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

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 Komponenten^1-3 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 behindern^4-13.

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 Kakerlaken^4,12,14, Spinnen 15 und Käfern^16,17 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 Käfern^7,9 und der Gehirnunterregionen bei Bienen¹⁸, während die Drehkontrolle durch die Stimulation der Antennenmuskulatur und des Nervensystems des Abdomens bei Motten^11,19 und der Flugmuskulatur bei Käfern^{nachgewiesen 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.

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), 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.

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 dann Bienenwachs (Figur 2f) befestigt werden.

Abbildung 3 zeigt die Verfahren zur Konstruktion eines Insekten Maschine Hybridsystem eine intakte Käfer verwendet wird . Die Abbildungen 2 und die Methoden 3b zum Implantieren von dünnen Metalldrähten (Stimulationselektroden) in den Muskel von Interesse (zum Beispiel in Abbildung 2, die 3Ax Muskel wurde in dieser Studie verwendet wurden), undeinen Rucksack auf dem Halsschild eines Käfers Montage. Die freien Enden der Drähte wurden in der Brückenstecker auf dem Rucksack in die Löcher eingeführt, die auf dem Rucksack (3c) integriert ist, um den Eingangs- / Ausgangs - Pins des Mikrocontrollers elektrisch verbunden wurden. Schließlich wurde eine Mikrobatterie montiert und das Netzkabel des Mikrobatterie wurde in der Brückenstecker in die Löcher mit der Masse und positive Versorgungsanschlüsse des Mikrocontrollers führt.

Die drahtlose Steuersystem ist in 4 gezeigt. Wenn der Benutzer einen Befehl - Taste auf der Fernbedienung (Abbildung 4c) drückt, erzeugt die Flugsteuerungssoftware in den Laptop - Computer (4d) und sendet drahtlos den Befehl an den Rucksack über die Basis Station (Abbildung 4b). Die Motion - Capture - System (Abbildung 4e) die Position (X, Y und Z) der Rübele und markiert sie mit einem Zeitstempel. Diese Daten werden dann an den Laptop-Computer zugeführt werden, und die Flugsteuersoftware synchronisiert die Daten mit den Stimulationssignalen.

Repräsentative wiederum Kontrollergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Aktivierung des 3Ax Muskel wurde eine Reduktion zu bewirken , in der Flügelschlag Amplitude der ipsilateralen Seite 13, so dass sich der Käfer Durchführung einer ipsilateralen Wende im freien Flug gefunden. Die elektrische Stimulation des 3Ax Muskel zeigte eine ähnliche Wirkung wie der Käfer auf der ipsilateralen Seite gedreht , wenn der linke oder rechte 3Ax Muskel 13 angeregt wurde. Die Drehrate des Käfers wurde als Funktion der Stimulationsfrequenz benotet.

Abb . 1: Freier Flug Arena Anordnung Der freie Flug Arena wurde angeordnet inzwei Teilen: dem Steuerraum (3,5 x 8 x 4 m 3) wurde für den Aufbau der Implantation Kit (Mikroskop und Dissektionswerkzeuge) und Kontrollkabine (Computer, drahtlose Basisstation und Kamerasteuerung), während die Motion - Capture - Raum verwendet ( 12,5 x 8 x 4 m 3) wurde mit 20 nahen Infrarot - Kameras abgedeckt , die Position (x, Y, und Z) des Käfers aufzuzeichnen. Der Flug - Arena wurde mit 30 Lichtplatten (60 x 60 cm 2, 48 W) ausgestattet es so hell während des Experiments als Tagesbedingungen zu machen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2:. Verfahren für die Elektrodenimplantation Der Käfer wurde betäubt und mit Dentalwachs auf einem Holzblock für das Implantationsverfahren immobilisiert. (A - <strong> c) Ein kleines Fenster wurde auf der metepisternum des Käfers öffnete die 3Ax Muskel zuzugreifen. (D) Verwenden eines Insektenstift, zwei Löcher mit einem Abstand von 2 mm wurden auf der inneren Kutikula durchbohrt, die den Muskel 3Ax trägt. (E) die Elektroden in den Muskeln eingesetzt wurden über diese Löcher und gehalten an der Stelle mit einer Pinzette , um sicherzustellen , dass kein Übersprechen zwischen den Spitzen aufgetreten ist . . (F - g) Die Elektroden wurden dann mit dem Käfer festen Bienenwachs mit Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3:. Vorgehensweise ein Insekt-Maschine - Hybrid - System unter Verwendung eines intakten Käfers (a) Der Muskel von Interesse an einem lebenden Käfer implantiert Witz zu erzeugen ,ha Paar Silberdrahtelektroden. (B) Nach der Elektroden mit Bienenwachs Befestigung montiert wir den Rucksack auf dem Halsschild des Käfers mit doppelseitigem Klebeband. (C) Die freien Enden der Elektroden in den Ausgängen des Rucksacks eingefügt wurden und mit Mikropinlösung headers gesichert. (D) eine Mikrobatterie, die mit retro-reflektierendes Band bedeckt war, wurde auf dem Rucksack montiert mit doppelseitigem Klebeband und mit den Power - Pins des Rucksacks. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4:. Ein WLAN - System kostenlos Flugexperiment Das drahtlose System besteht aus (a) ein Cyborg Käfer, (b) eine drahtlose Basisstation, (c (d) ein Betriebs Laptop mit einem Bluetooth - Empfänger angeschlossen, und (e) ein 3D - Motion - Capture - System. Wenn der Benutzer den Befehl Taste auf der Fernbedienung drückt, sendet die benutzerdefinierte Flugsteuerungssoftware auf dem Laptop die Stimulationsbefehl über eine Basisstation drahtlos mit dem Cyborg Käfer, der in den Laptop über einen USB-Port angeschlossen ist. Sobald der Rucksack den Befehl empfängt, erzeugt er ein elektrisches Stimulus-Signal, das den Muskel stimuliert. Gleichzeitig zeichnet das Motion - Capture - System die 3D des Käfers koordiniert und führt sie dem Laptop zur Synchronisation mit den Stimulationsdaten. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5: Das Verhalten des beetle wegen im freien Flug auf die elektrische Stimulation des 3Ax Muskel. (a) Der Käfer auf der ipsilateralen Seite gedreht , wenn die linke oder rechte wurde 3Ax Muskel stimuliert, und die Drehbewegung als Funktion der Stimulationsfrequenz abgestuft wurde. (B) Der Zick - Zack - Pfad des fliegenden Käfer , wenn die linke oder rechte 3Ax Muskel in Folge angeregt wurde. Die Stimulationsparameter waren eine Amplitude von 3 V, eine Impulsbreite von 3 ms und einer Frequenz von 60 bis 100 Hz. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6: Vorgeschlagene Markersets für die Verfolgung der 3D - Orientierung (Roll-, Nick- und Gier) des Käfers Konfiguration mit (a) drei Marker, (b) vier.Marker, und (c) fünf Markierungen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.