테더드 곤충 비행 연구를 위한 향상된 비행 밀 구축

요약

이 프로토콜은 보다 유연한 비행 밀 설계를 만들기 위해 메이커 스페이스에 있는 3차원(3D) 프린터와 레이저 커터를 사용합니다. 이 기술을 사용하여 연구원은 테더드 곤충 비행 연구를 위해 비행 공장을 건설할 때 비용을 절감하고 설계 유연성을 향상시키며 재현 가능한 작업을 생성할 수 있습니다.

초록

메이커스페이스는 연구자들이 새로운 기술을 개발하고 생태 연구에서 새로운 종과 함께 일할 수 있게 하는 잠재력이 높습니다. 이 프로토콜은 상대적으로 저렴한 비용으로 보다 다재다능한 비행 공장을 구축하기 위해 메이커스페이스에서 발견되는 기술을 활용하는 방법을 보여줍니다. 이 연구는 지난 10 년 동안 지어진 비행 공장에서 프로토 타입을 추출한 것을 감안할 때,이 프로토콜은 간단하고 현대적인 비행 공장에서 만든 발산을 요약하는 데 더 중점을 둡니다. 이전 연구는 이미 비행 공장이 속도, 거리 또는 주기와 같은 비행 매개 변수를 측정하는 데 얼마나 유리한지를 보여주었습니다. 그 같은 공장은 연구원이 형태학, 생리학, 또는 유전 요인과 이 매개 변수를 연관시키기 위하여 허용했습니다. 이러한 장점 외에도 이 연구는 보다 유연하고 튼튼하며 접을 수 있는 비행 밀 설계를 구축하기 위해 3D 프린터 및 레이저 커터와 같은 제조 업체공간에서 기술을 사용하는 이점에 대해 설명합니다. 특히, 이 설계의 3D 인쇄 구성 요소는 사용자가 밀 팔과 적외선 (IR) 센서의 높이를 조절하여 다양한 크기의 곤충을 테스트 할 수 있습니다. 또한 3D 인쇄를 통해 사용자는 기계를 쉽게 분해하여 신속하게 저장하거나 현장으로 운송할 수 있습니다. 또한,이 연구는 최소한의 스트레스와 곤충을 밧줄 자석과 자기 페인트의 더 큰 사용을합니다. 마지막으로 이 프로토콜은 컴퓨터 스크립트를 통해 비행 데이터의 다재다능한 분석을 자세히 설명하여 단일 레코딩 내에서 차별화가능한 비행 시험을 효율적으로 분리하고 분석합니다. 더 많은 노동 집약적이지만, 메이커 스페이스와 온라인 3D 모델링 프로그램에서 사용할 수있는 도구를 적용하면 다분야 및 프로세스 지향 관행을 용이하게하고 연구원이 좁게 조정 가능한 치수를 가진 비용이 많이 드는 미리 만들어진 제품을 피할 수 있습니다. 이 프로토콜은 메이커스페이스에서 기술의 유연성과 재현성을 활용하여 창의적인 비행 공장 설계를 촉진하고 개방형 과학에 영감을 줍니다.

서문

곤충의 분산이 현장에 얼마나 난해할 수 있는지를 감안할 때, 비행 공장은 곤충이 어떻게 움직이는지 중요한 생태 학적 현상을 해결하기위한 일반적인 실험실 도구가되었습니다. 그 결과, 비행 공장^1,2,3,4의 개척자들이 6년간의 비행 공장 설계 및 건설을 시작한 이래로 기술이 개선되고 과학 공동체에 통합됨에 따라 눈에 띄는 설계 변화가 있었습니다. 시간이 지남에 따라 자동화 된 데이터 수집 소프트웨어는 차트 레코더를 대체하고, 비행 공장 무기는 유리 막대에서 탄소 막대및 강철 튜브^5로전환. 지난 10년 동안만 해도 마그네틱 베어링은 테플론 또는 유리 베어링을 최적으로 마찰이 없는 것으로 대체했으며, 비행 밀 기계와 다목적 기술 간의 쌍은 오디오, 시각 및 레이어 제작 기술이 점점 더 연구자의 워크플로우에 통합됨에 따라 확산되고 있습니다. 이 페어링에는 날개 공기역학^6을측정하는 고속 비디오 카메라, 청각 비행 응답^7을연구하기위한 감각 신호를 모방하는 디지털 - 아날로그 보드,^{비행 8}시 날개 변형을 추적하는 교정 장비를 만드는 3D 프린팅이 포함되어 있습니다. 최근 메이커스페이스에서 신흥 기술이 부상하면서, 특히 지식이 풍부한 직원^9명이운영하는 디지털 미디어 센터가 있는 기관에서 는 더 넓은 범위의 곤충을 테스트하고 장치를 현장으로 운송할 수 있는 비행 공장을 강화할 수 있는 더 큰 가능성이 있습니다. 또한 연구자들이^{9,10,11,12를}통해 징계 경계를 넘어 기술 학습을 가속화할 가능성이 높다. 여기에 제시된 비행 밀(Attisano 및 동료^13)은메이커스페이스에서 발견되는 신흥 기술을 1개까지 활용하며, 저울과 치수가 프로젝트에 미세 조정되는 비행 밀 부품을 제작할 뿐만 아니라 2) 연구원들에게 고예산 또는 컴퓨터 지원 설계(CAD)에 대한 전문 지식을 요구하지 않고도 레이저 절단 및 3D 프린팅에 액세스할 수 있는 프로토콜을 제공합니다.

새로운 기술과 방법을 비행 공장과 결합하는 이점은 상당하지만 비행 공장은 귀중한 독립 형 기계입니다. 비행 공장은 곤충 비행 성능을 측정하고 비행 속도, 거리 또는 주기성이 온도, 상대 습도, 계절, 호스트 식물, 체질량, 형태학적 특성, 나이 및 생식 활동과 같은 환경 또는 생태 적 요인과 어떻게 관련이 있는지 결정하는 데 사용됩니다. actographs, 러닝머신, 풍동 및 실내 경기장에서의 비행 움직임 의 비디오 녹화와 같은 대체 방법과는 별개로^비행공장은 실험실 조건에서 다양한 비행 성능 통계를 수집 할 수있는 능력으로 유명합니다. 이것은 생태학자들이 비행 분산에 대한 중요한 질문을 해결하는 데 도움이되며, 통합 해충 관리^15,16,17,인구 역학, 유전학, 생체 지리학, 생명 역사 전략^18,또는 phenotypic 가소성^19,20,21,22 등 그들의 분야에서 진행되는 데^{도움이됩니다.} . 한편, 고속 카메라와 박도서와 같은 장치는 엄격하고 복잡하며 값비싼 설정이 필요할 수 있지만 윙 비트 주파수 및 곤충 광상^{활동(23,24)과}같은 미세 조정 된 운동 매개 변수로 이어질 수도 있습니다. 따라서 여기에 제시된 비행 공장은 연구원이 비행 행동을 조사할 수 있는 유연하고 저렴하며 사용자 지정 가능한 옵션역할을 합니다.

마찬가지로, 신흥 기술을 생태학자의 워크플로우에 통합하는 인센티브는 분산을 연구하는 질문과 접근 방식이 더욱 창의적이고 복잡해짐에 따라 계속 증가하고 있습니다. 혁신을 촉진하는 위치로, 메이커 스페이스는 여러 수준의 전문 지식을 끌어들이고 모든 연령대의 사용자가 새로운 기술 기술을 습득할 수 있도록 낮은 학습 곡선을 제공합니다^10,12. 제조 공간과 온라인 오픈 소스에서 과학 장치를 프로토타이핑하는 반복적이고 협력적인 특성은 이론^11의 적용을 가속화하고 생태 과학의 제품 개발을 촉진 할 수 있습니다. 또한 과학 도구의 재현성을 높이면 더 넓은 데이터 수집 및 개방형 과학이 장려될 것입니다. 이는 연구원이 분산을 측정하는 장비 또는 방법을 표준화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 도구를 표준화하면 생태학자들이 분산^커널(25) 또는 소스 싱크대 식민지 역학^26에서발생하는 메타모집단 모델을 테스트하기 위해 인구 전반에 걸쳐 분산 데이터를 통합할 수 있습니다. 의료계가 환자 치료 및 해부학^{교육(27)을}위해 3D 프린팅을 채택하는 방법과 마찬가지로, 생태학자들은 레이저 커터와 3D 프린터를 사용하여 생태 도구와 교육을 재설계할 수 있으며, 이 연구의 범위 내에서 착륙 플랫폼이나 수직으로 이동할 수 있는 비행 공장 암과 같은 추가 비행 밀 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 또한 메이커스페이스 기술이 제공하는 사용자 지정, 비용 효율성 및 생산성 향상은 자체 도구와 장치를 개발하려는 연구자를 위한 장벽이 상대적으로 낮은 분산 프로젝트를 시작하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 비행 공장을 구성하기 위해 제조업체가 고려할 수있는 기계적 및 기악적 제한도 있습니다. 자석과 3D 프린팅 된 개선 기능을 사용하면 크로스 브래킷의 건설을 제외하고 비행 공장은 본질적으로 접착제가 없으며 다양한 크기의 곤충을 수용 할 수 있습니다. 그러나 곤충의 질량과 강도가 증가함에 따라 곤충은 묶여있는 동안 자신을 해체 할 가능성이 더 높을 수 있습니다. 강력한 자석은 비틀림 드래그가 증가하는 비용으로 사용할 수 있으며, 볼 베어링은 여러^{그램28,29의}무게를 가진 비행 테스트 곤충을 위한 견고한 솔루션으로 자기 베어링을 대체할 수 있다. 그럼에도 불구하고 볼 베어링은 고속및 고온으로 장기간 실험을 하면 볼 베어링의 윤활을 저하시킬 수 있어^{마찰(30)을}증가시키는 몇 가지 문제가 발생할 수 있다. 따라서 사용자는 어떤 비행 공장 역학이 곤충과 실험 설계에 가장 잘 어울리는지 분별해야 합니다.

마찬가지로 이 논문의 고려 를 넘어서는 비행 공장을 계측하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 여기에 제시된 비행 공장은 IR 센서를 사용하여 혁명을 감지하고 WinDAQ 소프트웨어가 회전을 기록하며 스크립트를 프로그래밍하여 원시 데이터를 처리합니다. 사용하기 쉽지만 WinDAQ 소프트웨어에는 제한된 배열의 도구가 있습니다. 사용자는 해당 채널에 주석을 첨부할 수 없으며 회로구성 요소가 실패하면 알림을 받을 수 없습니다. 이러한 경우는 코드를 통해 하지만 데이터 수집 후에만 검색하고 수정하여 해결됩니다. 또는 사용자는 사용자 지정 가능한 데이터 수집 기능을 제공하는 두 개 이상의 소프트웨어 또는 자전거 마일로미터^29와같은 직접 속도 및 거리 통계를 취하는 센서를 채택할 수 있습니다. 그러나 이러한 대안은 너무 많은 소프트웨어 응용 프로그램에서 중요한 원시 데이터 또는 분산 기능을 우회하여 데이터 처리를 비효율적으로 만들 수 있습니다. 궁극적으로 이 프로토콜은 비행 밀 계측을 재구축하는 대신 현재소프트웨어 제한에 대한 강력한 프로그래밍 솔루션을 제공합니다.

이 논문에서는 분산 연구에서 연구자들이 돕고 행동 생태 분야에서 새로운 기술의 통합을 장려하기 위해 향상된 간단한 비행 공장에 대한 설계가 설명되어 있습니다. 이 비행 공장은 인큐베이터의 제약 에 적합하며 최대 8 개의 곤충을 동시에 보유하고 데이터 수집 및 처리를 자동화합니다. 특히 3D 프린팅 을 통해 사용자는 밀 암과 IR 센서 높이를 조정하여 다양한 크기의 곤충을 테스트하고 장치를 분해하여 빠른 저장 또는 운송을 할 수 있습니다. 공동 메이커 스페이스에 대한 제도적 접근 덕분에 모든 개선 사항은 무료였으며 단순하고 현대적인 비행 공장에 비해 추가 비용이 발생하지 않았습니다. 필요한 모든 소프트웨어는 무료이며 전자 회로는 간단하며 모든 스크립트는 실험 설계의 특정 요구를 따르도록 수정할 수 있습니다. 또한 코딩된 진단을 통해 사용자는 녹음의 무결성과 정밀도를 확인할 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로토콜은 곤충을 자기적으로 페인팅하고 곤충을 밀 팔에 테더링하여 곤충에 의해 지속되는 응스트레스를 최소화합니다. 간단한 비행 공장의 조립이 이미 접근 가능하고 저렴하며 유연하기 때문에 간단한 비행 공장을 향상시키기 위해 메이커 스페이스 기술을 사용하면 연구원에게 특정 비행 연구 요구를 극복 할 수있는 공간을 부여하고이 논문의 고려 를 넘어 창의적인 비행 공장 설계를 고무 시킬 수 있습니다.

프로토콜

1. 메이커 스페이스에서 비행 밀을 구축

1. 레이저 절단 및 아크릴 플라스틱 지지 구조를 조립.
   1. 8(304.8mm x 609.6 mm x 3.175mm) 두께의 투명 아크릴 시트를 사용하여 아크릴 플라스틱 지지 구조를 구성합니다. 재료가 아크릴과 유사하지만 레이저 아래에서 절단되는 대신 녹아 있는 폴리 카보네이트가 아닌지 확인하십시오.
   2. 메이커스페이스에서 레이저 커터를 찾습니다. 이 프로토콜은 메이커스페이스에 재료 표에서 참조된 레이저 커터가 있다고 가정합니다. 다른 레이저 커터의 경우 레이저 커터 설정을 읽고 레이저 절단 또는 새겨진 파일 라인을 설정하는 데 필요한 라인 색상이나 두께를 결정합니다(래스터링되지 않음).
   3. Adobe Illustrator, 잉크스케이프(무료) 또는 다른 벡터 그래픽 편집기 열기. 그림 1에표시된 전술한 선이 있는 벡터 형식으로 아크릴 지원 설계를 읽는 파일을 준비합니다. RGB 레드(255, 0, 0)가 라인을 잘라내고 RGB 블루(0, 0, 255) 등등 라인을 잘라낼 수 있는 0.0001포인트의 빨간색, 녹색 및 파란색(RGB) 모드의 Adobe Illustrator에서 파일 라인을 만듭니다.
   4. 예방 조치로 모든 슬릿 및 구멍 측정에 대한 커프를 테스트하고 고려합니다. 커프키(보충도 1)를설계하고 테스트합니다.
      참고: Kerf 폭은 레이저 커터의 빔 너비, 재료의 너비 및 사용된 재료 유형에 따라 다를 수 있습니다.
   5. 아크릴 지원 설계 및 커프 키를 .ai, .dxf 또는 .svg 파일과 같은 읽을 수 있는 파일 유형으로 저장합니다. 작업을 레이저 커터로 보내려면 레이저 커터의 로컬 컴퓨터에 파일을 인쇄한 다음 레이저 소프트웨어를 엽니다.
      참고: 올바르게 인쇄하면 설계의 모든 벡터 절단 선이 레이저 소프트웨어의 제어판에 적절한 해당 색상으로 나타납니다.
   6. 재질을 플라스틱으로 선택한 다음 재료 유형을 아크릴로 선택합니다. 추가 정밀도를 위해 캘리퍼로 재료 두께를 측정하고 두께를 재료 두께 필드에 입력합니다. 재질의 초점의 Z축을 자동으로 활성화합니다. 그림 유형을 없음으로 설정하고 강도를 0%로둡니다. 레이저 % 파워 또는 % 속도와 같은 레이저 커터의 고급 메트릭을 변경하려면 kerf 키로 테스트하십시오.
      참고 : 엄지 손가락의 규칙은 재료가 두꺼워지면 더 낮은 속도로 더 많은 전력이 필요하다는 것입니다.
   7. 절단하기 전에 레이저 커터의 전원 공급, 사용 및 유지 관리에 대한 메이커스페이스의 지침을 따르십시오. 프린터 캐비티에 재료를 놓고 아크릴 지지대를 잘라냅니다.
      참고: 눈 손상을 방지하기 위해 레이저를 보거나 절단하는 동안 아크릴 시트를 방치하지 마십시오.
   8. 프린터 캐비티에서 초과 재료를 청소하고 지지 구조를 조립합니다. 도 2A에표시된 바와 같이 각 수평선 선반을 외부 수직 벽과 중앙 수직 벽의 열린 슬릿에 삽입하여 조립합니다. 수평 선반 사이의 구멍이 정렬되었는지 확인합니다.
2. 플라스틱 지지대를 3D 인쇄합니다.
   1. 웹 브라우저를 열고 온라인 3D 모델링 프로그램에서 계정을 만듭니다. 무료 계정 옵션에 대한 자료의 표를 참조하십시오.
   2. 새 디자인을 만들기 > 3D 디자인을 클릭합니다. 그림 3에서볼 수 있듯이 이 스터디의 정확한 3D 인쇄 디자인을 복제하려면 아카이브 3D_Prints.zip(보충 3D 인쇄)을다운로드하고 폴더를 바탕 화면으로 이동합니다. 폴더의 압축을 풀고 엽니다. 온라인 3D 모델링 프로그램 워크플레인 웹 페이지에서 오른쪽 상단 모서리에서 가져오기를 클릭하고 .stl 파일(들)을선택합니다.
      참고: 여러 디자인이 복제되거나 개체가 작업평면을 채우고 사용자가 3D 프린터의 빌드 영역 내의 객체를 억제하는 한 단일 .stl 파일로 저장할 수 있습니다. 3D 프린터가 인쇄할 수 있는 가장 큰 물체는 길이 140mm x 너비 140mm x 140mm 깊이입니다. 그러나 빌드 영역의 개체 수를 최대화하기 위한 수단으로 z축을 따라 객체를 회전하지 마십시오. 다운로드한 개체가 오버행을 최소화할 수 있도록 배치되었기 때문에 필요한 최소한의 지원으로 최적의 인쇄를 할 수 있습니다.
   3. 디자인을 자체 만들거나 조정하려면 웹 사이트의 자습서를 따라 편집한 다음 새 디자인을 .stl 파일로 내보냅니다. 총, 8 선형 가이드 레일 (길이 100.05 mm x 23.50 mm 폭 x 7.00 mm 깊이), 16 선형 가이드 레일 블록 (22.08 mm 길이 x 11.47 mm 폭 x 12.47 mm 깊이), 12 ~ 20 나사 (9.00mm 길이 x 7.60mm 폭 x 13.00mm 깊이), 15 개의 크로스 브래킷 (50.00mm 길이 x 50.00mm 너비 x 20.00 mm 깊이), 16 자석 홀더 (12.75 mm 길이 x 12.50 mm 폭 x 15.75 mm 깊이), 16 튜브 지지대 (29.22 mm 길이 x 29.19 mm 폭 x 11.00 mm 깊이), 16 짧은 선형 가이드 레일 지지대 (16 짧은 선형 가이드 레일 지원(16단 선형 가이드 레일 지원)(16단 선형 가이드 레일 지지대)(16개 길이 40.00mm x 11.00 mm 폭 x 13.00 mm 깊이) 및 16개의 긴 선형 가이드 레일 지지대(길이 40.00mm x 16.00mm 너비 x 13.00 mm 깊이)는 3D 인쇄되어야 합니다. 각 선형 가이드 레일 설계의 미러를 얻으려면 오브젝트를 클릭하고 M을누르고 오브젝트 너비에 해당하는 화살표를 선택합니다.
      참고: 1.3.6 단계를 참조하십시오. 선형 가이드 레일 페그에 대한 자세한 내용을 보려면.
   4. .stl 파일을 읽을 수 있는 .gx 파일로 변환하는 3D 프린팅 슬라이싱 소프트웨어를 다운로드하여 설치합니다. 자료 테이블을 참조하여 무료 소프트웨어 프로그램을 다운로드합니다.
      참고: 다른 변환 소프트웨어 프로그램은 허용되지만 이 프로토콜은 메이커스페이스가 3D 프린터를 사용하고 재료 표에서 참조된 슬라이싱 소프트웨어를 인쇄한다고 가정합니다.
   5. 소프트웨어를 시작하려면 3D 프린팅 슬라이싱 소프트웨어의 아이콘을 두 번 클릭합니다. > 기계 유형 인쇄를 클릭하고 메이커스페이스에 있는 3D 프린터를 선택합니다.
   6. Load 아이콘을 클릭하여 .stl 모델 파일을 로드하고 빌드 영역에 개체를 표시합니다.
   7. 개체를 선택하고 이동 아이콘을 두 번 클릭합니다. 플랫폼을 클릭하여 모델이 플랫폼에 있는지 확인합니다. 센터를 클릭하여 개체를 빌드 영역의 중앙에 배치하거나 마우스 포인터로 개체를 드래그하여 개체를 빌드 영역에 배치합니다.
   8. 인쇄 아이콘을 클릭합니다. 재료 유형이 PLA로설정되어 있는지 확인하고, 지지체와 뗏목이 활성화되고, 해상도가 표준으로설정되고, 압출기의 온도가 3D 프린터 가이드에서 제안한 온도와 일치하도록 합니다. 온도는 온도에 >> 더 많은 옵션 내에서 변경할 수 있습니다.
   9. 파일을 USB 케이블을 통해 3D 프린터로 전송할 수 없는 경우 확인을 누르고 3D_Prints 폴더 또는 USB 스틱에 .gx 파일을 저장합니다.
   10. 메이커스페이스의 3D 프린팅 머신을 찾습니다. 압출기를 보정하고 인쇄에 충분한 필라멘트가 있는지 확인합니다. .gx 파일을 3D 프린터로 전송하고 플라스틱 지지대 및 향상된 기능의 모든 유형과 수량을 인쇄합니다. 각 인쇄에 대해 필라멘트가 접시에 제대로 붙어 있는지 확인합니다.
3. 아크릴 지지 구조에 3D 인쇄물을 조립합니다.
   1. 모든 지지대를 시각화하려면 그림 2B를참조하십시오.
   2. 3.175mm 두께의 네오프렌 시트를 크로스 브래킷의 내부 벽에 뜨거운 접착제로 붙입니다. 건조하면 아크릴 선반의 접합부와 장치 뒤쪽벽의 교차 브래킷을 삽입하여 비행 공장을 안정화시하십시오.
   3. 가능한 한 3D 프린팅 나사를 사용하여 철 나사의 자기 영향을 최소화하십시오. 튜브의 나사는 각 셀의 바닥과 상단에 지지합니다. 상단 및 하단 튜브 지지대가 정렬되었는지 확인합니다.
   4. 30mm 길이의 플라스틱 튜브(내부 직경(ID) 9.525mm, 외경(OD) 12.7mm)를 상단 튜브 지지대에 삽입하고 15mm 길이의 플라스틱 튜브(ID 9.525mm; 각 셀의 하단 튜브 지지대에 OD 12.7 mm) 넣습니다. 이어서, 40mm 길이의 플라스틱 튜브(ID 6.35 mm)를 삽입; OD 9.525 mm) 상단 튜브와 20mm 길이의 플라스틱 튜브(ID 6.35 mm; OD 9.525 mm) 하단 튜브에 넣습니다. 튜브를 제자리에 고정하기에 충분한 마찰이 있는지 확인하지만, 내부 튜브가 당겨지면 위아래로 미끄러져 있을 수 없습니다. 튜브가 뒤틀리면 끓는 물에 1 분 동안 튜브의 세그먼트를 잠수하십시오. 수건에 튜브를 똑바르게 하고 실온에 도달한 다음 튜브를 삽입할 수 있습니다.
   5. 두 개의 저마찰 네오디뮴 자석(직경 10mm, 길이 4mm, 2.22 kg 의 지딩 력)을 각 자석 지지에 넣습니다. 각 자석 쌍이 서로를 격퇴하고 있는지 확인합니다. 그런 다음, 자석과 자석 지지에 작용하는 중력이 내부 튜브에서 지지를 빼앗을 만큼 충분히 강하지 않도록 각 자석 지지에 내부 튜브를 단단히 고정합니다.
   6. 동일한 방향을 향하여 두 개의 선형 가이드 레일 블록을 선형 가이드 레일로 밀어 넣습니다. 선형 가이드 레일을 넣고 외부 수직 벽의 창문으로 수직으로 블록을 고정합니다. 블록 개구부가 위쪽으로 향하고 있는지 확인합니다. 하나의 선형 가이드 레일을 제자리에 고정하려면 두 개의 짧은 선형 가이드 레일 지지대, 2개의 긴 선형 가이드 레일 지지대, 4개의 10mm 길이 아이언 스크류(M5; 0.8 실 피치; 5mm 직경), 20mm 길이의 철 나사(M5; 0.8 실 피치; 5mm 직경), 2개의 헥스 너트(M5; 0.8 실 피치; 5mm 직경)를 사용하십시오. 도 2C는 선형 가이드 레일의 전체 어셈블리를 나타낸다.
      참고: 선형 가이드 레일의 열린 슬롯은 선형 가이드 레일이 블록의 반복된 슬라이딩에 의해 침식되는 경우에만 사용됩니다. 그렇다면 3D_Prints 폴더에 있는 작은 T자형 페그를 3D 로 인쇄합니다.
4. 피벗 암을 구성합니다.
   참고: 하위 섹션 1.4.1 및 1.4.2는 하위 섹션 1.2.2와 동일합니다. 및 1.2.3. 에서 아티사노 외. 2015 방법 종이¹³.
   1. 곤충학적 핀을 사용하여 중앙 점에서 20 μL 필터링 된 파이펫 팁의 필터를 구멍을 뚫습니다. 그런 다음 피펫 팁의 본체에서 핀의 강철 끝이 튀어날 때까지 피펫 끝을 통해 핀을 밀어 넣습니다. 파이펫 팁의 필터가 핀을 제자리에 고정시키는지 확인합니다. 핀은 비행 밀 암의 축 역할을합니다.
   2. 세포 공간을 최대화하기 위해 19G 비자기 피하 강 튜브를 길이 24cm(비행 셀의 너비보다 1cm 낮음)로 자른다. 돌출 핀과 파이펫 팁의 크라운을 1.4.1 단계에서 뜨거운 접착제로 붙입니다. 튜브의 중간 지점에. 튜브의 한쪽 끝을 끝에서 95°의 각도로 2cm로 구부립니다.
      참고: 세포 공간을 최대화하는 대신 곤충 크기의 우선 순위를 정하려면 팔 반경을 줄여 작은 곤충이나 약한 전단의 경우 감소합니다. 더 큰 곤충이나 강한 전단지를 위해 중앙 아크릴 벽을 제거하면 더 긴 비행 팔을 조립할 수도 있습니다. 또한, 팔의 구부러진 엔딩은 곤충을 자연적인 비행 방향으로 배치하기 위해 다른 각도를 지원할 수 있습니다.
   3. 자기 서스펜션을 테스트하려면 팔을 자석 의 상단 세트 사이에 배치합니다. 회전 팔이 수직으로 정지된 핀 주위를 자유롭게 회전하도록 합니다.
   4. 피벗 암의 구부러진 끝에 두 개의 저마찰 네오디뮴 자석(직경 3.05mm, 길이 0.23kg) 비행용 자기로 칠해진 곤충(자석이 있는 비행 공장 암의 질량 = 1.4g)을 접착제로 붙입니다. 피벗 암의 구부러진 끝에, 플래그를 만들 알루미늄 호일 조각 (면적 당 질량 = 0.01 g / cm^2)를감쌉니다. 호일 플래그는 카운터웨이트 역할을 하며 반사율이 높기 때문에 IR 센서 송신기에서 수신기로 전송되는 IR 빔을 최적으로 깨뜨립니다.
      참고: IR 빔의 직경은 2.4mm이므로 호일 플래그의 최적 최소 폭은 3mm입니다. 3mm의 호일 플래그 폭과 센서의 방출기 렌즈 앞에 IR 빛의 빔을 깰 위치분석 중에 감지할 수 있는 전압이 떨어집니다.
5. IR 센서 및 데이터 로거를 설정합니다.
   1. IR 센서 송신기를 상단 선형 가이드 레일 블록 내부에 배치하고 빔의 방출기가 아래쪽을 향합니다. 그런 다음 IR 센서 수신기를 아래쪽 블록 내부에 위쪽으로 향하게 합니다.
      참고: 센서(길이 20mm x 10mm 폭 x 8mm 깊이)는 250mm의 거리까지 분리할 수 있으며 여전히 작동할 수 있습니다. 따라서 약 100mm 선형 가이드 레일의 끝에 위치하더라도 작동합니다.
   2. 납땜없는 브레드 보드에서 도 4A의전자 회로에 표시된 대로 IR 센서 송신기 및 수신기를 4 채널 아날로그 입력 데이터 로거와 연재하여 연결합니다. 180 Ω 저항기를 따라 IR 센서 송신기(수신기가 아님)를 먼저 연결합니다. IR 수신기 연결의 출력 전에 다른 2.2 kΩ 저항기배치합니다. 각 채널의 전자 회로를 브레드보드를 따라 대체 행으로 구성하여 기록 하는 동안 여러 센서의 전압 신호의 노이즈를최소화(그림 4B).

2. 비행 시험 실시

1. 비행 공장 팔에 자기 밧줄 곤충.
   1. 곤충에 가해지는 스트레스를 최소화하기 위해 이쑤시개 또는 미세라인 정밀 어플리케이터(20G 팁)를 사용하여 곤충의 프로토텀에 마그네틱 페인트를 발라주세요. 페인트를 10분 이상 건조시키십시오. 일단 건조되면, 비행 공장 팔 자석에 곤충을 부착합니다. 다양한 크기의 자기 페인팅 및 테더링 곤충의 예를 들어 그림 5를 참조하십시오. 이 프로토콜은 Jadera haematoloma (비누 베리 버그)를 비행 테더링 및 시험 실험을위한 모델 곤충으로 사용합니다.
      참고: 곤충과 팔 자석 사이의 매력을 더 강하게 하기 위해 여러 층의 자기 페인트를 적용하십시오. 또한, 곤충의 시야, 질량 및 날개 범위를 가장 잘 수용 할 수있는 자석 크기의 비행 공장 팔 끝에 부착 된 자석을 교체하십시오.
   2. 비행 공장에서 한 번에 최대 8 개의 곤충을 비행하십시오. 단일 녹음 세션 동안 여러 곤충을 순차적으로 테스트하기 위해 적어도 16개의 곤충을 페인트 준비합니다.
   3. 테스트 후 마그네틱 페인트를 제거하기 위해 미세 한 집게로 페인트를 칩과 환경 보호국 (EPA) 및 산업 안전 보건 국 (OSHA) 규정에 따라 폐기하십시오.
2. WinDAQ의 이벤트 마커 코멘트 도구를 사용하여 녹음 세션을 종료하지 않고 여러 곤충을 순차적으로 기록합니다.
   1. 다운로드 및 무료 WinDAQ 데이터 레코딩 및 재생 소프트웨어를 설치합니다.
   2. 바탕 화면에 Flight_scripts 라는 새 폴더를 만듭니다. 데이터, files2split,기록, split_files및 standardized_files: Flight_scripts 폴더 내에서 다음과 같은 정확한 이름으로 다섯 개의 새로운 폴더를만듭니다. 데이터 시트.xlsx(보충 파일 1)를다운로드하고 파일을 Flight_scripts 디렉토리의 데이터 폴더로 드래그합니다.
   3. 데이터 시트.xlsx 수동 데이터 기록 템플릿으로 사용합니다. 최소 4개의 열이 필요합니다: 버그의 식별 번호, 테스트 하기 전에 버그가 죽었는지 여부, 기록 세트 번호 및 채널 문자 및 채널 번호로 구성된 챔버(예: 'A-1', 'B-4'). 가능한 챔버 구성은 그림 2A를 참조하십시오.
   4. WinDAQ 대시보드를열고, 확인란 목록에서 데이터 로거를 선택하고 '윈다크 소프트웨어 시작'을누릅니다. 선택한 각 데이터 로거에 대해 새 창이 열리고 각 센서의 입력 신호가 표시됩니다.
   5. 샘플 속도 편집> 클릭하여 샘플링 빈도를 정의합니다. 샘플 속도/채널 상자에 100 샘플/초의 샘플링 주파수를 입력하고 확인을누릅니다.
      참고: 이 프로토콜은 IR 센서 빔을 방해하는 플래그로 인한 전압이 떨어지는 100 S/s를 제안하며, 1.7m/s의 속도에 대해 0.36V의 전압이 여전히 떨어집니다. 또한 최대 0.10 V 전압을 가하는 노이즈는 실제 트로프를 필터링하지 않고 표준화 중에 필터링할 수 있습니다. 또한 100 S/s의 샘플 속도를 통해 사용자는 녹화 중 및 녹화 후 화면 파형에서 트로프를 쉽게 볼 수 있습니다. 녹음 중에 오류가 발생하면 사용자는 오류 나 소음에서 트로프를 신속하게 분별 할 수 있습니다. 여러 낮은 샘플링 주파수 중 비교는 보충 도 2를 참조하십시오.
   6. 새 녹음 세션을 시작하려면 파일 > 레코드를누릅니다. 첫 번째 팝업 창에서 레코딩 파일의 위치를 선택합니다. 파일 이름을 주의 깊게 작성합니다. 파일은 적어도 자신의 이름에 다음을 가지고있다 : 기록 세트 번호와 채널 문자. Python 스크립트에서 모델링된 파일 이름의 예는 다음과 T1_set006-2-24-2020-B.txt입니다. 자세한 내용을 얻으려면 Flight_scripts 폴더에서 split_files.py 라인 78-87을 참조하십시오. 그런 다음, 확인을누릅니다.
   7. 다음 팝업 창에서 예상 된 비행 기록 길이를 입력합니다. 곤충이 비행을 시작할 위치에있을 때 확인을 누릅니다. 녹화 시간이 경과한 후 Ctrl-S를 눌러 파일을 마무리합니다. 녹화를 조기에 종료할 필요가 없는 한 Ctrl-S를 누르지 마십시오.
      참고: Ctrl+S를 입력하여 파일이 너무 일찍 종료되거나 앞서 언급한 시간 길이가 너무 짧으면 파일 > 레코드를 클릭하여 기존 파일에 새 레코드를 추가합니다. 다음 팝업 창에서 파일을 선택하여 다음 팝업 창에서 예(예)를 클릭합니다.
   8. 녹화 중에 시험된 곤충을 꺼낼 때, 선택한 챔버에 들어오는 곤충의 주석 이벤트 마커를 삽입한다. 곤충을 교환하기 전에 항상 데이터.xlsx 시트에 들어오는 곤충의 ID, 챔버 및 기록 세트를 수동으로 기록합니다.
   9. 이벤트 마커 코멘트를 만들려면 채널 번호를 클릭합니다. 그런 다음 주석 을 삽입하는 > 편집을 클릭합니다. 챔버에 들어오는 새 곤충의 식별 번호로 주석을 정의합니다. 확인을 누르고 챔버에 곤충을로드합니다.
3. 이벤트 마커 주석을 시각화하고 WDH에서 TXT로 파일을 변환합니다.
   1. WDH 파일을 엽니다. 압축> 을 편집하여 이벤트 마커 주석을 시각화 ... 그런 다음 최대 버튼을 클릭하여 파형을 한창(그림 6A)으로완전히 압축합니다.
   2. 레코딩의 이상을 확인합니다.
      참고: 기록의 이상 또는 실패 유형이 그림 6에표시됩니다. 이들은 나중에 진단되고 파이썬 스크립트에서 수정됩니다.
   3. 파일을 > 저장으로 이동하여 파일을 .txt 형식으로 저장합니다. 파일을 저장하는 위치로 Flight_scripts 디렉터리 내부의 레코딩 폴더를 선택합니다. 팝업 창에서 파일 유형을 스프레드시트 인쇄(CSV)로 선택하고 끝에 .txt 파일 이름을 작성합니다. 저장을클릭합니다. 다음 팝업 창에서 샘플 속도, 상대 시간및 날짜 및 시간을선택합니다. 채널 번호와 이벤트 마커 사이에 1을 입력합니다. 다른 모든 옵션을 선택 해제하고 확인을 클릭하여 파일을 저장합니다.

3. 비행 데이터 분석

1. 이벤트 마커 주석으로 파일을 분할합니다.
   1. 파이썬의 최신 버전을 설치합니다. 이 프로토콜의 모든 스크립트는 Python 버전 3.8.0에서 개발되었습니다.
   2. 다음 파이썬 스크립트를 다운로드 : split_files.py, standardize_troughs.py, flight_analysis.py (보충 코딩 파일). 스크립트를 Flight_scripts 폴더로 이동합니다.
   3. 파이썬이 최신 상태인지 확인하고 다음 라이브러리를 설치합니다: csv, os, sys, re, datetime, 시간, numpy, math 및 matplotlib. 스크립트의 주요 기능 및 데이터 구조를 관찰하려면 보충 도 3에서회로도를 참조하십시오.
   4. 데이터 시트.xlsx 파일을 열고 Mac을 실행하는 경우 Windows 또는 매킨토시 쉼표를 분리한 경우 파일 형식을 CSV UTF-8(Comma delimited)으로 변경하여 CSV로 저장합니다.
   5. 선택한 텍스트 편집기로 split_files.py 아이콘을 엽니다. 기본 설정이 없는 경우 스크립트 아이콘을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 IDLE로 열기를선택합니다.
   6. 사용자가 제안된 템플릿('T1_set006-24-2020-B.txt')과 다른 파일 이름을 작성한 경우 133-135 및 232-233 선을 다시 코딩합니다. 분할() 함수를 사용하여 다른 파일 이름을 수용하기 위해 스크립트를 다시 코딩하려면 116-131 줄을 참조하십시오.
   7. 266줄에서 Flight_scripts 폴더에 경로를 입력하고 스크립트를 실행합니다. 성공적으로 실행한 후 스크립트는 파일2split 폴더에 매핑된 곤충 ID의 중간 .txt 파일을 생성하고 Flight_scripts 디렉토리 내에서 split_files 폴더에 설정된 각 레코딩에서 테스트된 각 곤충에 대해 파일을 .txt.
      참고: 또한 Python Shell에서는 사용자가 파일 이름의 인쇄 문, 번호가 매겨진 이벤트 마커에서 곤충이 교환되고 있는 파일, 곤충 ID로 새 파일로 분할되어 생성되는 파일이 표시됩니다.
2. 기록된 신호에서 트로프를 표준화하고 선택합니다.
   1. 선택한 텍스트 편집기와 함께 standardize_troughs.py 아이콘을 엽니다. 기본 설정이 없는 경우 스크립트 아이콘을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 IDLE로 열기를선택합니다.
   2. 선 158에서 샘플링 주파수를 입력합니다.
   3. 159줄에서 Flight_scripts 폴더에 경로를 입력하고 스크립트를 실행합니다. 스크립트가 성공적으로 실행되면 Flight_scripts 디렉터리에서 standardized_files 폴더에 파일을 생성합니다.
      참고: 모든 파일은 'standardized_'로 시작하여 원래 파일 이름으로 끝나야 합니다.
   4. 레코딩의 품질을 확인합니다. Flight_scripts 폴더에 있는 standardize_troughs.py 생성된 trough_diagnostic.png 엽니다. 모든 레코드가 평균 표준화 간격의 최소 및 최대 전압 값의 변화에 견고하도록 합니다.
      참고: 최소 및 최대 편차 값이 증가할 때 식별되는 트로프 수가 크게 감소하는 경우 녹음에는 노이즈가 많거나 지나치게 민감한 트로프가 있을 수 있습니다. 최소 최대 정규화 계수에 대한 추가 진단도 코딩, 수행 및 플롯할 수 있습니다. 기록 품질을 확인하는 다른 방법은 2.3.1 단계에 설명되어 있습니다. 및 2.3.2. 의 아티사노 외. 2015 방법 종이¹³.
   5. 진단, 주석 해제 선(198)을 평가하고 최소 및 최대 편차 값을 지정하여 모든 파일에 대한 표준화를 수행하는 데 사용되는 평균 전압주위의 최소 값과 최대 값을 정의합니다. 기본값은 각 편차 값에 대해 0.1 V입니다.
      참고: 53호선에서 사용자는 임계값보다 훨씬 낮은 전압을 식별하기 위해 최소 최대 정규화 계수 임계값을 지정할 수도 있습니다.
   6. 편차 값을 입력한 후 줄 189를 주석을 달은 다음 스크립트를 실행합니다. 스크립트는 모든 파일에 대해 표준화를 효율적으로 실행합니다(거의 25배 더 빠름).
3. 표준화된 파일을 사용하여 비행 트랙을 분석합니다.
   1. 선택한 텍스트 편집기로 flight_analysis.py 아이콘을 엽니다. 기본 설정이 없는 경우 스크립트 아이콘을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 IDLE로 열기를선택합니다.
   2. 76-78호선에서는 곤충이 비행을 멈춘 후 밀의 팔의 추가 회전을 억제하는 선택적 속도 보정을 편집합니다. 느린 비행 곤충으로 작업 할 때주의이 임계 값값을 결정합니다.
   3. 121호선에서 속도 임계값을 편집하여 매우 빠른 속도 또는 음속과 같은 잘못된 속도 판독값을 수정합니다. 130번 선에서 시간 갭 값을 편집하여 두 번 연속 중단 없는 비행 시합 사이에 발생하는 긴 간격을 필터링합니다.
   4. 350줄에서 *.txt 표준화된 파일이 저장되는 폴더에 경로를 입력합니다.
   5. 353호선에서는 시험 중에 사용되는 팔 반경 길이를 입력하여 곤충에 의해 회전당 비행한 원형 비행 경로를 정의합니다.
   6. 거리 및 시간 SI 단위를 각각 357 및 358 선의 문자열로 식별합니다.
   7. 선 388-397에서, 최소한 곤충의 식별 번호와 곤충이 파일 이름에서 날아온 세트 번호 및 챔버를 추출하기 위해 분할() 기능을 사용한다. 스크립트는 'standardized_T1_set006-24-2020-B.txt'의 포괄적인 파일 이름 예제를 따릅니다. 필요한 경우 2.2.6단계에서 제안된 대로 이 파일 이름을 단순화하고 사용하지 않을 경우 392및 401줄에서 평가판 유형과 같은 변수를 주석 또는 삭제합니다.
   8. 모든 사용자 설정을 지정하고, 스크립트를 저장하고 실행합니다. 스크립트 실행이 성공하면 파이썬 쉘에 곤충의 해당 ID 번호, 챔버 및 계산된 비행 통계를 인쇄합니다. 또한 Python Shell에 인쇄된 정보로 구성된 flight_stats_summary.csv 파일을 생성하고 Flight_scripts 디렉터리의 데이터 폴더에 .csv 파일을 저장합니다.

결과

비행 데이터는 2020년 겨울 동안 모델 곤충(Bernat, A. V. 및 Cenzer, M. L. , 2020, 미공개 데이터)으로 플로리다에서 수집된 J. haematoloma 를 사용하여 실험적으로 수집되었습니다. 대표적인 비행 시험은 시카고 대학의 생태 및 진화학과에서 실시되었으며, 그림 6, 그림 7, 그림 8및 그림 9에나와 같이 아래와 같이 ...

토론

간단하고 현대적인 비행 공장은 여러 곤충을 효율적이고 비용 효율적으로^13,31,35로테스트하는 신뢰할 수 있고 자동화된 설계를 제공함으로써 테더드 곤충 비행을 연구하는 데 관심이 있는 연구자들에게 다양한 이점을 제공합니다. 마찬가지로, 연구자들이 생태체계^9,32,...

자료

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