Questa ricerca è stata finanziata in parte da un'Università del Connecticut Research Advisory Council Faculty Large Grant a M. Rubega. K. Burgio è stato sostenuto dalla National Science Foundation NRT- IGE grant #1545458 a M. Rubega. Il manoscritto è stato significativamente migliorato dal feedback ponderato di due revisori anonimi.

Questo lavoro non ha comportato alcun lavoro con animali vivi ed è stato quindi esentato dalla revisione della cura degli animali.
1. Allestimento e materiali (Figura 1)
<ol><li>Se le pelli piatte della specie di interesse non sono disponibili, utilizzare il protocollo29 di Spaw per creare pelli da esemplari freschi o congelati. Preen piume in una posizione ordinata, naturale e asciutta per ottenere un peso costante prima di procedere con le misurazioni.</li>
	<li>Impostare un bagno di acqua calda a temperatura costante. NOTA: Questo set-up è piuttosto alto, quindi è più facile posizionare il bagno di acqua calda sul pavimento.</li>
	<li>Posizionare un foglio di vetro acrilico trasparente(Tabella dei materiali)sulla superficie del bagno di acqua calda a temperatura costante. Il vetro consente la trasmissione del calore alla parte inferiore della pelle senza bagnare il campione. NOTA: Questo studio pilota ha utilizzato una lastra di vetro acrilico (0,125 di spessore). Lo spessore del vetro non influenzerà l'emissività30 del materiale (sarà sempre 0,86), ma influenzerà la temperatura assoluta sulla superficie del vetro (cioè, il vetro più spesso si tradurrà in una temperatura più bassa). Pertanto, tutte le misurazioni devono essere prese utilizzando una lastra di vetro acrilico dello stesso spessore.</li>
	<li>Posizionare un pezzo di cartone di schiuma (1 di spessore) con un foro circolare (0,5 di diametro) sul vetro acrilico. NOTA: La dimensione dell'uccello dovrebbe guidare la dimensione del foro e quindi la dimensione della piuma ininterrotta che riceve calore dalla fonte. Qui, viene utilizzato un foro di 0,5 di diametro, perché questa dimensione è abbastanza grande da ottenere una sufficiente trasmissione del calore al campione pur essendo abbastanza piccola da centrare il calore sotto i tratti di piume del seno (di tutti gli uccelli ad eccezione di quelli più piccoli). Indipendentemente dalle dimensioni dell'apertura termica, per ottenere un valore comparabile e replicabile per ogni uccello, assicurarsi di eseguire misurazioni con fori della stessa dimensione.</li>
	<li>Collegare una termocamera a un treppiede direttamente sopra la configurazione alla distanza minima di messa a fuoco della telecamera. NOTA: qui viene utilizzata una termocamera FLIR SC655 (risoluzione 680 px x 480 px, ±2 °C o ±2% di precisione di lettura, distanza minima di messa a fuoco di 40 cm). Altre fotocamere possono differire in grado di risoluzione.</li>
	<li>Calibrare la telecamera inserendo quanto segue nel software della termocamera:<ol>
<li>Trova la temperatura riflessa posizionando un foglio di alluminio (lato lucido rivolto verso l'alto) sopra la schiuma con il valore di emissività impostato su 1,0 nel software di calibrazione della fotocamera. Scatta un'immagine termica. La temperatura sulla superficie del foglio di alluminio è la temperatura riflessa, che dovrebbe essere simile alla temperatura ambiente della stanza.</li>
		<li>Impostare il valore di emissività31 su 0,95. NOTA: 1) L'emissività è la quantità relativa di calore che un oggetto emette32 e varia da 0 a 1. Un oggetto con un alto valore di emissività emette una grande quantità di calore, mentre un oggetto con un basso valore di emissività irradia poco calore32. Questo valore rappresenta l'emissività delle piume. 2) Questo valore (0,95) è contestato. Cossins e Bowler hanno affermato che le piume hanno un valore di emissività compreso tra 0,90-0,95, ma non hanno incluso alcuna prova31. Hammel ha riportato un valore di 0,98, ma ha ottenuto questo valore da un campione congelato, quindi potrebbe non essere accurato33. Nonostante la mancanza di prove, l'emissività di 0,95 è il valore più spesso utilizzato nella letteratura delle termocamere (come evidenziato da Cossins e Bowler31).</li>
		<li>Assicurarsi che la temperatura ambiente e l'umidità nella stanza siano costanti. Questi valori devono essere misurati prima di ogni misurazione e aggiornati nel software di calibrazione della telecamera. La temperatura e l'umidità di tutte le stanze interne fluttueranno leggermente, quindi registrare questi valori e aggiornarli nel software riduce l'errore di misurazione. NOTA: qui viene utilizzato il software FLIR ResearchIR Max. Questo software non salva i dati per tutte le immagini, quindi è fondamentale registrare tutti questi valori per ogni immagine.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Esecuzione delle misurazioni
<ol><li>Impostare il bagno di acqua calda a temperatura costante su una temperatura target (40 °C è un proxy per la temperatura interna media interna della maggior parte degli uccelli passeriformi)34. NOTA: Se si lavora con una specie la cui temperatura interna a riposo è più alta (ad esempio, colibrì34) o inferiore (ad esempio, pinguini34 oratiti 34,35), può essere opportuno regolare il bagno di acqua calda di conseguenza. La Figura 3 mostra la relazione tra la temperatura del bagno di acqua calda e la temperatura sulla superficie del vetro acrilico (ad esempio, la temperatura effettiva della fonte di calore a cui è esposta la pelle piatta).<ol>
<li>I risultati ottenuti da questo protocollo (vedi Figura 5) suggeriscono che ottenere misurazioni su un intervallo di temperature è anche informativo sulle differenze di prestazioni termiche. Per fare ciò, seguire il protocollo utilizzando incrementi di 5 °C da 30-55 °C.</li>
	</ol></li>
	<li>Nel software della termocamera, disegnare un cerchio/ellisse sopra il foro nella schiuma in cui fuoriesce il calore. Ciò consente di visualizzare quest'area quando si posiziona la pelle sulla schiuma per garantire che venga misurata l'area corretta sulla pelle piatta.</li>
	<li>Posizionare il campione di pelle piatta sulla schiuma con l'area di interesse sopra il foro. NOTA: Qui, viene misurata la regione del ventre di ciascun uccello, perché non è ostruita da altre parti del corpo come l'ala ed è posizionata abbastanza centralmente da non essere soggetta a effetti di bordo. Il posizionamento della pelle sopra il foro di calore varierà a seconda della domanda sperimentale. In generale, si consiglia il posizionamento direttamente su un tratto di piume e il più lontano possibile dal bordo della pelle. Assicurati di non appiattire o disordinare le piume quando si posiziona la pelle. Se necessario, preen loro in una posizione naturale una volta che la pelle è posizionata.</li>
	<li>Attendere 15 minuti per consentire alla pelle di acclimatarsi alla fonte di calore. Se le misurazioni vengono effettuate troppo presto, il valore della temperatura sulla superficie del mantello di piume sarà troppo basso. Qui, la trasmissione della temperatura attraverso la pelle e le piume si è stabilizzata a 15 minuti, quindi aspettare più di 15 minuti non produrrà un risultato artificialmente alto.</li>
	<li>Scattare un'immagine termica della pelle piatta.<ol>
<li>Impostare il valore di emissività31 su 0,95 prima di scattare l'immagine termica.</li>
	</ol></li>
	<li>Rimuovere la pelle dalla schiuma e scattare immediatamente un'immagine termica del set-up senza la pelle piatta sulla schiuma. Questo quantifica la temperatura sulla superficie del vetro acrilico e calibra l'area della fonte di calore con l'area di misurazione sulla pelle piatta.<ol>
<li>Qui, l'emissività del vetro acrilico utilizzato30 è 0,86. Assicurati di registrarlo nel software della termocamera prima di scattare la foto senza la pelle. NOTA: La temperatura visualizzata dal bagno di acqua calda non è necessariamente la temperatura sulla superficie del vetro acrilico (Figura 3), poiché la sua conduttanza termica non è perfetta. L'uso della temperatura del vetro riduce gli errori nella stima di quanto sia calda la parte inferiore della pelle, ed è quindi una stima combinata di quanto calore viene perso attraverso la pelle e le piume.</li>
	</ol></li>
	<li>Rimettere la pelle sulla schiuma nella stessa posizione. Ripetere i passaggi 2.5–2.6 per un totale di cinque prove.<ol>
<li>Per posizionare correttamente la pelle del campione, toccare delicatamente le piume nell'area di misurazione target con un polpastrello, quindi rimuovere il dito e visualizzare l'immagine termica. Il calore residuo del dito rimarrà brevemente visibile sull'immagine termica. Verificare che l'area di campionamento si trova all'interno del cerchio visibile disegnato nel software, che rappresenta l'area di calore irradiata attraverso la pelle dal bagno di acqua calda. In caso contrario, spostare la pelle fino a quando non lo è. Questo processo è illustrato nella Figura 2. NOTA: Mentre le pelli fresche (quando disponibili) possono rappresentare più da vicino le prestazioni termiche naturali della pelle in un uccello vivente, l'uso di pelli secche per queste misurazioni consente risultati comparabili e ripetibili su un pool molto più ampio di campioni. Pertanto, tutte le misurazioni devono essere effettuate utilizzando pelli essiccate a peso costante o sia sulla pelle fresca che su quella secca dei campioni.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Raccolta di dati da immagini termiche
<ol><li>Ogni misurazione è costituita da due immagini termiche: una della pelle piatta e una del vetro acrilico. Innanzitutto, apri l'immagine del vetro acrilico. Allineare il cerchio disegnato nel software con il foro nella schiuma visibile nell'immagine. Registrare il valore della temperatura al centro del cerchio. NOTA: Per maggiori dettagli sull'estrazione di dati da immagini termiche, vedere Senior et al.36.<ol>
<li>Assicurarsi di calibrare la fotocamera con i valori corretti. Impostare l'emissivitàda 30 a 0,86 e impostare la temperatura ambiente e l'umidità in modo che corrispondano alle condizioni attuali in laboratorio, prima di registrare il valore della temperatura.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Aprire l'immagine termica della pelle piatta. Senza spostare il cerchio, registrare il valore della temperatura al centro del cerchio. NOTA: poiché il cerchio non è registrato nell'immagine, è importante calibrare il posizionamento del cerchio con l'immagine del vetro acrilico scattata nella sezione 2.6.<ol>
<li>Assicurarsi di calibrare la fotocamera con i valori corretti. Impostare l'emissivitàda 31 a 0,95 e assicurarsi di impostare la temperatura ambiente e l'umidità in funzione delle condizioni correnti in laboratorio, prima di registrare il valore della temperatura.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ripetere i passaggi 3.1–3.2 per tutte le misurazioni di tutti i campioni.</li>
</ol>4. Calcolo delle prestazioni termiche
<ol><li>Sottrarre la temperatura della superficie del rivestimento di piume dalla temperatura del vetro acrilico. Questo valore rappresenta il calore trattenuto dal mantello di piume.</li>
</ol>

<ol>
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Questo documento fornisce un protocollo per misurazioni termografiche ripetibili e standardizzate di campioni di pelle piatta aviaria. Questo metodo consente di confrontare le prestazioni termiche del mantello di piume tra specie, all'interno di specie, tra individui comparabili e in diverse posizioni sui corpi degli individui, il tutto senza distruzione del campione.
La disponibilità di materiali e attrezzature necessari può essere una limitazione di questo metodo. Sebbene le telecamere ter...

Le piume sono la caratteristica distintiva degli uccelli e svolgono molte funzioni, tra cui la più cruciale è l'isolamento1. Gli uccelli hanno le temperature medie più alte di qualsiasi gruppo di vertebrati e le piume che li isolano dai cambiamenti di temperatura ambientale sono una parte vitale del bilancio energetico, specialmente in ambienti freddi2. Nonostante l'importanza delle piume, la maggior parte della letteratura sui cambiamenti nelle condizioni termiche negli uccelli si è concentrata sullerisposte metaboliche alla variazione di temperatura piuttosto che sulla funzione delle piume come isolamento3,4,5,6,7,8,9,10 (per ulteriori dettagli, fare riferimento a Ward et al.) 11,12,13. Tuttavia, le piume stesse possono variare nel tempo, negli individui e nelle specie.
Il metodo qui presentato è utile per quantificare il valore termico complessivo del solo piumino. Rimuove i fattori confondenti negli uccelli vivi, come la termoregolazione comportamentale1 e quantità variabili di grasso isolante. Una misurazione più diffusa delle prestazioni termiche dei cappotti di piume è necessaria per migliorare la comprensione di come le piume contribuiscono all'isolamento e di come questo varia tra e all'interno delle specie durante la storia della vita di un uccello e il ciclo annuale.
Le piume isolano gli uccelli intrappolando l'aria sia tra la pelle e le piume che all'interno delle piume e creano una barriera fisica alla perdita di calore14. Le piume sono costituite da un albero di piume centrale, chiamato rachide, con proiezioni chiamate barbe14. I barbuli sono piccole proiezioni secondarie su barbe che si incastrano con barbe adiacenti insieme per "chiudere" la piuma e darle struttura. Inoltre, le piume in piuma mancano di un rachide centrale e hanno pochi barbuli, formando quindi una massa sciolta e isolante di barbe sulla pelle14. I cappotti di piume variano tra le specie15,16,all'interno delle specie17,18e all'interno di individui comparabili2,19,20,21,22,23,24. Tuttavia, ci sono poche informazioni quantitative su come le variazioni nel numero di piume, l'abbondanza relativa di diversi tipi di piume su un uccello o i cambiamenti nel numero di barbe / barbule influenzano le prestazioni termiche complessive di un mantello di piume. Studi precedenti si sono concentrati sulla determinazione di un singolo valore medio di isolamento e conducibilità termica per una data specie11,12,13.
Il mantello di piume è noto per variare tra le specie. Ad esempio, la maggior parte degli uccelli ha aree distinte di pelle da cui le piume crescono, o meno, chiamate pterile e apteria, rispettivamente14. Il posizionamento delle pterile (a volte chiamate "tratti di piume") varia tra le specie e ha un certo valore come carattere tassonomico14. Tuttavia, alcuni uccelli (cioè ratiti e pinguini) hanno perso questa pterilosi e hanno una distribuzione uniforme di piume in tutto il corpo14. Inoltre, specie diverse, in particolare quelle che abitano ambienti diversi, hanno proporzioni diverse di tipi di piume15. Ad esempio, gli uccelli che abitano climi più freddi hanno più piume15 e piume di contorno con una porzione plumulacea più grande16 rispetto alle specie che abitano ambienti più caldi.
La microstruttura di alcuni tipi di piume può anche avere un effetto sull'isolamento tra le specie25,26. Lei et al. hanno confrontato la microstruttura delle piume di contorno di molti passeriformi cinesi e hanno scoperto che le specie che abitano ambienti più freddi hanno una percentuale maggiore di barbe plumulacee in ogni piuma di contorno, barbuli più lunghi, densità di nodi più elevata e nodi più grandi rispetto alle specie che abitano ambienti più caldi25. D'alba et al. hanno confrontato la microstruttura delle piume di edredoni comuni (Somateria mollissima) e oche graylag (Anser anser) e hanno descritto come queste differenze influenzino sia la capacità coesiva delle piume che la capacità delle piume di intrappolare l'aria26. I dati comparativi quantitativi su come queste variazioni nelle piume influenzano le prestazioni termiche complessive del mantello di piume tra le specie sono limitati (per maggiori dettagli, fare riferimento a Taylor e Ward et al.) 11,13.
All'interno di una specie, le prestazioni termiche del piumino possono variare. Alcune specie, come il parrocchetto monaco (Myiopsitta monachus)17, abitano areale geografiche molto ampie e diversificate. I diversi stress termici posti da questi diversi ambienti possono influenzare i mantelli di piume degli uccelli all'interno di una specie a livello regionale, ma attualmente non ci sono dati disponibili su questo argomento. Inoltre, Broggi et al. hanno confrontato due popolazioni di cinciallegre (Parus major L.) nell'emisfero settentrionale. Hanno dimostrato che le piume di contorno della popolazione più settentrionale erano più dense ma più corte e meno proporzionalmente plumulacee di quelle della popolazione più meridionale. Tuttavia, queste differenze sono scomparse quando gli uccelli di entrambe le popolazioni sono stati allevati nello stesso luogo18.
Inoltre, Broggi et al. hanno spiegato questi risultati come una risposta plastica a diverse condizioni termiche, ma non hanno misurato i valori di isolamento di questi diversi cappotti di piume18. I risultati suggeriscono anche che la densità delle piume di contorno è più importante per l'isolamento rispetto alla proporzione di barbe plumulacee nelle piume di contorno, ma Broggi et al. hanno suggerito che le popolazioni settentrionali potrebbero non essere in grado di produrre piume ottimali a causa della mancanza di nutrienti adeguati18. Misurazioni quantitative delle prestazioni termiche complessive di questi cappotti di piume favorirebbero la comprensione del significato delle differenze di piumaggio.
Nel corso del tempo, i cappotti di piume dei singoli uccelli variano. Almeno una volta all'anno, tutti gli uccelli muta (sostituire tutte le loro piume)19. Con il passare dell'anno, le piume si consumano2,20 e meno numerose18,21,22,23. Alcuni uccelli muta più di una volta all'anno, dando loro più cappotti di piume distinti ogni anno19. Middleton ha dimostrato che i cardellini americani (Spinus tristis), che muta due volte l'anno, hanno un numero maggiore di piume e una percentuale maggiore di piume lamentose nel loro piumaggio di base nei mesi invernali rispetto al loro piumaggio alternato durante i mesiestivi 24. Queste differenze annuali nel mantello di piume possono consentire agli uccelli di conservare più calore durante i periodi più freddi passivamente o di perdere più calore passivamente durante le stagioni calde, ma nessuno studio lo ha testato in modo conclusivo.
Sebbene gli uccelli termoregolano comportamentalmente1,27 e possano acclimatarsi metabolicamente a diverse condizioni termiche3,4,5,6,7,8,9,10,26, le piume svolgono un ruolo importante nella termoregolazione fornendo uno strato costante di isolamento. Il metodo qui descritto è progettato per rispondere a domande sul solo mantello di piume e sul suo ruolo nella termoregolazione passiva (cioè, quanto calore trattiene un uccello vivente senza modificare il suo comportamento o metabolismo?) isolando le piume. Mentre la termoregolazione attiva e fisiologica è ecologicamente importante, è anche importante capire come le piume da sole aiutano nell'isolamento e come influenzano la necessità di una termoregolazione comportamentale e fisiologica attiva.
Studi precedenti hanno stabilito metodi per quantificare la conduttività termica e l'isolamento termico delle pelli animali11, 12,13,28. Il metodo qui presentato è un'estensione del metodo "piastra calda custodita"11,12,13,28. Tuttavia, il metodo qui descritto misura la temperatura al confine esterno del mantello di piume utilizzando una termocamera, piuttosto che termocoppie. Il metodo della piastra calda protetta fornisce stime molto precise del flusso di energia attraverso una pelle, ma richiede la costruzione di una piastra calda multi-materiale, una certa familiarità con l'uso di termocoppie e termopale e l'uso distruttivo di una pelle che deve essere tagliata in piccoli pezzi. Questi pezzi vengono quindi ingrassati per eliminare l'aria tra il campione e l'apparato a piastra calda. Con l'eccezione dei pochi uccelli che mancano di apteria (ad esempio, pinguini), tagliare piccoli quadrati dalle pelli di uccello è problematico per scopi comparativi, poiché la posizione del taglio ha grandi effetti sul numero di piume effettivamente attaccate (e sovrasocie) alla pelle. Questo problema è esacerbato dalla variazione tra i taxa in presenza, dimensione e posizionamento di ptyerlae14.
Inoltre, mentre gli esemplari museali possono essere una risorsa potenzialmente ricca per valutare la variazione dell'isolamento tra gli uccelli, in generale, il permesso di tagliare e ungere campioni di pelle nelle collezioni scientifiche è irraggiungibile. Inoltre, gli esemplari prelevati dall'ambiente naturale per misurazioni di piastre calde custodite non possono essere successivamente utilizzati come campioni museali. Il metodo qui presentato differisce dal metodo della piastra calda custodita in quanto può essere utilizzato con pelli di uccelli intere essiccate, senza 1) richiedere la distruzione del campione e 2) ungere la parte inferiore della pelle. Utilizza telecamere termiche, che sono sempre più convenienti (anche se ancora relativamente costose), precise e utilizzate per le misurazioni di relazioni termiche di uccelli vivi.
Questo metodo non misura il flusso di energia (e quindi la conduttività termica o il valore di isolamento) attraverso la pelle e le piume direttamente come fa il metodo della piastra calda protetta. Invece, misura la temperatura al confine esterno di un cappotto di piume usando una telecamera termica. I valori risultanti rappresentano una misura integrata del calore perso passivamente attraverso la pelle, le piume e l'aria intrappolata tra di loro (rispetto a una fonte di calore sottostante). I campioni preparati come pelli piatte e misurati utilizzando la tecnica descritta possono essere conservati in collezioni e fornire indefinitamente valore per la ricerca futura. Questo metodo fornisce un modo standardizzato, comparabile e relativamente semplice per misurare le prestazioni termiche del mantello di piuma in qualsiasi campione dalla pelle piatta, che è particolarmente utile nei confronti inter- e intra-specifici.

<table><tbody><tr><td>Aluminum Foil</td><td>Reynolds Wrap</td><td>109000831</td><td>30 square ft.; this exact model need not be used.</td></tr><tr><td>Foam Core Board</td><td>Foamular</td><td>20WE</td><td>1 in. x 4 ft. x 8 ft; this exact model need no be used.</td></tr><tr><td>General Purpose Water Bath</td><td>PolyScience</td><td>WB02</td><td>Ambiet +5 &amp;deg;C to 100 &amp;deg;C; &amp;plusmn;.01 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>PDF Data logger</td><td>Elitech</td><td>RC-51H</td><td>Built in temperature and humidity sensor</td></tr><tr><td>Plexiglass</td><td>AdirOffice</td><td>1212-3-C</td><td>Acrylic glass; 12 in. x 12 in. x 1/8 in.; this exact model need not be used.</td></tr><tr><td>Thermal Image Analysis Software</td><td>FLIR</td><td>ResearchIR Max v4.40.7.26 (64-bit)</td><td>Allows collection of precise, quantitative thermal data</td></tr><tr><td>Thermal Imaging Camera</td><td>FLIR</td><td>SC655</td><td>680x480-pixel resolution, &amp;plusmn;2 &amp;deg;C or &amp;plusmn;2% accuracy, 40 cm minimum focusing distance</td></tr><tr><td>Tripod</td><td>The Audubon Shop</td><td>The Birder Tripod with Manfrotto 700RC2 Rapid Release Head</td><td>65&quot; maximum height; this exact model need not be used.</td></tr></tbody></table>

using a thermal camera to measure heat loss through bird feather coats

Le piume sono essenziali per l'isolamento, e quindi per il costo della termoregolazione, negli uccelli. Esiste una solida letteratura sul costo energetico della termoregolazione negli uccelli in una varietà di circostanze ecologiche. Tuttavia, pochi studi caratterizzano il contributo delle sole piume alla termoregolazione. Diversi studi precedenti hanno stabilito metodi per misurare il valore di isolamento delle pelli di animali, ma richiedono metodi di campionamento distruttivi che sono problematici per gli uccelli, le cui piume non sono distribuite uniformemente sulla pelle. Sono necessarie ulteriori informazioni su 1) come il contributo delle piume alla termoregolazione varia sia tra le specie che all'interno delle specie e 2) su come i cappotti di piume possono cambiare nello spazio e nel tempo. Qui è riportato un metodo per misurare rapidamente e direttamente le prestazioni termiche dei cappotti di piume e della pelle utilizzando campioni di pelle intera essiccati, senza la necessità di distruggere il campione di pelle. Questo metodo isola e misura il gradiente termico attraverso un mantello di piume in un modo che le misurazioni della perdita di calore e del costo metabolico negli uccelli vivi, che utilizzano strategie comportamentali e fisiologiche per termoregolarsi, non possono. Il metodo utilizza una telecamera termica, che consente la rapida raccolta di dati termici quantitativi per misurare la perdita di calore da una fonte stabile attraverso la pelle. Questo protocollo può essere facilmente applicato a varie domande di ricerca, è applicabile a qualsiasi taxa aviario e non richiede la distruzione del campione di pelle. Infine, favorirà la comprensione dell'importanza della termoregolazione passiva negli uccelli semplificando e accelerando la raccolta di dati quantitativi.

I risultati rappresentativi di una serie di un individuo di ciascuna delle cinque specie, misurati a sei temperature, sono presentati nella Figura 4 e nella Figura 5. Questi mostrano che piccole variazioni nel posizionamento della pelle possono comportare variazioni nelle letture fino a 1,7 °C. La Figura 4 mostra come la formazione di un investigatore aumenta la ripetibilità delle misurazioni. Ad esempio, lo stesso passero domesti...

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Using a Thermal Camera to Measure Heat Loss Through Bird Feather Coats

Questo protocollo descrive la quantificazione della trasmissione del calore attraverso un campione aviario dalla pelle piatta utilizzando una telecamera termica e un bagno di acqua calda. Il metodo consente di ottenere dati quantitativi e comparativi sulle prestazioni termiche dei cappotti di piume tra le specie utilizzando campioni di pelle piatta essiccati.

Utilizzo di una termocamera per misurare la perdita di calore attraverso i cappotti di piume di uccello

Feathers are essential to insulation, and therefore to the cost of thermoregulation,&#160;in birds. There is robust literature on the energetic cost of ...

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Research

JoVE Journal

Biology

3.4K Views.  University of Connecticut. Questo protocollo descrive la quantificazione della trasmissione del calore attraverso un campione aviario dalla pelle piatta utilizzando una telecamera termica e un bagno di acqua calda. Il metodo consente di ottenere dati quantitativi e comparativi sulle prestazioni termiche dei cappotti di piume tra le specie utilizzando campioni di pelle piatta essiccati.

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Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the milli-scale structure of barbs and barbules largely determines the directional pattern of reflected light; and through the macro-scale spatial structure of overlapping, curved feathers, these directional effects create the visual texture. Milli-scale and macro-scale effects determine where on the organism's body, and from what viewpoints and under what illumination, the iridescent colors are seen. Thus, the highly directional flash of brilliant color from the iridescent throat of a hummingbird is inadequately explained by its nano-scale structure alone and questions remain. From a given observation point, which milli-scale elements of the feather are oriented to reflect strongly? Do some species produce broader "windows" for observation of iridescence than others? These and similar questions may be asked about any organisms that have evolved a particular surface appearance for signaling, camouflage, or other reasons.
In order to study the directional patterns of light scattering from feathers, and their relationship to the bird's milli-scale morphology, we developed a protocol for measuring light scattered from biological materials using many high-resolution photographs taken with varying illumination and viewing directions. Since we measure scattered light as a function of direction, we can observe the characteristic features in the directional distribution of light scattered from that particular feather, and because barbs and barbules are resolved in our images, we can clearly attribute the directional features to these different milli-scale structures. Keeping the specimen intact preserves the gross-scale scattering behavior seen in nature. The method described here presents a generalized protocol for analyzing spatially- and directionally-varying light scattering from complex biological materials at multiple structural scales.

We present a non-destructive method for sampling spatial variation in the direction of light scattered from structurally complex materials. By keeping the material intact, we preserve gross-scale scattering behavior, while concurrently capturing fine-scale directional contributions with high-resolution imaging. Results are visualized in software at biologically-relevant positions and scales.

Misurare spazialmente e Directionally-variante Light Scattering da materiale biologico

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Ricerca

Ingegneria

A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be streamlined by heat treatment (blanching). A blanching apparatus can be designed more precisely if the thermal properties of the leaves are known in detail, i.e., the specific heat capacity and thermal conductivity. The measurement of these properties is time consuming and labor intensive, and usually requires invasive methods that contact the sample directly. This can reduce the product yield and may be incompatible with containment requirements, e.g., in the context of good manufacturing practice. To address these issues, a non-invasive, contact-free method was developed that determines the specific heat capacity and thermal conductivity of an intact plant leaf in about one minute. The method involves the application of a short laser pulse of defined length and intensity to a small area of the leaf sample, causing a temperature increase that is measured using a near infrared sensor. The temperature increase is combined with known leaf properties (thickness and density) to determine the specific heat capacity. The thermal conductivity is then calculated based on the profile of the subsequent temperature decline, taking thermal radiation and convective heat transfer into account. The associated calculations and critical aspects of sample handling are discussed.

A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.

Un laser Rapid Probing Metodo Facilita la determinazione non invasiva e senza contatto di Leaf Proprietà termiche

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be ...

Biochimica

Quantitative Visualization and Detection of Skin Cancer Using Dynamic Thermal Imaging

In 2010 approximately 68,720 melanomas will be diagnosed in the US alone, with around 8,650 resulting in death 1. To date, the only effective treatment for melanoma remains surgical excision, therefore, the key to extended survival is early detection 2,3. Considering the large numbers of patients diagnosed every year and the limitations in accessing specialized care quickly, the development of objective in vivo diagnostic instruments to aid the diagnosis is essential. New techniques to detect skin cancer, especially non-invasive diagnostic tools, are being explored in numerous laboratories. Along with the surgical methods, techniques such as digital photography, dermoscopy, multispectral imaging systems (MelaFind), laser-based systems (confocal scanning laser microscopy, laser doppler perfusion imaging, optical coherence tomography), ultrasound, magnetic resonance imaging, are being tested. Each technique offers unique advantages and disadvantages, many of which pose a compromise between effectiveness and accuracy versus ease of use and cost considerations. Details about these techniques and comparisons are available in the literature 4.
Infrared (IR) imaging was shown to be a useful method to diagnose the signs of certain diseases by measuring the local skin temperature. There is a large body of evidence showing that disease or deviation from normal functioning are accompanied by changes of the temperature of the body, which again affect the temperature of the skin 5,6. Accurate data about the temperature of the human body and skin can provide a wealth of information on the processes responsible for heat generation and thermoregulation, in particular the deviation from normal conditions, often caused by disease. However, IR imaging has not been widely recognized in medicine due to the premature use of the technology 7,8 several decades ago, when temperature measurement accuracy and the spatial resolution were inadequate and sophisticated image processing tools were unavailable. This situation changed dramatically in the late 1990s-2000s. Advances in IR instrumentation, implementation of digital image processing algorithms and dynamic IR imaging, which enables scientists to analyze not only the spatial, but also the temporal thermal behavior of the skin 9, allowed breakthroughs in the field.
In our research, we explore the feasibility of IR imaging, combined with theoretical and experimental studies, as a cost effective, non-invasive, in vivo optical measurement technique for tumor detection, with emphasis on the screening and early detection of melanoma 10-13. In this study, we show data obtained in a patient study in which patients that possess a pigmented lesion with a clinical indication for biopsy are selected for imaging. We compared the difference in thermal responses between healthy and malignant tissue and compared our data with biopsy results. We concluded that the increased metabolic activity of the melanoma lesion can be detected by dynamic infrared imaging.

We demonstrated that malignant pigmented lesions with increased metabolic activity generate quantifiable amounts of heat and the measurement of the transient thermal response of the skin to a cooling excitation allows quantitative identification of melanoma and other skin cancers (vs. non-proliferative nevi) at an early stage of the disease.

Visualizzazione quantitativa e diagnosi del tumore della pelle utilizzando Dynamic Thermal Imaging

In 2010 approximately 68,720 melanomas will be diagnosed in the US alone, with around 8,650 resulting in death 1. To date, the only effective treatment ...

Medicina

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient optical micro-imaging technique which can be used to map and quantify such behavior. Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) has a 612 nm luminescence line whose activation efficiency drops strongly with increasing temperature, due to T-dependent interactions between the Eu3+ ion and the organic chelating compound. This material may be readily coated on to a sample surface by thermal sublimation in vacuum. When the coating is excited with ultraviolet light (337 nm) an optical micro-image of the 612 nm luminescent response can be converted directly into a map of the sample surface temperature. This technique offers spatial resolution limited only by the microscope optics (about 1 micron) and time resolution limited by the speed of the camera employed. It offers the additional advantages of only requiring comparatively simple and non-specialized equipment, and giving a quantitative probe of sample temperature.

Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) has an optical luminescence line at 612 nm, whose activation efficiency decreases strongly with temperature. If a sample coated with a thin film of this material is micro-imaged, the 612 nm luminescent response intensity may be converted into a direct map of sample surface temperature.

Ad alta risoluzione termica micro-imaging Utilizzando europio chelato luminescenti Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Misure di scambio di calore convettivo istantanea locale in un tubo - flusso singolo e due fasi

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. Currently, the surface temperature of objects processed in conveyor belt furnaces is typically measured via thermocouples. However, infrared (IR) thermography presents multiple advantages compared to thermocouple measurements, as it is a contactless, real-time, and spatially resolved method. Here, as a representative proof-of-concept example, an inline thermography system is successfully installed into an IR lamp powered solar firing furnace, which is used for the contact firing process of industrial Si solar cells. This protocol describes how to install an IR camera into a conveyor belt furnace, conduct a customer correction of a factory calibrated IR camera, and perform the evaluation of spatial surface temperature distribution on a target object.

This protocol describes how to install an infrared camera into a conveyor belt furnace, conduct a customer correction of a factory calibrated IR camera, and evaluate the spatial surface temperature distribution of an object of interest. The example objects are industrial silicon solar cells.

In Situ Misurazione della Temperatura della Superficie in un Forno a nastro Trasportatore tramite Termografia a infrarossi in linea

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

Thermal Imaging to Study Stress Non-invasively in Unrestrained Birds

Stress, a central concept in biology, describes a suite of emergency responses to challenges. Among other responses, stress leads to a change in blood flow that results in a net influx of blood to key organs and an increase in core temperature. This stress-induced hyperthermia is used to assess stress. However, measuring core temperature is invasive. As blood flow is redirected to the core, the periphery of the body can cool. This paper describes a protocol where peripheral body temperature is measured non-invasively in wild blue tits (Cyanistes caeruleus) using infrared thermography. In the field we created a set-up bringing the birds to an ideal position in front of the camera by using a baited box. The camera takes a short thermal video recording of the undisturbed bird before applying a mild stressor (closing the box and therefore capturing the bird), and the bird&#8217;s response to being trapped is recorded. The bare skin of the eye-region is the warmest area in the image. This allows an automated extraction of the maximum eye-region temperature from each image frame, followed by further steps of manual data filtering removing the most common sources of errors (motion blur, blinking). This protocol provides a time series of eye-region temperature with a fine temporal resolution that allows us to study the dynamics of the stress response non-invasively. Further work needs to demonstrate the usefulness of the method to assess stress, for instance to investigate whether eye-region temperature response is proportional to the strength of the stressor. If this can be confirmed, it will provide a valuable alternative method of stress assessment in animals and will be useful to a wide range of researchers from ecologists, conservation biologists, physiologists to animal welfare researchers.

There is a need for a non-invasive assessment of stress. This paper describes a simple protocol using thermal imaging to detect a significant response in eye-region temperature in wild blue tits to a mild acute stressor.

Thermal Imaging per studiare lo stress in modo non invasivo in Uccelli sfrenato

Stress, a central concept in biology, describes a suite of emergency responses to challenges. Among other responses, stress leads to a change in blood ...

Neuroscienze

Infrared Thermography for the Detection of Changes in Brown Adipose Tissue Activity

Measuring brown adipose tissue (BAT) activity by positron emission tomography computed tomography (PET-CT) via the accumulation of 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) after a meal or in obese or diabetic patients fails as the method of choice. The main reason is that 18F-FDG competes with the postprandial high glucose plasma concentration for the same glucose transporter on the membrane of BAT cells. In addition, BAT uses fatty acids as a source of energy as well, which is not visible with PET-CT and could be changed along with glucose concentration in obese and diabetic patients. Therefore, to estimate the physiological importance of BAT in animals and humans, a new infrared thermography method used in recent publications is applied.
After overnight fasting, BAT activity was measured by infrared thermography before and after a meal in human volunteers and&#160;female wild-type mice. The camera software calculates the object&#39;s temperature using distance from the object, skin emissivity, reflected room temperature, air temperature, and relative humidity. In mice, the shaved area above the BAT was a region of interest for which average and maximal temperatures were measured. The phase of the estrous cycle in female mice was determined after an experiment by vaginal smears stained with cresyl violet (0.1%) stain solution. In healthy volunteers, two skin areas of the neck were selected: the supraclavicular area (above the collarbone, where BAT cells are present) and the interclavicular area (between the collarbones, where there is no BAT tissue detected). BAT activity is determined by the subtraction of those two values. Also, the average and maximal temperatures of skin areas could be determined in animals and human participants.
Changes in BAT activity after a meal measured by infrared thermography, a non-invasive and more sensitive method, were shown to be sex, age, and phase of the estrous cycle dependent in laboratory animals. As part of diet-induced thermogenesis, BAT activation in humans was also proven to be sex, age, and body mass index dependent. Further determining the pathophysiological changes in BAT activity after a meal will be of great importance for participants with high glucose plasma concentrations (obesity and diabetes mellitus type 2), as well as in different laboratory animals (knock-out mice). This method is also a variable tool for determining possible activating drugs that could rejuvenate BAT activity.

Here, we present a protocol for measuring brown adipose tissue activity after a meal in humans and laboratory animals.

Termografia a infrarossi per la rilevazione di cambiamenti nell'attività del tessuto adiposo bruno

Measuring brown adipose tissue (BAT) activity by positron emission tomography computed tomography (PET-CT) via the accumulation of 18F-fluorodeoxyglucose ...

Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans

In mammals, brown adipose tissue (BAT) is activated rapidly in response to cold in order to maintain body temperature. Although BAT has been studied greatly in small animals, it is difficult to measure the activity of BAT in humans. Therefore, little is known about the heat-generating capacity and physiological significance of BAT in humans, including the degree to which components of the diet can activate BAT. This is due to the limitations in the currently most used method to assess the activation of BAT-radiolabeled glucose (fluorodeoxyglucose or 18FDG) measured by positron emission tomography-computerized tomography (PET-CT).
This method is usually performed in fasted subjects, as feeding induces glucose uptake by the muscles, which can mask the glucose uptake into the BAT. This paper describes a detailed protocol for quantifying total-body human energy expenditure and substrate utilization from BAT thermogenesis by combining indirect calorimetry, infrared thermography, and blood glucose monitoring in carbohydrate-loaded adult males. To characterize the physiological significance of BAT, measures of the impact of BAT activity on human health are critical. We demonstrate a protocol to achieve this by combining carbohydrate loading and indirect calorimetry with measurements of supraclavicular changes in temperature. This novel approach will help to understand the physiology and pharmacology of BAT thermogenesis in humans.

Here, we present a protocol to quantify the physiological significance of the impact of brown adipose tissue (BAT) activity on human metabolism. This is achieved by combining carbohydrate loading and indirect calorimetry with measurements of supraclavicular changes in temperature. This novel approach can help develop a pharmacological target for BAT thermogenesis in humans.

Utilizzando una combinazione di calorimetria indiretta, termografia a infrarossi e livelli di glucosio nel sangue per misurare la termogenesi del tessuto adiposo bruno nell'uomo

In mammals, brown adipose tissue (BAT) is activated rapidly in response to cold in order to maintain body temperature. Although BAT has been studied ...

High-Throughput Assays of Critical Thermal Limits in Insects

Upper and lower thermal limits of plants and animals are important predictors of their performance, survival, and geographic distributions, and are essential for predicting responses to climate change. This work describes two high-throughput protocols for measuring insect thermal limits: one for assessing critical thermal minima (CTmin), and the other for assessing heat knock down time (KDT) in response to a static heat stressor. In the CTmin assay, individuals are placed in an acrylic-jacketed column, subjected to a decreasing temperature ramp, and counted as they fall from their perches using an infrared sensor. In the heat KDT assay, individuals are contained in a 96 well plate, placed in an incubator set to a stressful, hot temperature, and video recorded to determine the time at which they can no longer remain upright and move. These protocols offer advantages over commonly used techniques. Both assays are low cost and can be completed relatively quickly (~2 h). The CTmin assay reduces experimenter error and can measure a large number of individuals at once. The heat KDT protocol generates a video record of each assay and thus removes experimenter bias and the need to continuously monitor individuals in real time.

Thermal limits can predict the environments organisms tolerate, which is valuable information in the face of rapid climate change. Described here are high-throughput protocols to assess critical thermal minima and heat knockdown time in insects. Both protocols maximize the throughput and minimize the cost of the assays.

Analisi ad alta velocità di produzione dei limiti termici critici negli insetti

Upper and lower thermal limits of plants and animals are important predictors of their performance, survival, and geographic distributions, and are ...