为系留昆虫飞行研究建造增强型飞行磨机

Summary

该协议使用创客空间中的三维（3D）打印机和激光切割机，以创建更灵活的飞行铣削设计。通过使用这项技术，研究人员可以降低成本，增强设计灵活性，并在构建用于系留昆虫飞行研究的飞行磨机时产生可重复的工作。

Abstract

创客空间具有很高的潜力，使研究人员能够开发新技术，并在生态研究中与新物种合作。该协议展示了如何利用创客空间中的技术，以相对较低的成本构建更通用的飞行磨机。鉴于这项研究是从过去十年中建造的飞行磨机中提取原型机的，该协议更侧重于概述从简单，现代的飞行磨机中产生的分歧。以前的研究已经表明，飞行磨机对于测量速度、距离或周期等飞行参数是多么有利。这样的工厂使研究人员能够将这些参数与形态，生理或遗传因素联系起来。除了这些优点之外，本研究还讨论了在创客空间中使用该技术的好处，如3D打印机和激光切割机，以构建更灵活，坚固和可折叠的飞行铣床设计。最值得注意的是，这种设计的3D打印组件允许用户通过使磨机臂的高度和红外（IR）传感器可调来测试各种尺寸的昆虫。3D打印还使用户能够轻松拆卸机器，以便快速存储或运输到现场。此外，本研究更多地利用磁铁和磁性涂料以最小的应力拴住昆虫。最后，该协议详细介绍了通过计算机脚本对飞行数据的多功能分析，这些脚本在单个记录中有效地分离和分析可区分的飞行试验。虽然劳动密集型程度更高，但应用创客空间和在线3D建模程序中可用的工具有助于多学科和面向过程的实践，并帮助研究人员避免昂贵的预制产品，其尺寸可调范围很窄。通过利用创客空间中技术的灵活性和可重复性，该协议促进了创造性的飞行磨机设计并激发了开放科学。

Introduction

鉴于昆虫在田间的传播是多么棘手，飞行磨已成为解决一个重要的生态现象 – 昆虫如何移动的常见实验室工具。因此，自从飞行磨机^{1，2，3，4}的先驱开创了飞行磨机设计和建造六十年以来，随着技术的改进和更多地融入科学界，设计发生了明显的变化。随着时间的推移，自动数据收集软件取代了图表记录仪，飞行磨机臂从玻璃棒过渡到碳棒和钢管^5。仅在过去十年中，磁浮轴承就取代了特氟龙或玻璃轴承，成为最佳的无摩擦轴承，随着音频、视频和层制造技术越来越多地集成到研究人员的工作流程中，飞行磨机机械与多功能技术之间的配对也在激增。这些配对包括用于测量机翼空气动力学的高速摄像机^6，用于模拟感官线索以研究听觉飞行反应的数模模拟板^7，以及用于制造校准装置以跟踪飞行⁸期间机翼变形的3D打印。随着最近在创客空间中新兴技术的兴起，特别是在拥有由^{知识渊博的员工9}运营的数字媒体中心的机构中，有更大的可能性来增强飞行工厂以测试更大范围的昆虫并将设备运送到现场。研究人员也有很大的潜力跨越学科界限，通过基于生产的工作加速技术学习9，10，11，12。这里展示的飞行磨机（改编自Attisano及其同事^13）利用创客空间中发现的新兴技术，不仅1）创建飞行磨机组件，其规模和尺寸根据手头的项目进行微调，而且还2）为研究人员提供激光切割和3D打印的可访问协议，而无需高预算或任何计算机辅助设计（CAD）的专业知识。

将新技术和新方法与飞行磨机相结合的好处是巨大的，但飞磨机也是有价值的独立机器。飞行磨机测量昆虫的飞行性能，用于确定飞行速度、距离或周期性与环境或生态因素的关系，例如温度、相对湿度、季节、寄主植物、体重、形态学特征、年龄和生殖活动。与阿克图仪、跑步机以及风洞和室内竞技场¹⁴中飞行运动的视频记录等替代方法不同，飞行机以其在实验室条件下收集各种飞行性能统计数据的能力而著称。这有助于生态学家解决飞行扩散的重要问题，并帮助他们在学科上取得进展 – 无论是综合虫害管理^{15，16，17，}种群动力学，遗传学，生物地理学，生活史策略^18，还是表型可塑性^{19，20，21，22} .另一方面，像高速相机和actographs这样的设备可能需要严格，复杂和昂贵的设置，但它们也可能导致更微调的运动参数，例如翅膀拍频和昆虫光相活动^23，24。因此，这里介绍的飞行磨机是研究人员研究飞行行为的灵活，经济实惠且可定制的选择。

同样，随着研究传播的问题和方法变得更加有创意和复杂，将新兴技术整合到生态学家工作流程中的动力继续上升。作为促进创新的地点，创客空间吸收了多层次的专业知识，并为任何年龄的用户提供了较低的学习曲线，以获得新的技术技能^10，12。在创客空间和通过在线开源对科学设备进行原型设计的迭代和协作性质可以加速理论¹¹的应用，并促进生态科学中的产品开发。此外，提高科学工具的可重复性将鼓励更广泛的数据收集和开放科学。这可以帮助研究人员标准化测量扩散的设备或方法。标准化工具可以进一步允许生态学家统一种群之间的扩散数据，以测试从扩散核²⁵或源汇定植动力学²⁶发展而来的元种群模型。就像医学界如何采用3D打印进行患者护理和解剖学教育^一样27，生态学家可以使用激光切割机和3D打印机重新设计生态工具和教育，并且在本研究范围内，可以设计额外的飞行磨机组件，例如着陆平台或可以垂直移动的飞行磨机臂。反过来，创客空间技术提供的定制，成本效益和更高的生产力可以帮助启动扩散项目，对于打算开发自己的工具和设备的研究人员来说，门槛相对较低。

要构建这种飞行磨机，制造商还可以考虑机械和仪器限制。磁铁和3D打印的增强功能使飞行磨机基本上没有胶水，除了交叉支架的结构外，并且可以适应不同大小的昆虫。然而，随着昆虫的质量和强度的增加，昆虫在拴住时可能更有可能自行脱落。强磁铁可以以增加扭转阻力为代价使用，或者滚珠轴承可以取代磁浮轴承作为飞行测试的坚固解决方案，这些昆虫重达^28，29克。然而，滚珠轴承也可能存在一些问题，主要是长时间在高速和高温下运行实验会降低滚珠轴承的润滑，从而增加摩擦^力30。因此，用户将不得不辨别哪种飞行磨机机制最适合他们的研究和实验设计。

同样，有几种方法可以检测飞行磨机，这超出了本文的考虑范围。这里介绍的飞行铣床使用红外传感器来检测转数，WinDAQ软件来记录转数，并使用编程脚本来处理原始数据。虽然 它 非常 易 用， 但 WinDAQ 软件 的 可用 工具 数量 有限。用户无法将注释附加到其相应的通道，并且如果电路的任何组件发生故障，也不会向他们发出警报。这些情况可以通过代码检测和更正来解决，但只有在数据收集之后。或者，用户可以采用多个软件，提供可自定义的数据收集功能²⁸ 或直接进行速度和距离统计的传感器，例如自行车里程计²⁹。但是，这些替代方案可以绕过有价值的原始数据或在太多软件应用程序中扩散功能，从而使数据处理效率低下。最终，该协议不是重新设计飞行铣削仪器，而是为当今的软件限制提供了强大的编程解决方案。

在本文中，描述了增强型简单飞行磨机的设计，以帮助研究人员进行扩散研究，并鼓励将新兴技术纳入行为生态学领域。该飞行研磨机适合培养箱的限制，可同时容纳多达八只昆虫，并自动进行数据收集和处理。值得注意的是，其3D打印增强功能允许用户调整磨机臂和红外传感器高度，以测试各种尺寸的昆虫并拆卸设备以进行快速存储或运输。由于机构可以访问公共创客空间，所有增强功能都是免费的，与简单，现代的飞行工厂相比，没有产生额外费用。所有需要的软件都是免费的，电子电路简单，所有脚本都可以修改，以符合实验设计的特定需求。此外，编码诊断允许用户检查其记录的完整性和准确性。最后，该协议通过磁性绘画并将昆虫拴在磨机臂上来最小化昆虫所承受的压力。由于简单飞行磨机的组装已经易于使用，价格合理且灵活，因此使用创客空间技术来增强简单的飞行磨机可以为研究人员提供空间来克服他们自己的特定飞行研究需求，并且可以激发创造性的飞行磨机设计，超出本文的考虑范围。

Protocol

1. 在创客空间中建造飞行磨坊 激光切割并组装丙烯酸塑料支撑结构。 使用8（304.8毫米x 609.6毫米x 3.175毫米）厚的透明亚克力板来构建亚克力塑料支撑结构。确保材料不是聚碳酸酯，聚碳酸酯看起来类似于丙烯酸，但会熔化，而不是在激光下被切割。 在创客空间中找到激光切割机。该协议假设创客空间具有 材料表中引用的激光切割机。对于其他激光切割机，请阅…

Representative Results

飞行数据是在2020年冬季通过实验获得的，使用从佛罗里达州现场收集的J. 血肿作为模型昆虫（Bernat，A.V.和Cenzer，M.L.，2020，未发表的数据）。代表性的飞行试验在芝加哥大学生态与进化系进行，如下图6、图7、图8和图9所示。将飞行磨机设置在设置为28°C / 27°C（白天/黑夜），70%相对湿度和14小时光照/…

Discussion

简单，现代的飞行磨机为有兴趣研究系留昆虫飞行的研究人员提供了一系列优势，通过提供可靠和自动化的设计，高效且具有成本效益地测试多种昆虫13，31，35。同样，研究人员有很强的动机采用来自工业和其他科学领域的快速新兴技术和技巧，作为建立实验工具来研究生态系统的手段^{9，32，33。}<sup …

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