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

Dieses Video beschreibt den Prozess der Konstruktion eines Insekten-Maschine-Hybridsystems zur drahtlosen elektrischen Stimulation der Flugmuskulatur bei einem frei fliegenden Insekt. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Insektenforschung zu beantworten, wie z. B. die Funktion des Flugmuskels von Insekten im Flug. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir die Wirkung der Aktivierung spezieller Flugmuskeln auf den Flug von drei verschiedenen Insekten mit Hilfe eines winzigen ferngesteuerten Stimulators untersuchen können.

Durch diese Methode erhalten wir quasi einen Einblick in die Funktion der Fliegenmuskulatur bei Käfern. Es kann auch auf andere Insekten oder andere Muskelgruppen angewendet werden, wie z.B. im Bein oder in der Antenne. Testen Sie zunächst die Flugfähigkeit der Käfer, um diejenigen zu identifizieren, die für Experimente geeignet sind.

Wählen Sie einen Käfer aus und werfen Sie ihn in einem großen geschlossenen Raum vorsichtig in die Luft. Um einen Käfer wieder einzufangen, mach einfach den Raum dunkel, was dazu führt, dass er aufhört zu fliegen. Fliegt der Käfer in fünf aufeinanderfolgenden Versuchen länger als 10 Sekunden, kann er für das Experiment verwendet werden.

Zuerst wird der Käfer mit einer Kohlendioxidkammer betäubt. Lassen Sie es eine Minute lang dort. Als nächstes etwas Zahnwachs 10 Sekunden lang in heißem Wasser einweichen.

Legen Sie dann den betäubten Käfer auf einen Holzklotz und immobilisieren Sie ihn mit dem Wachs. Schneiden Sie als Nächstes isolierten Silberdraht in 25-Millimeter-Längen, um als Elektroden zu fungieren. An beiden Enden drei Millimeter blanken Silberdraht mit einer Flamme freilegen.

Präparieren Sie nun die Oberseite der Kutikula des Käfers mit einer feinen Schere, um ein kleines vier mal vier Millimeter großes Fenster im Metepisternum zu schaffen, wodurch die weiche braune Nagelhaut darunter freigelegt wird. Direkt unter der Nagelhaut befindet sich der 3AX-Muskel. Als nächstes stechen Sie mit einer Doppel-Null-Insektennadel zwei Löcher im Abstand von zwei Millimetern in die braune Nagelhaut.

Führen Sie dann eine Drahtelektrode durch jedes Loch und in jeden 3AX-Muskel ein. Dringen Sie jeden Draht drei Millimeter in das Gewebe ein. Jeder Fehler in diesem Prozess kann zu langen Reaktionen oder Muskeldefiziten führen, also identifizieren Sie den interessierenden Muskel sorgfältig und implantieren Sie die Elektrode präzise.

Sichern Sie nun die Elektroden mit Bienenwachs, um Kontakte und Kurzschlüsse zu vermeiden. Bei Bedarf das Bienenwachs über die Nagelhaut aufschmelzen, indem Sie es mit einem Lötkolben wieder einschmelzen. Um nun zu überprüfen, ob die Implantation korrekt ist, heben Sie die Elektra des Käfers an, um die Bewegung des 3AX-Muskels zu beobachten, während Sie ihn mit einer Elektrode stimulieren.

Details zum Rucksackgerät finden Sie im Textprotokoll. Um es zu befestigen, reinigen Sie zuerst die Wachsschicht mit doppelseitigem Klebeband von der Oberfläche des Pronotums. Befestigen Sie dann den Rucksack mit doppelseitigem Klebeband.

Verbinden Sie als Nächstes die Enden der implantierten Elektroden mit den Ausgängen des Rucksacks. Wickeln Sie dann retroreflektierendes Klebeband um die Mikrobatterie und befestigen Sie es mit doppelseitigem Klebeband an der Oberseite des Rucksacks. Stellen Sie sicher, dass die Klemmen zugänglich sind.

Dieser mit Klebeband umwickelte Akku dient als Markierung für die Motion-Capture-Kameras. Das drahtlose Steuerungssystem umfasst einen Empfänger für die Fernbedienung, einen Laptop zum Ausführen der benutzerdefinierten Flugsteuerungssoftware, eine Basisstation, den Rucksack und das Motion-Capture-System. Verbinden Sie zunächst die Basisstation und den Empfänger der Fernbedienung über USB-Verbindungen mit dem Laptop.

Schalten Sie dann das Motion-Capture-System ein und verbinden Sie es über den Ethernet-Anschluss mit dem Laptop. Führen Sie nun in der Software eine Volumenkalibrierung mit dem vom Hersteller bereitgestellten Kalibrierstab durch. Klicken und ziehen Sie in der Software, um alle Kameras im Systemmenü des Ressourcenfensters auszuwählen.

Klicken Sie dann auf das Menü 3D-Perspektive und wählen Sie Kamera, um zur Kameraansicht zu wechseln. Klicken Sie anschließend im Werkzeugepanel auf die Registerkarte Kamera, um die Kalibrierungseinstellungen anzuzeigen, und wählen Sie im Menü Kameramasken erstellen die Option Start aus, um das Rauschen der Kameras zu eliminieren. Sobald das Rauschen maskiert ist und blau dargestellt ist, stoppen Sie den Vorgang.

Wählen Sie nun im Menü "Zauberstab" die Option "5 Markierungsstab L-Rahmen". Gehen Sie dann zum Menü L-Frame auf der Registerkarte Kamera und machen Sie dasselbe. Stellen Sie als Nächstes die Anzahl des Zauberstabs auf 2500 ein.

Klicken Sie dann im Menü "Kameras kalibrieren" auf "Start" und schwenken Sie den Kalibrierungsstab durch den gesamten Motion-Capture-Bereich. Der Kalibrierungsprozess stoppt, wenn die Stabzahl 2500 erreicht. Legen Sie den Zauberstab nach der Kalibrierung auf den Boden in der Mitte des Motion-Capture-Raums.

Klicken Sie dann im Menü Lautstärkeursprung festlegen auf Start, um den Ursprung des Motion-Capture-Raums festzulegen. Starten Sie dann einen Test, indem Sie im Bedienfeld "Tools" auf die Registerkarte "Erfassen" klicken und dann im Menü "Erfassen" auf "Starten" klicken. Überprüfen Sie nun, ob das System funktioniert, indem es den Bewegungspfad eines Markers aufzeichnet, während er von einem Benutzer geschwenkt wird.

Um die Qualität der Aufzeichnung zu überprüfen, klicken Sie auf Runs the Reconstruct Pipeline, um die Positionen des Markers zu rekonstruieren und die Qualität der Aufzeichnung zu überprüfen. Wenn die Markierung für Entfernungen von mehr als 200 Millimetern verloren geht, kalibrieren Sie das System neu. Überprüfen Sie nun, ob das System auf dem Käfer funktioniert.

Verbinden Sie die Klemmen der Mikrobatterie mit den Stromanschlüssen des Rucksacks. Klicken Sie dann in der Software auf den Befehl Start und suchen Sie nach einem angezeigten Verbindungsstatus. Wenn es sich registriert, kann nun ein Freiflugexperiment durchgeführt werden.

Führen Sie das Freiflugexperiment in einer Flugarena durch. In diesem Beispiel misst die Arena 16 x acht mal vier Kubikmeter, wobei ein Teil der Arena außerhalb des Bewegungsverfolgungsbereichs liegt. Geben Sie in der Flugsoftware die entsprechenden Parameter ein, einschließlich Spannung, Impulsbreite, Frequenz und Stimulationsdauer.

Lassen Sie nun den auf dem Rucksack montierten Käfer in die Flugarena los und warten Sie, bis der Käfer den Motion-Capture-Raum betritt, um die Stimulation manuell auszulösen. Drücken Sie die entsprechende Befehlstaste auf der Fernbedienung, um den Zielmuskel auf der linken oder rechten Seite des Käfers zu stimulieren, und beobachten Sie die Reaktion des Käfers. Rekonstruieren Sie die Daten später mit einer 3D-Grafiksoftware.

Wählen Sie einen der aufgezeichneten Versuche in der Datenliste des Käfer-Anzeigefensters aus und klicken Sie auf Panda exportieren, um die Daten dieses Versuchs in den Analyseordner zu kopieren. Drücken Sie in der Grafiksoftware N auf der Tastatur, um das Stimulussignal mit der aufgezeichneten Trajektorie zu kombinieren. Drücken Sie I, um die Flugbahn des Käfers mit den hervorgehobenen Stimulationsperioden anzuzeigen.

Es wurde festgestellt, dass die Aktivierung des 3AX-Muskels zu einer Verringerung der Flügelschlagamplitude der ipsilateralen Seite führte, was dazu führte, dass der Käfer im freien Flug eine ipsilaterale Drehung ausführte. Die Drehgeschwindigkeit des Käfers wurde dann in Abhängigkeit von der Stimulationsfrequenz abgestuft. Beachten Sie, dass die Häufigkeit der Stimulation des Muskels auf der rechten Seite genau mit dem Grad der Drehung zur rechten Seite koordiniert ist.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in 20 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Beim Versuch dieser Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, den Muskel richtig zu identifizieren und das Implantat richtig zu positionieren, um eine Isolierung seines Hauses zu vermeiden. Nach diesem Verfahren kann der Auto-Fly-Muskel als Subulärmuskel oder Basularmuskel stimuliert werden, um ein anderes Verhalten des Insekts zu erzeugen.

Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik Forschern im Bereich der Insektenforschung den Weg, die Funktion ihres Flugmuskels von 3D-Fluginsekten zu erforschen.