Construyendo un molino de vuelo mejorado para el estudio del vuelo de insectos atados
Summary
Este protocolo utiliza impresoras tridimensionales (3D) y cortadoras láser que se encuentran en los espacios de fabricación para crear un diseño de molino de vuelo más flexible. Mediante el uso de esta tecnología, los investigadores pueden reducir costos, mejorar la flexibilidad del diseño y generar trabajo reproducible al construir sus molinos de vuelo para estudios de vuelo de insectos atados.
Abstract
Los makerspaces tienen un alto potencial para permitir a los investigadores desarrollar nuevas técnicas y trabajar con nuevas especies en la investigación ecológica. Este protocolo demuestra cómo aprovechar la tecnología que se encuentra en los makerspaces para construir un molino de vuelo más versátil a un costo relativamente bajo. Dado que este estudio extrajo su prototipo de molinos de vuelo construidos en la última década, este protocolo se centra más en delinear las divergencias hechas del molino de vuelo simple y moderno. Estudios anteriores ya han demostrado cuán ventajosos son los molinos de vuelo para medir parámetros de vuelo como la velocidad, la distancia o la periodicidad. Tales molinos han permitido a los investigadores asociar estos parámetros con factores morfológicos, fisiológicos o genéticos. Además de estas ventajas, este estudio analiza los beneficios de usar la tecnología en makerspaces, como impresoras 3D y cortadoras láser, para construir un diseño de molino de vuelo más flexible, robusto y plegable. En particular, los componentes impresos en 3D de este diseño permiten al usuario probar insectos de varios tamaños al hacer que las alturas del brazo del molino y los sensores infrarrojos (IR) sean ajustables. Las impresiones 3D también permiten al usuario desmontar fácilmente la máquina para un rápido almacenamiento o transporte al campo. Además, este estudio hace un mayor uso de imanes y pintura magnética para atar insectos con un estrés mínimo. Por último, este protocolo detalla un análisis versátil de los datos de vuelo a través de scripts informáticos que separan y analizan de manera eficiente las pruebas de vuelo diferenciables dentro de una sola grabación. Aunque requiere más mano de obra, la aplicación de las herramientas disponibles en los espacios de creación y en los programas de modelado 3D en línea facilita las prácticas multidisciplinarias y orientadas a los procesos y ayuda a los investigadores a evitar productos costosos y prefabricados con dimensiones estrechamente ajustables. Al aprovechar la flexibilidad y la reproducibilidad de la tecnología en los espacios de creación, este protocolo promueve el diseño creativo de molinos de vuelo e inspira la ciencia abierta.
Introduction
Dado lo intratable que es la dispersión de insectos en el campo, el molino de vuelo se ha convertido en una herramienta de laboratorio común para abordar un fenómeno ecológico importante: cómo se mueven los insectos. Como consecuencia, desde que los pioneros del molino devuelo1,2,3, 4marcaron el comienzo de seis décadas de diseño y construcción de molinos de vuelo, ha habido cambios notables en el diseño a medida que las tecnologías mejoraron y se integraron más en las comunidades científicas. Con el tiempo, el software automatizado de recopilación de datos reemplazó a los registradores de gráficos, y los brazos del molino de vuelo pasaron de varillas de vidrio a varillas de carbono y tubos de acero5. Solo en la última década, los rodamientos magnéticos reemplazaron a los rodamientos de teflón o vidrio como óptimamente sin fricción, y los pares entre la maquinaria del molino de vuelo y la tecnología versátil han proliferado a medida que la tecnología de fabricación de audio, visual y de capas se integra cada vez más en los flujos de trabajo de los investigadores. Estos emparejamientos han incluido cámaras de video de alta velocidad para medir la aerodinámica del ala6,placas digitales a analógicas para imitar señales sensoriales para estudiar las respuestas auditivas de vuelo7e impresión 3D para hacer una plataforma de calibración para rastrear la deformación del ala durante el vuelo8. Con el reciente aumento de las tecnologías emergentes en los makerspaces, particularmente en instituciones con centros de medios digitales dirigidos por personal experto9,hay mayores posibilidades de mejorar el molino de vuelo para probar una gama más amplia de insectos y transportar el dispositivo al campo. También existe un alto potencial para que los investigadores crucen las fronteras disciplinarias y aceleren el aprendizaje técnico a través del trabajo basado en la producción9,10,11,12. El molino de vuelo presentado aquí (adaptado de Attisano y colegas13)aprovecha las tecnologías emergentes que se encuentran en los espacios de fabricación no solo para 1) crear componentes de molino de vuelo cuyas escalas y dimensiones se ajustan al proyecto en cuestión, sino también 2) ofrecer a los investigadores un protocolo accesible en corte por láser e impresión 3D sin exigir un alto presupuesto o ningún conocimiento especializado en diseño asistido por computadora (CAD).
Los beneficios de acoplar nuevas tecnologías y métodos con el molino de vuelo son sustanciales, pero los molinos de vuelo también son valiosas máquinas independientes. Los molinos de vuelo miden el rendimiento del vuelo de los insectos y se utilizan para determinar cómo la velocidad, la distancia o la periodicidad del vuelo se relacionan con factores ambientales o ecológicos, como la temperatura, la humedad relativa, la estación, la planta huésped, la masa corporal, los rasgos morfológicos, la edad y la actividad reproductiva. A diferencia de métodos alternativos como actógrafos, cintas de correr y la grabación de video del movimiento de vuelo en túneles de viento y arenas interiores14,el molino de vuelo es notable por su capacidad para recopilar varias estadísticas de rendimiento de vuelo en condiciones de laboratorio. Esto ayuda a los ecologistas a abordar preguntas importantes sobre la dispersión de vuelos, y les ayuda a progresar en su disciplina, ya sea el manejo integrado de plagas15,16,17,la dinámica de poblaciones, la genética, la biogeografía, las estrategias de historia de vida18o la plasticidad fenotípica19,20,21,22 . Por otro lado, dispositivos como cámaras de alta velocidad y actógrafos pueden requerir una configuración estricta, complicada y costosa, pero también pueden conducir a parámetros de movimiento más ajustados, como frecuencias de latido de alas y actividad de fotofase de insectos23,24. Por lo tanto, el molino de vuelo presentado aquí sirve como una opción flexible, asequible y personalizable para que los investigadores investiguen el comportamiento del vuelo.
Del mismo modo, el incentivo para integrar las tecnologías emergentes en el flujo de trabajo de los ecologistas continúa aumentando a medida que las preguntas y los enfoques para estudiar la dispersión se vuelven más creativos y complejos. Como ubicaciones que promueven la innovación, los makerspaces atraen múltiples niveles de experiencia y ofrecen una curva de aprendizaje baja para que los usuarios de cualquier edad adquieran nuevas habilidades técnicas10,12. La naturaleza iterativa y colaborativa de la creación de prototipos de dispositivos científicos en el makerspace y a través de fuentes abiertas en línea puede acelerar la aplicación de la teoría11 y facilitar el desarrollo de productos en las ciencias ecológicas. Además, el aumento de la reproducibilidad de las herramientas científicas fomentará una recopilación de datos más amplia y una ciencia abierta. Esto puede ayudar a los investigadores a estandarizar equipos o métodos para medir la dispersión. Las herramientas de estandarización podrían permitir a los ecologistas unificar los datos de dispersión entre poblaciones para probar modelos de metapoblación que se desarrollan a partir de núcleos de dispersión25 o dinámicas de colonización fuente-sumidero26. Al igual que la comunidad médica está adoptando la impresión 3D para la atención al paciente y la educación en anatomía27,los ecologistas pueden usar cortadores láser e impresoras 3D para rediseñar las herramientas ecológicas y la educación y, dentro del alcance de este estudio, pueden diseñar componentes adicionales del molino de vuelo, como plataformas de aterrizaje o un brazo de molino de vuelo que pueda moverse verticalmente. A su vez, la personalización, la rentabilidad y el aumento de la productividad que ofrece la tecnología makerspace pueden ayudar a iniciar proyectos de dispersión con una barrera relativamente baja para los investigadores que tienen la intención de desarrollar sus propias herramientas y dispositivos.
Para construir este molino de vuelo, también hay limitaciones mecánicas e instrumentales que pueden ser consideradas por el fabricante. Los imanes y las mejoras impresas en 3D permiten que el molino de vuelo sea esencialmente sin pegamento, excepto por la construcción de los soportes transversales, y que sea acomodable a insectos de diferentes tamaños. Sin embargo, a medida que aumenta la masa y la fuerza de los insectos, es más probable que los insectos se desmonten mientras están atados. Los imanes fuertes se pueden usar a costa de una mayor resistencia a la torsión, o los rodamientos de bolas pueden reemplazar a los rodamientos magnéticos como una solución robusta para los insectos de prueba de vuelo que pesan varios gramos28,29. Sin embargo, los rodamientos de bolas también pueden presentar algunos problemas, principalmente porque la ejecución de experimentos prolongados con altas velocidades y altas temperaturas puede degradar la lubricación de los rodamientos de bolas, lo que aumenta la fricción30. Por lo tanto, los usuarios tendrán que discernir qué mecánica de molino de vuelo se adaptaría mejor a su(s) insecto(s) de estudio y diseño experimental.
Del mismo modo, hay varias formas de instrumentar un molino de vuelo que está más allá de las consideraciones de este documento. El molino de vuelo que se presenta aquí utiliza sensores IR para detectar revoluciones, software WinDAQ para registrar revoluciones y scripts de programación para procesar los datos sin procesar. Aunque es fácil de usar, el software WinDAQ tiene una gama limitada de herramientas disponibles. Los usuarios no pueden adjuntar comentarios a su canal correspondiente, y no se les puede alertar si algún componente de los circuitos falla. Estos casos se resuelven detectándolos y corrigiéndolos a través del código, pero solo después de la recopilación de datos. Alternativamente, los usuarios pueden adoptar más de un software que ofrece funciones de recopilación de datos personalizables28 o sensores que toman estadísticas directas de velocidad y distancia, como milómetros de bicicleta29. Sin embargo, estas alternativas pueden eludir valiosos datos sin procesar o difundir la funcionalidad en demasiadas aplicaciones de software, lo que puede hacer que el procesamiento de datos sea ineficiente. En última instancia, en lugar de remodelar la instrumentación del molino de vuelo, este protocolo ofrece soluciones de programación robustas para las limitaciones de software actuales.
En este artículo, se describe un diseño para un molino de vuelo simple mejorado para ayudar a los investigadores en sus estudios de dispersión y para alentar la incorporación de tecnologías emergentes en el campo de la ecología del comportamiento. Este molino de vuelo se ajusta a las limitaciones de una incubadora, contiene hasta ocho insectos simultáneamente y automatiza la recopilación y el procesamiento de datos. En particular, sus mejoras impresas en 3D permiten al usuario ajustar el brazo del molino y las alturas del sensor IR para probar insectos de varios tamaños y desmontar el dispositivo para un almacenamiento o transporte rápidos. Gracias al acceso institucional a un espacio de creación comunal, todas las mejoras fueron gratuitas y no se acumularon costos adicionales en comparación con el molino de vuelo simple y moderno. Todo el software necesario es gratuito, los circuitos electrónicos son simples y todos los scripts se pueden modificar para seguir las necesidades específicas del diseño experimental. Además, los diagnósticos codificados permiten al usuario comprobar la integridad y precisión de sus grabaciones. Por último, este protocolo minimiza el estrés sufrido por un insecto al pintar magnéticamente y atar insectos al brazo del molino. Dado que el ensamblaje del molino de vuelo simple ya es accesible, asequible y flexible, el uso de tecnologías makerspace para mejorar el molino de vuelo simple puede otorgar a los investigadores el espacio para superar sus propias necesidades específicas de estudio de vuelo y puede inspirar diseños creativos de molinos de vuelo más allá de las consideraciones de este documento.
Protocol
Representative Results
Discussion
El molino de vuelo simple y moderno proporciona una gama de ventajas para los investigadores interesados en estudiar el vuelo de insectos atados al ofrecer un diseño confiable y automatizado que prueba múltiples insectos de manera eficiente y rentable13,31,35. Del mismo modo, existe un fuerte incentivo para que los investigadores adopten tecnologías y técnicas de rápida aparición de la industria y otros campos científicos…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Me gustaría agradecer a Meredith Cenzer por comprar todos los materiales del molino de vuelo y proporcionar comentarios continuos desde la construcción hasta la redacción del proyecto. También agradezco a Ana Silberg sus contribuciones a standardize_troughs.py. Finalmente, agradezco al Media Arts, Data, and Design Center (MADD) de la Universidad de Chicago por el permiso para usar su equipo, tecnología y suministros de espacio de creación comunal de forma gratuita.
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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