Construindo uma usina de voo aprimorada para o estudo do voo de insetos amarrados

Resumo

Este protocolo usa impressoras tridimensionais (3D) e cortadores a laser encontrados em espaços maker, a fim de criar um design de moinho de voo mais flexível. Usando essa tecnologia, os pesquisadores podem reduzir custos, aumentar a flexibilidade do design e gerar trabalhos reprodutíveis na construção de suas fábricas de voo para estudos de voo de insetos amarrados.

Resumo

Os makerspaces têm um alto potencial de permitir que os pesquisadores desenvolvam novas técnicas e trabalhem com novas espécies em pesquisas ecológicas. Este protocolo demonstra como aproveitar a tecnologia encontrada nos makerspaces, a fim de construir uma fábrica de voo mais versátil por um custo relativamente baixo. Dado que este estudo extraiu seu protótipo de usinas de voo construídas na última década, este protocolo se concentra mais em delinear divergências feitas a partir da simples e moderna fábrica de voo. Estudos anteriores já mostraram como as usinas de voo são vantajosas para medir parâmetros de voo, como velocidade, distância ou periodicidade. Tais usinas permitiram aos pesquisadores associar esses parâmetros a fatores morfológicos, fisiológicos ou genéticos. Além dessas vantagens, este estudo discute os benefícios do uso da tecnologia em espaços maker, como impressoras 3D e cortadores a laser, a fim de construir um design de moinho de voo mais flexível, robusto e dobrável. Mais notavelmente, os componentes impressos em 3D deste design permitem ao usuário testar insetos de vários tamanhos, tornando ajustáveis as alturas do braço do moinho e sensores infravermelhos (IR). As impressões 3D também permitem que o usuário desmonte facilmente a máquina para armazenamento rápido ou transporte para o campo. Além disso, este estudo faz maior uso de ímãs e tinta magnética para amarrar insetos com o mínimo de estresse. Por fim, este protocolo detalha uma análise versátil dos dados de voo através de scripts de computador que separam e analisam eficientemente testes de voo diferentes dentro de uma única gravação. Embora mais trabalhoso, a aplicação das ferramentas disponíveis em makerspaces e em programas de modelagem 3D on-line facilita práticas multidisciplinares e orientadas a processos e ajuda os pesquisadores a evitar produtos pré-fabricados e caros com dimensões estritamente ajustáveis. Ao aproveitar a flexibilidade e a reprodutibilidade da tecnologia nos makerspaces, este protocolo promove o design criativo da fábrica de voo e inspira a ciência aberta.

Introdução

Dado o quão intratável é a dispersão de insetos no campo, a usina de voo tornou-se uma ferramenta de laboratório comum para abordar um importante fenômeno ecológico - como os insetos se movem. Como consequência, desde que os pioneiros da usina de voo^1,2,3,4 inauguraram seis décadas de projeto e construção de moinhos de voo, houve mudanças notáveis de design à medida que as tecnologias melhoraram e se tornaram mais integradas às comunidades científicas. Com o tempo, o software automatizado de coleta de dados substituiu gravadores de gráficos, e os braços da usina de voo erram-se de barras de vidro para barras de carbono e tubos de aço⁵. Somente na última década, os rolamentos magnéticos substituíram os rolamentos de Teflon ou vidro como sem atrito, e os pares entre máquinas de moinhos de voo e tecnologia versátil têm se proliferado à medida que a tecnologia de fabricação de áudio, visual e camadas se torna cada vez mais integrada aos fluxos de trabalho dos pesquisadores. Esses pares incluíram câmeras de vídeo de alta velocidade para medir a aerodinâmica de asa^6,placas digitais-analógicas para imitar pistas sensoriais para estudar respostas de voo auditiva⁷e impressão 3D para fazer uma plataforma de calibração para rastrear a deformação das asas durante o voo⁸. Com o recente surgimento de tecnologias emergentes em espaços maker, particularmente em instituições com centros de mídia digital administrados por funcionários experientes^9,há maiores possibilidades de melhorar a fábrica de voo para testar uma gama maior de insetos e transportar o dispositivo para o campo. Há também um alto potencial para os pesquisadores cruzarem limites disciplinares e acelerarem o aprendizado técnico através do trabalho baseado na produção^9,10,11,12. A usina de voo apresentada aqui (adaptada a partir de Attisano e colegas¹³) aproveita tecnologias emergentes encontradas em espaços makers para não apenas 1) criar componentes de moinhos de voo cujas escalas e dimensões são afinadas para o projeto em mãos, mas também 2) oferecem aos pesquisadores um protocolo acessível em corte a laser e impressão 3D sem exigir um conhecimento de alto orçamento ou qualquer conhecimento especializado em design auxiliado por computador (CAD).

Os benefícios do acoplamento de novas tecnologias e métodos com a usina de voo são substanciais, mas as usinas de voo também são valiosas máquinas autônomas. As usinas de voo medem o desempenho do voo de insetos e são usadas para determinar como a velocidade de voo, a distância ou a periodicidade se relacionam com fatores ambientais ou ecológicos, como temperatura, umidade relativa, estação, planta hospedeira, massa corporal, traços morfológicos, idade e atividade reprodutiva. Diferente de métodos alternativos como actógrafos, esteiras e gravação de vídeo do movimento de voo em túneis de vento e arenas internas^14,a usina de voo é notável por sua capacidade de coletar várias estatísticas de desempenho de voo em condições laboratoriais. Isso ajuda os ecologistas a abordar questões importantes sobre a dispersão de voo, e ajuda-os a progredir em sua disciplina - seja o manejo integrado de pragas^15,16,17, dinâmica populacional, genética, biogeografia, estratégias de história de vida¹⁸, ou plasticidade fenotípica^19,20,21,22 . Por outro lado, dispositivos como câmeras de alta velocidade e actógrafos podem exigir uma configuração rigorosa, complicada e cara, mas também podem levar a parâmetros de movimento mais afinados, como frequências de batida de asa e atividade fotográfica de insetos^23,24. Assim, a fábrica de voo aqui apresentada serve como uma opção flexível, acessível e personalizável para os pesquisadores investigarem o comportamento de voo.

Da mesma forma, o incentivo à integração de tecnologias emergentes no fluxo de trabalho dos ecologistas continua a aumentar à medida que as questões e abordagens para estudar a dispersão se tornam mais criativas e complexas. Como locais que promovem a inovação, os makerspaces se baseiam em múltiplos níveis de experiência e oferecem uma curva de aprendizado baixa para usuários de qualquer idade adquirirem novas habilidades técnicas^10,12. A natureza iterativa e colaborativa de prototipar dispositivos científicos no espaço maker e através de fontes abertas on-line pode acelerar a aplicação da teoria¹¹ e facilitar o desenvolvimento de produtos nas ciências ecológicas. Além disso, o aumento da reprodutibilidade das ferramentas científicas incentivará a coleta mais ampla de dados e a ciência aberta. Isso pode ajudar os pesquisadores a padronizar equipamentos ou métodos para medir a dispersão. A padronização das ferramentas poderia permitir ainda que os ecologistas unificassem dados de dispersão entre populações, a fim de testar modelos de metapopulação que se desenvolvem a partir de núcleos de dispersão²⁵ ou dinâmica de colonização de pia-fonte²⁶. Assim como a comunidade médica está adotando a impressão 3D para o cuidado do paciente e educação de anatomia^27,os ecologistas podem usar cortadores a laser e impressoras 3D para redesenhar ferramentas ecológicas e educação e, no âmbito deste estudo, podem projetar componentes adicionais da fábrica de voo, como plataformas de pouso ou um braço de moinho de voo que pode se mover verticalmente. Por sua vez, a personalização, o custo-efetividade e o aumento da produtividade oferecido pela tecnologia makerspace podem ajudar a iniciar projetos de dispersão com uma barreira relativamente baixa para pesquisadores que pretendem desenvolver suas próprias ferramentas e dispositivos.

Para construir esta usina de voo, há também limitações mecânicas e instrumentais que podem ser consideradas pelo fabricante. Ímãs e melhorias impressas em 3D permitem que a usina de voo seja essencialmente sem cola, exceto para a construção dos suportes cruzados, e seja acomodada a insetos de diferentes tamanhos. No entanto, à medida que a massa e a força dos insetos aumentam, os insetos podem ser mais propensos a desmontar-se enquanto amarrados. Ímãs fortes podem ser usados ao custo de arrasto torcional aumentado, ou rolamentos de esferas podem substituir rolamentos magnéticos como uma solução robusta para insetos de teste de voo que pesam vários gramas^28,29. No entanto, os rolamentos de esferas também podem apresentar alguns problemas, principalmente que a execução de experimentos prolongados com altas velocidades e altas temperaturas pode degradar a lubrificação dos rolamentos de esferas, o que aumenta o atrito³⁰. Assim, os usuários terão que discernir qual mecânica de moinho de voo se adequaria melhor ao seu (s) insetos de estudo e design experimental.

Da mesma forma, existem várias maneiras de instrumentar uma usina de voo que está além das considerações deste artigo. A usina de voo apresentada aqui usa sensores de IR para detectar revoluções, software WinDAQ para registrar revoluções e scripts de programação para processar os dados brutos. Embora seja fácil de usar, o software WinDAQ tem uma matriz limitada de ferramentas disponíveis. Os usuários não podem anexar comentários ao canal correspondente e não podem ser alertados se algum componente do circuito falhar. Esses casos são resolvidos detectando-os e corrigindo-os através do código, mas somente após a coleta de dados. Alternativamente, os usuários podem adotar mais de um software que ofereça recursos de coleta de dados personalizáveis²⁸ ou sensores que levam estatísticas diretas de velocidade e distância, como os milômetros de bicicleta²⁹. No entanto, essas alternativas podem contornar dados brutos valiosos ou funcionalidades difusas em muitos aplicativos de software, o que pode tornar o processamento de dados ineficiente. Em última análise, em vez de remodelar a instrumentação da usina de voo, este protocolo oferece soluções robustas de programação para as limitações atuais do software.

Neste artigo, um projeto para uma usina de voo simples aprimorada é descrito para auxiliar os pesquisadores em seus estudos de dispersão e incentivar a incorporação de tecnologias emergentes no campo da ecologia comportamental. Esta usina de voo se encaixa dentro das restrições de uma incubadora, sustenta até oito insetos simultaneamente e automatiza a coleta e o processamento de dados. Notavelmente, seus aprimoramentos impressos em 3D permitem ao usuário ajustar as alturas do braço do moinho e do sensor IR para testar insetos de vários tamanhos e desmontar o dispositivo para armazenamento ou transporte rápido. Graças ao acesso institucional a um espaço de maker comum, todos os aprimoramentos foram gratuitos, e nenhum custo adicional foi acumulado em comparação com a simples e moderna fábrica de voo. Todos os softwares necessários são gratuitos, os circuitos eletrônicos são simples, e todos os scripts podem ser modificados para seguir as necessidades específicas do design experimental. Além disso, os diagnósticos codificados permitem que o usuário verifique a integridade e precisão de suas gravações. Por fim, este protocolo minimiza o estresse sustentado por um inseto pintando magneticamente e amarrando insetos ao braço do moinho. Com a montagem da usina de voo simples já acessível, acessível e flexível, o uso de tecnologias makerspace para melhorar a simples fábrica de voo pode dar aos pesquisadores o espaço para superar suas próprias necessidades específicas de estudo de voo e pode inspirar projetos criativos de moinhos de voo além das considerações deste artigo.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocolo

1. Construa o moinho de voo em um Makerspace

1. Corte a laser e monte a estrutura de suporte plástico acrílico.
   1. Utilize folhas de acrílico transparentes de 8 (304,8 mm x 609,6 mm x 3,175 mm) grossas para construir a estrutura de suporte plástico acrílico. Certifique-se de que o material não é policarbonato, que se parece com acrílico, mas vai derreter em vez de ser cortado sob o laser.
   2. Localize o cortador de laser no espaço maker. Este protocolo pressupõe que o makerspace tenha um cortador a laser como referenciado na Tabela de Materiais. Para outros cortadores a laser, leia as configurações do cortador de laser para determinar qual cor ou espessura da linha é necessária para definir as linhas de arquivo para serem cortadas a laser ou gravadas (para não serem rasteradas).
   3. Abra o Adobe Illustrator, o Inkscape (gratuito) ou outro editor gráfico vetorial. Prepare um arquivo que leia o design de suporte acrílico em formato vetorial com as linhas acima mencionadas mostradas na Figura 1. Crie linhas de arquivos no modo Adobe Illustrator no modo Vermelho, Verde e Azul (RGB) com um traço de linha de 0,0001 ponto onde RGB Red (255, 0, 0) corta linhas e linhas de etches RGB Blue (0, 0, 255).
   4. Como precaução, teste e responda por kerf para todas as medidas de fenda e orifício. Projete e teste a tecla kerf(Figura Suplementar 1).
      NOTA: A largura do kerf pode variar de acordo com a largura do feixe do cortador a laser, a largura do material e o tipo de material utilizado.
   5. Salve os designs de suporte acrílico e a chave kerf como tipos de arquivos legívels, como .ai, .dxf ou arquivos .svg. Para enviar o trabalho para o cortador de laser, imprima o arquivo na máquina local do cortador de laser e, em seguida, abra o software laser.
      NOTA: Se impressas corretamente, todas as linhas de corte vetoriais no design aparecerão com as cores correspondentes apropriadas no painel de controle do software laser.
   6. Selecione o material como Plástico e, em seguida, o tipo de material como Acrílico. Para maior precisão, meça a espessura do material com uma pinça e digite sua espessura no campo de espessura do material. Habilite automaticamente o eixo Z do ponto focal do material. Defina o tipo de figura para nenhum e deixe a Intensidade em 0%. Para alterar quaisquer métricas avançadas no cortador de laser, como o laser % potência ou % velocidade, teste com a tecla kerf.
      NOTA: A regra geral é que quanto mais grosso o material, mais energia é necessária em uma velocidade menor.
   7. Antes de cortar, siga as diretrizes do makerspace sobre ligar, usar e manter o cortador a laser. Coloque os materiais na cavidade da impressora e corte os suportes acrílicos.
      NOTA: Para evitar possíveis danos oculares, não olhe para o laser ou deixe qualquer folha de acrílico sem vigilância durante o corte.
   8. Limpe o excesso de material da cavidade da impressora e monte a estrutura de suporte. Monte inserindo cada prateleira horizontal nas fendas abertas das paredes verticais externas e na parede vertical central, conforme rotulado na Figura 2A. Certifique-se de que os orifícios entre as prateleiras horizontais estejam alinhados.
2. Imprima em 3D os suportes plásticos.
   1. Abra um navegador da Web e crie uma conta em um programa de modelagem 3D online. Consulte a Tabela de Materiais para uma opção de conta gratuita.
   2. Clique em Designs 3D > Crie um novo design. Para replicar os designs impressos 3D exatos deste estudo, como visto na Figura 3,baixe o arquivo 3D_Prints.zip (Impressões 3D Suplementares)e mova a pasta para a área de trabalho. Descompacte e abra a pasta. Na página web do programa de modelagem 3D on-line, clique em Importar no canto superior direito e selecione o arquivo .stl(s).
      NOTA: Várias réplicas de design ou objetos podem preencher o plano de trabalho e serem salvos como um único arquivo .stl, desde que o usuário contenha os objetos dentro dos limites da área de construção da impressora 3D. O maior objeto que uma impressora 3D pode imprimir tem 140 mm de comprimento x largura de 140 mm x 140 mm de profundidade. No entanto, não gire os objetos ao longo de seu eixo z como um meio de maximizar o número de objetos em uma área de construção. Isso porque os objetos baixados foram posicionados para minimizar as saliências, e assim podem ser impressos de forma ideal com os suportes mínimos necessários.
   3. Para auto-criar ou fazer ajustes nos designs, siga os tutoriais do site, faça edições e, em seguida, exporte os novos designs como arquivos .stl. No total, 8 trilhos de guia linear (100,05 mm de comprimento x 23,50 mm de largura x 7,00 mm de profundidade), 16 blocos ferroviários guias lineares (22,08 mm de comprimento x 11,47 mm de largura x 12,47 mm de profundidade), 1 12 a 20 parafusos (9,00 mm de comprimento x 7,60 mm de largura x 13,00 mm de profundidade), 15 suportes cruzados (50,00 mm de comprimento x 50,00 mm de largura x 20,00 mm de profundidade), 16 suportes de ímã (12,75 mm de comprimento x 12,50 mm de largura x 15,75 mm de profundidade), suportes de tubo de 16 tubos (29,22 mm de comprimento x 29,19 mm de largura x 11,00 mm de profundidade), 16 suportes de trilhos guia lineares curtos (40,00 mm de comprimento x 11,00 mm de largura x 13,00 mm de profundidade) e suportes ferroviários de guia linear longo de 16,00 mm (40,00 mm de comprimento x 16,00 mm de largura x 13,00 mm de profundidade) precisam ser impressos em 3D. Para obter o espelho de cada desenho linear do trilho guia, clique no objeto, pressione Me selecione a seta correspondente à largura do objeto.
      NOTA: Veja o passo 1.3.6. para obter mais informações sobre os pinos de trilhos guia lineares.
   4. Baixe e instale um software de corte de impressão 3D para converter arquivos .stl em um arquivo .gx legível para impressora 3D. Consulte a Tabela de Materiais para baixar o programa de software livre.
      NOTA: Outros programas de software de conversão são aceitáveis, mas este protocolo pressupõe que o makerspace esteja usando a impressora 3D e o software de corte de impressão como referenciado na Tabela de Materiais.
   5. Clique duas vezes no ícone do software de corte de impressão 3D para iniciar o software. Clique em Imprimir > Tipo de Máquina e selecione a impressora 3D que está localizada no espaço maker.
   6. Clique no ícone Carregar para carregar um arquivo modelo .stl e exibir o objeto na área de compilação.
   7. Selecione o objeto e clique duas vezes no ícone Mover. Clique na plataforma para garantir que o modelo esteja na plataforma. Clique em Central para colocar o objeto no centro da área de compilação ou arraste o objeto com o ponteiro do mouse para posicionar o objeto na área de compilação.
   8. Clique no ícone Imprimir. Certifique-se de que o Tipo de Material está definido como PLA,os suportes e a balsa estão ativados, a resolução é definida como Padrãoe a temperatura do extrusor corresponde à temperatura sugerida pelo guia da impressora 3D. A temperatura pode ser alterada dentro de Mais Opções >> Temperatura.
   9. Pressione OK e salve o arquivo .gx na pasta 3D_Prints ou em um pendrive se o arquivo não puder ser transferido para a impressora 3D através de um cabo USB.
   10. Localize a máquina de impressão 3D do makerspace. Calibrar a extrusora e garantir que haja filamento suficiente para impressão. Transfira o arquivo .gx para a impressora 3D e imprima todos os tipos e quantidades de suportes e melhorias plásticas. Para cada impressão, verifique se o filamento está grudado corretamente na placa.
3. Monte impressões 3D na estrutura de suporte acrílico.
   1. Para visualizar todos os suportes no local, consulte Figura 2B.
   2. Cola quente as folhas de neoprene de 3,175 mm de espessura nas paredes internas do suporte cruzado. Quando estiver seco, insira os suportes cruzados nas junções das prateleiras acrílicas e nas paredes na parte de trás do dispositivo para estabilizar a usina de voo.
   3. Sempre que possível, use parafusos impressos em 3D para minimizar a influência magnética dos parafusos de ferro. O parafuso no tubo suporta na parte inferior e na parte superior de cada célula. Certifique-se de que os suportes do tubo superior e inferior estejam alinhados.
   4. Insira um tubo plástico de 30 mm de comprimento (diâmetro interno (ID) 9,525 mm; diâmetro externo (OD) 12,7 mm) no suporte superior do tubo e um tubo plástico de 15 mm de comprimento (ID 9.525 mm; OD 12,7 mm) no suporte do tubo inferior de cada célula. Em seguida, insira um tubo plástico de 40 mm de comprimento (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) no tubo superior e um tubo plástico de 20 mm de comprimento (ID 6,35 mm; OD 9.525 mm) no tubo inferior. Certifique-se de que há forte atrito suficiente entre os tubos para manter os tubos no lugar, mas não muito que o tubo interno ainda possa deslizar para cima e para baixo se puxado para cima. Se os tubos forem deformados, submersa segmentos dos tubos por 1 min em água fervente. Endireitar os tubos em uma toalha, permitir que eles atinjam a temperatura ambiente e, em seguida, inserir os tubos.
   5. Coloque os dois ímãs de neodímio de baixa fricção (10 mm de diâmetro; 4 mm de comprimento; 2,22 kg de força de retenção) em cada suporte de ímã. Certifique-se de que cada par de ímãs está se repelindo. Em seguida, aloque firmemente um tubo interno em cada suporte de ímã para que a gravidade que age sobre os ímãs e o suporte do ímã não seja forte o suficiente para desalojar o suporte do tubo interno.
   6. De frente para a mesma direção, deslize dois blocos lineares de trilhos-guia para o trilho guia linear. Aloja os trilhos de guia lineares e bloqueie ereto nas janelas das paredes verticais externas. Certifique-se de que as aberturas do bloco estão voltadas para cima. Para fixar um trilho guia linear no lugar, utilize dois suportes ferroviários de guia lineares curtos, dois suportes ferroviários longos e lineares, quatro parafusos de ferro longos de 10 mm (M5; 0,8 de linha; 5 mm de diâmetro), dois parafusos de ferro de 20 mm de comprimento (M5; 0,8 passo de linha; 5 mm de diâmetro) e duas porcas hexais (M5; 0,8 de comprimento; 5 mm de diâmetro). A Figura 2C mostra a montagem completa do trilho guia linear.
      NOTA: As ranhuras abertas no trilho guia linear destinam-se a ser usadas se e somente se o trilho guia linear for corroído pelo repetido deslizamento de seu bloco. Se assim for, imprima em 3D um pequeno pino em forma de T encontrado na pasta 3D_Prints.
4. Construa o braço pivotante.
   NOTA: As sub seções 1.4.1 e 1.4.2 equivalem às sub seções 1.2.2. e 1.2.3. em Attisano et al. 2015 métodos papel¹³.
   1. Puna o filtro de uma ponta de pipeta filtrada de 20 μL em seu ponto central usando um pino entomológico. Em seguida, empurre o pino através da ponta da pipeta até que as extremidades de aço do pino se projetem do corpo da ponta da pipeta. Certifique-se de que o filtro da ponta da pipeta fixa o pino no lugar. O pino serve como o eixo do braço da usina de voo.
   2. Para maximizar o espaço celular, corte uma tubulação de aço hipodérmica não magnética de 19 G a um comprimento de 24 cm (1 cm a menos que a largura de uma célula de voo). Cola quente o pino saliente e a coroa da ponta pipeta do passo 1.4.1. até o ponto médio da tubulação. Dobre uma extremidade da tubulação a 2 cm da extremidade até um ângulo de 95°.
      NOTA: Para priorizar o tamanho do inseto em vez de maximizar o espaço celular, encurte o raio do braço para insetos menores ou panfletos fracos. Um braço de voo mais longo também pode ser montado se a parede acrílica central for removida para insetos maiores ou panfletos fortes. Além disso, a parte inferior do braço pode suportar diferentes ângulos para posicionar o inseto em sua orientação natural de voo.
   3. Para testar sua suspensão magnética, posicione o braço entre o conjunto superior dos ímãs. Certifique-se de que o braço rotativo gire livremente ao redor do pino suspenso verticalmente.
   4. Cole os dois ímãs de neodímio de baixa fricção (3,05 mm de diâmetro; 1,58 mm de comprimento; 0,23 kg de força de retenção) na extremidade dobrada do braço pivô para amarrar o inseto pintado magneticamente para o voo (massa de braço do moinho de voo com ímãs = 1,4 g). Na extremidade nãobente do braço pivô, enrole um pedaço de papel alumínio (massa por área = 0,01 g/cm²) para criar uma bandeira. A bandeira de folha age como um contrapeso, e, devido às suas propriedades altamente reflexivas, quebra o feixe de RI enviado do transmissor do sensor IR para o receptor.
      NOTA: O diâmetro do feixe IR é de no máximo 2,4 mm, de modo que a largura mínima ideal da bandeira de folha é de 3 mm. Uma largura de bandeira de folha de 3 mm e posicionada para quebrar o feixe de luz IR na frente da lente do emissor do sensor produzirá uma queda de tensão que é detectável durante as análises.
5. Configure o sensor de RI e o data logger.
   1. Coloque o transmissor do sensor IR dentro do bloco ferroviário guia linear superior com o emissor do feixe voltado para baixo. Em seguida, coloque o receptor do sensor IR dentro do bloco inferior voltado para cima.
      NOTA: Os sensores (20 mm de comprimento x 10 mm de largura x 8 mm de profundidade) podem ser separados até uma distância de 250 mm e ainda funcionam; portanto, funcionarão mesmo quando posicionados nas extremidades do trilho guia linear de aproximadamente 100 mm.
   2. Em uma prancha sem solda, conecte o transmissor do sensor IR e o receptor em série com o data-logger de entrada analógico de 4 canais, como mostrado no circuito eletrônico na Figura 4A. Conecte primeiro a entrada do transmissor do sensor IR (não o receptor), seguindo o resistor de 180 Ω. Coloque outro resistor de 2,2 kΩ antes da saída da conexão do receptor IR. Configure o circuito eletrônico de cada canal em linhas alternativas ao longo da placa para minimizar o ruído no sinal de tensão a partir de múltiplos sensores durante a gravação(Figura 4B).

2. Realizar testes de voo

1. Magneticamente amarra insetos ao braço da usina de voo.
   1. Para minimizar o estresse colocado no inseto, aplique tinta magnética no pronoto do inseto usando um palito ou um aplicador de precisão de linha fina (ponta de 20 G). Deixe a tinta secar por pelo menos 10 minutos. Uma vez seco, conecte o inseto aos ímãs de braço da usina de voo. Consulte a Figura 5 para exemplos de pintura magnética e insetos amarrados de diferentes tamanhos. Este protocolo usa o haematoloma de Jadera (inseto de sabão) como o inseto modelo para a amarração de voo e experimentação experimental.
      NOTA: Para uma atração mais forte entre o inseto e os ímãs do braço, aplique várias camadas de tinta magnética. Além disso, troque os ímãs ligados ao braço da usina de voo por tamanhos de ímãs que melhor acomodam o campo de visão, massa e asa dos insetos.
   2. Voe até 8 insetos por vez na fábrica de voo. Prepare a pintura pelo menos 16 insetos para testar vários insetos sequencialmente durante uma única sessão de gravação.
   3. Para remover a tinta magnética após o teste, retire a tinta com fórceps finos e descarte-a de acordo com as normas da Agência de Proteção Ambiental (EPA) e da Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA).
2. Grave vários insetos sequencialmente sem encerrar uma sessão de gravação usando a ferramenta De comentário marcador de eventos do WinDAQ.
   1. Baixe e instale o software gratuito windaq de gravação e reprodução de dados.
   2. Crie uma nova pasta intitulada Flight_scripts na área de trabalho. Crie cinco novas pastas com os seguintes nomes exatos dentro da pasta Flight_scripts: dados, arquivos2split, gravações, split_filese standardized_files. Baixe a folha de dados.xlsx (Arquivo Suplementar 1) e arraste o arquivo para a pasta de dados no diretório Flight_scripts.
   3. Use a folha de dados.xlsx como modelo manual de gravação de dados. É necessário um mínimo de quatro colunas: o número de identificação do bug, se o bug morreu antes de ser testado, o número do conjunto de gravação e a câmara composta pela letra do canal e o número do canal (por exemplo, 'A-1', 'B-4'). Consulte a Figura 2A para uma possível configuração de câmara.
   4. Abra o Painel WinDAQ, selecione o data-logger(s) da lista de caixas de seleção e pressione 'Start Windaq Software'. Uma nova janela será aberta para cada data-logger selecionado, e o sinal de entrada de cada sensor será mostrado.
   5. Defina uma frequência amostral clicando em Editar > Taxa de Amostra. Digite uma frequência amostral de 100 amostras/segundo na caixa Taxa de Amostra/Canal e pressione OK.
      NOTA: Este protocolo sugere 100 S/s porque os cochos, que são gotas de tensão resultantes da sinalização interrompendo o feixe do sensor IR, ainda atingirão uma queda mínima de tensão de 0,36 V para velocidades de 1,7 m/s. Por sua vez, o ruído, que tem uma queda máxima de tensão de 0,10 V, ainda pode ser filtrado durante as padronizações sem filtrar calhas reais. Além disso, uma taxa de amostra de 100 S/s facilita que o usuário veja os cochos na forma de onda na tela durante e após a gravação. Se erros acontecerem durante a gravação, o usuário poderá discernir rapidamente os cochos de erros ou ruídos. Consulte Figura Suplementar 2 para comparações entre várias frequências de baixa amostragem.
   6. Para iniciar uma nova sessão de gravação, pressione Arquivo > Gravar. Selecione a localização do arquivo de gravação na primeira janela pop-up. Escreva o nome do arquivo com cuidado. Os arquivos devem ter pelo menos o seguinte em seus nomes: o número do conjunto de gravação e a letra do canal. Um exemplo de nome de arquivo modelado nos scripts Python é o seguinte: T1_set006-2-24-2020-B.txt. Consulte split_files.py linhas 78-87 da pasta Flight_scripts para obter mais detalhes. Então, pressione OK.
   7. Na próxima janela pop-up, entre no comprimento antecipado da gravação do voo. Pressione OK quando os insetos estiverem em posição de começar a voar. Após o tempo de gravação, pressione Ctrl-S para finalizar o arquivo. Não pressione Ctrl-S a menos que haja necessidade de encerrar a gravação mais cedo.
      NOTA: Se o arquivo terminar muito cedo, digitando Ctrl+S ou o tempo acima mencionado for muito curto, adquiree uma nova gravação para um arquivo existente clicando em Arquivo > Registro. Selecione o arquivo para anexar e clique em Sim na janela pop-up a seguir.
   8. Ao retirar insetos testados durante a gravação, insira um marcador de evento comentado do inseto de entrada em sua câmara selecionada. Registoste sempre o conjunto de 16 000 000 000 000 000 000 000 000 000m do inseto de entrada na folha de dados.xlsx antes de trocar insetos.
   9. Para fazer um comentário marcador de evento, clique no número do canal. Em seguida, clique em Editar > inserir marca comentou. Defina o comentário com o número de identificação do novo inseto entrando na câmara. Pressione ok e carregue o inseto na câmara.
3. Visualize os comentários do marcador de eventos e converta o arquivo do WDH para o TXT.
   1. Abra um arquivo WDH. Visualize os comentários do marcador de eventos indo editar > Compressão... e, em seguida, clique no botão Máximo para comprimir totalmente a forma de onda em uma janela(Figura 6A).
   2. Verifique se há anormalidades na gravação.
      NOTA: Os tipos de anormalidades ou falhas na gravação são exibidos na Figura 6. Estes são diagnosticados mais tarde e corrigidos nos scripts Python.
   3. Salve o arquivo em um formato .txt indo para Arquivo > Salvar Como. Selecione a pasta de gravações dentro do diretório Flight_scripts como o local para salvar o arquivo. Selecione o tipo de arquivo como Impressão de planilha (CSV) na janela pop-up e escreva o nome do arquivo com .txt no final. Clique em Salvar. Na janela pop-up a seguir, selecione Taxa de Amostra, Hora Relativae Data e Hora. Tipo 1 entre o número do canal e os marcadores de eventos. Desmarque todas as outras opções e clique em OK para salvar o arquivo.

3. Analisar dados de voo

1. Dividir arquivos por comentários marcadores de eventos.
   1. Instale a versão mais recente do Python. Todos os scripts deste protocolo foram desenvolvidos na versão Python 3.8.0.
   2. Baixe os seguintes scripts Python: split_files.py, standardize_troughs.pye flight_analysis.py (Arquivos de Codificação Suplementar). Mova os scripts para a pasta Flight_scripts.
   3. Certifique-se de que o Python está atualizado e instale as seguintes bibliotecas: csv, os, sys, re, datatime, hora, numpy, matemática e matplotlib. Para observar as principais funções e estruturas de dados dos scripts, consulte o esquema na Figura Suplementar 3.
   4. Abra o arquivo datasheet.xlsx e salve como um CSV alterando o formato de arquivo para CSV UTF-8 (Comma delimitado) se executar Windows ou Macintosh Comma Separated se executar Mac.
   5. Abra o ícone split_files.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
   6. Recodificar as linhas 133-135 e 232-233 se o usuário escreveu um nome de arquivo diferente do modelo sugerido ('T1_set006-2-24-2020-B.txt'). Para codificar o script para acomodar diferentes nomes de arquivos usando a função split(), consulte as linhas 116-131.
   7. Na linha 266, digite o caminho para a pasta Flight_scripts e execute o script. Após uma execução bem sucedida, o script gera arquivos intermediários .txt de IDs de insetos mapeados na pasta files2split e .txt arquivos para cada inseto testado em cada conjunto de gravação na pasta split_files, dentro do diretório Flight_scripts.
      NOTA: Além disso, no Python Shell, os usuários devem ver declarações de impressão do nome do arquivo, quais insetos estão sendo trocados em um marcador de evento numerado e quais arquivos estão sendo divididos e gerados em novos arquivos por ID de insetos.
2. Padronize e selecione os cochos no sinal gravado.
   1. Abra o ícone standardize_troughs.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
   2. Na linha 158, digite a frequência amostral.
   3. Na linha 159, digite o caminho para a pasta Flight_scripts e execute o script. Se o script for executado com sucesso, ele gerará arquivos na pasta standardized_files no diretório Flight_scripts.
      NOTA: Todos os arquivos devem começar com 'standardized_' e terminar com o nome de arquivo original.
   4. Confira a qualidade das gravações: Abra o trough_diagnostic.png gerado pelo standardize_troughs.py localizado na pasta Flight_scripts. Certifique-se de que todos os registros são robustos para alterações no valor mínimo e máximo de tensão do intervalo médio de padronização.
      NOTA: As gravações podem ter muito ruído ou ter cochos excessivamente sensíveis se apresentarem grandes reduções no número de cochos identificados quando os valores mínimos e máximos de desvio são aumentados. Diagnósticos adicionais para o fator de normalização min-max também podem ser codificados, realizados e plotados. Um método alternativo para verificar a qualidade da gravação é descrito nas etapas 2.3.1. e 2.3.2. dos métodos Attisano et al. 2015 artigo¹³.
   5. Avalie os diagnósticos, a linha 198 do não compartimentação, e especifique os valores mínimos e máximos de desvio, que definem os valores mínimos e máximos em torno da tensão média utilizada para realizar a padronização de todos os arquivos. O padrão é de 0,1 V para cada valor de desvio.
      NOTA: Na linha 53, o usuário também pode especificar o limiar do fator de normalização min-max, a fim de identificar uma tensão muito abaixo do valor do limiar.
   6. Comente a linha 189 após inserir os valores de desvio e, em seguida, execute o script. O script executará as padronizações de forma eficiente para todos os arquivos (quase 25 vezes mais rápido).
3. Analise a faixa de voo usando o arquivo padronizado.
   1. Abra o ícone flight_analysis.py com o editor de texto escolhido. Se não houver preferência, clique com o botão direito do mouse no ícone do script e selecione Abrir com IDLE.
   2. Nas linhas 76-78, edite a correção de velocidade opcional que suprime rotações adicionais do braço do moinho depois que um inseto pára de voar. Determine este valor limiar com cautela ao trabalhar com insetos voadores lentos.
   3. Na linha 121, edite os limites de velocidade para corrigir para leituras de velocidade falsas, como velocidades extremamente rápidas ou velocidades negativas. Na linha 130, edite o valor da diferença de tempo para filtrar longas lacunas que ocorrem entre duas lutas de voo ininterruptas consecutivas.
   4. Na linha 350, digite o caminho para a pasta em que os arquivos *.txt padronizados são salvos.
   5. Na linha 353, insira o comprimento do raio do braço usado durante os ensaios, que define o trajeto circular de voo voado por revolução pelo inseto.
   6. Identifique as unidades si de distância e tempo como cordas nas linhas 357 e 358, respectivamente.
   7. Nas linhas 388-397, utilize a função split() para extrair, no mínimo, o número de identificação do inseto e o número e câmara definidos em que o inseto voou do nome do arquivo. O script segue o exemplo abrangente de nome de arquivo de 'standardized_T1_set006-2-24-2020-B.txt'. Se necessário, simplifique esse nome de arquivo conforme sugerido na etapa 2.2.6.6., e comente ou exclua variáveis como tipo de ensaio nas linhas 392 e 401, se não for usada.
   8. Especifique todas as configurações do usuário, salve e execute o script. Se a execução do script for bem sucedida, ele imprime o número de identificação correspondente do inseto, câmara e estatísticas de voo calculadas na Concha Python. Além disso, ele gera um arquivo flight_stats_summary.csv composto pelas informações impressas no Python Shell e salva o arquivo .csv na pasta de dados do diretório Flight_scripts.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Resultados

Os dados de voo foram obtidos experimentalmente durante o inverno de 2020 usando o campo coletado J. haematoloma da Flórida como os insetos modelo (Bernat, A. V. e Cenzer, M. L. , 2020, dados inéditos). Os ensaios de voo representativos foram realizados no Departamento de Ecologia e Evolução da Universidade de Chicago, conforme mostrado abaixo na Figura 6, Figura 7, Figura 8e Figura 9. A us...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussão

A fábrica de voo simples e moderna oferece uma gama de vantagens para pesquisadores interessados em estudar o voo de insetos amarrados, fornecendo um design confiável e automatizado que testa vários insetos de forma eficiente e econômica^13,31,35. Da mesma forma, há um forte incentivo para que os pesquisadores adotem tecnologias e técnicas emergentes rápidas da indústria e de outros campos científicos como forma de const...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiais

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