Высота

Биология связи, том 5, Номер статьи: 1318 (2022) Цитировать эту статью

3196 Доступов

1 Цитаты

70 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы представляем экономичную систему визуализации со встроенным аппаратным и программным обеспечением для высокоэффективного получения мультиспектральных изображений чешуекрылых. Этот метод облегчает сравнение цветов и форм видов в мелких и широких таксономических масштабах и может быть адаптирован для других отрядов насекомых с большей трехмерностью. Наша система может отображать как спинную, так и брюшную стороны закрепленных экземпляров. Вместе с нашим конвейером обработки описательные данные можно использовать для систематического исследования мультиспектральных цветов и форм на основе полной реконструкции крыла и универсально применимого плана местности, который объективно определяет количественные характеристики крыльев для видов с различной формой крыльев (включая хвосты) и системами жилкования. Основные морфологические измерения, такие как длина тела, ширина грудной клетки и размер антенны, генерируются автоматически. Эта система может экспоненциально увеличить количество и качество данных о характеристиках, извлекаемых из музейных образцов.

Наноструктуры в кутикуле насекомых вдохновили на создание множества новых инженерных разработок1,2,3,4,5. Поскольку известно, что насекомые способны воспринимать длины волн за пределами видимого спектра, важные данные могут быть упущены, если только системы визуализации, используемые для исследования кутикулы насекомых, не способны обнаружить полный диапазон потенциально важных электромагнитных длин волн. Текущие исследования цвета и формы крыльев чешуекрылых (бабочек и мотыльков) (которые в этой статье мы используем как сокращение для отражательной способности, независимой от любой зрительной системы) и формы часто ограничиваются менее чем 100 экземплярами3,6 из-за трудоемких исследований одного экземпляра. основанные на процедурах7,8,9, таких как необходимость отделить крылья от образцов2,4,10 или расположить и отобразить отдельные экземпляры с их этикетками. Разработка систем, учитывающих разнообразие форм крыльев9,11, также представляет собой серьезную проблему.

Чешуекрылые представляют собой идеальную цель для визуализации, поскольку двумерная природа прикрепленных экземпляров большинства бабочек и многих мотыльков делает их более удобными для анализа. Необходимы подходящие методы, которые смогут объективно, систематически и эффективно обрабатывать мультиспектральные изображения чешуекрылых. Основные проблемы двояки: (1) разработка высокопроизводительной системы визуализации и (2) идентификация универсально применимого плана или архетипа, который можно обобщить для захвата характеристик крыльев разных семейств.

Традиционно мультиспектральные свойства поверхности объекта можно измерить двумя способами12,13,14,15. Гиперспектральный спектрофотометр обеспечивает высокое спектральное разрешение (~ 0,1 нм) для одной точки, а мультиспектральная визуализация может быстро создавать двумерные изображения с высоким пространственным разрешением за счет некоторого снижения спектрального разрешения за счет разделения спектра на несколько диапазонов длин волн ~ 100–200. нм каждый (далее именуемые «полосы») и проведение фотоподобных измерений на большой площади с помощью камеры. Некоторые современные системы визуализации имеют в 10–20 раз лучшее спектральное разрешение (~ 5–10 нм), но стоят в 70 раз дороже, чем наше устройство (~ 350 000 долларов США). В области дистанционного зондирования спутники используют мультиспектральную визуализацию для эффективного сбора данных на больших территориях по всему миру (например, усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения [AVHRR] и спектрорадиометр формирования изображений среднего разрешения [MODIS]). Аналогичным образом, коммерческие мультиспектральные камеры могут обеспечить объективные мультиспектральные измерения на двумерных поверхностях, но те, которые оснащены высоким пространственным разрешением, непомерно дороги для большинства отдельных лабораторий или музейных коллекций и имеют относительно низкую эффективность визуализации, что усложняет их использование для высокопроизводительной визуализации образцов. Поэтому мы разработали масштабируемую высокопроизводительную систему визуализации на основе модифицированной бытовой зеркальной камеры, которая может вместить ящик для образцов в стиле Корнеллского музея (450 × 390 × 67 мм) и способна одновременно собирать мультиспектральные данные из большого количества биологических образцов. .