テザード昆虫飛行研究のための強化飛行ミルの建設
Summary
このプロトコルは、より柔軟なフライトミル設計を作成するために、メーカースペースに見られる3次元(3D)プリンタとレーザーカッターを使用しています。この技術を使用することで、研究者は、つながれた昆虫飛行研究のために飛行工場を建設する際に、コストを削減し、設計の柔軟性を高め、再現可能な作業を生成することができます。
Abstract
メーカースペースは、研究者が新しい技術を開発し、生態学的研究で新しい種と協力することを可能にする高い可能性を秘めています。このプロトコルは、比較的低コストでより汎用性の高いフライトミルを構築するために、メーカースペースに見られる技術を活用する方法を示しています。この研究は、過去10年間に構築されたフライトミルからプロトタイプを抽出したことを考えると、このプロトコルは、シンプルで近代的な飛行工場から作られた発散を概説することに焦点を当てています。これまでの研究では、飛行ミルが速度、距離、周期などの飛行パラメータを測定するのにどれほど有利であるかがすでに示されています。このような工場は、研究者が形態学的、生理学的、または遺伝的要因とこれらのパラメータを関連付けることを可能にしました。これらの利点に加えて、この研究は、より柔軟で頑丈で折りたたみ可能なフライトミル設計を構築するために、3Dプリンタやレーザーカッターなどのメーカースペースでこの技術を使用することの利点について議論します。最も顕著なのは、この設計の3Dプリントされた部品はユーザーが調節可能なミル腕および赤外線(IR)センサーの高さを作ることによってさまざまなサイズの昆虫をテストすることを可能にする。3Dプリントはまたユーザーが容易に現場への迅速な貯蔵または輸送のための機械を分解することを可能にする。さらに、この研究は、最小限のストレスで昆虫をテザーするために磁石と磁気塗料をより活用しています。最後に、このプロトコルは、単一の記録内で区別可能な飛行試験を効率的に分離し、分析するコンピュータスクリプトを通じて飛行データの多目的な分析を詳述します。より多くの労力を要するが、メーカースペースやオンライン3Dモデリングプログラムで利用可能なツールを適用することは、学際的かつプロセス指向の実践を促進し、研究者が狭く調整可能な寸法で高価な、前作りの製品を避けるのに役立ちます。このプロトコルは、メーカー空間における技術の柔軟性と再現性を活用することで、創造的なフライトミル設計を促進し、オープンサイエンスを刺激します。
Introduction
昆虫の分散がいかに難しいかを考えると、飛行工場は昆虫の動き方という重要な生態学的現象に対処するための一般的な実験室ツールとなっています。その結果、フライトミル1、2、3、4のパイオニアが60年にわたるフライトミルの設計と建設を導いて以来、技術が改善され、科学コミュニティに統合されるにつれて、顕著な設計シフトがありました。時間が経つにつれて、自動データ収集ソフトウェアは、チャートレコーダーを置き換え、フライトミルアームはガラス棒からカーボンロッドとスチールチューブ5に移行しました。過去10年間だけでも、磁気ベアリングはテフロンまたはガラスベアリングを最適な摩擦のないものに置き換え、飛行ミル機械と汎用性の高い技術のペアは、オーディオ、ビジュアル、レイヤーファブリケーション技術が研究者のワークフローにますます統合されるにつれて増殖しています。これらの組み合わせには、翼空気力学6を測定する高速ビデオカメラ、聴覚飛行応答7を研究するための感覚的手がかりを模倣するデジタルアナログボード、および飛行中の翼の変形を追跡するためのキャリブレーションリグを作るための3Dプリンティングが含まれています。近年、メーカースペース、特に知識豊富なスタッフ9が運営するデジタルメディアセンターを持つ機関での新たな技術の台頭に伴い、より広い範囲の昆虫をテストし、デバイスを現場に輸送するために飛行工場を強化する可能性が高まっています。研究者が学問的な境界を越え、生産ベースの作業9、10、11、12を通じて技術的な学習を加速する可能性も高い。ここで発表されたフライトミル(Attisanoと同僚13から適応)は、メーカースペースに見られる新しい技術を利用して1だけでなく、スケールと寸法が目の前のプロジェクトに微調整されているフライトミルコンポーネントを作成しますが、2) 高予算やコンピュータ支援設計(CAD)に専門的な知識を要求することなく、レーザー切断と3D印刷のアクセス可能なプロトコルを研究者に提供します。
新しい技術と方法をフライトミルと組み合じる利点は大きいですが、フライトミルも貴重なスタンドアロンマシンです。フライトミルは昆虫の飛行性能を測定し、飛行速度、距離、または周期性が温度、相対湿度、季節、宿主植物、体重、形態形質、年齢、生殖活動などの環境または生態学的要因にどのように関連しているかを判断するために使用されます。アクログラフ、トレッドミル、風洞や屋内アリーナ14での飛行運動のビデオ記録のような代替方法とは異なり、飛行ミルは、実験室の条件下で様々な飛行性能統計を収集する能力のために注目される。これは、生態学者が飛行分散に関する重要な質問に対処するのに役立ち、それは彼らの規律の進歩を助ける – それは統合された害虫管理15、16、17、人口動態、遺伝学、生物地理学、生命史戦略18、またはフェロツの可塑性19、20、21、22.一方、高速カメラやアクトグラフのようなデバイスは、厳密で複雑で高価なセットアップを必要としますが、ウィングビート周波数や昆虫光相活動23、24などのより微調整された動きパラメータを導くことができます。したがって、ここで提示されるフライトミルは、研究者が飛行行動を調査するための柔軟で手頃な価格でカスタマイズ可能なオプションとして機能します。
同様に、新しい技術を生態学者のワークフローに統合するインセンティブは、分散研究に関する疑問やアプローチがより創造的で複雑になるにつれて上昇し続けています。技術革新を促進する場所として、メーカースペースは、専門知識の複数のレベルを引き出し、新しい技術的なスキルを習得するために、任意の年齢のユーザーのための低学習曲線を提供します10,12.メーカー空間とオンラインオープンソースを通じて、プロトタイピング科学デバイスの反復的かつ協調的な性質は、理論11の適用を加速し、生態学的科学における製品開発を促進することができます。さらに、科学ツールの再現性を高めることは、より広範なデータ収集とオープンサイエンスを促進します。これは、研究者が分散を測定するための機器や方法を標準化するのに役立ちます。ツールを標準化することで、生態学者は、分散カーネル25またはソースシンクコロニー形成ダイナミクス26から発達するメタ母集団モデルをテストするために、集団全体の分散データを統一することがさらに可能になる。医学界が患者ケアと解剖学教育27に3Dプリンティングを採用しているのと同様に、生態学者はレーザーカッターと3Dプリンタを使用して生態学的ツールと教育を再設計することができ、この研究の範囲内で、着陸プラットフォームや垂直に移動できるフライトミルアームなどの追加のフライトミルコンポーネントを設計することができます。さらに、Makerspace技術が提供するカスタマイズ、費用対効果、生産性の向上は、独自のツールやデバイスを開発しようとする研究者にとって比較的低い障壁を持つ分散プロジェクトを立ち上げる手助けとなります。
この飛行ミルを構成するために、メーカーが考慮できる機械的および器械的な制限もあります。磁石と3Dプリントされた機能強化により、クロスブラケットの構築を除いて、フライトミルは本質的に接着剤がなく、異なるサイズの昆虫に対応できます。しかし、昆虫の質量と強度が増加するにつれて、昆虫はつながれながら自分自身を取り外す可能性が高くなる可能性があります。強い磁石は増加したトーショナルドラッグを犠牲にして使用することができ、またはボールベアリングは、数グラム28、29の重量を量る昆虫を飛行試験するための堅牢なソリューションとして磁気ベアリングを置き換えることができます。それにもかかわらず、ボールベアリングは、主に高速および高温で長時間実験を行うとボールベアリングの潤滑を劣化させ、摩擦30を増加させるといういくつかの問題を提示することができる。したがって、ユーザーは、どのフライトミルのメカニックが研究と実験設計の昆虫に最も適するかを識別する必要があります。
同様に、このペーパーの考慮事項を超えたフライトミルを計測する方法はいくつかあります。ここで紹介するフライトミルでは、IRセンサーを使用して回転を検出し、WinDAQソフトウェアで回転を記録し、生データを処理するプログラミングスクリプトを使用しています。使い方は簡単ですが、WinDAQソフトウェアには限られたツールがあります。ユーザは対応するチャネルにコメントを付けることができず、回線のコンポーネントに障害が発生した場合は警告を受けられません。これらのケースは、コードを通じて検出して修正することによって、データ収集後にのみ解決されます。あるいは、ユーザーはカスタマイズ可能なデータ収集機能28 を提供する複数のソフトウェアを採用するか、またはバイクのmilometers29のような直接の速度と距離の統計を取るセンサーを採用することができます。ただし、これらの代替手段は、貴重な生データをバイパスしたり、あまりにも多くのソフトウェアアプリケーションで機能を拡散したりして、データ処理を非効率的にする可能性があります。最終的には、このプロトコルは、フライトミル計測器を改造するのではなく、現在のソフトウェアの制限に対する堅牢なプログラミングソリューションを提供します。
本論文では、研究者の分散研究を支援し、行動生態学の分野における新たな技術の組み込みを促進するために、強化された簡単な飛行ミルの設計を説明する。この飛行ミルはインキュベーターの制約の範囲内に収まり、最大8つの昆虫を同時に収容し、データ収集と処理を自動化します。特に、その3Dプリントされた機能強化により、ユーザーはミルアームとIRセンサーの高さを調整して、さまざまなサイズの昆虫をテストし、迅速な保管や輸送のためにデバイスを分解することができます。共同メーカースペースへの制度的なアクセスのおかげで、すべての機能強化は無料で、シンプルで近代的なフライトミルと比較して追加コストは発生しません。必要なソフトウェアはすべて無料で、電子回路はシンプルで、実験計画の特定のニーズに合わせてすべてのスクリプトを変更できます。さらに、コード化された診断により、ユーザーは録音の完全性と精度を確認できます。最後に、このプロトコルは、昆虫をミルアームに磁気的に塗装し、テザリングすることによって、昆虫が持続するストレスを最小限に抑えます。シンプルなフライトミルの組み立てはすでにアクセス可能で、手頃な価格で柔軟であり、Makerspace技術を使用してシンプルなフライトミルを強化することで、研究者に独自の飛行研究ニーズを克服するスペースを与えることができ、この論文の考慮事項を超えた創造的なフライトミル設計を刺激することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
シンプルで近代的なフライトミルは、複数の昆虫を効率的かつ費用対効果の高い13、31、35でテストする信頼性の高い自動設計を提供することで、テザード昆虫飛行の研究に関心のある研究者にさまざまな利点をもたらします。同様に、研究者は、生態学的システム9、32、33を研究するための実験?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
メレディス・チェンツァーがすべてのフライトミル材料を購入し、建設からプロジェクトの書き上げまで継続的なフィードバックを提供してくれたことに感謝します。アナ・シルバーグのstandardize_troughs.pyへの貢献にも感謝します。最後に、シカゴ大学のメディアアート、データ、デザインセンター(MADD)に対し、共同メーカースペース機器、技術、および物資を無料で使用する許可を得ていただきありがとうございます。
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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