《Annals of the New York Academy of Sciences》：Contactless Acoustic Trapping of Hoverflies for Behavioral Studies
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研究人员开发了一种基于声辐射力（acoustic radiation force, ARF）的无接触束缚装置，用于研究飞行昆虫的感觉运动反应。传统拴系实验通常使用刚性或磁性束缚，可能通过物理接触及附加质量或惯性引入本体感觉偏差和行为伪影。该装置利用两侧发射超声
研究人员开发了一种基于声辐射力（acoustic radiation force, ARF）的无接触束缚装置，用于研究飞行昆虫的感觉运动反应。传统拴系实验通常使用刚性或磁性束缚，可能通过物理接触及附加质量或惯性引入本体感觉偏差和行为伪影。该装置利用两侧发射超声波形成驻压波（standing pressure waves），并通过纹影法（schlieren technique）可视化，实现昆虫悬浮。研究人员在活体食蚜蝇（Episyrphus balteatus）中验证了该装置的有效性，通过量化头部、腹部、翅膀和腿部四个自然标记的运动速率以及振翅响应，证明食蚜蝇可在超声刺激下长时间稳定悬浮，且行为干扰极小。进一步应用表明，该声学束缚可用于研究食蚜蝇的正位反射（righting reflex）。除食蚜蝇外，该技术还可成功悬浮果蝇（Drosophila）尸体及蚂蚁等其他昆虫，因此在飞行或行走昆虫的行为研究中具有广泛应用潜力。
研究背景与意义
传统昆虫飞行行为研究多采用拴系方式，这种方式严重限制了昆虫的运动自由度，并因附加质量或惯性干扰视觉运动反射反馈回路，导致行为改变。尤其在研究食蚜蝇自由落体过程中的正位反射时，现有方法难以避免腿部的本体感觉刺激，从而影响实验结果。声辐射力（ARF）提供了一种无需接触的束缚方式，其来源于声波在流体介质中对物体的动量传递，可在驻波中将小于半波长（λ/2）的物体捕获于压力节点。已有研究表明，聚焦超声驻波可捕获毫米级物体，但早期设计受限于腔长，样品横向接入受限。近年来，相控阵低功率换能器的发展使得更大、更灵活的腔体成为可能，并能通过高阶横模（high?order transverse modes, HOT modes）稳定捕获不规则形状物体。本研究旨在验证声悬浮作为无接触束缚工具的可行性，评估其对食蚜蝇行为的影响，并探索其在多种昆虫中的应用潜力。论文发表于《Annals of the New York Academy of Sciences》。
关键技术方法
研究人员构建了由两组各42个超声波换能器组成的多发射器悬浮装置，换能器嵌入凹面球冠，工作频率40?kHz，波长λ?=?8.5?mm，采用HOT模式（m?=?1）实现稳定捕获。实验样本为德国Katz Biotech AG提供的食蚜蝇蛹，羽化后在标准光照与温度条件下饲养。行为测试共纳入28只个体（雌雄各半），在无超声与有超声交替的条件下记录运动，并使用DeepLabCut软件追踪头部、腹部、后腿及翅膀的运动速率。统计分析采用主成分分析（PCA）、线性混合效应模型（LMM）、广义线性混合效应模型（GLMM）及Cox生存分析。
研究结果
3.1 超声束缚对飞行行为的影响
3.1.1 全局行为分析
PCA显示超声组与非超声组行为数据重叠度高，无法区分（Wilcoxon检验p?=?0.242），说明超声未引起整体行为变化。
3.1.2 单项行为分析
腹部与后腿运动速率在有无超声条件下无显著差异（LMM，p?>?0.05），翅膀运动速率略有增加（p?=?0.0393），振翅起始发生率无差异（GLMM，p?=?0.349），首次振翅潜伏期相同（Cox模型p?=?0.867），但首次振翅持续时间在超声组显著延长（GLMM，p?
3.1.3 气流刺激结合超声分析
仅有少部分食蚜蝇对气流刺激产生振翅反射，且在有无超声条件下无显著差异。
3.2 其他昆虫的声学束缚
该技术可稳定悬浮多种体型与质量的昆虫，包括死体果蝇（<1?mg）、死蜂（58.6?mg）、活体蚂蚁（7?mg）及活体德国小蠊（10?mg），并能控制其正立或倒立姿态。
讨论与结论
声悬浮可稳定捕获体长1–13.5?mm、质量<1–58.6?mg的昆虫，对食蚜蝇行为影响极小，轻微翅膀运动变化可能源于压力节点位置偏差而非超声本身。该技术避免了传统束缚引起的本体感觉刺激，尤其适用于研究正位反射与重力感知机制。未来可通过优化腔体距离与压力场分布，实现对更重昆虫的稳定悬浮，并可结合飞行模拟器研究无摩擦条件下的视动反应。研究人员认为，声学束缚为昆虫行为学提供了一种非侵入性、高灵活性的实验平台。
