Name: flying insect detection and classification with inexpensive sensors
Uploaded: 2014-10-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 16 s
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우리는이 연구에 자금을 지원하기위한보다 폰 아메리카 재단, 빌 &amp; 멜린다 게이츠 재단, 그리고 상 파울로 연구 재단 (FAPESP)에 감사의 말씀을 전합니다. 우리는 또한이 프로젝트에 대한 그들의 조언을, 캘리포니아 리버 사이드 대학의 곤충학의 부서에서 많은 교수진에게 감사의 말씀을 전합니다.

1 곤충 식민지와 양육 <ol><li> 모기 식민지와 양육 <ol><li> 야생에서 유래 후면 쿨 렉스 tarsalis, 쿨 렉스 quinquefasciatus, 쿨 렉스 stigmatosoma 및 실험실 식민지에서 Aedes aegypti 성인, 개인을 붙 잡았다. </li><li> 표준 실험실 조건에서 에나멜 팬의 후면 모기 유충 (27 ° C, 16 : 8 시간 등 : 1 시간 황혼 / 새벽 기간 어두운 [LD] 사이클), 지상 짐승 차우의 혼합물에 그 광고를 무제한으로 공급하고 맥주 효모 (3 : 1, v : v). </li><li> 200 ㎖의 컵에 모기 번데기를 수집하고 실험 챔버에 배치합니다. 또한, 등장 일주 내에서 실험 챔버로 성인 모기를 대기음. 각 실험 챔버는 같은 종 / 섹스의 20-40 개인이 포함되어 있는지 확인합니다. </li><li> 10 %의 자당과 물 혼합물의 급지 모기 성충 임의로 (ad libitum). 음식 매주 교체합니다. </li><li> PL 일주일에 두 번면 수건을 적셔케이지 내의 습도를 유지하기 위해 실험 챔버의 상부에 그들 에이스. 또한, 전체적인 습도 수준을 유지하도록 항상 챔버 내에 수돗물 200 ㎖의 컵을 놓는다. </li><li> 8 시간 빛 : 16의 실험 챔버를 유지 어두운 [LD] 사이클, 20.5-22 ° C 및 30 % ~ 50 % RH를 실험 기간 동안. </li></ol></li><li> 주택 플라이와 과일 플라이 식민지와 양육 <ol><li> 야생에서 파생 된 실험실 식민지에서 후면 파리 자리의 domestica입니다은 개인을 붙 잡았다. 실험 실에서 야생 초파리 simulans 개인과 후면을 잡아라. </li><li> 표준 실험실 조건에서 플라스틱 욕조에서 후면 파리 자리의 domestica입니다 유충 (12시 12분 시간 등 : 어두운 [LD] 사이클, 26 ° C, 40 % RH) 물, 쌀겨 가루, 알팔파, 효모, 가루 우유의 혼합물. 양육 챔버의 후면 초파리 simulans 유충과 부패의 혼합물에 그 광고를 무제한으로 공급과일. </li><li> 등장 일주 내 실험 챔버에 대기음 성인 파리 자리의 domestica입니다. 성인 초파리 simulans 직접 실험 실에서 사육 할 수 있습니다. 데이터 수집에 앞서, 각 실험 챔버 이상 10 ~ 15 개인 파리 자리의 domestica입니다 또는 20 ~ 30 개인 초파리 simulans에는 포함되어 있지 않습니다 있는지 확인하십시오. </li><li> 물에 무료로 액세스 할 수있는, 설탕, 저지방 탈지 우유 혼합물에 성인 파리 자리의 domestica입니다 수의를 공급. 썩는 과일의 혼합물 급지 성인 초파리 simulans 임의로 (ad libitum). 음식 매주 교체합니다. </li><li> 8 시간 빛 : 16에 실험 챔버를 유지 어두운 [LD] 사이클, 20.5-22 ° C 및 30 % ~ 50 % RH를 실험 기간 동안. </li></ol></li></ol> 실험 챔버에서 2 기록 플라잉 소리 <ol><li> 실험 챔버 설치 참고 : &quot;실험 C를hamber은 &quot;데이터가 기록 된 우리의 실험실에서 설계 케이지를 나타낸다. 이 센서는 매우 저렴합니다. 대량으로 구축하면, 셋업은 $ 10 미만을 위해 제조 될 수있다. <ol><li> 67cm L X 22cm의 폭 x 24.75 cm의 H, 또는 작은 크기 : 30cm L X 20cm의 폭 x 20cm의 H. 실험 챔버는 포토 트랜지스터 배열 및 구성 실험 챔버, 큰 사이즈 중 하나를 구축 포토 트랜지스터 배열을 가리키는 레이저 라인. 주 : 또한, 챔버는 센서 장치뿐만 아니라 곤충에 대한 액세스를 허용하도록 PVC 파이프의 부분에 부착 된 슬리브를 포함하도록 수정된다 Kritter 키퍼로 구성된다. </li><li> 전자 보드에 포토 트랜지스터 배열을 연결합니다. 전자 보드의 출력은 디지털 음성 레코더에 공급 및 MP3 포맷의 오디오 데이터로서 기록된다. 도 1.II의 센서도 1.I에서 챔버의 물리적 버전의 논리 설계를 참조. </li><l난&gt; 곤충의 이탈을 방지하기 위해 내부에 부착 된 메쉬 천의 조각으로 실험 챔버의 뚜껑을 수정한다. NOTE : 곤충 레이저 빔을 가로 질러 날아간 경우, 날개가 부분적으로 광을 흡장 작게 광 변화를 야기. 광 변동은 전류의 변화와 같은 포토 트랜지스터 어레이에 의​​해 포착되고, 신호는 전자 보드 설계 맞춤에 의해 필터링 및 증폭된다. </li></ol></li><li> 비행 곤충에 의해 제작 기록 사운드로 시스템 설정 <ol><li> 전원 공급 장치에 실험 챔버를 연결합니다. 전원을 켜십시오. </li><li> 실험 실에서 레이저 조명과 photoarray을 찾을 수 있습니다. photoarray에 레이저 조명을 맞 춥니 다. 레이저 광은 모든 개별 photodiod 중심까지 챔버의 내부에 부착 photoarray 자석에 대응 실험 챔버의 외측에 자석을 사용 photoarray을 조정, 적절한 정렬을 달성하기 위해,에스. </li><li> 시스템이 제대로 설정되어 있는지 확인하기 위해이 전성 검사를 수행합니다. 참고 : 첫 번째 단계는 시스템이 모든 전선이 제대로 연결되어 전원이 레이저는 사진 배열을 가리키고 있는지 확인하는 것입니다. 두번째 단계는 곤충의 wingbeats의 사운드를 캡처 할 수 있도록 레이저 정렬에 추가 확인을 수행하는 것이다. <ol><li> 오디오 잭에 (오히려 레코더보다) 헤드폰을 연결합니다. 레이저 광의 평면을 깨고, photoarray 근처에 그리고 실험 챔버 밖으로 손 런지. 확인 레이저 표시등이 켜져 있는지 확인합니다 (그것은 빛의 레드 빔 될 것입니다) 당신은 당신의 손으로 빛의 비행기를 몇 번을 깰 것이다. 당신의 손과 광선의 외출로 소음 레벨의 변화를 듣습니다. 만약 가청 차이를 검출하는 경우, 센서가 큰 물체의 움직임에 의해 생성 된 사운드를 캡처 할 수있다. 성공하면 헤드폰이 제대로 연결되어 있는지 확인하십시오, 그렇지 않으면 다음 전성 검사로 이동하고레이저가 photoarray 가리키는되어 있는지 여부를 확인합니다. 손의 사운드와 실험 챔버 밖으로 이동들을 수에 따라 때까지 photoarray을 조정합니다. </li><li> 자동 칫솔에 전기 배선의 얇은 조각을 연결합니다. 칫솔의 전원을 켜고 및 phototarray에 가까운 실험 실에서 배선을 뛰어. 이 이동함에 따라 레이저 광 배선의 조각을 타격되어 있는지 확인합니다. 만약 가청 주파수에서 변화를 검출하는 경우의 배선 부분은 레이저 광의 평면을 중단 할 때, 시스템은 작은 물체 즉, 곤충 소리의 움직임에 의해 생성 된 사운드를 캡처 할 준비가되어있다. 당신이 소리의 차이를 감지하지 않는 경우, 레이저 조명과 photoarray를 다시 정렬 2.2.2 단계로 돌아갑니다. </li></ol></li><li> 시스템이 적절하게 설정 한 후, 뚜껑을 닫고 곤충을 추가합니다. </li></ol></li><li> 데이터 수집 : 비행 곤충에 의해 제작 기록 사운드 <ol><li> 레코더를 켜고 voic을다음의 정보를 포함하는 전자 주석 : 실험 챔버 내의 종의 이름, 곤충, 날짜 및 시간, 현재 주변 RT 및 상대 습도의 나이. 녹음을 일시 중지합니다. </li><li> 오디오 케이블을 통해, 시스템에 레코더를 연결하고, 기록을 재개. 다음 녹음을 중지, 삼일에 기록하는 레코더를 둡니다. </li><li> PC에 새 폴더에 레코더에서 데이터를 다운로드합니다. 데이터를 삭제하여 레코더 비우기. </li><li> 나머지 곤충이 죽어 없었다 케이지에서 살아 남은 5 개 이상의 곤충이 더 없을 때까지 위의 기록 과정을 반복합니다. </li></ol></li></ol> 3 센서 데이터 처리 및 비행 곤충에 의해 제작 사운드의 검출 <ol><li> 비행 곤충에 의해 제작 소리를 감지하는 소프트웨어를 사용합니다. 주 : 소프트웨어 (검출 알고리즘)은 실시간보다 훨씬 빠르다. 그것은 DAT의 즉, 삼일, 기록 세션을 처리하기 미만 3 시간 소요, 2.00 GHz의 8 기가 바이트 RAM에서 인텔 (R) 코어 ™ CPU를 표준 시스템에. <ol><li> 기록 세션에서 데이터를 포함하는 각 폴더에 대해 곤충 소리를 검출하는 검출 소프트웨어를 실행. 소프트웨어, 오픈 MATLAB을 실행하고 DATADIR은 기록 데이터의 디렉토리입니다 명령 창에 &quot;circandian_wbf (DATADIR)&quot;를 입력합니다. 그런 다음 시작하려면 &quot;입력&quot;키를 누릅니다. 참고 : 참조 # 16에서 검출 소프트웨어 circadian_wbf를 다운로드합니다. </li><li> 알고리즘이 종료 될 때까지, 다음 검출 결과를 확인 기다린다. 이 알고리즘의 출력을 검색 한 모든 곤충 DATADIR 이전 단계와 동일하다 &quot;DATADIR의 _extf&quot;라는 이름의 새 폴더에 소리가 난다. 각 사운드 파일은 디지털 필터는 노이즈를 제거하기 위해 적용하여 원래 것의 기록으로부터 추출 된 1 초 긴 오디오 클립이다. 감지 된 각 사운드의 발생 시간은 &quot;DATADIR _time.mat &amp;이라는 이름의 파일에 저장됩니다# 8221 ;. 그림 2에서 검출 된 곤충 소리의 예를 관찰한다. </li></ol></li><li> 탐지 알고리즘 <ol><li> 기록을 통해 슬라이드 0.1 초 긴 슬라이딩 윈도우를 사용합니다. 슬라이딩 윈도우는 기록의 시작 부분에서 시작한다. 각 창은 아래의 단계를 따릅니다. <ol><li> 현재 윈도우의 기본 주파수를 계산한다. </li><li> 기본 주파수가 100 Hz에서 1200 Hz에서의 범위이면, 다음을 수행 <ol><li> 기록에서 현재 창에서 중심으로 한 초 긴 오디오 클립을 추출; 클립의 노이즈를 제거하고 폴더 &quot;DATADIR의 _extf&quot;으로 필터링 된 오디오를 저장하는 디지털 필터를 적용합니다. </li><li> 파일 &quot;DATADIR의 _time&quot;로 현재 윈도우의 발생 시간을 절약 할 수 있습니다. </li><li> 즉시 추출 된 오디오 클립을 다음 지점으로 슬라이딩 윈도우를 이동합니다. </li></ol></li><li> 기본 FR 경우equency Hz에서 100 Hz에서 1200까지의 범위 내에서, 단순히 전방 슬라이딩 윈도우 0.01 초 이동 NOT이다. </li></ol></li><li> 슬라이딩 윈도우는 기록의 끝에 도달 할 때까지 프로세스를 반복한다. </li></ol></li></ol> 4 곤충 분류 <ol><li> 그냥 비행 사운드를 사용 베이지안 분류 참고 : 베이지안 분류기는 가장 가능성있는 클래스에 객체를 분류 확률 분류이다. <ol><li> 사운드 기능 계산 <ol><li> 각 곤충 사운드를 들어 이산 푸리에 변환을 이용하여 사운드 (DFT)의 주파수 스펙트럼을 계산한다. 주파수 범위에 대응하는 데이터 만이 지점을 포함하는 주파수 스펙트럼을 잘라 : 100 Hz에서 2000 Hz에서한다. 절단 된 주파수 스펙트럼이어서 곤충 사운드의 &quot;대표&quot;로 분류에 사용된다. 주 : DFT는 주파수 영역에서 시간 영역 신호를 변환 알고리즘이다. 그것은 부이입니다LT-에서 대부분의 프로그래밍 라이브러리의 기능,이 한 줄의 코드로 프로그램에서 호출 할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 베이지안 분류기를 교육 <ol><li> 사운드 기능을 사용하여 사후 확률 분포를 배울 수있는 KNN 밀도 추정 방법 (14)를 사용합니다. KNN 접근 방식, 훈련 단계는 훈련 데이터 집합을 구축하는 것입니다. <ol><li> 랜덤 곤충의 각 종에 대해 수집 된 데이터로부터 곤충 사운드 샘플 번호. </li><li> 4.1.1의 단계에 따라 각 샘플링 사운드를 절단 된 주파수 스펙트럼을 계산한다. 함께 샘플 &#39;클래스 레이블 (곤충 종의 이름)와 절단 된 스펙트럼은 훈련 데이터 집합을 구성. </li></ol></li></ol></li><li> 알 수없는 곤충을 분류하는 베이지안 분류기를 사용하여 <ol><li> 미지의 곤충 소리 절두 주파수 스펙트럼을 계산한다. </li><li> unknow의 절단 된 스펙트럼 사이의 유클리드 거리를 계산n 개의 개체 및 훈련 데이터 집합의 모든 절단 스펙트럼. </li><li> 상단 K (이 논문에서 K = 8) 훈련 데이터 셋의 알 수없는 개체의 가장 가까운 이웃을 찾아보십시오. 클래스로 분류되어 가기 K 가까운 이웃의 분수로 클래스에 속하는 알 곤충 사운드의 사후 확률을 계산한다. </li><li> 가장 높은 사후 확률을 갖는 클래스 미지의 객체를 분류. </li></ol></li></ol></li><li> 곤충 24 시간주기 리듬 : 분류에 기능 추가 <ol><li> , 곤충의 각 종의 생체 리듬 곤충 소리의 발생 시간, 클래스 에어컨 분포를 알아보십시오. <ol><li> 검색 결과에서 각 사운드 (CF 섹션 3.2)의 발생 시간을 얻습니다. </li><li> 각 종, 곤충 소리 발생 시각의 히스토그램을 구축. </li><li> 히스토그램의 영역이 하나가되도록 히스토그램 정규화. 정상화 된 히스토그램은 주어진 종의 생체 리듬이다. 이것은 특정 기간 내에 비행, 그 종, 곤충을 관찰 할 확률을 말한다. </li></ol></li><li> &quot;곤충 소리&quot;및 생체 리듬을 조합하여 불명 &quot;곤충 소리&quot;분류 <ol><li> 미지의 곤충 소리가 발생한 시간에 특정 지점이 주어 클래스의 생체 리듬에 기초하여 클래스의 곤충을 관찰 할 확률을 얻었다. 주 : 생체 리듬이 확률 분포이다. 또한, 하루 중 특정 시간에 특정 곤충의 종에 의해 생성 된 소리를 검출하는 확률을 지정하는 배열이다. 시간이 주어진 후에 그래서, 하나는 단순히 확률을 얻을 수있는 배열을 확인할 수 있습니다. </li><li> 알 수없는 소리가 사운드 기능을 사용하여 클래스에 속한 사후 확률을 계산하기 4.1.2의 단계를 따릅니다. 이리저리 결과를 사후 확률을 곱하면새로운 사후 확률을 얻을 수있는 이전 단계를 m. </li><li> 새로운 높은 사후 확률을 갖는 클래스에 &quot;미지의 음성을&quot;분류. </li></ol></li></ol></li><li> 분류 한 번 더 기능을 추가 : 곤충 지리적 분포를 <ol><li> 관심의 어느 역사 기록에서 발표 된 자료, 관련 문헌에서 종의 지리적 분포를 알아보기, 또는 단순히 현장 기술자 / 생물 학자에서 첫 손 지식을 수집합니다. 도 7에 도시 된 바와 같이 설명을 위하여, 그래픽 분포의 시뮬레이션을 사용한다. </li><li> &quot;비행 소리&quot;및 두 개의 추가 기능을 사용하여 &quot;알 수없는 곤충 소리를&quot;분류. <ol><li> 곤충 사운드가 ​​인터셉트 된 지리적 위치를 감안할 때, 종 분포의 그래픽을 사용하여 특정 위치에서 클래스 곤충 관찰의 확률을 계산한다. <ol><li> 4.2.2의 단계에 따라ND &quot;미지의 사운드가&quot;사운드 기능 및 생체 리듬을 사용하여 클래스에 속하는 사후 확률을 계산한다. 새로운 사후 확률을 얻기 위하여, 이전 단계의 결과로이 단계의 결과를 곱한다. </li></ol></li><li> 새로운 높은 사후 확률을 갖는 클래스에 &quot;미지의 음성을&quot;분류. </li></ol></li></ol></li><li> 기능 추가를위한 일반 프레임 워크 <ol><li> 기본 분류로 단지 사운드 기능을 사용 베이지안 분류기를 생각해 보자. 분류에 새로운 기능을 추가하려면 아래의 단계를 따르십시오. <ol><li> 교육 단계에서 새로운 기능의 클래스 에어컨 밀도 함수를 배운다. </li><li> 분류 단계에서, &quot;알 사운드&quot;의 새로운 기능 부여, 이전 단계에서 학습 밀도 함수를 이용하여 클래스의 기능을 관찰 할 확률을 계산한다. 홍보에 새로운 가능성을 곱단지 홀수 특징에 기초하여 계산 된 클래스에 속하는 &quot;알 사운드&quot;에 대응 evious 사후 확률은 새로운 사후 확률을 얻었다. 새로운 높은 사후 확률을 갖는 클래스 미지의 객체를 분류. </li></ol></li></ol></li></ol>

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저자는 그들이 더 경쟁 금전적 이해 관계가 없다고 선언합니다.

여기에 설명 된 센서 / 분류 프레임 워크는 비행 곤충의 저렴하고 확장 가능한 분류를 할 수 있습니다. 시스템에 의해 달성 정확도는 상용 제품의 개발을 허용하도록 충분하고 곤충학 연구에 유용한 도구가 될 수있다. 정확하고 자동 비행 곤충을 분류하기 위해 저렴하고 비 침습적 센서를 사용하는 능력은 곤충학 연구에 상당한 영향을 미칠 것입니다. 예를 들어, 곤충 벡터를...

자동으로 비행의 부수적 인 사운드를 사용하여 곤충을 분류하는 아이디어는 초기 컴퓨터의 일 시중에서 판매하는 오디오 녹음 장비 1 거슬러 올라간다. 그러나, 약간의 진전이 개입 수십 년 동안이 문제에 만들어졌다. 이 추구하는 진보의 부족은 여러 가지 관련 요인에 기인 할 수있다. 첫째, 유효 센서 부족 데이터 수집이 곤란했다. 데이터를 수집하는 대부분의 노력은 음향 마이크 2-5을 사용했다. 이러한 장치는 매우 희박한 및 저품질 데이터 결과 및 잡음 환경에서 주변 잡음을 바람에 매우 민감하다. 둘째, 이러한 데이터 품질 문제를 복잡하게하는 것은 많은 연구자가 매우 복잡 분류 모델, 특히 신경망 6-8을 배우고 시도했다는 사실이다. 예 불과 수십와 복잡한 분류 모델을 배우고 시도,오버 피팅위한 조리법이다. 셋째, 취득 데이터의 성사는 많은 연구자들은 300 인스턴스 9 이하로 몇 가지로, 매우 제한된 데이터로 분류 모델을 구축하려고 시도한 것을 의미하고있다. 그러나, 정확한 분류 모델을 구축하기위한, 더 많은 데이터가 10-13 나은 것으로 알려져있다. 이 작품은 세 가지 문제를 해결합니다. 광학 (오히려 음향보다) 센서는 소음과 주변 소리를 바람에 완전 불변으로, 멀리 m에서 곤충 비행의 &quot;소리&quot;기록하는 데 사용할 수 있습니다. 이 센서 레이블 교육 인스턴스 결합 이전의 모든 노력보다 훨씬 더 많은 데이터를 수백만의 기록을 허용하고, 따라서 그 괴롭혔다을 통해 피팅 이전의 연구 노력을 피할 수있다. 그 아래에 표시되는 원칙적인 방법은 분류 모델에 추가 정보를 통합 할 수 있습니다. 이 추가 정보는 quotidian로와 같이 할 수있다날짜 시간으로 구하기 쉬운, 그러나 아직도이 모델의 정확도에 상당한 이득을 생산하고 있습니다. 마지막으로, 우리는 수집 된 데이터의 엄청난 양의 우리가 간단하고 정확하고 강력한 분류를 생산하는 &quot;데이터의 불합리한 효과&quot;열을 활용할 수 있다는 사실이 처음으로 밝혀졌다. 요약하면, 비행 곤충의 분류는 연구 실험실에서 만든 반신 반의 청구를 넘어서 지금은 실제 배포 할 준비가되었습니다. 이 연구에서 제시된 센서와 소프트웨어는 전 세계적으로 그들의 연구를 가속화 할 강력한 도구를 연구자를 제공 할 것입니다.

<table><tbody><tr><td>Audio recorder: ICD-PX312</td><td>Sony</td><td>4-267-065-11(2)</td><td>With a 8 GB microSD extra memory</td></tr><tr><td>Insectary</td><td>Lee&#039;s Aquarium &amp;amp; Pet Products.</td><td>20088 HerpHaven&amp;reg;, Large Rectangle</td><td>14 1/2&quot; long x 8 3/4&quot; wide x 9 3/4&quot; high. Modified to house insects.</td></tr><tr><td>Laser line generator, 650 nm (red)</td><td>Apinex (www.apinex.com)</td><td>LN60-650</td><td>5 mW. This is a low powered laser, similar to a teacher&#039;s laser pointer</td></tr><tr><td>Photodiode array</td><td>VISHAY SEMICONDUCTOR&amp;nbsp; TEFD4300&amp;nbsp; PIN PHOTODIODE, 650NM, 20DEG, T1</td><td>TEFD4300</td><td>We made a custom array of 15 of these photodiodes wired in parallel.</td></tr><tr><td>Analogue to digital convertor integrated circuit</td><td>Custom made in our lab</td><td></td><td>We made this item ourselves, but an easily available commercial product, Gino PCF8591 AD/DA Converter, provides the same functionality.</td></tr></tbody></table>

flying insect detection and classification with inexpensive sensors

정확하게 비행 곤충을 분류 할 수있는 저렴하고 비 침습적 시스템은 곤충학 연구에 중요한 의미를 가지고 있고, 모두 의료 및 농업 곤충학 벡터 및 해충 방제에 많은 유용한 응용 프로그램의 개발을 허용합니다. 이 감안할 때, 지난 육십년이 작업에 전념 많은 연구 노력을 보았다. 그러나 현재이 연구 중 어느 것도 지속적인 영향이 없었습니다. 이 작품에서, 우리는 의사 음향 광학 센서는 뛰어난 데이터를 생성 할 수 있음을 보여; 추가 기능을 모두 내장하고 곤충의 비행 행동에 대한 외부 것으로, 곤충 분류를 개선하기 위해 이용 될 수있다; 베이지안 분류 방법은 효율적으로 피팅을 통해 - 매우 견고 분류 모델을 배울 수 있습니다, 그리고 일반적인 분류 프레임 워크는 쉽게 기능의 임의의 수를 통합 할 수 있습니다. 우리는 이전의 모든 작품 콤비 난쟁이 대규모 실험과 연구 결과를 보여네드, 곤충의 수와 고려 종의 수에 의해 측정.

두 실험은 여기에 제시되어있다. 두 실험을 위해 사용 된 데이터는 무작위로 10 만 개체가 포함 된 데이터 집합에서 샘플링되었다. 첫 번째 실험은 정확히 곤충 종 / 성별을 분류하는 분류의 제안 기능을 나타낸다. 분류 정밀도로 분류 할 곤충에 의존 같이, 분류의 정확도에 대한 단일 절대치 리더에게 시스템의 성능에 대한 좋은 직관을주지 않을 것이다. 대신, 오히려 곤충의 ...

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Flying Insect Detection and Classification with Inexpensive Sensors

우리는 자동으로 그리고 정확하게 검출 카운트, 그리고 그들의 비행 사운드에 기초하여 곤충 비행 분류 저렴 비침 가상 음향 광학 센서를 사용하는 시스템을 제안 하였다.

저렴한 센서와 곤충 검출 및 분류 플라잉

An inexpensive, noninvasive system that could accurately classify flying insects would have important implications for entomological research, and allow ...

flying-insect-detection-and-classification-with-inexpensive-sensors

Research

JoVE Journal

Bioengineering

25.1K 조회수.  University of California, Riverside.  우리는 자동으로 그리고 정확하게 검출 카운트, 그리고 그들의 비행 사운드에 기초하여 곤충 비행 분류 저렴 비침 가상 음향 광학 센서를 사용하는 시스템을 제안 하였다. 

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Early Metamorphic Insertion Technology for Insect Flight Behavior Monitoring

Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on insects during their metamorphic development. Here, the implants are fused within the structure and function of the neuromuscular system as a result of metamorphic tissue remaking. The implants emerge with the insect where the development of tissue around the electronics during pupal development results in a bioelectrically and biomechanically enhanced tissue interface. This relatively more reliable and stable interface would be beneficial for many researchers exploring the neural basis of the insect locomotion with alleviated traumatic effects caused during adult stage insertions. In this article, we implant our electrodes into the indirect flight muscles of Manduca sexta. Located in the dorsal-thorax, these main flight powering dorsoventral and dorsolongitudinal muscles actuate the wings and supply the mechanical power for up and down strokes. Relative contraction of these two muscle groups has been under investigation to explore how the yaw maneuver is neurophysiologically coordinated. To characterize the flight dynamics, insects are often tethered with wires and their flight is recorded with digital cameras. We also developed a novel way to tether Manduca sexta on a magnetically levitating frame where the insect is connected to a commercially available wireless neural amplifier. This set up can be used to limit the degree of freedom to yawing &#8220;only&#8221; while transmitting the related electromyography signals from dorsoventral and dorsolongitudinal muscle groups.

We present a novel surgical procedure to implant electrodes in Manduca sexta during its early metamorphic stages. This technique allows mechanically stable and electrically reliable coupling with the neuromuscular tissue to study flight neurophysiology dynamics. We also present a novel magnetic levitation platform for tethered studies of insect yaw.

곤충 비행 동작 모니터링에 대한 초기 변성 삽입 기술

Early Metamorphosis Insertion Technology (EMIT) is a novel methodology for integrating microfabricated neuromuscular recording and actuation platforms on ...

연구

행동분석학

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus (Murayama), Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). Therefore, knowing the dispersal capacity may help inform trapping/tree removal efforts to prevent this disease more effectively. In this study, we measured the flight velocity and duration and estimated the flight distance of the beetle using a newly developed flight mill. The flight mill is low cost, small, and constructed using commonly available items. Both the flight mill arm and its vertical axis comprise a thin needle. A beetle specimen is glued to one tip of the arm using instant glue. The other tip is thick due to being covered with plastic, thus it facilitates the detection of rotations of the arm. The revolution of the arm is detected by a photo sensor mounted on an infrared LED, and is indicated by a change in the output voltage when the arm passed above the LED. The photo sensor is connected to a personal computer and the output voltage data are stored at a sampling rate of 1 kHz. By conducting experiments using this flight mill, we found that P. quercivorus can fly at least 27 km. Because our flight mill comprises cheap and small ordinary items, many flight mills can be prepared and used simultaneously in a small laboratory space. This enables experimenters to obtain a sufficient amount of data within a short period.

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus Murayama, Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

We developed a low cost and small flight mill, constructed with commonly available items and easily used in experimentation. Using this apparatus, we measured the flight ability of an ambrosia beetle, Platypus quercivorus.

저가, 소형, 그리고 쉽게 생성 된 비행 밀을 사용 하 여 신들의 딱정벌레, 오리너구리 Quercivorus (무라야마)의 비행 능력을 측정

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). ...

환경과학

A Precise and Autonomous System for the Detection of Insect Emergence Patterns

Existing systems to measure insect emergence patterns have limitations; they are only partially automated and are limited in the maximum number of emerging insects they can detect. In order to obtain precise measurement of insect emergence, it is necessary for systems to be semi-automated and able to measure large numbers of emerging insects. We addressed these issues by designing and building a system that is automated and can measure emergence of up to 1200 insects. We modified the existing &#34;falling-ball&#34; system using Arduino microcontrollers to automate data collection and expand the sample size through multiple data channels. Multiple data channels enable the user to not only increase their sample size, but also allows for multiple treatments to be run simultaneously in a single experiment. Furthermore, we created an R script to automatically visualize the data as a bubble plot, while also calculating the median day and time of emergence. The current system was designed using 3D printing so the user can modify the system to be adjusted for different species of insects. The goal of this protocol is to investigate important questions in chronobiology and stress physiology, using this precise and automated system to measure insect emergence patterns.

Measurement of insect emergence patterns requires precision. Existing systems are only semi-automated and sample size is limited. We addressed these issues by designing a system using microcontrollers to precisely measure the time of emergence of large numbers of emerging insects.

곤충 출현 패턴의 검출을 위한 정확 하 고 자치 시스템

Existing systems to measure insect emergence patterns have limitations; they are only partially automated and are limited in the maximum number of ...

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study insect chemical ecology. Insects can locate point sources in a three-dimensional environment through the sensory interaction and sophisticated behavior. The quantification of this behavior is a key element in the development of new tools for pest control and decision support. A wind tunnel with a suitable flight section with laminar air flow, visual cues for in-flight feedback and a variety of options for the application of odors can be used to measure complex behaviour which subsequently may allow the identification of attractive or repellent odors, insect flight characteristics, visual-odor interactions and interactions between attractants and odors lingering as background odors in the environment. A wind tunnel holds the advantage of studying the odor mediated behavioural repertoire of an insect in a laboratory setting. Behavioural measures in a controlled setting provide the link between the insect physiology and field application. A wind tunnel must be a flexible tool and should easily support the changes to setup and hardware to fit different research questions. The major disadvantage to the wind tunnel setup described here, is the clean odor background which necessitates special attention when developing a synthetic volatile blend for field application.

Here, we describe the construction and use of a wind tunnel for odor mediated behavioural assays with insects. The wind tunnel design facilitates the release of odor sources by several methods, with and without visual stimuli. Wind tunnel experiments are important methods to identify behaviorally active volatile chemicals.

냄새에 대 한 바람 터널 중재 곤충 행동 분석 실험

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study ...

Low-Cost Automated Flight Intercept Trap for the Temporal Sub-Sampling of Flying Insects Attracted to Artificial Light at Night

Sampling methods are selected depending on the targeted species or the spatial and temporal requirements of the study. However, most methods for passive sampling of flying insects have a poor temporal resolution because it is time-consuming, costly and/or logistically difficult to perform. Effective sampling of flying insects attracted to artificial light at night (ALAN) requires sampling at user-defined time points (nighttime only) across well-replicated sites resulting in major time and labor-intensive survey effort or expensive automated technologies. Described here is a low-cost automated intercept trap that requires no specialist equipment or skills to construct and operate, making it a viable option for studies that require temporal sub-sampling across multiple sites. The trap can be used to address a wide range of other ecological questions that require a greater temporal and spatial scale than is feasible with previous trap technology.

To study the impacts of artificial light at night (ALAN) on nocturnal flying insects, sampling needs to be confined to nighttime. The protocol describes a low-cost automated flight intercept trap that allows researchers to sample at user-defined periods with increased replication.

밤에 인공 조명에 끌리는 비행 곤충의 시간적 하위 샘플링을위한 저비용 자동 비행 요격 함정

Sampling methods are selected depending on the targeted species or the spatial and temporal requirements of the study. However, most methods for passive ...

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects foraging for food or searching for mates3: the olfactory search is constrained by the physics of turbulent transport4. The concentration landscape of wind borne odors is discontinuous and consists of sporadically located patches. A pre-requisite to olfactory search is that intermittent odor patches are detected. Because of its high speed and sensitivity5-6, the olfactory organ of insects provides a unique opportunity for detection. Insect antennae have been used in the past to detect not only sex pheromones7 but also chemicals that are relevant to humans, e.g., volatile compounds emanating from cancer cells8 or toxic and illicit substances9-11. We describe here a protocol for using insect antennae on autonomous robots and present a proof of concept for tracking odor plumes to their source. The global response of olfactory neurons is recorded in situ in the form of electroantennograms (EAGs). Our experimental design, based on a whole insect preparation, allows stable recordings within a working day. In comparison, EAGs on excised antennae have a lifetime of 2 hr. A custom hardware/software interface was developed between the EAG electrodes and a robot. The measurement system resolves individual odor patches up to 10 Hz, which exceeds the time scale of artificial chemical sensors12. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is further demonstrated in driving the robot toward a source of pheromone. By using identical olfactory stimuli and sensors as in real animals, our robotic platform provides a direct means for testing biological hypotheses about olfactory coding and search strategies13. It may also prove beneficial for detecting other odorants of interests by combining EAGs from different insect species in a bioelectronic nose configuration14 or using nanostructured gas sensors that mimic insect antennae15.

We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

후각 검색을위한 자율 로봇에 곤충 Electroantennogram 센서를 사용하여

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

신경과학

Building an Enhanced Flight Mill for the Study of Tethered Insect Flight

Makerspaces have a high potential of enabling researchers to develop new techniques and to work with novel species in ecological research. This protocol demonstrates how to take advantage of the technology found in makerspaces in order to build a more versatile flight mill for a relatively low cost. Given that this study extracted its&#160;prototype from flight mills built in the last decade, this protocol focuses more on outlining divergences made from the simple, modern flight mill. Previous studies have already shown how advantageous flight mills are to measuring flight parameters such as speed, distance, or periodicity. Such mills have allowed researchers to associate these parameters with morphological, physiological, or genetic factors. In addition to these advantages, this study discusses the benefits of using the technology in makerspaces, like 3D printers and laser cutters, in order to build a more flexible, sturdy, and collapsible flight mill design. Most notably, the 3D printed components of this design allow the user to test insects of various sizes by making the heights of the mill arm and infrared (IR) sensors adjustable. The 3D prints also enable the user to easily disassemble the machine for quick storage or transportation to the field. Moreover, this study makes greater use of magnets and magnetic paint to tether insects with minimal stress. Lastly, this protocol details a versatile analysis of flight data through computer scripts that efficiently separate and analyze differentiable flight trials within a single recording. Although more labor-intensive, applying the tools available in makerspaces and on online 3D modeling programs facilitates multidisciplinary and process-orientated practices and helps researchers avoid costly, premade products with narrowly adjustable dimensions. By taking advantage of the flexibility and reproducibility of technology in makerspaces, this protocol promotes creative flight mill design and inspires open science.

This protocol uses three-dimensional (3D) printers and laser cutters found in makerspaces in order to create a more flexible flight mill design. By using this technology, researchers can reduce costs, enhance design flexibility, and generate reproducible work when constructing their flight mills for tethered insect flight studies.

테더드 곤충 비행 연구를 위한 향상된 비행 밀 구축

Makerspaces have a high potential of enabling researchers to develop new techniques and to work with novel species in ecological research. This protocol ...

공학

Electroantennography-based Bio-hybrid Odor-detecting Drone using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their applicability in environmental and security monitoring and search-and-rescue operations. Small drones with commercial metal-oxide-semiconductor (MOX) gas sensors have been developed for odor source localization; however, their real-time-odor-detection performance has proven inadequate. However, biosensing technologies based on insect olfactory systems exhibit relatively high sensitivity, selectivity, and real-time response with respect to odorant molecules compared to commercial MOX gas sensors. In such devices, excised insect antennae function as portable odorant biosensor elements and have been found to deliver excellent sensing performance. This study presents experimental protocols for odorant-molecule detection in the air using a small autonomous bio-hybrid drone based on a mountable electroantennography (EAG) device incorporating silkmoth antennae.
We developed a mountable EAG device including sensing/processing parts with a Wi-Fi module. The device was equipped with a simple sensor enclosure to enhance the sensor directivity. Thus, odor source localization was conducted using the spiral-surge algorithm, which does not assume an upwind direction. The experimental bio-hybrid odor-detecting drone identified real-time odorant-concentration differences in a pseudo-open environment (outside a wind tunnel) and localized the source. The developed drone and associated system can serve as an efficient odorant molecule-detection tool and a suitable flight platform for developing odor source localization algorithms owing to its high programmability.

This study introduces experimental protocols for a bio-hybrid odor-detecting drone based on silkmoth antennae. The operation of an experimental electroantennogram device with silkmoth antennae is presented, in addition to the structure of a bio-hybrid drone designed for odor source localization using the spiral-surge algorithm.

악취원 국산화용 실크모스 안테나를 이용한 일탄텐노그래피 기반 바이오 하이브리드 악취 감지 드론

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their ...

A Simple Flight Mill for the Study of Tethered Flight in Insects

Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have shown that flight mills are valuable tools for the experimental study of insect flight behavior, allowing researchers to examine how factors such as age, host plants, or population source can influence an insects' propensity to disperse. Flight mills allow researchers to measure components of flight such as speed and distance flown. Lack of detailed information about how to build such a device can make their construction appear to be prohibitively complex. We present a simple and relatively inexpensive flight mill for the study of tethered flight in insects. Experimental insects can be tethered with non-toxic adhesives and revolve around an axis by means of a very low friction magnetic bearing. The mill is designed for the study of flight in controlled conditions as it can be used inside an incubator or environmental chamber. The strongest points are the very simple electronic circuitry, the design that allows sixteen insects to fly simultaneously allowing the collection and analysis of a large number of samples in a short time and the potential to use the device in a very limited workspace. This design is extremely flexible, and we have adjusted the mill to accommodate different species of insects of various sizes.

Flight in insects is influenced by a number of factors and the propensity to disperse is an important variable in understanding insect ecology and biological control strategies. We describe the construction and use of a simple, relatively inexpensive, and flexible flight mill for measuring parameters of tethered flight in insects.

곤충에 닿는 비행의 연구에 대한 간단한 비행 밀

Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have ...

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

The capability to localize an odor source is necessary for insect survival and is expected to be applicable to artificial odor-tracking. The insect-controlled robot is driven by an actual silkmoth and enables us to evaluate the odor-tracking capability of insects through a robotic platform.

곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...