Costruire un mulino di volo potenziato per lo studio del volo degli insetti legati
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
Representative Results
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…
Disclosures
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 |
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).
