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Methodenartikel

Insect-Maschine Hybridsystem: Remote Radio Control eines frei fliegenden Käfer (

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⸱

DOI:

10.3791/54260

⸱

2. September 2016

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt den Prozess der Konstruktion eines Insekten-Maschine-Hybridsystems und der Durchführung einer drahtlosen elektrischen Stimulation der Flugmuskulatur, die zur Steuerung der Drehbewegung eines fliegenden Insekts erforderlich ist.

Zusammenfassung

Der Aufstieg von Radio-fähige digitale elektronische Geräte hat für die Untersuchung im Flug Insekten Verhalten die Verwendung von kleinen drahtlosen neuromuskuläre Recordern und Stimulatoren aufgefordert. Diese Technologie ermöglicht die Entwicklung eines insekten Maschine Hybridsystem einen lebenden Insekts Plattform in diesem Protokoll beschrieben ist. Darüber hinaus stellt dieses Protokoll, um die Systemkonfiguration und Freiflugversuchsverfahren für die Funktion der Flugmuskeln in einem untethered Insekt zu bewerten. Zur Demonstration, gezielte wir die dritte axillären sclerite (3Ax) Muskel zu kontrollieren und nach links oder rechts Drehen eines fliegenden Käfer erreichen. Eine dünne Silberdrahtelektrode wurde auf der 3Ax Muskel auf jeder Seite des Käfers implantiert. Diese verbunden wurden an die Ausgänge eines drahtlosen Rucksack (dh einer neuromuskulären elektrischen Stimulator) , montiert auf dem Halsschild des Käfers. Der Muskel wurde in freiem Flug stimuliert durch die Stimulationsseite alternierend (links oder rechts) oder Verändern der stimulation Frequenz. Der Käfer wandte sich an der ipsilateralen Seite, wenn der Muskel wurde ein abgestuftes Reaktion auf eine Erhöhung der Frequenz angeregt und ausgestellt. Der Implantationsprozess und Volumenkalibrierung der 3-dimensionale Bewegungserfassungskamerasystem müssen mit Sorgfalt durchgeführt werden, um den Muskel nicht beschädigt wird und die Spur des Markers zu verlieren, respectively. Diese Methode ist sehr vorteilhaft Insektenflug zu studieren, da sie die Funktionen des Flugmuskel von Interesse im freien Flug zu offenbaren hilft.

Einleitung

Ein Insekten-Maschine-Hybridsystem, oft als Cyborg-Insekt oder Biobot bezeichnet, ist die Verschmelzung einer lebenden Insektenplattform mit einem auf Miniatur montierten elektronischen Gerät. Das elektronische Gerät, das drahtlos von einem entfernten Benutzer gesteuert wird, gibt ein elektrisches Signal aus, um neuromuskuläre Stellen im Insekt über implantierte Drahtelektroden elektrisch zu stimulieren und so die vom Benutzer gewünschten motorischen Aktionen und Verhaltensweisen zu induzieren. In der Anfangsphase dieses Forschungsfeldes beschränkten sich die Forscher auf die drahtlose Aufzeichnung der Muskelaktivität eines Insekts mit einfachen analogen Schaltkreisen, die aus oberflächenmontierten Komponenten1-3 bestanden. Die Entwicklung der System-on-a-Chip-Technologie mit Radiofrequenzfunktionalität ermöglichte nicht nur die drahtlose Aufzeichnung neuromuskulärer Signale, sondern auch die elektrische Stimulation der neuromuskulären Stellen in lebenden Insekten. Gegenwärtig ist ein eingebauter Radio-Mikrocontroller klein genug, um an lebenden Insekten montiert zu werden, ohne ihre Fortbewegung zu behindern4-13.

Die Entwicklung des eingebauten Radio-Mikrocontrollers ermöglicht es Forschern, elektrische Stimulationsprotokolle zu bestimmen, um gewünschte motorische Aktionen zur Steuerung der Fortbewegung des interessierenden Insekts zu induzieren. Am Boden haben Forscher die Gehkontrolle demonstriert, indem sie die neuromuskulären Stellen von Kakerlaken4,12,14, Spinnen 15 und Käfern16,17 stimulierten. In der Luft wurden die Einleitung und Beendigung des Fluges mit verschiedenen Methoden erreicht, wie z.B. der Stimulation der Sehlappen (der massiven neuronalen Ansammlung eines Facettenauges) bei Käfern7,9 und der Gehirnunterregionen bei Bienen18, während die Drehkontrolle durch die Stimulation der Antennenmuskulatur und des Nervensystems des Abdomens bei Motten11,19 und der Flugmuskulatur bei Käfernnachgewiesen wurde 7,9,13. In den meisten Fällen wurde ein eingebauter Radio-Mikrocontroller auf einer speziell angefertigten Leiterplatte integriert, um einen drahtlosen Miniatur-Stimulator (Rucksack) herzustellen, der auf dem interessierenden Insekt montiert wurde. Auf diese Weise kann eine drahtlose Elektrostimulation auf ein frei laufendes oder fliegendes Insekt angewendet werden. Bei einem solchen auf einem Mikrocontroller montierten Insekt handelt es sich um ein sogenanntes Insekten-Maschine-Hybridsystem.

Diese Studie beschreibt die experimentellen Protokolle für den Bau eines Insekten-Maschine-Hybridsystems, bei dem ein lebender Käfer als Insektenplattform eingesetzt wird, und weist an, wie der Roboter zu bedienen ist und seine Flugsteuerungssysteme getestet werden sollen. Der dritte Musculus axillärer Sklerit (3Ax) wurde als der Muskel von Interesse für die elektrische Stimulation und die Demonstration der Links- oder Rechtsdrehungssteuerung13 ausgewählt. Ein Paar dünner Silberdrahtelektroden wurde sowohl in den linken als auch in den rechten 3Ax-Muskel implantiert. Außerdem wurde ein Rucksack auf den lebenden Käfer montiert. Die anderen Enden der Drahtelektrode wurden mit den Ausgangspins des Mikrocontrollers verbunden. Der Rucksack war klein genug, dass der Käfer ihn im Flug tragen konnte. Dies ermöglicht es einem Experimentator, den interessierenden Muskel eines Insekts im freien Flug aus der Ferne zu stimulieren und seine Reaktionen auf die Stimulationen zu untersuchen.

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Protokoll

1. Studie Tier

  1. Hinten einzelnen Mecynorrhina torquata Käfer (6 cm, 8 g) in getrennten Kunststoffbehälter mit Holzpellet-Bettwäsche.
  2. Ziehen Sie jedem Käfer eine Tasse Zucker Gelee (12 ml) alle 3 Tage.
  3. Halten Sie die Temperatur und die Feuchtigkeit der Aufzuchtraum bei 25 ° C und 60% betragen.
  4. Testen Sie die Flugfähigkeit eines jeden Käfer vor dünnen Drahtelektroden implantiert wird.
    1. Werfen Sie vorsichtig mit einem Käfer in die Luft. Wenn der Käfer für länger als 10 Sekunden für 5 aufeinander folgenden Studien fliegen können, schließen, dass die Käfer regelmäßige Flugeigenschaften und verwenden es für nachfolgende Flugexperimente hat. Zurückzuerobern den Käfer, schalten alle Lichter im Raum ab, um es dunkel machen. Dies bewirkt, dass der Käfer Flug zu beenden.
      Hinweis: Ein Käfer spontan, wenn sie in die Luft freigesetzt, weg zu fliegen beginnt. Es ist besser , die Flugversuche in einem großen geschlossenen Raum wie die in 1 (16 x 8 x 4 m gezeigt durchzuführen 3 mit einer Motion - Capture - Raum von 12,5 x 8 x 4 m 3), eine fliegende Käfer bewegt sich sehr schnell (ca. 3-5 m / sec) und große Bögen zieht , wenn in der Luft drehen.

2. Elektrodenimplantation

  1. Anästhesieren den Käfer , indem er in einen Kunststoffbehälter gefüllt mit CO 2 für 1 min 13,16,20-24 platzieren.
  2. Dentalwachs erweichen, indem sie in heißes Wasser für 10 sec eingetaucht wird. Platzieren Sie den narkotisierten Käfer auf einem Holzblock und immobilisieren sie mit dem erweichten Dentalwachs. Das Dentalwachs kühlt natürlich und verfestigt sich innerhalb von wenigen Minuten.
  3. Cut isolierte Silberdrähte (127 & mgr; m blank Durchmesser, 178 & mgr; m Durchmesser, wenn sie mit Perfluoralkoxy beschichtet) in Längen von 25 mm als dünne Drahtelektroden für die Implantation zu verwenden.
  4. Expose 3 mm blanke Silber durch den Isolator an beiden Enden jedes Drahtes flammend.
  5. Präparieren Sie die Oberfläche der Kutikula des Käfers mit einem spitzen Schere mit einem sma zu erstellenll Fenster von ungefähr 4 x 4 mm auf der metepisternum (Abbildung 2c). Hinweis: Eine weiche braun gefärbte Kutikula wird dann belichtet, wie in den 2c gezeigt - e. Der 3Ax Muskel unterhalb der weichen Nagelhaut entfernt.
  6. Pierce zwei Löcher auf der freiliegenden braun Kutikula mit einem Insektenstift (Größe 00) mit einem Abstand von 2 mm zwischen den beiden Löchern (Figur 2d).
  7. Legen Sie zwei Drahtelektroden (einschließlich eine aktive und eine Rückelektroden hergestellt in Schritt 2.4) vorsichtig durch die Löcher und implantieren sie in jedem 3Ax Muskel in einer Tiefe von 3 mm.
  8. Sichern Sie sich die implantierten Elektroden und halten sie an ihrem Platz zu vermeiden, Kontakt und Kurzschlüsse durch geschmolzenes Bienenwachs fallen auf die Löcher. Bei Bedarf umfließen das Bienenwachs über die Kutikula durch das Bienenwachs mit der Spitze eines heißen Lötkolben zu berühren. Das Bienenwachs erstarrt schnell und verstärkt die Implantation.
    Hinweis: Um zu überprüfen, ob die Implantation richtig ist, die elytra der Rübele kann die Bewegung des 3Ax Muskel während der elektrischen Stimulation zu beobachten angehoben werden.

3. Wireless-Rucksack Assembly

Hinweis: Der Rucksack besteht aus einem eingebauten Radio - Mikrocontroller auf einem 4 geschichteten FR-4 - Board (1,6 x 1,6 cm 2). Der Rucksack wurde von einem Lithium-Polymer-Mikro (3,7 V, 350 mg, 10 mAh) angetrieben. Die Gesamtmasse des Rucksacks einschließlich der Batterie betrug 1,2 ± 0,26 g, die weniger als die Nutzlast des Käfers (30% von 10 g Körpergewicht) ist. Der Rucksack wurde vorprogrammierte drahtlose Kommunikation zu empfangen und hatte zwei Ausgangskanäle.

  1. Reinigen Sie die Pronotums Oberfläche (entfernen Sie die Wachsschicht auf der Kutikula) unter Verwendung von doppelseitigen Klebeband. Dann befestigen Sie den Rucksack auf dem Halsschild des Käfers mit einem Stück doppelseitiges Klebeband.
  2. Verbinden der Enden der implantierten Elektroden mit den Ausgängen des Rucksacks.
  3. Wickeln Sie retroreflektierende Band um die Mikrobatterie eine Markierung zu erzeugen, for Motion-Capture-Kameras zu erfassen.
  4. Bringen Sie den Mikrobatterie an die Spitze des Rucksacks ein Stück doppelseitiges Klebeband, so dass die retroreflektierende Band kann durch Motion-Capture-Kameras erfasst werden.

4. Wireless Control System

Hinweis: In diesem Fall wird der Begriff drahtlose Steuersystem umfasst einen Empfänger für die Fernbedienung, ein Laptop-Computer den benutzerdefinierten Flugsteuerungssoftware, eine Basisstation, der Rucksack und die Motion-Capture-System auszuführen.

  1. Schließen Sie die Basisstation und Empfänger der Fernbedienung auf den Laptop-Computer über USB-Anschlüsse.
  2. Schalten Sie das Motion-Capture-System und verbinden Sie es mit dem Laptop-Computer über einen Ethernet-Anschluss.
  3. Führen Volumenkalibrierung durch den Kalibrierungsstab winken (vom Hersteller Unternehmen der Motion-Capture-System zur Verfügung gestellt), um voll und ganz die Motion-Capture-Raum abdecken.
    1. Öffnen Sie die Motion-Capture-Software auf dem Desktop des Laptops. Klicken und drag auswählen, um alle Kameras auf dem Menü "System" der "Ressourcen" Panel.
    2. Klicken Sie auf das "3D-Perspektive" und wählen Sie "Kamera", um die Kamera-Ansicht zu ändern. Klicken Sie auf die "Kamera" auf die Registerkarte "Tools" Panel die Kalibrierung Setup zu zeigen. Klicken Sie auf "Start" auf "Create Kamera Masken" Menü Lärm von den Kameras zu beseitigen und dann "Stop", nachdem das Rauschen in Blau maskiert.
    3. Klicken Sie auf und wählen Sie "5 Marker Wand & L-Frame" von der "Wand" Menü und die "L-Frame" Menü auf der "Kamera" aus. Stellen Sie die "Wand Count" auf 2.500, klicken Sie auf "Start" auf dem "Kalibrieren Kameras" Menü und Welle der Kalibrierungsstab durch die gesamte Motion-Capture-Raum. Der Kalibrierungsvorgang stoppt, wenn der Stab Zahl 2500 erreicht.
    4. Wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess, wenn die Bildfehler (am unteren Rand der "Kamera" Register des Panels "Tools") höher als 0,3 foder jede Kamera. Nach dem Kalibrieren legte den Stab auf dem Boden in der Mitte des Motion-Capture-Raum und klicken Sie auf "Start" auf "Set Volume Origin" Menü den Ursprung des Motion-Capture-Raum zu setzen.
  4. Überprüfen Sie die Abdeckung des Motion-Capture-System einen Dummy-Test mit dem Bewegungspfad eines Markers durch einen Benutzer in der Motion-Capture-Raum schwenkte aufzeichnen und bestätigen, ob der Marker erkannt und verfolgt. Wenn der Marker häufig während der Erfassung, wiederholen Volumenkalibrierung verloren geht, bis der Dummy-Test erfolgreich ist.
    1. Klicken Sie auf die "Aufnahme" auf die Registerkarte "Tools" Panel und dann auf "Start" auf der "Aufnahme" Menü, bevor Sie die Probe Marker durch die gesamte Motion-Capture-Raum winken seine Bahn aufzunehmen.
    2. Nach der Aufzeichnung klicken Sie auf "Führt die Reconstruct Pipeline", die Positionen der Marker zu rekonstruieren und die Qualität der Aufnahme überprüfen.
  5. Verbinden Sie die Anschlüsse des microbattery (an dem Rucksack in Schritt 3.4) zu den Power-Pins des Rucksacks.
  6. Testen Sie die drahtlose Kommunikation zwischen dem Laptop und dem Rucksack die benutzerdefinierte Flugsteuerungssoftware. Klicken Sie auf den "Start" Befehl auf der Software und überprüfen Sie die angezeigten Verbindungsstatus.

5. Free Flight Experiment

  1. Führen Sie den freien Flug Experiment in einem Flug Arena messen 16 x 8 x 4 m 3.
  2. Geben Sie die entsprechenden Parameter für die Flugsteuerungssoftware (Spannung, Impulsbreite, Frequenz und Stimulationsdauer). Anmerkung: Zur Demonstration, fixiert wir die Spannung auf 3 V, Pulsbreite 3 ms und Stimulationsdauer 1 sec und variiert die Frequenz von 60 bis 100 Hz.
    1. Auf der Software-Bildschirm, Typ 3 für 3 V in der "Spannung" Feld 1000 für 1.000 ms in der "Stimulation Dauer" Box, 3 für 3 ms im "Pulse Width" Feld und einer gewünschten Frequenz in Hz im " Frequency "Box on das Befehlsfenster.
  3. Lassen Sie den Rucksack montierte Käfer in die Luft durch die frei im Flug Arena zu fliegen. Sie manuell die Stimulation auslösen, wenn der Käfer den Raum Motion-Capture eintritt. Drücken Sie die entsprechende Befehlstaste (links oder rechts) auf der Fernbedienung, um den Zielmuskel auf der linken oder rechten Seite des Käfers zu stimulieren.
    Hinweis: Sobald die Taste gedrückt wird, erzeugt der Flugsteuerungssoftware auf dem Laptop den Befehl und sendet sie an den Rucksack. Der Rucksack gibt dann den elektrischen Reiz auf den Muskel von Interesse (links oder rechts).
  4. Beachten Sie die Reaktion des Käfers in Echtzeit während der Stimulation und rekonstruieren die Daten mit 3D-Grafik-Software.
    1. Wählen Sie eine der Studien in der Datenliste des "Beetle Display" Fenster aufgezeichnet und klicken Sie auf "Export Panda", um die Daten dieser Studie auf die Analyse-Ordner kopieren und das 3D-Grafik-Modul ausgeführt werden.
    2. Drücken Sie auf "N" aufdie Tastatur, um das Reizsignal mit der aufgezeichneten Bewegungsbahn zu verbinden. Drücken Sie I mit den markierten Stimulationsperioden, die Flugbahn des Käfers zu zeigen.

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Ergebnisse

Die Elektrodenimplantationsverfahren ist in Figur 2 dargestellt dünne Silberdrahtelektroden wurden in die 3Ax Muskel des Käfers durch kleine Löcher auf der weichen Kutikula auf den Muskel (Abbildungen 2d - e) durchbohrt implantiert.. Diese weiche Nagelhaut wird knapp über dem apodema des basalar Muskel gefunden , nachdem der vordere Teil des metepisternum Entfernen (Figuren 2d - c). Die Elektroden wurden...

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Diskussion

Der Implantationsprozess ist wichtig, da es die Zuverlässigkeit des Experiments beeinflusst. Die Elektroden sollten in einer Tiefe von 3 mm oder weniger in den Muskel eingesetzt werden, abhängig von der Größe des Käfers (Vermeidung von Kontakt mit dem nahe gelegenen Muskeln). Wenn die Elektroden, die in der Nähe Muskeln, unerwünschte motorische Handlungen und Verhaltensweisen berühren auftreten können, auf die Kontraktion der Muskeln in der Nähe zurückzuführen ist. Die beiden Elektroden sollte gut ausgerichtet werden, u...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Danksagungen

Dieses Material basiert auf den Arbeiten, die von der Nanyang Assistant Professorship (NAP, M4080740), der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Public Sector Research Funding (PSF, M4070190), dem A*STAR-JST (The Japan Science and Technology Agency) Joint Grant (M4070198) und dem Bildungsministerium von Singapur (MOE2013-T2-2-049) unterstützt wurden. Die Autoren danken Herrn Roger Tan Kay Chia, Prof. Low Kin Huat, Herrn Poon Kee Chun, Herrn Chew Hock See, Herrn Lam Kim Kheong und Dr. Mao Shixin von der School of MAE für ihre Unterstützung beim Aufbau und Unterhalt der Forschungseinrichtungen. Die Autoren danken Prof. Michel Maharbiz (U.C. Berkeley) für seine Beratung und Diskussion, Prof. Kris Pister und seiner Gruppe (U.C. Berkeley) für ihre Unterstützung bei der Bereitstellung der in dieser Studie verwendeten GINA.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Mecynorrhina torquata KäferKönigreich des Käfers Taiwan10 g, 8 cm, Tragfähigkeit beträgt 30% der Körpermasse
Genehmigung der Einfuhr und Verwendung durch die Agrar- und Lebensmittel- und Veterinärbehörde von Singapur (AVA; HS-Code: 01069000, Produktcode: ALV002).
Drahtloser RucksackstimulatorCustomTI CC2431 micocontroler
Das Board ist eine Sonderanfertigung basierend auf dem GINA-Board von Prof. Kris Pister' s Labor. Das Layout des GINA-Boards finden Sie unter      https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA
Wii-Fernbedienung NintendoBluetooth-Fernbedienung, um den Befehl an den Operator Laptop
BeetleCommander v1.8. Maharbiz-Gruppe an der UC Berkeley und Sato-Gruppe an der NTUStellen Sie die drahtlose Kommunikation zwischen dem Rucksack und dem Bediener-Laptop her. Konfigurieren Sie die Stimulusparameter und protokollieren Sie die Positionsdaten. Visualisieren Sie die Flugdaten.
GINA BasisstationKris Pister Gruppe an der UC BerkeleyTI MSP430F2618 und AT86RF231
Motion Capture SystemVICONT1608 Kameras für eine Flugarena von 12,5 m x 8 m x 4
m Motion Capture SystemVICONT40s12 Kameras für eine Flugarena von 12,5 x 8 x 4 m
Micro batteryFullriver  201013HS10C 3,7 V, 10 mAh
Retroreflektierendes BandReflexiteV92-1549-010150V92 reflektierendes Band, silberne Farbe
PFA-isolierter Silberdraht A-M Systeme786000127 µ m bare, 177.8 µ m beschichtet, 3 mm blanke silberne Flamme an den Spitzen freiliegend
SMT Micro Header SAMTECFTSH-110-01-L-DV0,3 mm x 6 mm, biegen, um einen 3 mm langen Schieber zu bilden, um die Elektrode in der Leiterplattenleiste zu befestigen.
BienenwachsBefestigen Sie die
Elektroden ZahnwachsVertexImmobilisieren Sie den Käfer
InsektenstiftROBOZRS-6082-30Größe  00; 0,3 mm Stabdurchmesser; 0,03 mm Spitzenbreite; 38 mm Länge 
Elektrodenführungslöcher in die Nagelhautpinzette bohren
DUMONTRS-5015Muster #5; 0,05 mm x 0,01 mm Spitzengröße; 110 mm Länge
Präparier- und Implantationschere
ROBOZRS-5620Vannas Mikro-Präparierfederschere; Gerade; 3mm Schneide; 0,1 mm Spitzenbreite; 3" Gesamtlänge 
Präparier- und
DAIYODS241Reflow-Bienenwachs-Heizplatte
 CORNINGPC-400DSchmelzendes Bienenwachs und Zahnwachs
LeuchtstofflampePhilipsTL5 14WBeleuchten Sie die gesamte Flugarena mit 30 Paneelen (60 x 60 cm2). Jedes Panel verfügt über 3 Lampen.
14 W, 549 mm x 17 mm 
Custom zu senden Implantationsgetränkelötkolben

Referenzen

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