Construindo uma usina de voo aprimorada para o estudo do voo de insetos amarrados
Summary
Este protocolo usa impressoras tridimensionais (3D) e cortadores a laser encontrados em espaços maker, a fim de criar um design de moinho de voo mais flexível. Usando essa tecnologia, os pesquisadores podem reduzir custos, aumentar a flexibilidade do design e gerar trabalhos reprodutíveis na construção de suas fábricas de voo para estudos de voo de insetos amarrados.
Abstract
Os makerspaces têm um alto potencial de permitir que os pesquisadores desenvolvam novas técnicas e trabalhem com novas espécies em pesquisas ecológicas. Este protocolo demonstra como aproveitar a tecnologia encontrada nos makerspaces, a fim de construir uma fábrica de voo mais versátil por um custo relativamente baixo. Dado que este estudo extraiu seu protótipo de usinas de voo construídas na última década, este protocolo se concentra mais em delinear divergências feitas a partir da simples e moderna fábrica de voo. Estudos anteriores já mostraram como as usinas de voo são vantajosas para medir parâmetros de voo, como velocidade, distância ou periodicidade. Tais usinas permitiram aos pesquisadores associar esses parâmetros a fatores morfológicos, fisiológicos ou genéticos. Além dessas vantagens, este estudo discute os benefícios do uso da tecnologia em espaços maker, como impressoras 3D e cortadores a laser, a fim de construir um design de moinho de voo mais flexível, robusto e dobrável. Mais notavelmente, os componentes impressos em 3D deste design permitem ao usuário testar insetos de vários tamanhos, tornando ajustáveis as alturas do braço do moinho e sensores infravermelhos (IR). As impressões 3D também permitem que o usuário desmonte facilmente a máquina para armazenamento rápido ou transporte para o campo. Além disso, este estudo faz maior uso de ímãs e tinta magnética para amarrar insetos com o mínimo de estresse. Por fim, este protocolo detalha uma análise versátil dos dados de voo através de scripts de computador que separam e analisam eficientemente testes de voo diferentes dentro de uma única gravação. Embora mais trabalhoso, a aplicação das ferramentas disponíveis em makerspaces e em programas de modelagem 3D on-line facilita práticas multidisciplinares e orientadas a processos e ajuda os pesquisadores a evitar produtos pré-fabricados e caros com dimensões estritamente ajustáveis. Ao aproveitar a flexibilidade e a reprodutibilidade da tecnologia nos makerspaces, este protocolo promove o design criativo da fábrica de voo e inspira a ciência aberta.
Introduction
Dado o quão intratável é a dispersão de insetos no campo, a usina de voo tornou-se uma ferramenta de laboratório comum para abordar um importante fenômeno ecológico – como os insetos se movem. Como consequência, desde que os pioneiros da usina de voo1,2,3,4 inauguraram seis décadas de projeto e construção de moinhos de voo, houve mudanças notáveis de design à medida que as tecnologias melhoraram e se tornaram mais integradas às comunidades científicas. Com o tempo, o software automatizado de coleta de dados substituiu gravadores de gráficos, e os braços da usina de voo erram-se de barras de vidro para barras de carbono e tubos de aço5. Somente na última década, os rolamentos magnéticos substituíram os rolamentos de Teflon ou vidro como sem atrito, e os pares entre máquinas de moinhos de voo e tecnologia versátil têm se proliferado à medida que a tecnologia de fabricação de áudio, visual e camadas se torna cada vez mais integrada aos fluxos de trabalho dos pesquisadores. Esses pares incluíram câmeras de vídeo de alta velocidade para medir a aerodinâmica de asa6,placas digitais-analógicas para imitar pistas sensoriais para estudar respostas de voo auditiva7e impressão 3D para fazer uma plataforma de calibração para rastrear a deformação das asas durante o voo8. Com o recente surgimento de tecnologias emergentes em espaços maker, particularmente em instituições com centros de mídia digital administrados por funcionários experientes9,há maiores possibilidades de melhorar a fábrica de voo para testar uma gama maior de insetos e transportar o dispositivo para o campo. Há também um alto potencial para os pesquisadores cruzarem limites disciplinares e acelerarem o aprendizado técnico através do trabalho baseado na produção9,10,11,12. A usina de voo apresentada aqui (adaptada a partir de Attisano e colegas13) aproveita tecnologias emergentes encontradas em espaços makers para não apenas 1) criar componentes de moinhos de voo cujas escalas e dimensões são afinadas para o projeto em mãos, mas também 2) oferecem aos pesquisadores um protocolo acessível em corte a laser e impressão 3D sem exigir um conhecimento de alto orçamento ou qualquer conhecimento especializado em design auxiliado por computador (CAD).
Os benefícios do acoplamento de novas tecnologias e métodos com a usina de voo são substanciais, mas as usinas de voo também são valiosas máquinas autônomas. As usinas de voo medem o desempenho do voo de insetos e são usadas para determinar como a velocidade de voo, a distância ou a periodicidade se relacionam com fatores ambientais ou ecológicos, como temperatura, umidade relativa, estação, planta hospedeira, massa corporal, traços morfológicos, idade e atividade reprodutiva. Diferente de métodos alternativos como actógrafos, esteiras e gravação de vídeo do movimento de voo em túneis de vento e arenas internas14,a usina de voo é notável por sua capacidade de coletar várias estatísticas de desempenho de voo em condições laboratoriais. Isso ajuda os ecologistas a abordar questões importantes sobre a dispersão de voo, e ajuda-os a progredir em sua disciplina – seja o manejo integrado de pragas15,16,17, dinâmica populacional, genética, biogeografia, estratégias de história de vida18, ou plasticidade fenotípica19,20,21,22 . Por outro lado, dispositivos como câmeras de alta velocidade e actógrafos podem exigir uma configuração rigorosa, complicada e cara, mas também podem levar a parâmetros de movimento mais afinados, como frequências de batida de asa e atividade fotográfica de insetos23,24. Assim, a fábrica de voo aqui apresentada serve como uma opção flexível, acessível e personalizável para os pesquisadores investigarem o comportamento de voo.
Da mesma forma, o incentivo à integração de tecnologias emergentes no fluxo de trabalho dos ecologistas continua a aumentar à medida que as questões e abordagens para estudar a dispersão se tornam mais criativas e complexas. Como locais que promovem a inovação, os makerspaces se baseiam em múltiplos níveis de experiência e oferecem uma curva de aprendizado baixa para usuários de qualquer idade adquirirem novas habilidades técnicas10,12. A natureza iterativa e colaborativa de prototipar dispositivos científicos no espaço maker e através de fontes abertas on-line pode acelerar a aplicação da teoria11 e facilitar o desenvolvimento de produtos nas ciências ecológicas. Além disso, o aumento da reprodutibilidade das ferramentas científicas incentivará a coleta mais ampla de dados e a ciência aberta. Isso pode ajudar os pesquisadores a padronizar equipamentos ou métodos para medir a dispersão. A padronização das ferramentas poderia permitir ainda que os ecologistas unificassem dados de dispersão entre populações, a fim de testar modelos de metapopulação que se desenvolvem a partir de núcleos de dispersão25 ou dinâmica de colonização de pia-fonte26. Assim como a comunidade médica está adotando a impressão 3D para o cuidado do paciente e educação de anatomia27,os ecologistas podem usar cortadores a laser e impressoras 3D para redesenhar ferramentas ecológicas e educação e, no âmbito deste estudo, podem projetar componentes adicionais da fábrica de voo, como plataformas de pouso ou um braço de moinho de voo que pode se mover verticalmente. Por sua vez, a personalização, o custo-efetividade e o aumento da produtividade oferecido pela tecnologia makerspace podem ajudar a iniciar projetos de dispersão com uma barreira relativamente baixa para pesquisadores que pretendem desenvolver suas próprias ferramentas e dispositivos.
Para construir esta usina de voo, há também limitações mecânicas e instrumentais que podem ser consideradas pelo fabricante. Ímãs e melhorias impressas em 3D permitem que a usina de voo seja essencialmente sem cola, exceto para a construção dos suportes cruzados, e seja acomodada a insetos de diferentes tamanhos. No entanto, à medida que a massa e a força dos insetos aumentam, os insetos podem ser mais propensos a desmontar-se enquanto amarrados. Ímãs fortes podem ser usados ao custo de arrasto torcional aumentado, ou rolamentos de esferas podem substituir rolamentos magnéticos como uma solução robusta para insetos de teste de voo que pesam vários gramas28,29. No entanto, os rolamentos de esferas também podem apresentar alguns problemas, principalmente que a execução de experimentos prolongados com altas velocidades e altas temperaturas pode degradar a lubrificação dos rolamentos de esferas, o que aumenta o atrito30. Assim, os usuários terão que discernir qual mecânica de moinho de voo se adequaria melhor ao seu (s) insetos de estudo e design experimental.
Da mesma forma, existem várias maneiras de instrumentar uma usina de voo que está além das considerações deste artigo. A usina de voo apresentada aqui usa sensores de IR para detectar revoluções, software WinDAQ para registrar revoluções e scripts de programação para processar os dados brutos. Embora seja fácil de usar, o software WinDAQ tem uma matriz limitada de ferramentas disponíveis. Os usuários não podem anexar comentários ao canal correspondente e não podem ser alertados se algum componente do circuito falhar. Esses casos são resolvidos detectando-os e corrigindo-os através do código, mas somente após a coleta de dados. Alternativamente, os usuários podem adotar mais de um software que ofereça recursos de coleta de dados personalizáveis28 ou sensores que levam estatísticas diretas de velocidade e distância, como os milômetros de bicicleta29. No entanto, essas alternativas podem contornar dados brutos valiosos ou funcionalidades difusas em muitos aplicativos de software, o que pode tornar o processamento de dados ineficiente. Em última análise, em vez de remodelar a instrumentação da usina de voo, este protocolo oferece soluções robustas de programação para as limitações atuais do software.
Neste artigo, um projeto para uma usina de voo simples aprimorada é descrito para auxiliar os pesquisadores em seus estudos de dispersão e incentivar a incorporação de tecnologias emergentes no campo da ecologia comportamental. Esta usina de voo se encaixa dentro das restrições de uma incubadora, sustenta até oito insetos simultaneamente e automatiza a coleta e o processamento de dados. Notavelmente, seus aprimoramentos impressos em 3D permitem ao usuário ajustar as alturas do braço do moinho e do sensor IR para testar insetos de vários tamanhos e desmontar o dispositivo para armazenamento ou transporte rápido. Graças ao acesso institucional a um espaço de maker comum, todos os aprimoramentos foram gratuitos, e nenhum custo adicional foi acumulado em comparação com a simples e moderna fábrica de voo. Todos os softwares necessários são gratuitos, os circuitos eletrônicos são simples, e todos os scripts podem ser modificados para seguir as necessidades específicas do design experimental. Além disso, os diagnósticos codificados permitem que o usuário verifique a integridade e precisão de suas gravações. Por fim, este protocolo minimiza o estresse sustentado por um inseto pintando magneticamente e amarrando insetos ao braço do moinho. Com a montagem da usina de voo simples já acessível, acessível e flexível, o uso de tecnologias makerspace para melhorar a simples fábrica de voo pode dar aos pesquisadores o espaço para superar suas próprias necessidades específicas de estudo de voo e pode inspirar projetos criativos de moinhos de voo além das considerações deste artigo.
Protocol
Representative Results
Discussion
A fábrica de voo simples e moderna oferece uma gama de vantagens para pesquisadores interessados em estudar o voo de insetos amarrados, fornecendo um design confiável e automatizado que testa vários insetos de forma eficiente e econômica13,31,35. Da mesma forma, há um forte incentivo para que os pesquisadores adotem tecnologias e técnicas emergentes rápidas da indústria e de outros campos científicos como forma de const…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaria de agradecer a Meredith Cenzer por comprar todos os materiais da fábrica de voo e fornecer feedback contínuo da construção para a gravação do projeto. Agradeço também a Ana Silberg por suas contribuições para standardize_troughs.py. Finalmente, agradeço ao Media Arts, Data e Design Center (MADD) da Universidade de Chicago pela permissão para usar seus equipamentos, tecnologia e suprimentos comunitários.
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).
