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May 07, 2023

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Volume de Biologia da Comunicação

Biologia das Comunicações volume 5, Número do artigo: 1318 (2022) Citar este artigo

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Apresentamos um sistema de imagem econômico com hardware e software integrados para capturar imagens multiespectrais de lepidópteros com alta eficiência. Este método facilita a comparação de cores e formas entre espécies em escalas taxonômicas ampla e fina, podendo ser adaptado para outras ordens de insetos com maior tridimensionalidade. Nosso sistema pode gerar imagens dos lados dorsal e ventral de espécimes fixados. Juntamente com nosso pipeline de processamento, os dados descritivos podem ser usados ​​para investigar sistematicamente cores e formas multiespectrais com base na reconstrução de asa completa e um plano de chão universalmente aplicável que quantifica objetivamente padrões de asas para espécies com diferentes formatos de asas (incluindo caudas) e sistemas de nervuras. Medições morfológicas básicas, como comprimento do corpo, largura do tórax e tamanho da antena, são geradas automaticamente. Este sistema pode aumentar exponencialmente a quantidade e a qualidade dos dados de características extraídos de espécimes de museus.

Nanoestruturas em cutículas de insetos inspiraram muitos novos projetos de engenharia1,2,3,4,5. Como os insetos são capazes de perceber comprimentos de onda além do espectro visível, dados importantes podem ser perdidos, a menos que os sistemas de imagem usados ​​para pesquisar as cutículas dos insetos sejam capazes de detectar uma gama completa de comprimentos de onda eletromagnéticos potencialmente relevantes. Os estudos atuais da cor da asa de lepidópteros (borboleta e mariposa) (que neste artigo usamos como uma abreviação para refletância, agnóstica de qualquer sistema visual) e forma são frequentemente limitados a menos de 100 espécimes3,6 devido a um único espécime intensivo em tempo procedimentos baseados7,8,9, como a necessidade de destacar as asas dos espécimes2,4,10 ou organizar e obter imagens de espécimes individuais com seus rótulos. Projetar sistemas que acomodam a diversidade de formato de asa9,11 também apresentou um sério desafio.

Os lepidópteros fornecem um alvo de imagem ideal, pois a natureza bidimensional dos espécimes fixados da maioria das borboletas e muitas mariposas os torna mais tratáveis ​​para análise. São necessários métodos adequados que possam processar imagens multiespectrais de lepidópteros de forma objetiva, sistemática e eficiente. Os principais desafios são duplos: (1) desenvolvimento de um sistema de imagens de alto rendimento e (2) identificação de uma planta ou arquétipo universalmente aplicável que possa ser generalizado para capturar características de asa em todas as famílias.

Convencionalmente, as propriedades multiespectrais da superfície de um objeto podem ser medidas de duas maneiras12,13,14,15. Um espectrofotômetro hiperespectral fornece alta resolução espectral (~ 0,1 nm) para um único ponto, enquanto imagens multiespectrais podem criar rapidamente imagens bidimensionais com alta resolução espacial com algum custo para a resolução espectral, dividindo o espectro em várias bandas de comprimento de onda de ~ 100–200 nm cada (doravante referidos como "bandas") e fazendo medições fotográficas em uma grande área usando uma câmera. Alguns sistemas de imagem de última geração têm resolução espectral 10 a 20 vezes mais fina (~ 5 a 10 nm), mas custam 70 vezes mais do que nossos aparelhos (~ $ 350.000). No sensoriamento remoto, os satélites usam imagens multiespectrais para coletar dados de forma eficiente em grandes áreas em todo o mundo (por exemplo, radiômetro avançado de resolução muito alta [AVHRR] e espectrorradiômetro de imagem de resolução moderada [MODIS]). Da mesma forma, as câmeras multiespectrais comerciais podem fornecer medições multiespectrais objetivas em superfícies bidimensionais, mas aquelas equipadas com alta resolução espacial são proibitivamente caras para a maioria dos laboratórios individuais ou coleções de museus e têm eficiência de imagem relativamente lenta, complicando seu uso em imagens de espécimes de alto rendimento. Portanto, desenvolvemos um sistema de imagem escalável e de alto rendimento baseado em uma câmera DSLR de consumidor modificada que pode acomodar uma gaveta de espécimes de museu estilo Cornell (450 × 390 × 67 mm) e é capaz de coletar dados multiespectrais de um grande número de espécimes biológicos de uma só vez .