为系留昆虫飞行研究建造增强型飞行磨机

摘要

该协议使用创客空间中的三维（3D）打印机和激光切割机，以创建更灵活的飞行铣削设计。通过使用这项技术，研究人员可以降低成本，增强设计灵活性，并在构建用于系留昆虫飞行研究的飞行磨机时产生可重复的工作。

摘要

创客空间具有很高的潜力，使研究人员能够开发新技术，并在生态研究中与新物种合作。该协议展示了如何利用创客空间中的技术，以相对较低的成本构建更通用的飞行磨机。鉴于这项研究是从过去十年中建造的飞行磨机中提取原型机的，该协议更侧重于概述从简单，现代的飞行磨机中产生的分歧。以前的研究已经表明，飞行磨机对于测量速度、距离或周期等飞行参数是多么有利。这样的工厂使研究人员能够将这些参数与形态，生理或遗传因素联系起来。除了这些优点之外，本研究还讨论了在创客空间中使用该技术的好处，如3D打印机和激光切割机，以构建更灵活，坚固和可折叠的飞行铣床设计。最值得注意的是，这种设计的3D打印组件允许用户通过使磨机臂的高度和红外（IR）传感器可调来测试各种尺寸的昆虫。3D打印还使用户能够轻松拆卸机器，以便快速存储或运输到现场。此外，本研究更多地利用磁铁和磁性涂料以最小的应力拴住昆虫。最后，该协议详细介绍了通过计算机脚本对飞行数据的多功能分析，这些脚本在单个记录中有效地分离和分析可区分的飞行试验。虽然劳动密集型程度更高，但应用创客空间和在线3D建模程序中可用的工具有助于多学科和面向过程的实践，并帮助研究人员避免昂贵的预制产品，其尺寸可调范围很窄。通过利用创客空间中技术的灵活性和可重复性，该协议促进了创造性的飞行磨机设计并激发了开放科学。

引言

鉴于昆虫在田间的传播是多么棘手，飞行磨已成为解决一个重要的生态现象 - 昆虫如何移动的常见实验室工具。因此，自从飞行磨机^{1，2，3，4}的先驱开创了飞行磨机设计和建造六十年以来，随着技术的改进和更多地融入科学界，设计发生了明显的变化。随着时间的推移，自动数据收集软件取代了图表记录仪，飞行磨机臂从玻璃棒过渡到碳棒和钢管^5。仅在过去十年中，磁浮轴承就取代了特氟龙或玻璃轴承，成为最佳的无摩擦轴承，随着音频、视频和层制造技术越来越多地集成到研究人员的工作流程中，飞行磨机机械与多功能技术之间的配对也在激增。这些配对包括用于测量机翼空气动力学的高速摄像机^6，用于模拟感官线索以研究听觉飞行反应的数模模拟板^7，以及用于制造校准装置以跟踪飞行⁸期间机翼变形的3D打印。随着最近在创客空间中新兴技术的兴起，特别是在拥有由^{知识渊博的员工9}运营的数字媒体中心的机构中，有更大的可能性来增强飞行工厂以测试更大范围的昆虫并将设备运送到现场。研究人员也有很大的潜力跨越学科界限，通过基于生产的工作加速技术学习9，10，11，12。这里展示的飞行磨机（改编自Attisano及其同事^13）利用创客空间中发现的新兴技术，不仅1）创建飞行磨机组件，其规模和尺寸根据手头的项目进行微调，而且还2）为研究人员提供激光切割和3D打印的可访问协议，而无需高预算或任何计算机辅助设计（CAD）的专业知识。

将新技术和新方法与飞行磨机相结合的好处是巨大的，但飞磨机也是有价值的独立机器。飞行磨机测量昆虫的飞行性能，用于确定飞行速度、距离或周期性与环境或生态因素的关系，例如温度、相对湿度、季节、寄主植物、体重、形态学特征、年龄和生殖活动。与阿克图仪、跑步机以及风洞和室内竞技场¹⁴中飞行运动的视频记录等替代方法不同，飞行机以其在实验室条件下收集各种飞行性能统计数据的能力而著称。这有助于生态学家解决飞行扩散的重要问题，并帮助他们在学科上取得进展 - 无论是综合虫害管理^{15，16，17，}种群动力学，遗传学，生物地理学，生活史策略^18，还是表型可塑性^{19，20，21，22} .另一方面，像高速相机和actographs这样的设备可能需要严格，复杂和昂贵的设置，但它们也可能导致更微调的运动参数，例如翅膀拍频和昆虫光相活动^23，24。因此，这里介绍的飞行磨机是研究人员研究飞行行为的灵活，经济实惠且可定制的选择。

同样，随着研究传播的问题和方法变得更加有创意和复杂，将新兴技术整合到生态学家工作流程中的动力继续上升。作为促进创新的地点，创客空间吸收了多层次的专业知识，并为任何年龄的用户提供了较低的学习曲线，以获得新的技术技能^10，12。在创客空间和通过在线开源对科学设备进行原型设计的迭代和协作性质可以加速理论¹¹的应用，并促进生态科学中的产品开发。此外，提高科学工具的可重复性将鼓励更广泛的数据收集和开放科学。这可以帮助研究人员标准化测量扩散的设备或方法。标准化工具可以进一步允许生态学家统一种群之间的扩散数据，以测试从扩散核²⁵或源汇定植动力学²⁶发展而来的元种群模型。就像医学界如何采用3D打印进行患者护理和解剖学教育^一样27，生态学家可以使用激光切割机和3D打印机重新设计生态工具和教育，并且在本研究范围内，可以设计额外的飞行磨机组件，例如着陆平台或可以垂直移动的飞行磨机臂。反过来，创客空间技术提供的定制，成本效益和更高的生产力可以帮助启动扩散项目，对于打算开发自己的工具和设备的研究人员来说，门槛相对较低。

要构建这种飞行磨机，制造商还可以考虑机械和仪器限制。磁铁和3D打印的增强功能使飞行磨机基本上没有胶水，除了交叉支架的结构外，并且可以适应不同大小的昆虫。然而，随着昆虫的质量和强度的增加，昆虫在拴住时可能更有可能自行脱落。强磁铁可以以增加扭转阻力为代价使用，或者滚珠轴承可以取代磁浮轴承作为飞行测试的坚固解决方案，这些昆虫重达^28，29克。然而，滚珠轴承也可能存在一些问题，主要是长时间在高速和高温下运行实验会降低滚珠轴承的润滑，从而增加摩擦^力30。因此，用户将不得不辨别哪种飞行磨机机制最适合他们的研究和实验设计。

同样，有几种方法可以检测飞行磨机，这超出了本文的考虑范围。这里介绍的飞行铣床使用红外传感器来检测转数，WinDAQ软件来记录转数，并使用编程脚本来处理原始数据。虽然 它 非常 易 用， 但 WinDAQ 软件 的 可用 工具 数量 有限。用户无法将注释附加到其相应的通道，并且如果电路的任何组件发生故障，也不会向他们发出警报。这些情况可以通过代码检测和更正来解决，但只有在数据收集之后。或者，用户可以采用多个软件，提供可自定义的数据收集功能²⁸ 或直接进行速度和距离统计的传感器，例如自行车里程计²⁹。但是，这些替代方案可以绕过有价值的原始数据或在太多软件应用程序中扩散功能，从而使数据处理效率低下。最终，该协议不是重新设计飞行铣削仪器，而是为当今的软件限制提供了强大的编程解决方案。

在本文中，描述了增强型简单飞行磨机的设计，以帮助研究人员进行扩散研究，并鼓励将新兴技术纳入行为生态学领域。该飞行研磨机适合培养箱的限制，可同时容纳多达八只昆虫，并自动进行数据收集和处理。值得注意的是，其3D打印增强功能允许用户调整磨机臂和红外传感器高度，以测试各种尺寸的昆虫并拆卸设备以进行快速存储或运输。由于机构可以访问公共创客空间，所有增强功能都是免费的，与简单，现代的飞行工厂相比，没有产生额外费用。所有需要的软件都是免费的，电子电路简单，所有脚本都可以修改，以符合实验设计的特定需求。此外，编码诊断允许用户检查其记录的完整性和准确性。最后，该协议通过磁性绘画并将昆虫拴在磨机臂上来最小化昆虫所承受的压力。由于简单飞行磨机的组装已经易于使用，价格合理且灵活，因此使用创客空间技术来增强简单的飞行磨机可以为研究人员提供空间来克服他们自己的特定飞行研究需求，并且可以激发创造性的飞行磨机设计，超出本文的考虑范围。

研究方案

1. 在创客空间中建造飞行磨坊

1. 激光切割并组装丙烯酸塑料支撑结构。
   1. 使用8（304.8毫米x 609.6毫米x 3.175毫米）厚的透明亚克力板来构建亚克力塑料支撑结构。确保材料不是聚碳酸酯，聚碳酸酯看起来类似于丙烯酸，但会熔化，而不是在激光下被切割。
   2. 在创客空间中找到激光切割机。该协议假设创客空间具有 材料表中引用的激光切割机。对于其他激光切割机，请阅读激光切割机设置以确定将文件线设置为激光切割或雕刻（不光栅）所需的线条颜色或厚度。
   3. 打开 Adobe Illustrator、Inkscape（免费）或其他矢量图形编辑器。准备一个文件，以矢量格式读取丙烯酸支撑设计，并具有 图1中所示的上述行。在 Adobe Illustrator 中以红色、绿色和蓝色 （RGB） 模式创建文件行，线条描边为 0.0001 点，其中 RGB 红色 （255， 0， 0） 切割线条，RGB 蓝色 （0， 0， 255） 蚀刻线条。
   4. 作为预防措施，请对所有狭缝和孔测量测试并考虑切口。设计和测试割缝键（附图1）。
      注:割缝宽度可能因激光切割机的光束宽度、材料的宽度和所用材料类型而异。
   5. 将丙烯酸支撑设计和切口键另存为可读文件类型，如.ai、.dxf或.svg文件。要将作业发送给激光切割机，请在激光切割机的本地计算机上打印文件，然后打开激光软件。
      注:如果打印正确，设计中的所有矢量切割线都将以相应的颜色显示在激光软件的控制面板中。
   6. 选择材料为 "塑料 "，然后选择" 亚克力"的材料类型。为了获得更高的精度，请使用卡尺测量材料厚度，并将其厚度输入到材料厚度字段中。自动启用材料焦点的 Z 轴。将" 图形类型" 设置为 "无"， 并将 "强度" 保留为 0%。要更改激光切割机上的任何高级指标，例如激光功率百分比或速度百分比，请使用割缝键进行测试。
      注意:经验法则是材料越厚，在较低的速度下需要的功率就越大。
   7. 在切割之前，请遵循创客空间关于启动、使用和维护激光切割机的准则。将材料放入打印机腔中并切割丙烯酸支撑。
      注意:为防止可能的眼睛受伤，请勿在切割时看激光或将任何丙烯酸板放在无人看管的位置。
   8. 从打印机腔体中清除多余的材料并组装支撑结构。通过将每个水平搁板插入外部垂直壁和中央垂直壁的开放狭缝中进行组装， 如图2A所示。确保水平搁板之间的孔对齐。
2. 3D打印塑料支架。
   1. 打开 Web 浏览器并在在线 3D 建模程序上创建帐户。请参阅 材料表 以获取免费帐户选项。
   2. 单击"3D 设计">创建新设计。为了复制本研究的确切3D打印设计，如图3所示，请下载档案3D_Prints.zip（补充3D打印），并将文件夹移动到桌面上。解压缩并打开文件夹。在在线3D建模程序工作平面网页中，单击右上角的"导入"，然后选择.stl文件。
      注意:只要用户将对象限制在 3D 打印机构建区域的边界内，多个设计仿制品或对象就可以填充工作平面并保存为单个 .stl 文件。3D打印机可以打印的最大物体是140毫米长x 140毫米宽x 140毫米深。但是，不要将对象沿其 z 轴旋转，以此来最大化构建区域上的对象数。这是因为下载的对象的定位是为了最大限度地减少悬垂，因此可以用最小的必要支撑来优化打印它们。
   3. 要自行创建或调整设计，请按照网站的教程进行编辑，然后将新设计导出为 .stl 文件。总共有 8 个直线导轨（100.05 mm 长 x 23.50 mm 宽 x 7.00 mm 深）、16 个直线导轨块（22.08 mm 长 x 11.47 mm 宽 x 12.47 mm 深度）、12 至 20 个螺钉（9.00 mm 长 x 7.60 mm 宽 x 13.00 mm 深）、15 个横支架（50.00 mm 长 x 50.00 mm 宽 x 20.00 mm 深）， 需要 3D 打印 16 个磁体支架（12.75 mm 长 x 12.50 mm 宽 x 15.75 mm 深度）、16 个管支撑（29.22 mm 长 x 29.19 mm 宽 x 11.00 mm 深度）、16 个短直线导轨支架（40.00 mm 长 x 11.00 mm 宽 x 13.00 mm 深度）和 16 个长线性导轨支架（40.00 mm 长 x 16.00 mm 宽 x 13.00 mm 深度）。要获取每个直线导轨设计的镜像，请单击对象，按 M键，然后选择与对象宽度相对应的箭头。
      注意:请参阅步骤 1.3.6。有关直线导轨销的更多信息。
   4. 下载并安装3D打印切片软件，将.stl文件转换为3D打印机可读的.gx文件。请参阅 材料表 以下载免费软件程序。
      注意:其他转换软件程序是可以接受的，但该协议假设创客空间正在使用材料 表中引用的3D打印机和打印切片软件。
   5. 双击3D打印切片软件的图标以启动该软件。单击 "打印 > 机器类型"， 然后选择位于创客空间中的 3D 打印机 。
   6. 单击" 加载 "图标以加载 .stl 模型文件，并在构建区域上显示该对象。
   7. 选择对象，然后双击 移动 图标。单击" 在平台上 "以确保模型位于平台上。单击" 居 中"将对象放置在构建区域的中心，或使用鼠标指针拖动对象以将对象定位在构建区域上。
   8. 单击打印图标。确保将"材料类型"设置为PLA，启用支撑和筏，将"分辨率"设置为"标准"，并且挤出机的温度与 3D 打印机指南建议的温度相匹配。温度可以在"温度>>更多选项"中更改。
   9. 按 "确定" 并将 .gx 文件 保存在 3D_Prints文件夹 或 U 盘上（如果文件无法通过 USB 电缆传输到 3D 打印机）。
   10. 找到创客空间的3D打印机。校准挤出机，确保有足够的长丝用于印刷。将 .gx 文件传输到 3D 打印机，并打印所有类型和数量的塑料支架和增强功能。对于每次打印，请检查灯丝是否正确粘附在板上。
3. 将3D打印件组装到丙烯酸支撑结构上。
   1. 要可视化所有到位的支撑，请参见 图 2B。
   2. 将3.175毫米厚的氯丁橡胶板热胶粘在十字支架的内壁上。干燥后，将交叉支架插入亚克力搁板的连接处和设备背面的墙壁，以稳定飞行磨机。
   3. 尽可能使用3D打印螺丝，以尽量减少铁螺丝的磁性影响。将管支架拧到每个电池的底部和顶部。确保顶部和底部管支撑对齐。
   4. 将一根 30 mm 长的塑料管（内径 （ID） 9.525 mm;外径 （OD） 12.7 mm）插入顶管支架和一根 15 mm 长的塑料管 （ID 9.525 mm;外径12.7毫米）进入每个电池的底管支撑。然后，插入一个40毫米长的塑料管（内径6.35毫米;外径9.525毫米）进入顶管和20毫米长的塑料管（内径6.35毫米;外径9.525毫米）进入底管。确保管子之间有足够强的摩擦力，以将管子固定到位，但不要太大，以免内胎在拉动时仍可上下滑动。如果管子翘曲，将管段浸入沸水中1分钟。在毛巾上拉直管子，让它们达到室温，然后插入管子。
   5. 将两个低摩擦钕磁铁（直径 10 mm;长度 4 mm;保持力 2.22 kg）放入每个磁体支架中。确保每对磁铁相互排斥。然后，将内管牢固地固定在每个磁体支架中，以便作用于磁铁和磁铁支架的重力不足以将支撑物从内胎中移开。
   6. 朝向同一方向，将两个直线导轨块滑入直线导轨。将直线导轨和块直立在外垂直壁上的窗户上。确保块开口朝上。要将一根直线导轨固定到位，请使用两个短直线导轨支撑、两个长直线导轨支撑、四个 10 mm 长的铁螺钉（M5;0.8 螺距;直径 5 mm）、两个 20 mm 长的铁螺钉（M5;0.8 螺距;直径 5 mm）和两个六角螺母（M5;螺距 0.8;直径 5 mm）。 图2C 显示了直线导轨的完整装配。
      注:当且仅当直线导轨被其块的反复滑动侵蚀时，才应使用直线导轨中的空隙。如果是这样，3D打印在3D_Prints文件夹中找到的小T形钉。
4. 构造旋转臂。
   注:第 1.4.1 和 1.4.2 小节等同于第 1.2.2 小节。和 1.2.3。在Attisano等人.2015年方法论文^13。
   1. 使用昆虫学引脚刺穿20μL过滤移液器尖端的中心点的过滤器。然后，将销钉推过移液器吸头，直到销钉的钢端从移液器吸头的主体中伸出。确保移液器吸头的过滤器将销固定到位。销钉用作飞行铣刀臂的轴。
   2. 为了最大化细胞空间，将19 G非磁性皮下注射钢管切割成24厘米（比飞行细胞的宽度小1厘米）的长度。从步骤1.4.1热胶入移液器吸头的突出销和顶部。到管子的中点。将管子的一端从末端弯曲2厘米，角度为95°。
      注意:要优先考虑昆虫的大小而不是最大化细胞空间，请缩短手臂的半径，以容纳较小的昆虫或较弱的传单。如果将中心丙烯酸壁移除，则还可以组装更长的飞行臂，以用于较大的昆虫或强壮的传单。此外，手臂弯曲的末端可以支撑不同的角度，以便将昆虫定位在其自然飞行方向上。
   3. 要测试其磁悬浮，请将臂放置在顶部磁铁组之间。确保旋转臂围绕垂直悬挂的销钉自由旋转。
   4. 将两个低摩擦钕磁铁（直径3.05毫米;长度1.58毫米;保持力0.23千克）粘在枢轴臂的弯曲端，以拴住磁性涂漆的昆虫进行飞行（带磁铁的飞行磨机臂的质量= 1.4克）。在枢轴臂的未弯曲端，包裹一块铝箔（每面积质量= 0.01 g / cm^2）以形成旗帜。箔标志充当配重，并且由于其高反射特性，它可以最佳地破坏从红外传感器发射器发送到接收器的红外光束。
      注:红外光束的直径最大为2.4毫米，因此箔旗的最佳最小宽度为3毫米。箔片标志宽度为3 mm，其位置为断开传感器发射器透镜前的红外光束，将产生电压下降，在分析过程中可以检测到。
5. 设置红外传感器和数据记录器。
   1. 将红外传感器发射器放置在顶部直线导轨块内，光束的发射器朝下。然后，将红外传感器接收器朝上放置在底部块内。
      注:传感器（长20毫米 x 宽 10 毫米 x 深 8 毫米）可以分开，最远可达 250 毫米，但仍然有效;因此，即使放置在约 100 mm 直线导轨的末端，它们也能正常工作。
   2. 在无焊试验板上，将红外传感器发射器和接收器与4通道模拟输入数据记录器串联，如图4A中的电子电路所示。首先连接 IR 传感器发射器（不是接收器）输入，然后连接 180 Ω电阻。在IR接收器连接的输出端前再放置一个2.2 kΩ电阻。将每个通道的电子电路配置在试验板上交替排列，以最大限度地减少记录期间来自多个传感器的电压信号中的噪声（图4B）。

2. 进行飞行试验

1. 磁性地将昆虫拴在飞行磨机臂上。
   1. 为了尽量减少对昆虫的压力，请使用牙签或精密涂抹器（20 G尖端）在昆虫的突起上涂上磁性涂料。让油漆干燥至少10分钟。干燥后，将昆虫附着在飞行磨机臂磁铁上。有关不同大小的磁性绘画和拴系昆虫的示例，请参阅图5。 该协议使用 Jadera血细胞瘤（皂莓虫）作为飞行系留和试验实验的模型昆虫。
      注意:为了在昆虫和手臂磁铁之间产生更强的吸引力，请涂上多层磁性涂料。此外，将连接到飞行磨机臂末端的磁铁更换为最适合昆虫视野，质量和机翼范围的磁铁尺寸。
   2. 在飞行磨机中一次最多飞行8只昆虫。油漆准备至少16只昆虫，以便在单个记录会话中依次测试多种昆虫。
   3. 要在测试后去除磁性涂料，请用细镊子切掉油漆，并根据环境保护局（EPA）和职业安全与健康管理局（OSHA）的规定进行处理。
2. 使用WinDAQ的事件标记注释工具按顺序记录多个昆虫，而无需终止记录会话。
   1. 下载 并 安装 免费 的 WinDAQ 数据 记录 和 回 放 软件。
   2. 在桌面上创建一个名为"Flight_scripts"的新文件夹。在Flight_scripts文件夹中创建五个具有以下确切名称的新文件夹:data、 files2split 、 records、 split_files和standardized_files。下载数据表.xlsx（补充文件1），然后将文件拖到Flight_scripts目录中的数据文件夹中。
   3. 使用 数据表.xlsx 作为手动数据记录模板。至少需要四列:bug 的标识号、Bug 在测试前是否死亡、记录集编号以及由通道字母和通道号组成的腔室（例如，"A-1"、"B-4"）。请参阅图2A， 了解一种可能的腔室配置。
   4. 打开 WinDAQ仪表板，从复选框列表中选择数据记录器，然后按"启动Windaq软件"。将为所选的每个数据记录器打开一个新窗口，并显示来自每个传感器的输入信号。
   5. 通过单击" 编辑>采样率"来定义采样频率。在"采样率/通道"框中键入 100 个样本/秒的采样频率，然后按 OK。
      注意:此协议建议 100 S/s，因为槽（即由于标志中断 IR 传感器光束而导致的电压下降）在速度为 1.7 m/s 时仍将达到 0.36 V 的最小电压下降。反过来，最大电压降为0.10 V的噪声仍然可以在标准化期间进行滤除，而无需滤除实际波谷。此外，100 S/s 的采样率使用户在录制期间和之后都可以轻松看到屏幕上波形上的波谷。如果在录制过程中发生错误，则用户可以快速从错误或噪声中辨别出槽。参见 补充图2，了解几种低采样频率的比较。
   6. 要启动新的录制会话，请按"文件">录制"。在第一个弹出窗口中选择录制文件的位置。仔细写下文件名。文件的名称中必须至少包含以下内容:录制文件集编号和频道号。在 Python 脚本中建模的文件名示例如下:T1_set006-2-24-2020-B.txt。请参阅Flight_scripts文件夹中split_files.py行 78-87 以获取更多详细信息。然后，按确定。
   7. 在下一个弹出窗口中，输入航班录制的预期长度。当昆虫处于开始飞行的位置时，按 OK 键。录制时间过后，按 Ctrl-S 完成文件。不要按 Ctrl-S， 除非需要提前终止录制。
      注意:如果文件因键入Ctrl+S而终止得太早，或者上述时间过短，请单击"文件">"将新录制文件附加到现有文件中。选择要追加到的文件，然后在以下弹出窗口中单击"是"。
   8. 在记录过程中拉出被测试昆虫时，在其选定的腔室中插入传入昆虫的注释事件标记。在交换昆虫之前，始终在数据表中手动记录传入昆虫的ID，腔室和记录集.xlsx。
   9. 要进行事件标记注释，请单击频道号。然后，单击" 编辑 > 插入注释标记"。使用进入腔室的新昆虫的标识号定义注释。按 OK 键并将昆虫装入腔室。
3. 可视化事件标记注释并将文件从 WDH 转换为 TXT。
   1. 打开 WDH 文件。通过转到编辑>压缩...来可视化事件标记注释。，然后单击"最大值"按钮将波形完全压缩到一个窗口中（图6A）。
   2. 检查记录中是否有任何异常。
      注:记录中的异常或故障类型如图 6所示。这些将在以后进行诊断并在 Python 脚本中进行更正。
   3. 通过转到"文件">另存为"，以.txt格式保存文件。选择Flight_scripts目录中的录制文件文件夹作为保存文件的位置。在弹出窗口中选择文件类型为电子表格打印（CSV），并在末尾写下带有.txt的文件名。单击保存 。在下面的弹出窗口中，选择 采样率、相对时间和日期和时间。在通道号和事件标记之间键入1。取消选择所有其他选项，然后单击确定以保存文件。

3. 分析航班数据

1. 按事件标记注释拆分文件。
   1. 安装最新版本的 Python。此协议中的所有脚本都是在Python 3.8.0版本上开发的。
   2. 下载以下 Python 脚本:split_files.py、standardize_troughs.py和flight_analysis.py（补充编码文件）。将脚本移动到Flight_scripts文件夹中。
   3. 确保 Python 是最新的，并安装以下库:csv、os、sys、re、datetime、time、numpy、math 和 matplotlib。要观察脚本的主要功能和数据结构，请参见 补充图3中的原理图。
   4. 打开 数据表.xlsx 文件 ，如果运行 Windows，则通过将文件格式更改为 CSV UTF-8（逗号分隔） 来另存为 CSV，如果运行 Mac，则更改为 Macintosh 逗号分隔 。
   5. 使用所选的文本编辑器打开split_files.py图标。如果没有首选项，请右键单击脚本图标，然后选择"使用 IDLE 打开"。
   6. 如果用户编写的文件名与建议的模板不同（"T1_set006-2-24-2020-B.txt"），则重新编码第 133-135 行和第 232-233 行。要使用 split（） 函数对脚本进行重新编码以适应不同的文件名，请参见第 116-131 行。
   7. 在第 266 行中，键入Flight_scripts文件夹的路径，然后运行脚本。成功运行后，该脚本将在 files2split 文件夹中生成映射的昆虫 ID 的中间.txt文件，并为在 split_files 文件夹Flight_scripts目录中的每个记录集中测试的每个昆虫生成.txt文件。
      注意:此外，在 Python Shell 中，用户应看到文件名的 print 语句、在编号的事件标记处交换哪些昆虫，以及哪些文件正在通过昆虫 ID 拆分并生成为新文件。
2. 标准化并选择录制信号中的槽。
   1. 使用所选的文本编辑器打开standardize_troughs.py图标。如果没有首选项，请右键单击脚本图标，然后选择"使用 IDLE 打开"。
   2. 在第 158 行中，键入采样频率。
   3. 在第 159 行中，键入Flight_scripts文件夹的路径，然后运行脚本。如果脚本成功运行，它将在Flight_scripts目录的 standardized_files 文件夹中生成文件。
      注意:所有文件都应以"standardized_"开头，并以原始文件名结尾。
   4. 检查录音的质量: 打开位于 Flight_scripts 文件夹中的standardize_troughs.py生成的 trough_diagnostic.png。 确保所有记录对平均标准化间隔的最小和最大电压值的变化都是稳健的。
      注意:如果当最小和最大偏差值增加时，记录显示的波谷数量大幅减少，则录音可能具有大量噪声或具有过于敏感的波谷。还可以对最小-最大归一化因子进行编码、执行和绘图。步骤 2.3.1 中介绍了检查录制质量的另一种方法。和 2.3.2.Attisano等人2015年方法论文^13。
   5. 评估诊断，取消注释行198，并指定最小和最大偏差值，这些值定义了用于对所有文件执行标准化的平均电压周围的最小值和最大值。每个偏差值的默认值为 0.1 V。
      注:在第53行中，用户还可以指定最小-最大归一化因子阈值，以便识别远低于阈值的电压。
   6. 输入偏差值后注释掉第 189 行，然后运行脚本。该脚本将有效地运行所有文件的标准化（速度快近25倍）。
3. 使用标准化文件分析飞行轨迹。
   1. 使用所选的文本编辑器打开flight_analysis.py图标。如果没有首选项，请右键单击脚本图标，然后选择"使用 IDLE 打开"。
   2. 在第 76-78 行中，编辑可选的速度校正，该校正可在昆虫停止飞行后抑制磨机手臂的额外旋转。在处理慢速飞行的昆虫时，请谨慎确定此阈值。
   3. 在第 121 行中，编辑速度阈值以纠正错误的速度读数，例如极快的速度或负速度。在第 130 行中，编辑时间差值以过滤掉在两次连续不间断飞行之间发生的长间隙。
   4. 在第 350 行中，键入保存 *.txt标准化文件的文件夹的路径。
   5. 在第 353 行中，输入试验期间使用的臂半径长度，该长度定义了昆虫每转飞行的圆形飞行路径。
   6. 将距离和时间 SI 单位分别标识为第 357 行和第 358 行中的字符串。
   7. 在第 388-397 行中，使用 split（） 函数至少提取昆虫的识别号以及昆虫从文件名飞出的设置编号和腔室。该脚本遵循"standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt"的综合文件名示例。如有必要，请按照步骤 2.2.6 中的建议简化此文件名，如果不使用，请注释掉或删除第 392 行和第 401 行上的试用类型等变量。
   8. 指定所有用户设置，保存并运行脚本。如果脚本运行成功，它会在 Python Shell 中打印昆虫的相应 ID 号、腔室和计算出的飞行统计信息。此外，它还生成一个由Python Shell中打印的信息组成的flight_stats_summary.csv文件，并将.csv文件保存在Flight_scripts目录的数据文件夹中。

结果

飞行数据是在2020年冬季通过实验获得的，使用从佛罗里达州现场收集的J. 血肿作为模型昆虫（Bernat，A.V.和Cenzer，M.L.，2020，未发表的数据）。代表性的飞行试验在芝加哥大学生态与进化系进行，如下图6、图7、图8和图9所示。将飞行磨机设置在设置为28°C / 27°C（白天/黑夜），70%相对湿度和14小时光照/...

讨论

简单，现代的飞行磨机为有兴趣研究系留昆虫飞行的研究人员提供了一系列优势，通过提供可靠和自动化的设计，高效且具有成本效益地测试多种昆虫13，31，35。同样，研究人员有很强的动机采用来自工业和其他科学领域的快速新兴技术和技巧，作为建立实验工具来研究生态系统的手段^{9，32，33。}

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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