Construction d’un moulin de vol amélioré pour l’étude du vol d’insectes attachés
Summary
Ce protocole utilise des imprimantes tridimensionnelles (3D) et des découpeuses laser trouvées dans les makerspaces afin de créer une conception de fraise de vol plus flexible. En utilisant cette technologie, les chercheurs peuvent réduire les coûts, améliorer la flexibilité de la conception et générer des travaux reproductibles lors de la construction de leurs usines de vol pour les études de vol d’insectes attachés.
Abstract
Les makerspaces ont un fort potentiel pour permettre aux chercheurs de développer de nouvelles techniques et de travailler avec de nouvelles espèces dans la recherche écologique. Ce protocole montre comment tirer parti de la technologie trouvée dans les makerspaces afin de construire un moulin de vol plus polyvalent pour un coût relativement faible. Étant donné que cette étude a extrait son prototype des usines de vol construites au cours de la dernière décennie, ce protocole se concentre davantage sur la description des divergences faites à partir de l’usine de vol simple et moderne. Des études antérieures ont déjà montré à quel point les fraises de vol sont avantageuses pour mesurer des paramètres de vol tels que la vitesse, la distance ou la périodicité. De tels moulins ont permis aux chercheurs d’associer ces paramètres à des facteurs morphologiques, physiologiques ou génétiques. En plus de ces avantages, cette étude discute des avantages de l’utilisation de la technologie dans les makerspaces, comme les imprimantes 3D et les découpeuses laser, afin de construire une conception de broyeur de vol plus flexible, robuste et pliable. Plus particulièrement, les composants imprimés en 3D de cette conception permettent à l’utilisateur de tester des insectes de différentes tailles en rendant réglables les hauteurs du bras du moulin et des capteurs infrarouges (IR). Les impressions 3D permettent également à l’utilisateur de démonter facilement la machine pour un stockage rapide ou un transport sur le terrain. De plus, cette étude utilise davantage les aimants et la peinture magnétique pour attacher les insectes avec un minimum de stress. Enfin, ce protocole détaille une analyse polyvalente des données de vol grâce à des scripts informatiques qui séparent et analysent efficacement les essais en vol différentiables en un seul enregistrement. Bien que plus exigeant en main-d’œuvre, l’application des outils disponibles dans les makerspaces et sur les programmes de modélisation 3D en ligne facilite les pratiques multidisciplinaires et axées sur les processus et aide les chercheurs à éviter les produits préfabriqués coûteux aux dimensions étroitement réglables. En tirant parti de la flexibilité et de la reproductibilité de la technologie dans les makerspaces, ce protocole favorise la conception créative de moulins de vol et inspire la science ouverte.
Introduction
Compte tenu de l’insoluble dispersion des insectes sur le terrain, le moulin à vol est devenu un outil de laboratoire commun pour traiter un phénomène écologique important – la façon dont les insectes se déplacent. En conséquence, depuis que les pionniers de l’usine de vol1, 2,3, 4ont inauguré six décennies de conception et de construction de laminoir de vol, il y a eu des changements de conception notables à mesure que les technologies s’amélioraient et s’intégraient davantage dans les communautés scientifiques. Au fil du temps, les logiciels automatisés de collecte de données ont remplacé les enregistreurs de cartes et les bras d’aérophilie sont passés des tiges de verre aux tiges de carbone et aux tubes en acier5. Au cours de la dernière décennie seulement, les roulements magnétiques ont remplacé les roulements en téflon ou en verre comme étant parfaitement sans friction, et les paires entre les machines de laminoir volante et la technologie polyvalente ont proliféré à mesure que la technologie de fabrication audio, visuelle et de couches s’intègre de plus en plus dans les flux de travail des chercheurs. Ces paires ont inclus des caméras vidéo à grande vitesse pour mesurer l’aérodynamique des ailes6,des cartes numériques à analogiques pour imiter les signaux sensoriels pour étudier les réponses de vol auditives7,et l’impression 3D pour fabriquer une plate-forme d’étalonnage pour suivre la déformation des ailes pendant le vol8. Avec l’essor récent des technologies émergentes dans les makerspaces, en particulier dans les institutions dotées de centres de médias numériques gérés par un personnel compétent9, il existe de plus grandes possibilités d’améliorer l’usine de vol pour tester une plus grande gamme d’insectes et transporter l’appareil sur le terrain. Il existe également un fort potentiel pour les chercheurs de franchir les frontières disciplinaires et d’accélérer l’apprentissage technique grâce à des travaux basés sur la production9,10,11,12. Le moulin de vol présenté ici (adapté d’Attisano et de ses collègues13)tire parti des technologies émergentes trouvées dans les makerspaces pour non seulement 1) créer des composants de fraises volantes dont les échelles et les dimensions sont adaptées au projet en cours, mais aussi 2) offrir aux chercheurs un protocole accessible en découpe laser et impression 3D sans exiger un budget élevé ou des connaissances spécialisées en conception assistée par ordinateur (CAO).
Les avantages de l’accouplement de nouvelles technologies et méthodes avec le broyeur volant sont considérables, mais les broyeurs volants sont également des machines autonomes précieuses. Les usines de vol mesurent les performances de vol des insectes et sont utilisées pour déterminer comment la vitesse, la distance ou la périodicité du vol sont liées à des facteurs environnementaux ou écologiques, tels que la température, l’humidité relative, la saison, la plante hôte, la masse corporelle, les traits morphologiques, l’âge et l’activité de reproduction. Distinct des méthodes alternatives telles que les actographes, les tapis roulants et l’enregistrement vidéo des mouvements de vol dans les souffleries et les arènes intérieures14,le moulin de vol se distingue par sa capacité à collecter diverses statistiques de performance de vol dans des conditions de laboratoire. Cela aide les écologistes à aborder des questions importantes sur la dispersion des vols, et cela les aide à progresser dans leur discipline – qu’il s’agisse de la lutte intégrée contre les ravageurs15,16,17, de la dynamique des populations, de la génétique, de la biogéographie, des stratégies de cycle biologique18, ou de la plasticité phénotypique19,20,21,22 . D’autre part, les appareils tels que les caméras à grande vitesse et les actographes peuvent nécessiter une configuration stricte, compliquée et coûteuse, mais ils peuvent également conduire à des paramètres de mouvement plus affinés, tels que les fréquences de battement d’ailes et l’activité de photophase des insectes23,24. Ainsi, le moulin de vol présenté ici sert d’option flexible, abordable et personnalisable pour les chercheurs afin d’étudier le comportement de vol.
De même, l’incitation à intégrer les technologies émergentes dans le flux de travail des écologistes continue de croître à mesure que les questions et les approches de l’étude de la dispersion deviennent plus créatives et complexes. En tant que lieux favorisant l’innovation, les makerspaces attirent de multiples niveaux d’expertise et offrent une courbe d’apprentissage faible aux utilisateurs de tout âge pour acquérir de nouvelles compétences techniques10,12. La nature itérative et collaborative du prototypage de dispositifs scientifiques dans le makerspace et par le biais de sources ouvertes en ligne peut accélérer l’application de la théorie11 et faciliter le développement de produits dans les sciences écologiques. En outre, l’augmentation de la reproductibilité des outils scientifiques encouragera une collecte de données plus large et une science ouverte. Cela peut aider les chercheurs à normaliser l’équipement ou les méthodes de mesure de la dispersion. La normalisation des outils pourrait en outre permettre aux écologistes d’unifier les données de dispersion entre les populations afin de tester des modèles de métapopulation qui se développent à partir de noyaux de dispersion25 ou de dynamique de colonisation source-puits26. Tout comme la communauté médicale adopte l’impression 3D pour les soins aux patients et l’éducation à l’anatomie27,les écologistes peuvent utiliser des découpeuses laser et des imprimantes 3D pour repenser les outils écologiques et l’éducation et, dans le cadre de cette étude, peuvent concevoir des composants de fraises de vol supplémentaires, tels que des plates-formes d’atterrissage ou un bras de broyeur de vol qui peut se déplacer verticalement. À leur tour, la personnalisation, la rentabilité et l’augmentation de la productivité offertes par la technologie makerspace peuvent aider à démarrer des projets de dispersion avec un obstacle relativement faible pour les chercheurs qui ont l’intention de développer leurs propres outils et appareils.
Pour construire ce moulin de vol, il existe également des limitations mécaniques et instrumentales qui peuvent être prises en compte par le fabricant. Les aimants et les améliorations imprimées en 3D permettent au moulin de vol d’être essentiellement sans colle, à l’exception de la construction des supports croisés, et d’être habitable aux insectes de différentes tailles. Cependant, à mesure que la masse et la force des insectes augmentent, les insectes peuvent être plus susceptibles de se démonter lorsqu’ils sont attachés. Des aimants puissants peuvent être utilisés au prix d’une traînée de torsion accrue, ou les roulements à billes peuvent remplacer les roulements magnétiques comme solution robuste pour les insectes d’essai en vol qui pèsent plusieurs grammes28,29. Néanmoins, les roulements à billes peuvent également présenter certains problèmes, principalement que la réalisation d’expériences prolongées avec des vitesses élevées et des températures élevées peut dégrader la lubrification des roulements à billes, ce qui augmente le frottement30. Ainsi, les utilisateurs devront discerner quelle mécanique de laminoir de vol conviendrait le mieux à leur(s) insecte(s) d’étude et de conception expérimentale.
De même, il existe plusieurs façons d’instrumenter une usine de vol qui vont au-delà des considérations du présent document. Le moulin de vol présenté ici utilise des capteurs IR pour détecter les révolutions, le logiciel WinDAQ pour enregistrer les révolutions et des scripts de programmation pour traiter les données brutes. Bien qu’il soit facile à utiliser, le logiciel WinDAQ dispose d’une gamme limitée d’outils disponibles. Les utilisateurs ne peuvent pas joindre de commentaires à leur canal correspondant et ne peuvent pas être alertés en cas de défaillance d’un composant du circuit. Ces cas sont résolus en les détectant et en les corrigeant via du code, mais uniquement après la collecte des données. Alternativement, les utilisateurs peuvent adopter plus d’un logiciel qui offre des fonctionnalités de collecte de données personnalisables28 ou des capteurs qui prennent des statistiques directes de vitesse et de distance, comme les milomètres de vélo29. Cependant, ces alternatives peuvent contourner des données brutes précieuses ou diffuser des fonctionnalités sur un trop grand nombre d’applications logicielles, ce qui peut rendre le traitement des données inefficace. En fin de compte, plutôt que de remodeler l’instrumentation du moulin de vol, ce protocole offre des solutions de programmation robustes aux limitations logicielles actuelles.
Dans cet article, une conception d’un moulin de vol simple amélioré est décrite pour aider les chercheurs dans leurs études de dispersion et pour encourager l’incorporation de technologies émergentes dans le domaine de l’écologie comportementale. Ce moulin volant s’adapte aux contraintes d’un incubateur, peut contenir jusqu’à huit insectes simultanément et automatise la collecte et le traitement des données. Notamment, ses améliorations imprimées en 3D permettent à l’utilisateur d’ajuster la hauteur du bras du broyeur et du capteur IR pour tester des insectes de différentes tailles et démonter l’appareil pour un stockage ou un transport rapide. Grâce à l’accès institutionnel à un makerspace communal, toutes les améliorations ont été gratuites et aucun coût supplémentaire n’a été accumulé par rapport au simple et moderne moulin à vol. Tous les logiciels nécessaires sont gratuits, les circuits électroniques sont simples et tous les scripts peuvent être modifiés pour répondre aux besoins spécifiques de la conception expérimentale. De plus, les diagnostics codés permettent à l’utilisateur de vérifier l’intégrité et la précision de ses enregistrements. Enfin, ce protocole minimise le stress subi par un insecte en peignant magnétiquement et en attachant les insectes au bras du moulin. L’assemblage de l’usine de vol simple étant déjà accessible, abordable et flexible, l’utilisation de technologies de makerspace pour améliorer l’usine de vol simple peut donner aux chercheurs l’espace nécessaire pour surmonter leurs propres besoins spécifiques en matière d’étude de vol et peut inspirer des conceptions créatives d’usines de vol au-delà des considérations de cet article.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le moulin de vol simple et moderne offre une gamme d’avantages pour les chercheurs intéressés à étudier le vol des insectes attachés en fournissant une conception fiable et automatisée qui teste plusieurs insectes de manière efficace et rentable13,31,35. De même, les chercheurs sont fortement incités à adopter des technologies et des techniques émergentes de l’industrie et d’autres domaines scientifiques comme m…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Je tiens à remercier Meredith Cenzer d’avoir acheté tous les matériaux de l’usine de vol et d’avoir fourni des commentaires continus de la construction à la rédaction du projet. Je remercie également Ana Silberg pour sa contribution à standardize_troughs.py. Enfin, je remercie le Media Arts, Data, and Design Center (MADD) de l’Université de Chicago pour l’autorisation d’utiliser gratuitement son équipement, sa technologie et ses fournitures de makerspace commun.
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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