Строительство усовершенствованной полетной мельницы для изучения привязного полета насекомых
Summary
Этот протокол использует трехмерные (3D) принтеры и лазерные резаки, найденные в мейкерспейсах, чтобы создать более гибкую конструкцию летной мельницы. Используя эту технологию, исследователи могут снизить затраты, повысить гибкость проектирования и генерировать воспроизводимую работу при строительстве своих летных мельниц для привязных исследований полета насекомых.
Abstract
Makerspaces имеют высокий потенциал, позволяющий исследователям разрабатывать новые методы и работать с новыми видами в экологических исследованиях. Этот протокол демонстрирует, как воспользоваться преимуществами технологии, найденной в мейкерспейсах, чтобы построить более универсальную летную мельницу по относительно низкой цене. Учитывая, что это исследование извлекло свой прототип из летных мельниц, построенных в последнее десятилетие, этот протокол больше фокусируется на описании расхождений, сделанных из простой, современной летной мельницы. Предыдущие исследования уже показали, насколько выгодны летные мельницы для измерения параметров полета, таких как скорость, расстояние или периодичность. Такие мельницы позволили исследователям связать эти параметры с морфологическими, физиологическими или генетическими факторами. В дополнение к этим преимуществам, в этом исследовании обсуждаются преимущества использования технологии в мейкерспейсах, таких как 3D-принтеры и лазерные резаки, чтобы построить более гибкую, прочную и складную конструкцию летной мельницы. В частности, 3D-печатные компоненты этой конструкции позволяют пользователю тестировать насекомых различных размеров, регулируя высоту мельничного кронштейна и инфракрасных (ИК) датчиков. 3D-печать также позволяет пользователю легко разбирать машину для быстрого хранения или транспортировки в полевые условия. Кроме того, в этом исследовании шире используются магниты и магнитная краска для привязки насекомых с минимальным напряжением. Наконец, этот протокол детализирует универсальный анализ полетных данных с помощью компьютерных скриптов, которые эффективно разделяют и анализируют дифференцируемые летные испытания в рамках одной записи. Несмотря на то, что применение инструментов, доступных в мейкерспейсах и в онлайн-программах 3D-моделирования, является более трудоемким, оно облегчает междисциплинарные и ориентированные на процесс практики и помогает исследователям избегать дорогостоящих, готовых продуктов с узко регулируемыми размерами. Используя преимущества гибкости и воспроизводимости технологий в производственных пространствах, этот протокол способствует творческому проектированию летной мельницы и вдохновляет открытую науку.
Introduction
Учитывая, насколько трудноразрешимым является рассеивание насекомых в поле, летная мельница стала обычным лабораторным инструментом для решения важного экологического явления – того, как перемещаются насекомые. Как следствие, с тех пор, как пионеры летной мельницы1,2,3,4 открыли шесть десятилетий проектирования и строительства летной мельницы, произошли заметные изменения в дизайне по мере совершенствования технологий и их интеграции в научные сообщества. Со временем автоматизированное программное обеспечение для сбора данных заменило картографические регистраторы, а рукава полетной мельницы перешли от стеклянных стержней к углеродным стержням и стальным трубам5. Только за последнее десятилетие магнитные подшипники заменили тефлоновые или стеклянные подшипники как оптимально не подверженные трению, а пары между оборудованием для полетных мельниц и универсальными технологиями получили широкое распространение, поскольку аудио-, визуальные и многослойные технологии изготовления становятся все более интегрированными в рабочие процессы исследователей. Эти пары включали высокоскоростные видеокамеры для измерения аэродинамики крыла6,цифро-аналоговые платы для имитации сенсорных сигналов для изучения слуховых реакций полета7и 3D-печать для создания калибровочной установки для отслеживания деформации крыла во время полета8. С недавним ростом новых технологий в мейкерспейсах, особенно в учреждениях с цифровыми медиа-центрами, управляемыми знающими сотрудниками9,появились большие возможности для улучшения летной мельницы для тестирования большего спектра насекомых и транспортировки устройства в поле. Существует также высокий потенциал для исследователей для пересечения дисциплинарных границ и ускорения технического обучения посредством производственной работы9,10,11,12. Представленная здесь летная мельница (адаптированная от Аттисано и его коллег13)использует преимущества новых технологий, найденных в мейкерспейсах, чтобы не только 1) создавать компоненты летной мельницы, масштабы и размеры которых точно настроены на проект, но и 2) предлагать исследователям доступный протокол в лазерной резке и 3D-печати, не требуя высокобюджетных или каких-либо специализированных знаний в области автоматизированного проектирования (CAD).
Преимущества соединения новых технологий и методов с летной мельницей значительны, но летные мельницы также являются ценными автономными машинами. Летные мельницы измеряют летные характеристики насекомых и используются для определения того, как скорость полета, расстояние или периодичность связаны с экологическими или экологическими факторами, такими как температура, относительная влажность, сезон, растение-хозяин, масса тела, морфологические признаки, возраст и репродуктивная активность. В отличие от альтернативных методов, таких как актографы, беговые дорожки и видеозапись движения полета в аэродинамических трубах и крытых аренах14,летная мельница отличается способностью собирать различную статистику летных характеристик в лабораторных условиях. Это помогает экологам решать важные вопросы о рассеивании полетов, и это помогает им прогрессировать в своей дисциплине – будь то интегрированная борьба с вредителями15,16,17,динамика популяций, генетика, биогеография, стратегии истории жизни18или фенотипическая пластичность19,20,21,22 . С другой стороны, такие устройства, как высокоскоростные камеры и актографы, могут потребовать строгой, сложной и дорогостоящей настройки, но они также могут привести к более тонко настроенным параметрам движения, таким как частоты ударов крыльев и фотофазная активность насекомых23,24. Таким образом, представленная здесь летная мельница служит гибким, доступным и настраиваемым вариантом для исследователей для изучения поведения полета.
Аналогичным образом, стимул к интеграции новых технологий в рабочий процесс экологов продолжает расти по мере того, как вопросы и подходы к изучению рассредоточения становятся все более творческими и сложными. Как места, которые способствуют инновациям, makerspaces привлекают несколько уровней опыта и предлагают низкую кривую обучения для пользователей любого возраста для приобретения новых технических навыков10,12. Итеративный и совместный характер прототипирования научных устройств в пространстве создателей и через открытые онлайн-источники может ускорить применение теории11 и облегчить разработку продукта в экологических науках. Кроме того, повышение воспроизводимости научных инструментов будет способствовать более широкому сбору данных и открытой науке. Это может помочь исследователям стандартизировать оборудование или методы измерения рассеивания. Инструменты стандартизации могли бы также позволить экологам унифицировать данные о рассеивании по популяциям для тестирования моделей метапопуляции, которые развиваются из ядер рассеивания25 или динамики колонизации источник-поглотитель26. Подобно тому, как медицинское сообщество внедряет 3D-печать для ухода за пациентами и анатомического образования27,экологи могут использовать лазерные резаки и 3D-принтеры для перепроектирования экологических инструментов и образования и, в рамках этого исследования, могут разрабатывать дополнительные компоненты полетной мельницы, такие как посадочные платформы или рычаг полета, который может перемещаться вертикально. В свою очередь, кастомизация, экономическая эффективность и повышенная производительность, предлагаемые технологией makerspace, могут помочь начать проекты рассредоточения с относительно низким барьером для исследователей, которые намерены разрабатывать свои собственные инструменты и устройства.
Для строительства этой летной мельницы существуют также механические и инструментальные ограничения, которые могут быть рассмотрены производителем. Магниты и 3D-печатные усовершенствования позволяют полетной мельнице быть по существу бесклеевой, за исключением конструкции поперечных кронштейнов, и быть удобной для насекомых разных размеров. Однако, поскольку масса и сила насекомых увеличиваются, насекомые могут с большей вероятностью спешиться, будучи привязанными. Сильные магниты могут использоваться за счет повышенного кручения, или шарикоподшипники могут заменить магнитные подшипники в качестве надежного решения для летных испытаний насекомых, которые весят несколькограммов 28,29. Тем не менее, шарикоподшипники также могут представлять некоторые проблемы, главным образом потому, что длительные эксперименты с высокими скоростями и высокими температурами могут ухудшить смазку шариковых подшипников, что увеличивает трениена 30. Таким образом, пользователям придется определить, какая механика летной мельницы лучше всего подходит для их насекомых (насекомых) исследования и экспериментального проектирования.
Точно так же есть несколько способов инструментирования летной мельницы, что выходит за рамки соображений этой статьи. Представленная здесь летная мельница использует ИК-датчики для обнаружения революций, программное обеспечение WinDAQ для записи оборотов и сценарии программирования для обработки необработанных данных. Хотя он прост в использовании, программное обеспечение WinDAQ имеет ограниченный набор доступных инструментов. Пользователи не могут прикреплять комментарии к соответствующему каналу и не могут быть предупреждены в случае сбоя какого-либо компонента схемы. Эти случаи решаются путем обнаружения и исправления их с помощью кода, но только после сбора данных. В качестве альтернативы пользователи могут принять более одного программного обеспечения, которое предлагает настраиваемые функции сбора данных28 или датчики, которые принимают прямую статистику скорости и расстояния, такие как велосипедные милометры29. Однако эти альтернативы могут обходить ценные необработанные данные или распространять функциональность на слишком много программных приложений, что может сделать обработку данных неэффективной. В конечном счете, вместо того, чтобы переделывать приборы летной мельницы, этот протокол предлагает надежные программные решения для современных программных ограничений.
В этой статье описана конструкция усовершенствованной простой летной мельницы, чтобы помочь исследователям в их исследованиях рассеивания и стимулировать внедрение новых технологий в области поведенческой экологии. Эта летная мельница вписывается в ограничения инкубатора, вмещает до восьми насекомых одновременно и автоматизирует сбор и обработку данных. Примечательно, что его 3D-печатные усовершенствования позволяют пользователю регулировать высоту мельничного кронштейна и ИК-датчика для тестирования насекомых различных размеров и разборки устройства для быстрого хранения или транспортировки. Благодаря институциональному доступу к коммунальному пространству, все усовершенствования были бесплатными, и никаких дополнительных затрат не было начислено по сравнению с простой, современной летной мельницей. Все необходимое программное обеспечение бесплатно, электронная схема проста, и все сценарии могут быть изменены в соответствии с конкретными потребностями экспериментального проекта. Кроме того, закодированная диагностика позволяет пользователю проверить целостность и точность своих записей. Наконец, этот протокол сводит к минимуму напряжение, испытываемое насекомым, путем магнитной покраски и привязки насекомых к мельничному рычагу. Поскольку сборка простой полетной мельницы уже доступна, доступна и гибка, использование технологий makerspace для улучшения простой полетной мельницы может предоставить исследователям пространство для преодоления их собственных конкретных потребностей в изучении полета и может вдохновить творческие проекты летной мельницы за пределами соображений этой статьи.
Protocol
Representative Results
Discussion
Простая, современная летная мельница обеспечивает ряд преимуществ для исследователей, заинтересованных в изучении полета привязанных насекомых, предоставляя надежную и автоматизированную конструкцию, которая эффективно и экономично тестирует несколько насекомых13,</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Я хотел бы поблагодарить Мередит Сензер за покупку всех материалов для полетных мельниц и обеспечение непрерывной обратной связи от строительства до написания проекта. Я также благодарю Ану Зильберг за ее вклад в standardize_troughs.py. Наконец, я благодарю Центр медиаискусства, данных и дизайна (MADD) в Чикагском университете за разрешение бесплатно использовать его оборудование, технологии и расходные материалы.
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).
