Summary

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

Published: March 10, 2021
doi:

Summary

Questo protocollo utilizza stampanti tridimensionali (3D) e taglierine laser presenti nei makerspace al fine di creare un design più flessibile del mulino di volo. Utilizzando questa tecnologia, i ricercatori possono ridurre i costi, migliorare la flessibilità di progettazione e generare lavoro riproducibile durante la costruzione dei loro mulini di volo per studi di volo di insetti legati.

Abstract

I makerspace hanno un alto potenziale di consentire ai ricercatori di sviluppare nuove tecniche e di lavorare con nuove specie nella ricerca ecologica. Questo protocollo dimostra come sfruttare la tecnologia presente nei makerspace per costruire un mulino di volo più versatile a un costo relativamente basso. Dato che questo studio ha estratto il suo prototipo da mulini di volo costruiti nell’ultimo decennio, questo protocollo si concentra maggiormente sulla delineazione delle divergenze fatte dal semplice e moderno mulino di volo. Studi precedenti hanno già dimostrato quanto siano vantaggiosi i mulini di volo per misurare parametri di volo come velocità, distanza o periodicità. Tali mulini hanno permesso ai ricercatori di associare questi parametri a fattori morfologici, fisiologici o genetici. Oltre a questi vantaggi, questo studio discute i vantaggi dell’utilizzo della tecnologia nei makerspace, come stampanti 3D e taglierine laser, al fine di costruire un design del mulino di volo più flessibile, robusto e pieghevole. In particolare, i componenti stampati in 3D di questo design consentono all’utente di testare insetti di varie dimensioni rendendo regolabili le altezze del braccio del mulino e dei sensori a infrarossi (IR). Le stampe 3D consentono inoltre all’utente di smontare facilmente la macchina per una rapida conservazione o trasporto sul campo. Inoltre, questo studio fa un maggiore uso di magneti e vernice magnetica per legare gli insetti con il minimo stress. Infine, questo protocollo descrive in dettaglio un’analisi versatile dei dati di volo attraverso script informatici che separano e analizzano in modo efficiente le prove di volo differenziabili all’interno di una singola registrazione. Sebbene sia più laborioso, l’applicazione degli strumenti disponibili nei makerspace e nei programmi di modellazione 3D online facilita pratiche multidisciplinari e orientate ai processi e aiuta i ricercatori a evitare costosi prodotti predefiniti con dimensioni strettamente regolabili. Sfruttando la flessibilità e la riproducibilità della tecnologia nei makerspace, questo protocollo promuove la progettazione creativa del mulino di volo e ispira la scienza aperta.

Introduction

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 volo1,2,3,4 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 ali6,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 volo8. Con il recente aumento delle tecnologie emergenti nei makerspace, in particolare nelle istituzioni con centri multimediali digitali gestiti da personaleesperto 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 produzione9,10,11,12. 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 parassiti15,16,17, dinamicadella popolazione, genetica, biogeografia, strategie di storia della vita18o plasticità fenotipica19,20,21,22 . 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 insetti23,24. 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 tecniche10,12. 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 grammi28,29. 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.

Protocol

1. Costruisci il Flight Mill in un Makerspace Tagliare e assemblare al laser la struttura di supporto in plastica acrilica. Utilizzare 8 fogli acrilici trasparenti spessi (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) per costruire la struttura di supporto in plastica acrilica. Assicurarsi che il materiale non sia in policarbonato, che sembra simile all’acrilico ma si scioglierà invece di essere tagliato sotto il laser. Individuare la fresa laser nel makerspace. Questo protocollo presuppone che il makersp…

Representative Results

I dati di volo sono stati ottenuti sperimentalmente durante l’inverno 2020 utilizzando J. haematoloma raccolto dal campo dalla Florida come insetti modello (Bernat, A. V. e Cenzer, M. L. , 2020, dati non pubblicati). Prove di volo rappresentative sono state condotte presso il Dipartimento di Ecologia ed Evoluzione dell’Università di Chicago, come mostrato di seguito in Figura 6, Figura 7, Figura 8e Fig…

Discussion

Il semplice e moderno mulino di volo offre una serie di vantaggi per i ricercatori interessati a studiare il volo degli insetti legati fornendo un design affidabile e automatizzato che testa più insetti in modo efficiente ed economico13,31,35. Allo stesso modo, vi è un forte incentivo per i ricercatori ad adottare tecnologie e tecniche in rapida crescita dall’industria e da altri campi scientifici come mezzo per costruire stru…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vorrei ringraziare Meredith Cenzer per aver acquistato tutti i materiali del mulino di volo e aver fornito un feedback continuo dalla costruzione alla stesura del progetto. Ringrazio anche Ana Silberg per il suo contributo a standardize_troughs.py. Infine, ringrazio il Media Arts, Data and Design Center (MADD) dell’Università di Chicago per il permesso di utilizzare gratuitamente le attrezzature, la tecnologia e le forniture del suo makerspace comune.

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

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Citazione di questo articolo
Bernat, A. Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight. J. Vis. Exp. (169), e62171, doi:10.3791/62171 (2021).

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