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要約

このプロトコルは、より柔軟なフライトミル設計を作成するために、メーカースペースに見られる3次元(3D)プリンタとレーザーカッターを使用しています。この技術を使用することで、研究者は、つながれた昆虫飛行研究のために飛行工場を建設する際に、コストを削減し、設計の柔軟性を高め、再現可能な作業を生成することができます。

要約

メーカースペースは、研究者が新しい技術を開発し、生態学的研究で新しい種と協力することを可能にする高い可能性を秘めています。このプロトコルは、比較的低コストでより汎用性の高いフライトミルを構築するために、メーカースペースに見られる技術を活用する方法を示しています。この研究は、過去10年間に構築されたフライトミルからプロトタイプを抽出したことを考えると、このプロトコルは、シンプルで近代的な飛行工場から作られた発散を概説することに焦点を当てています。これまでの研究では、飛行ミルが速度、距離、周期などの飛行パラメータを測定するのにどれほど有利であるかがすでに示されています。このような工場は、研究者が形態学的、生理学的、または遺伝的要因とこれらのパラメータを関連付けることを可能にしました。これらの利点に加えて、この研究は、より柔軟で頑丈で折りたたみ可能なフライトミル設計を構築するために、3Dプリンタやレーザーカッターなどのメーカースペースでこの技術を使用することの利点について議論します。最も顕著なのは、この設計の3Dプリントされた部品はユーザーが調節可能なミル腕および赤外線(IR)センサーの高さを作ることによってさまざまなサイズの昆虫をテストすることを可能にする。3Dプリントはまたユーザーが容易に現場への迅速な貯蔵または輸送のための機械を分解することを可能にする。さらに、この研究は、最小限のストレスで昆虫をテザーするために磁石と磁気塗料をより活用しています。最後に、このプロトコルは、単一の記録内で区別可能な飛行試験を効率的に分離し、分析するコンピュータスクリプトを通じて飛行データの多目的な分析を詳述します。より多くの労力を要するが、メーカースペースやオンライン3Dモデリングプログラムで利用可能なツールを適用することは、学際的かつプロセス指向の実践を促進し、研究者が狭く調整可能な寸法で高価な、前作りの製品を避けるのに役立ちます。このプロトコルは、メーカー空間における技術の柔軟性と再現性を活用することで、創造的なフライトミル設計を促進し、オープンサイエンスを刺激します。

概要

昆虫の分散がいかに難しいかを考えると、飛行工場は昆虫の動き方という重要な生態学的現象に対処するための一般的な実験室ツールとなっています。その結果、フライトミル1、2、3、4のパイオニアが60年にわたるフライトミルの設計と建設を導いて以来、技術が改善され、科学コミュニティに統合されるにつれて、顕著な設計シフトがありました。時間が経つにつれて、自動データ収集ソフトウェアは、チャートレコーダーを置き換え、フライトミルアームはガラス棒からカーボンロッドとスチールチューブ5に移行しました。過去10年間だけでも、磁気ベアリングはテフロンまたはガラスベアリングを最適な摩擦のないものに置き換え、飛行ミル機械と汎用性の高い技術のペアは、オーディオ、ビジュアル、レイヤーファブリケーション技術が研究者のワークフローにますます統合されるにつれて増殖しています。これらの組み合わせには、翼空気力学6を測定する高速ビデオカメラ、聴覚飛行応答7を研究するための感覚的手がかりを模倣するデジタルアナログボード、および飛行中の翼の変形を追跡するためのキャリブレーションリグを作るための3Dプリンティングが含まれています。近年、メーカースペース、特に知識豊富なスタッフ9が運営するデジタルメディアセンターを持つ機関での新たな技術の台頭に伴い、より広い範囲の昆虫をテストし、デバイスを現場に輸送するために飛行工場を強化する可能性が高まっています。研究者が学問的な境界を越え、生産ベースの作業9、10、11、12を通じて技術的な学習を加速する可能性も高い。ここで発表されたフライトミル(Attisanoと同僚13から適応)は、メーカースペースに見られる新しい技術を利用して1だけでなく、スケールと寸法が目の前のプロジェクトに微調整されているフライトミルコンポーネントを作成しますが、2) 高予算やコンピュータ支援設計(CAD)に専門的な知識を要求することなく、レーザー切断と3D印刷のアクセス可能なプロトコルを研究者に提供します。

新しい技術と方法をフライトミルと組み合じる利点は大きいですが、フライトミルも貴重なスタンドアロンマシンです。フライトミルは昆虫の飛行性能を測定し、飛行速度、距離、または周期性が温度、相対湿度、季節、宿主植物、体重、形態形質、年齢、生殖活動などの環境または生態学的要因にどのように関連しているかを判断するために使用されます。アクログラフ、トレッドミル、風洞や屋内アリーナ14での飛行運動のビデオ記録のような代替方法とは異なり、飛行ミルは、実験室の条件下で様々な飛行性能統計を収集する能力のために注目される。これは、生態学者が飛行分散に関する重要な質問に対処するのに役立ち、それは彼らの規律の進歩を助ける - それは統合された害虫管理15、16、17、人口動態、遺伝学、生物地理学、生命史戦略18、またはフェロツの可塑性19、20、21、22.一方、高速カメラやアクトグラフのようなデバイスは、厳密で複雑で高価なセットアップを必要としますが、ウィングビート周波数や昆虫光相活動23、24などのより微調整された動きパラメータを導くことができます。したがって、ここで提示されるフライトミルは、研究者が飛行行動を調査するための柔軟で手頃な価格でカスタマイズ可能なオプションとして機能します。

同様に、新しい技術を生態学者のワークフローに統合するインセンティブは、分散研究に関する疑問やアプローチがより創造的で複雑になるにつれて上昇し続けています。技術革新を促進する場所として、メーカースペースは、専門知識の複数のレベルを引き出し、新しい技術的なスキルを習得するために、任意の年齢のユーザーのための低学習曲線を提供します10,12.メーカー空間とオンラインオープンソースを通じて、プロトタイピング科学デバイスの反復的かつ協調的な性質は、理論11の適用を加速し、生態学的科学における製品開発を促進することができます。さらに、科学ツールの再現性を高めることは、より広範なデータ収集とオープンサイエンスを促進します。これは、研究者が分散を測定するための機器や方法を標準化するのに役立ちます。ツールを標準化することで、生態学者は、分散カーネル25またはソースシンクコロニー形成ダイナミクス26から発達するメタ母集団モデルをテストするために、集団全体の分散データを統一することがさらに可能になる。医学界が患者ケアと解剖学教育27に3Dプリンティングを採用しているのと同様に、生態学者はレーザーカッターと3Dプリンタを使用して生態学的ツールと教育を再設計することができ、この研究の範囲内で、着陸プラットフォームや垂直に移動できるフライトミルアームなどの追加のフライトミルコンポーネントを設計することができます。さらに、Makerspace技術が提供するカスタマイズ、費用対効果、生産性の向上は、独自のツールやデバイスを開発しようとする研究者にとって比較的低い障壁を持つ分散プロジェクトを立ち上げる手助けとなります。

この飛行ミルを構成するために、メーカーが考慮できる機械的および器械的な制限もあります。磁石と3Dプリントされた機能強化により、クロスブラケットの構築を除いて、フライトミルは本質的に接着剤がなく、異なるサイズの昆虫に対応できます。しかし、昆虫の質量と強度が増加するにつれて、昆虫はつながれながら自分自身を取り外す可能性が高くなる可能性があります。強い磁石は増加したトーショナルドラッグを犠牲にして使用することができ、またはボールベアリングは、数グラム28、29の重量を量る昆虫を飛行試験するための堅牢なソリューションとして磁気ベアリングを置き換えることができます。それにもかかわらず、ボールベアリングは、主に高速および高温で長時間実験を行うとボールベアリングの潤滑を劣化させ、摩擦30を増加させるといういくつかの問題を提示することができる。したがって、ユーザーは、どのフライトミルのメカニックが研究と実験設計の昆虫に最も適するかを識別する必要があります。

同様に、このペーパーの考慮事項を超えたフライトミルを計測する方法はいくつかあります。ここで紹介するフライトミルでは、IRセンサーを使用して回転を検出し、WinDAQソフトウェアで回転を記録し、生データを処理するプログラミングスクリプトを使用しています。使い方は簡単ですが、WinDAQソフトウェアには限られたツールがあります。ユーザは対応するチャネルにコメントを付けることができず、回線のコンポーネントに障害が発生した場合は警告を受けられません。これらのケースは、コードを通じて検出して修正することによって、データ収集後にのみ解決されます。あるいは、ユーザーはカスタマイズ可能なデータ収集機能28 を提供する複数のソフトウェアを採用するか、またはバイクのmilometers29のような直接の速度と距離の統計を取るセンサーを採用することができます。ただし、これらの代替手段は、貴重な生データをバイパスしたり、あまりにも多くのソフトウェアアプリケーションで機能を拡散したりして、データ処理を非効率的にする可能性があります。最終的には、このプロトコルは、フライトミル計測器を改造するのではなく、現在のソフトウェアの制限に対する堅牢なプログラミングソリューションを提供します。

本論文では、研究者の分散研究を支援し、行動生態学の分野における新たな技術の組み込みを促進するために、強化された簡単な飛行ミルの設計を説明する。この飛行ミルはインキュベーターの制約の範囲内に収まり、最大8つの昆虫を同時に収容し、データ収集と処理を自動化します。特に、その3Dプリントされた機能強化により、ユーザーはミルアームとIRセンサーの高さを調整して、さまざまなサイズの昆虫をテストし、迅速な保管や輸送のためにデバイスを分解することができます。共同メーカースペースへの制度的なアクセスのおかげで、すべての機能強化は無料で、シンプルで近代的なフライトミルと比較して追加コストは発生しません。必要なソフトウェアはすべて無料で、電子回路はシンプルで、実験計画の特定のニーズに合わせてすべてのスクリプトを変更できます。さらに、コード化された診断により、ユーザーは録音の完全性と精度を確認できます。最後に、このプロトコルは、昆虫をミルアームに磁気的に塗装し、テザリングすることによって、昆虫が持続するストレスを最小限に抑えます。シンプルなフライトミルの組み立てはすでにアクセス可能で、手頃な価格で柔軟であり、Makerspace技術を使用してシンプルなフライトミルを強化することで、研究者に独自の飛行研究ニーズを克服するスペースを与えることができ、この論文の考慮事項を超えた創造的なフライトミル設計を刺激することができます。

プロトコル

1. メーカースペースでフライトミルを構築する

  1. レーザーカットとアクリルプラスチックサポート構造を組み立てます。
    1. 8(304.8 mm x 609.6 mm x 3.175 mm)厚い透明なアクリルシートを使用して、アクリルプラスチック支持構造を構築します。材料は、アクリルに似ているが、レーザーの下でカットを取得する代わりに溶融するポリカーボネートではないことを確認してください。
    2. メーカースペースでレーザーカッターを探します。このプロトコルは、Makerspace に 「材料表」で参照されているレーザーカッターがあることを前提としています。他のレーザーカッターの場合は、レーザーカッターの設定を読んで、レーザカットまたは彫刻(ラスタ化しない)ファイルラインを設定するために必要な線の色または太さを決定します。
    3. Adobe イラストレーター、インクスケープ (無料)、または別のベクターグラフィックスエディタを開きます。 図 1に示す前述の行を使用して、アクリルサポートデザインをベクター形式で読み取るファイルを準備します。RGB レッド (255, 0, 0) がラインをカットし、RGB ブルー (0, 0, 255) がラインをエッチングする 0.0001 ポイントの、赤、緑、青 (RGB) モードの Adobe Illustrator でファイル行を作成します。
    4. 予防措置として、すべてのスリットおよび穴の測定のためのカーフをテストし、説明する。kerf キーを設計およびテストします (補足図 1)。
      注: カーフ幅は、レーザーカッターのビーム幅、材料の幅、使用する材料タイプによって異なります。
    5. アクリルサポートデザインとカーフキーを、.ai、.dxf、.svgファイルなどの読み取り可能なファイルタイプとして保存します。ジョブをレーザーカッターに送信するには、レーザーカッターのローカルマシンでファイルを印刷し、レーザーソフトウェアを開きます。
      メモ:正しく印刷すると、デザイン内のすべてのベクトル切断線がレーザーソフトウェアのコントロールパネルに適切な色で表示されます。
    6. 材料を プラスチック として選択し、次に材料タイプを アクリルとして選択します。精度を高めるには、キャリパーで材料の厚さを測定し、その厚さを材料の厚さフィールドに入力します。マテリアルの焦点の Z 軸を自動有効にします。 [図の種類] を [なし] に設定し、[ 強度 ] は 0%のままにします。レーザーの割合パワーや%スピードなど、レーザーカッターの高度なメトリックを変更するには、kerf キーを使用してテストします。
      注: 経験則は、材料が厚いほど、より低い速度でより多くの電力が必要とされるということです。
    7. 切断する前に、レーザーカッターの電源投入、使用、保守に関するメーカースペースのガイドラインに従ってください。プリンターのキャビティに材料を配置し、アクリルのサポートをカットします。
      注:目の損傷を防ぐために、レーザーを見たり、切断中にアクリルシートを放置しないでください。
    8. プリンタの空洞から余分な材料を洗浄し、支持構造を組み立てます。 図 2Aにラベル付けされた外側の垂直壁と中央垂直壁の開いたスリットに各水平棚を挿入して組み立てる。水平棚の間の穴が揃っていることを確認します。
  2. プラスチックサポートを3Dプリント。
    1. Web ブラウザーを開き、オンラインの 3D モデリング プログラムでアカウントを作成します。無料アカウントオプション については、資料表 を参照してください。
    2. [3D デザイン]をクリック>新しいデザインを作成します。図 3に示すように、このスタディの正確な 3D プリント デザインを再現するには、アーカイブ3D_Prints.zip (補足 3D プリント) をダウンロードし、フォルダをデスクトップに移動します。解凍してフォルダを開きます。オンライン 3D モデリング プログラムのワークプレーン Web ページで、右上隅にある[インポート] をクリックし、.stl ファイルを選択します。
      注: 3D プリンタのビルド領域の境界内でオブジェクトを拘束している限り、複数の設計複製またはオブジェクトを作業平面に埋め込み、単一の .stl ファイルとして保存できます。3Dプリンタが印刷できる最大のオブジェクトは、長さ140mm×幅140mm×深さ140mmです。ただし、ビルド領域上のオブジェクトの数を最大化する手段として、オブジェクトを Z 軸に沿って回転させないでください。ダウンロードされたオブジェクトはオーバーハングを最小限に抑えるように配置されているため、必要最小限のサポートで最適に印刷できるからです。
    3. デザインを自己作成または調整するには、Web サイトのチュートリアルに従って編集を行い、新しいデザインを .stl ファイルとしてエクスポートします。合計で、 8リニアガイドレール(100.05 mm長さx 23.50 mm幅x 7.00 mm深さ)、16リニアガイドレールブロック(22.08mm長さx 11.47 mm幅x 12.47 mm深さ) 12~20本のネジ(長さ9.00mm×7.60mm幅×13.00mmの深さ)、15個のクロスブラケット(長さ50.00mm×50.00mm幅×20.00mmの深さ) 16マグネットホルダー(12.75 mm長さx 12.50 mm幅x 15.75 mm深さ)、16チューブサポート(29.22mm長さx 29.19 mm幅x 11.00 mm深さ)、16短リニアガイドレールサポート(16 40.00 mm の長さ x 11.00 mm 幅 x 13.00 mm 深さ)、および 16 長いリニア ガイド レール サポート (40.00 mm 長さ x 16.00 mm 幅 x 13.00 mm 深さ) を 3D 印刷する必要があります。各線形ガイドレール設計のミラーを取得するには、オブジェクトをクリックし 、Mキーを押して、オブジェクトの幅に対応する矢印を選択します。
      注: ステップ 1.3.6 を参照してください。リニアガイドレールペグの詳細については、
    4. 3D印刷スライスソフトウェアをダウンロードしてインストールし、.stlファイルを3Dプリンタの読み取り可能な.gxファイルに変換します。フリーソフトウェアプログラムをダウンロードするには、 資料表 を参照してください。
      注 : 他の変換ソフトウェア プログラムは受け入れ可能ですが、このプロトコルは、Makerspace が 3D プリンタを使用し、 材料表で参照されている印刷スライス ソフトウェアを使用していることを前提としています。
    5. 3D 印刷スライスソフトウェアのアイコンをダブルクリックして、ソフトウェアを起動します。[>マシンタイプを印刷]をクリックし、メーカースペースにある3Dプリンタを選択します。
    6. [ 読み込み ]アイコンをクリックして.stlモデルファイルをロードし、ビルド領域にオブジェクトを表示します。
    7. オブジェクトを選択し、 移動 アイコンをダブルクリックします。[ プラットフォーム上] をクリックして、モデルがプラットフォーム上にあることを確認します。[ 中央] をクリックしてオブジェクトをビルド領域の中央に配置するか、マウス ポインタを使用してオブジェクトをドラッグしてオブジェクトをビルド領域に配置します。
    8. 印刷アイコンをクリックします。材料タイプがPLAに設定され、サポートおよびいかだが有効になり、解像度が標準に設定され、押出機の温度が3Dプリンタガイドで推奨される温度と一致していることを確認します。温度は、その他のオプション>>温度内で変更できます。
    9. USB ケーブルを使用して 3D プリンターにファイルを転送できない場合は、[OK] をクリックし、3D_Prints フォルダーまたは USB スティックに.gxファイルを保存します。
    10. メーカースペースの3Dプリント機を探します。押出機を調整し、印刷に十分なフィラメントがあることを確認します。3Dプリンタに.gxファイルを転送し、プラスチックサポートと機能強化のすべてのタイプと量を印刷します。各印刷物について、フィラメントがプレートに正しく貼り付いているか確認してください。
  3. アクリル支持構造に3Dプリントを組み立てます。
    1. すべてのサポートをその場で視覚化するには、 図 2Bを参照してください。
    2. 十字ブラケットの内壁に3.175 mm厚いネオプレンシートを熱く接着します。乾いた場合は、アクリル棚の接合部にクロスブラケットを挿入し、デバイスの背面にある壁を挿入して飛行ミルを安定させます。
    3. 可能な限り、3Dプリントされたネジを使用して、鉄ねじの磁気的影響を最小限に抑えます。チューブ内のねじは、各セルの底部と上部に支えます。上部と下部のチューブのサポートが揃っていることを確認します。
    4. 長さ30mmのプラスチックチューブ(内径(ID)9.525mm、外径(OD)12.7mm)を上部チューブサポートに挿入し、長さ15mmのプラスチックチューブ(ID 9.525 mm)を挿入します。OD 12.7 mm)を各セルの底管支持に。その後、長さ40mmのプラスチックチューブ(ID 6.35 mm;;OD 9.525 mm) を上部チューブと長さ 20 mm のプラスチックチューブ (ID 6.35 mm;OD 9.525 mm) を下部チューブに入ります。チューブ間にチューブを所定の位置に保持するのに十分な強い摩擦があることを確認しますが、引っ張っても内側のチューブが引っ張られたまま上下にスライドできることはそれほど多くはありません。チューブがゆがんだ場合は、沸騰した水の中に1分間チューブのセグメントを沈めます。タオルでチューブをまっすぐにし、室温に達してからチューブを挿入します。
    5. 2つの低摩擦ネオジム磁石(直径10mm、長さ4mm、保持力2.22kg)を各磁石支持体に入れる。磁石の各ペアが互いに反発していることを確認します。そして、磁石と磁石の支持に作用する重力が内側の管から支持を外すほど強くないように、各マグネット支持にインナーチューブをしっかりと取り付けます。
    6. 同じ方向に向き合って、2 つのリニア ガイド レール ブロックをリニア ガイド レールにスライドさせます。リニアガイドレールとブロックを外側の垂直壁の窓に直立して取り付けます。ブロック開口部が上向きであることを確認します。1 つのリニア ガイド レールを固定するには、2 つの短いリニア ガイド レール サポート、2 つの長いリニア ガイド レール サポート、4 つの 10 mm 長い鉄ネジ (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径)、2 本の長い鉄ねじ (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径) 、および 2 つの六六ナット (M5; 0.8 ねじピッチ; 5 mm 直径) を使用します。 図2C は、リニアガイドレールの完全な組み立てを示しています。
      メモ:リニアガイドレールのオープンスロットは、リニアガイドレールがブロックの繰り返しスライドによって侵食された場合にのみ使用されます。その場合は、3D_Printsフォルダにある小さなT字型のペグを3Dプリントします。
  4. ピボットアームを構築します。
    注: サブセクション 1.4.1 および 1.4.2 は、サブセクション 1.2.2 と同等です。および 1.2.3.Attisanoら で 2015 メソッド紙13.
    1. 20 μL フィルターのピペットチップのフィルターを、その中心点で、浸透ピンを使用して穿刺します。次に、ピペットチップの本体からピンの鋼端が突き出るまでピペットチップを通してピンを押します。ピペットチップのフィルターがピンを所定の位置に固定していることを確認します。ピンは、フライトミルアームの軸として機能します。
    2. 細胞空間を最大にするために、19Gの非磁性皮下鋼管を24cm(飛行セルの幅より1cm小さい)に切る。ステップ1.4.1から突き出たピンとピペットチップのクラウンを熱く接着します。チューブの中間点にします。チューブの一方の端を端から95°の角度まで2cmで曲げます。
      注:細胞空間を最大化するのではなく、昆虫のサイズを優先するには、小さな昆虫や弱いチラシの場合は、アームの半径を短くしてください。より大きな昆虫や強いチラシのために中心アクリル壁を取り外した場合、より長い飛行アームを組み立てることもできます。さらに、腕の曲がった結末は自然な飛行のオリエンテーションで昆虫を位置づけるために異なった角度を支えることができる。
    3. 磁気懸濁液をテストするには、磁石の上部セットの間にアームを置きます。回転アームが垂直に吊り下げられたピンの周りを自由に回転するようにします。
    4. ピボットアームの曲がった端に2つの低摩擦ネオジム磁石(直径3.05mm、長さ1.58mm、0.23kg保持力)を接着し、磁気塗装された昆虫を飛行用に接着します(磁石付き飛行ミルアームの質量= 1.4g)。ピボットアームの曲がった端に、アルミ箔(面積あたりの質量 = 0.01 g/cm2)をラップしてフラグを作成します。フォイルフラグは、カウンターウェイトとして機能し、その高反射特性のために、それは最適に受信機にIRセンサトランスミッタから送信されたIRビームを破る。
      注:IRビームの直径は最高で2.4mmなので、ホイルフラグの最適な最小幅は3mmです。3 mmのホイルフラグ幅で、センサーのエミッタレンズの前でIR光のビームを破るように配置すると、解析中に検出可能な電圧の低下が生じるでしょう。
  5. IR センサーとデータ ロガーをセットアップします。
    1. IRセンサー送信機を、ビームのエミッタを下向きにした上部リニアガイドレールブロックの内側に置きます。次に、IRセンサー受信機を底面ブロック内に上向きに配置します。
      注:センサー(20 mmの長さx 10 mm幅x 8 mmの深さ)は250 mmの距離まで分離することができ、まだ機能します。したがって、それらは約100 mmの線形ガイドレールの端部に置かれたときでさえ機能する。
    2. 図4Aの電子回路に示すように、はんだレスブレッドボード上で、IRセンサトランスミッタと受信機を4チャンネルアナログ入力データロガーに直列に接続します。180 Ω抵抗に続いて、(受信機ではなく)IRセンサー送信機を最初に接続します。IR受信機接続の出力の前に、別の2.2 kΩ抵抗を置きます。各チャンネルの電子回路をブレッドボードに沿って交互に構成し、記録中に複数のセンサからの電圧信号のノイズを最小限に抑えます(図4B)。

2. 飛行試験の実施

  1. 磁気的に飛行ミルアームに昆虫をテザー。
    1. 昆虫にかかるストレスを最小限に抑えるには、爪楊枝または細かい精密アプリケーター(20G先端)を使用して昆虫の原型に磁気塗料を塗布します。塗料を少なくとも10分間乾燥させます。乾いたら、昆虫をフライトミルアームマグネットに取り付けます。異なるサイズの昆虫を磁気的に塗装し、テザリングする例については、図5 を参照してください。このプロトコルは、飛行テザリングおよび試験実験のためのモデル昆虫として ジェイデラヘマトロマ(ソープベリーバグ)を使用しています。
      注:昆虫と腕の磁石の間のより強い引力のために、磁気塗料の複数の層を適用します。さらに、飛行ミルアームの端に取り付けられた磁石を、昆虫の視野、質量、翼の範囲に最も適した磁石サイズに交換します。
    2. 飛行工場で一度に8つまでの昆虫を飛びます。1回の記録セッション中に複数の昆虫を順番にテストするために、少なくとも16個の昆虫をペイントする。
    3. 試験後に磁気塗料を取り除くために、塗料を細かい鉗子で切り落とし、環境保護庁(EPA)と労働安全衛生局(OSHA)の規制に従って処分します。
  2. WinDAQのイベントマーカーコメントツールを使用して、記録セッションを終了することなく、複数の昆虫を連続して記録します。
    1. 無料のWinDAQデータ記録および再生ソフトウェアをダウンロードしてインストールします。
    2. デスクトップにFlight_scriptsという新しいフォルダを作成します。Flight_scriptsフォルダ内に、data 、files2split、録音、split_files、およびstandardized_filesの 5 つの新しいフォルダを作成します。データシート.xlsx (補足ファイル 1) をダウンロードし、ファイルをFlight_scriptsディレクトリのデータ フォルダにドラッグします。
    3. データシートを 手動 で.xlsxデータ記録テンプレートとして使用します。バグの識別番号、バグがテストされる前に死んだかどうか、記録セット番号、チャネル文字とチャンネル番号で構成されるチャンバー(例えば、「A-1」、'B-4')の4つの列が必要です。チャンバ構成の可能性のある 1 つについては、図 2A を参照してください。
    4. WinDAQ ダッシュボードを開き、チェックボックスリストからデータロガーを選択し、「Windaq ソフトウェアの開始」を押します。選択したデータロガーごとに新しいウィンドウが開き、各センサからの入力信号が表示されます。
    5. サンプリングレートを定義するには、[ サンプルレートの編集] をクリックして[サンプルレート>]をクリックします。サンプリング周波数として「サンプルレート/チャネル」ボックスに「100サンプル/秒」と入力し 、OKを押します。
      注:このプロトコルは、IRセンサビームを中断するフラグに起因する電圧の低下であるトラフは、1.7 m/sの速度で0.36 Vの最小電圧降下に達するため、100 S/sを示唆しています。さらに、0.10 Vの最大電圧降下を持つノイズは、実際のトラフをフィルタリングすることなく、標準化中にフィルタリングすることができます。さらに、サンプルレートが100 S/sで、ユーザーは記録中および記録後に画面上の波形のトラフを見ることを容易にします。録音中にエラーが発生した場合、ユーザーはエラーやノイズからトラフをすばやく識別できます。いくつかの低サンプリング周波数間の比較については 、補足図 2を参照してください。
    6. 新しい記録セッションを開始するには、 ファイル > レコードを押します。最初のポップアップ ウィンドウで記録ファイルの場所を選択します。ファイル名を慎重に記述します。ファイル名には、少なくとも、記録セット番号とチャンネル文字が含まれています。Python スクリプトでモデル化されたファイル名の例は、次の例です: T1_set006-2-24-2020-B.txt。詳細については 、Flight_scripts フォルダから78~87行split_files.py参照してください。次に 、[OK] をクリックします。
    7. 次のポップアップ ウィンドウで、予想されるフライト記録の長さを入力します。昆虫が飛行を開始する位置にある場合は 、[OK]を押します 。記録時間が経過したら 、Ctrl-S キーを押してファイルをファイナライズします。録音を早く終了する必要がない限り 、Ctrl-S を押してはなりません。
      注: Ctrl+S キーを押すか、前述の長さを入力してファイルが早すぎる場合は、[ ファイル > レコード] をクリックして既存のファイルに新しい 記録を追加します。追加するファイルを選択し、次のポップアップ ウィンドウで [はい ] をクリックします。
    8. 記録中にテストされた昆虫を引き出すときに、その選択したチャンバーに入ってくる昆虫のコメントされたイベントマーカーを挿入する。昆虫を入れ替える前に、常に手動で入ってくる昆虫の ID、チャンバー、記録 セットをデータシートに記録.xlsx。
    9. イベント マーカーのコメントを作成するには、チャンネル番号をクリックします。次に、[ 編集 ] をクリック> コメント付きマークを挿入します。チャンバーに入る新しい昆虫の識別番号でコメントを定義します。 OKを 押して、昆虫をチャンバーに積み込みます。
  3. イベント マーカーのコメントを視覚化し、WDH から TXT にファイルを変換します。
    1. WDH ファイルを開きます。[圧縮の編集] >行ってイベント マーカーのコメントを視覚化します。をクリックし、[最大]ボタンをクリックして波形を1つのウィンドウに完全に圧縮します(図6A)。
    2. 記録に異常がないか確認します。
      メモ: 図 6に、記録の異常または障害の種類を示します。これらは後で診断され、Python スクリプトで修正されます。
    3. [ファイル] > [名前を付けて保存] に進み、[ファイル] >.txt形式でファイルを保存します。ファイルを保存する場所として、Flight_scriptsディレクトリ内のレコーディング フォルダーを選択します。ポップアップウィンドウでスプレッドシート印刷(CSV)としてファイルタイプを選択し、最後に.txtファイル名を書き込みます。[保存 ]をクリックします。次のポップアップ ウィンドウで、[サンプルレート]、[相対時間]、[日付と時刻] を選択します。チャネル番号とイベント マーカーの間に「1」と入力します。他のすべてのオプションの選択を解除し、[OK]をクリックしてファイルを保存します。

3. フライトデータの分析

  1. イベント マーカー コメントでファイルを分割します。
    1. 最新バージョンの Python をインストールします。このプロトコルのすべてのスクリプトは、Python バージョン 3.8.0 で開発されました。
    2. 次の Python スクリプトをダウンロードします: split_files.py、 standardize_troughs.py、 および flight_analysis.py (補足コーディング ファイル) 。スクリプトを Flight_scripts フォルダに移動します。
    3. Python が最新であることを確認し、次のライブラリをインストールします: csv、os、sys、再、日時、時刻、数字、数学、および matplotlib。スクリプトの主な機能とデータ構造を確認するには、図 3 の 図表を参照してください。
    4. データシート.xlsxファイルを開き、Mac を実行している場合は、Windows またはMacintosh のコンマ区切りファイル形式をCSV UTF-8 (コンマ区切り) に変更してCSVとして保存します。
    5. 選択したテキスト エディタで split_files.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
    6. ユーザーが推奨テンプレートとは異なるファイル名を書いた場合は、133-135 行と 232-233 行を再コード化します ('T1_set006-2-24-2020-B.txt')。split() 関数を使用して異なるファイル名に対応するようにスクリプトを再コード化するには、116-131 行を参照してください。
    7. 行 266 で、Flight_scripts フォルダーへのパスを入力し、スクリプトを実行します。実行が成功すると、スクリプトは、Flight_scripts ディレクトリ内の split_files フォルダー内の各記録セットでテストされた各昆虫のファイルを .txt、files2split フォルダー内のマップされた昆虫 ID の中間.txt ファイルを生成します。
      注: さらに、Python シェルでは、ユーザーは、ファイル名の印刷ステートメント、番号付きイベント マーカーで昆虫が入れ替わる、昆虫 ID によって新しいファイルに分割および生成されるファイルを確認する必要があります。
  2. 記録された信号のトラフを標準化して選択します。
    1. 選択したテキスト エディタで standardize_troughs.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
    2. 158 行目に、サンプリング周波数を入力します。
    3. 159 行目に、Flight_scripts フォルダーへのパスを入力し、スクリプトを実行します。スクリプトが正常に実行されると、Flight_scripts ディレクトリのstandardized_files フォルダーにファイルが生成されます。
      注: すべてのファイルは、最初は 「standardized_」で始まり、元のファイル名で終わる必要があります。
    4. 録画の品質を確認します。Flight_scriptsフォルダにあるstandardize_troughs.pyによって生成されたtrough_diagnostic.pngを開きます。すべてのレコードが平均標準化間隔の最小および最大電圧値の変化に対して堅牢であることを確認します。
      注: 録音は、最小および最大偏差値が増加したときに識別されるトラフの数が大幅に減少する場合、ノイズが多い場合や、過度に敏感なトラフを持つ可能性があります。最小最小正規化係数の追加診断をコード化、実行、およびプロットすることもできます。記録品質をチェックする別の方法は、ステップ 2.3.1 で説明されています。2.3.2.の Attisano ら 2015 メソッド紙13.
    5. 診断を評価し、ライン198をコメント解除し、すべてのファイルの標準化を実行するために使用される平均電圧の周りの最小値と最大値を定義する最小および最大偏差値を指定します。デフォルトは、各偏差値に対して 0.1 V です。
      注: 53 行目では、しきい値よりはるかに低い電圧を識別するために、最小最小正規化係数しきい値を指定することもできます。
    6. 偏差値を入力した後に 189 行目をコメントアウトし、スクリプトを実行します。スクリプトは、すべてのファイルに対して標準化を効率的に実行します(約25倍高速)。
  3. 標準化されたファイルを使用してフライトトラックを分析します。
    1. 選択したテキスト エディタで flight_analysis.py アイコンを開きます。プリファレンスがない場合は、スクリプトアイコンを右クリックし 、[IDLE で開く] を選択します。
    2. 76-78行目で、昆虫が飛行を停止した後にミルの腕の追加回転を抑制するオプションの速度補正を編集します。低速飛行昆虫を操作する場合は、このしきい値を慎重に決定します。
    3. 121 行目で、速度しきい値を編集して、速度の極端な速度や負の速度などの誤った速度の読み取り値を修正します。130 行目で、タイム ギャップ値を編集して、連続する 2 つの連続した連続した飛行中の間に発生する長いギャップを除外します。
    4. 行 350 に、*.txt標準化ファイルが保存されるフォルダーへのパスを入力します。
    5. 353行目に、試験中に使用されるアーム半径長さを入力し、昆虫が回転する回転ごとに飛行する円形飛行経路を定義する。
    6. 距離と時間の SI 単位を、それぞれ 357 行目と 358 行目の文字列として識別します。
    7. 行 388-397 では、split() 関数を使用して、少なくとも昆虫の識別番号と、昆虫がファイル名から飛んできたセット番号とチャンバを抽出します。このスクリプトは、'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'の包括的なファイル名の例に従います。必要に応じて、ステップ 2.2.6.で提案されているようにこのファイル名を単純化し、使用しない場合は、392 行目と 401 行目の試用タイプなどの変数をコメントアウトまたは削除します。
    8. すべてのユーザー設定を指定し、保存して、スクリプトを実行します。スクリプトの実行が成功すると、Python シェルで昆虫の対応する ID 番号、チャンバ、および計算されたフライト統計情報が出力されます。さらに、Python Shell で印刷された情報から構成されるflight_stats_summary.csvファイルを生成し、Flight_scriptsディレクトリのデータ フォルダーに.csvファイルを保存します。

結果

飛行データは、モデル昆虫としてフロリダから収集されたJ.ヘマトロマを使用して2020年冬の間に実験的に得られました(ベルナト、A.V.とチェンツァー、M.L.、2020年、未発表データ)。代表的な飛行試験は、シカゴ大学の生態進化学科で行われました。 飛行ミルは、28°C/27°C(昼/夜)、相対湿度70%、?...

ディスカッション

シンプルで近代的なフライトミルは、複数の昆虫を効率的かつ費用対効果の高い13、31、35でテストする信頼性の高い自動設計を提供することで、テザード昆虫飛行の研究に関心のある研究者にさまざまな利点をもたらします。同様に、研究者は、生態学的システム9、32、33を研究するための実験?...

開示事項

著者は開示するものは何もない。

謝辞

メレディス・チェンツァーがすべてのフライトミル材料を購入し、建設からプロジェクトの書き上げまで継続的なフィードバックを提供してくれたことに感謝します。アナ・シルバーグのstandardize_troughs.pyへの貢献にも感謝します。最後に、シカゴ大学のメディアアート、データ、デザインセンター(MADD)に対し、共同メーカースペース機器、技術、および物資を無料で使用する許可を得ていただきありがとうございます。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
180 Ω ResistorE-Projects10EP514180RCarbon film; stiff 24 gauge lead.
19 Gauge Non-Magnetic Hypodermic Steel TubingMicroGroup304H19RW 
2.2 kΩ ResistorAdafruit2782Carbon film; stiff 24 gauge lead.
3D PrinterFlashForge700355100638
3D Printer FilamentFlashForge700355100638Diameter 1.75 mm; 1kg/roll.
3D Printing Slicing SoftwareFlashPrint4.4.0
Acrylic Plastic SheetsBlick Art Supplies28945-1006
Aluminum FoilTarget253-01-0860
Breadboard Power SupplyHandsOn TechMDU1025Can take 6.5V to 12V input and can produce 3.3V and 5V.
DI-1100 USB Data LoggerDATAQ InstrumentsDI-1100Has 4 differential armored analog inputs.
Electrical WiresStrivedayB077HWS5XV24 gauge solid wire.
Entomological PinsBioQuip1208S2Size 2; diameter 0.45 mm.
Filtered 20 uL Pipette TipFisher Scientific21-402-550
Hot Glue Gun with Hot GlueJoann Fabrics17366956
IR SensorAdafruit2167This is the 3 mm IR version; works up to 25 cm.
Large Clear Vinyl TubingHome DepotT10007008Inner diameter 3/8 in; outer diameter 1/2 in; length 20 ft.
Large MagnetsBuntingEP654Low-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 NutHome Depot204274112Thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Long Iron ScrewsHome Depot204283784Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 20 mm; diameter 5 mm.
M5 Short Iron ScrewsHome Depot203540129Philips pan head; thread pitch 0.8 mm; screw length 10 mm; diameter 5 mm.
Neoprene Rubber SheetGrainger60DC16Length 12 in; width 12 in; depth 1/8in.
Online 3D Modeling SoftwareAutodesk2019_10_14Tinkercad.com offers a free account.
Power AdaptorAdafruit639 VDC 1000mA regulated switching; input voltage DC 3.3V 5V.
Small Clear Vinyl TubingHome DepotT10007005Inner diameter 1/4 in; outer diameter 3/8 in; 20 ft long.
Small MagnetsBuntingN42P120060Low-friction N42 neodymium; diameter 0.120 in; length 0.060 in; holding force 0.5 lb.
Solderless MB-102 Breadboard Adafruit239830 tie points; length 17 cm; width 5.5 cm; input voltage, DC 3.3 V 5 V.
Sophisticated Finishes Iron Metallic SurfacerBlick Art Supplies27105-2584
Wire CuttersTarget 84-031W

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