specifiche del progetto sperimentale. Inoltre, la diagnostica codificata consente all’utente di verificare l’integrità e la precisione delle proprie registrazioni. Infine, questo protocollo riduce al minimo lo stress sostenuto da un insetto dipingendo magneticamente e legando gli insetti al braccio del mulino. Con l’assemblaggio del semplice mulino di volo già accessibile, economico e flessibile, l’uso di tecnologie makerspace per migliorare il semplice mulino di volo può garantire ai ricercatori lo spazio per superare le proprie specifiche esigenze di studio di volo e può ispirare progetti creativi di mulini di volo al di là delle considerazioni di questo documento.