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Artículo de método

Sistema híbrido de insectos-máquina: radio control remoto de un escarabajo que vuela libremente (

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DOI:

10.3791/54260

2 de septiembre de 2016

En este artículo

Resumen

Este protocolo describe el proceso de construir un sistema híbrido insecto-máquina y llevar a cabo la estimulación eléctrica inalámbrica de los músculos de vuelo necesarios para controlar el movimiento de giro de un insecto volador.

Resumen

El aumento de los dispositivos electrónicos digitales de radio habilitado ha impulsado el uso de pequeñas grabadoras neuromusculares inalámbricas y estimuladores para el estudio de comportamiento de los insectos en vuelo. Esta tecnología permite el desarrollo de un sistema híbrido de insectos-máquina mediante una plataforma de insectos que viven descrito en este protocolo. Además, este protocolo presenta la configuración del sistema y los procedimientos experimentales de vuelo libre para la evaluación de la función de los músculos de vuelo en un insecto sin ataduras. Para la demostración, nos centramos en el tercer músculo axilar sclerite (3AX) para controlar y lograr girando a la izquierda oa la derecha de un escarabajo volador. Un electrodo de alambre de plata fina fue implantado en el músculo 3AX en cada lado del escarabajo. Estos se conectan a las salidas de una mochila inalámbrica (es decir, un estimulador neuromuscular eléctrica) montado en el pronoto del escarabajo. El músculo se estimuló en vuelo libre, alternando el lado de estimulación (izquierda o derecha) o variando la stimulation frecuencia. El escarabajo se volvió hacia el lado ipsilateral cuando el músculo se estimuló y exhibió una respuesta gradual a una frecuencia creciente. El proceso de implantación y calibración del volumen del sistema de cámara de captura de movimiento dimensional 3 deben llevarse a cabo con cuidado para evitar dañar el músculo y perder la pista del marcador, respectivamente. Este método es altamente beneficioso para estudiar el vuelo de insectos, ya que ayuda a revelar las funciones del músculo de vuelo de interés en vuelo libre.

Introducción

Un sistema híbrido insecto-máquina, a menudo denominado insecto cyborg o biobot, es la fusión de una plataforma de insectos vivos con un dispositivo electrónico montado en miniatura. El dispositivo electrónico, que es comandado de forma inalámbrica por un usuario remoto, emite una señal eléctrica para estimular eléctricamente los sitios neuromusculares en el insecto a través de electrodos de alambre implantados para inducir las acciones y comportamientos motores deseados por el usuario. En las primeras etapas de este campo de investigación, los investigadores se limitaron a realizar un registro inalámbrico de la acción muscular de un insecto, utilizando circuitos analógicos simples compuestos por componentes montados en la superficie1-3. El desarrollo de la tecnología system-on-a-chip con funcionalidad de radiofrecuencia permitió no solo el registro inalámbrico de señales neuromusculares, sino también la estimulación eléctrica de los sitios neuromusculares en insectos vivos. En la actualidad, un microcontrolador de radio incorporado es lo suficientemente pequeño como para ser montado en insectos vivos sin causar ninguna obstrucción a su locomoción4-13.

El desarrollo del microcontrolador de radio incorporado permite a los investigadores determinar protocolos de estimulación eléctrica para inducir las acciones motoras deseadas para controlar la locomoción del insecto de interés. En el terreno, los investigadores han demostrado el control de la marcha estimulando los sitios neuromusculares de las cucarachas4,12,14, las arañas15 y los escarabajos16,17. En el aire, el inicio y el cese del vuelo se lograron utilizando diferentes métodos, como la estimulación de los lóbulos ópticos (el grupo neuronal masivo de un ojo compuesto) en los escarabajos7,9 y las subregiones cerebrales en las abejas18, mientras que el control de giro se ha demostrado estimulando los músculos de las antenas y el sistema nervioso del abdomen en las polillas11,19 y los músculos de vuelo de los escarabajos7,9,13. En la mayoría de los casos, se integró un microcontrolador de radio incorporado en una placa de circuito impreso diseñada a medida para producir un estimulador inalámbrico en miniatura (mochila), que se montó en el insecto de interés. Esto permite que la estimulación eléctrica inalámbrica se aplique a un insecto que camina o vuela libremente. Un insecto montado en un microcontrolador de este tipo es lo que se conoce como un sistema híbrido insecto-máquina.

Este estudio describe los protocolos experimentales para construir un sistema híbrido insecto-máquina, en el que se emplea un escarabajo vivo como plataforma de insectos, e instruye sobre cómo operar el robot y probar sus sistemas de control de vuelo. El tercer músculo esclerito axilar (3Ax) fue elegido como el músculo de interés para la estimulación eléctrica y la demostración del control de giro a la izquierda o a la derecha13. Se implantaron un par de electrodos delgados de alambre plateado en los músculos 3Ax izquierdo y derecho. Además, se montó una mochila sobre el escarabajo vivo. Los otros extremos del electrodo de alambre estaban conectados a los pines de salida del microcontrolador. La mochila era lo suficientemente pequeña como para que el escarabajo la llevara en vuelo. Por lo tanto, esto permite a un experimentador estimular de forma remota el músculo de interés de un insecto en vuelo libre e investigar sus reacciones a las estimulaciones.

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Protocolo

1. Estudio de Animales

  1. escarabajos traseros individuales Mecynorrhina torquata (6 cm, 8 g) en envases de plástico por separado con ropa de cama de pellets de madera.
  2. Alimentar cada escarabajo de una taza de gelatina de azúcar (12 ml) cada 3 días.
  3. Mantener la temperatura y humedad de la habitación de crianza, a 25 ° C y 60%, respectivamente.
  4. Prueba de la capacidad de vuelo de cada escarabajo antes de implantar electrodos de alambre fino.
    1. tirar suavemente un escarabajo en el aire. Si el escarabajo puede volar durante más de 10 segundos durante 5 ensayos consecutivos, la conclusión de que el escarabajo tiene capacidad de vuelo regulares y emplearla para experimentos posteriores de vuelo. Para recuperar el escarabajo, apagar todas las luces de la habitación para que sea oscuro. Esto hace que el escarabajo de interrumpir el vuelo.
      Nota: Un escarabajo comienza espontáneamente a volar cuando se liberan en el aire. Es mejor para llevar a cabo los experimentos de vuelo en una habitación grande cerrado tal como el que se muestra en la Figura 1 (16 x 8 x 4 m 3 con un espacio de captura de movimiento de 12,5 x 8 x 4 m 3), como un escarabajo volador mueve muy rápido (aproximadamente 3-5 m / seg) y atrae a grandes arcos al girar en el aire.

2. Electrodo de implantación

  1. Anestesiar al escarabajo colocándolo en un recipiente de plástico llena de CO 2 durante 1 min 13,16,20-24.
  2. Ablandar la cera dental sumergiéndola en agua caliente durante 10 seg. Coloque el escarabajo anestesiado en un bloque de madera e inmovilizarlo con la cera dental ablandada. La cera dental natural se enfría y se solidifica en unos pocos minutos.
  3. Corte los cables aislados de plata (127 micras de diámetro desnudo, 178 m de diámetro cuando se recubre con perfluoroalkoxy) en longitudes de 25 mm para utilizar como electrodos de alambre fino para la implantación.
  4. Exponer a 3 mm de plata desnuda por flameado el aislante en ambos extremos de cada cable.
  5. Diseccionar la superficie superior de la cutícula del escarabajo utilizando una tijera de punta fina para crear un smaventana ll de aproximadamente 4 x 4 mm en la metepisternum (Figura 2c). Nota: una cutícula de color marrón suave se expone entonces, como se muestra en las figuras 2c - e. El músculo 3AX se encuentra debajo de la cutícula suave.
  6. Pierce dos agujeros en la cutícula marrón expuesto utilizando un PIN de insectos (tamaño 00) con una distancia de 2 mm entre los dos agujeros (Figura 2D).
  7. Insertar dos electrodos de alambre (incluyendo uno electrodos activos y uno de retorno preparados en la etapa 2.4) con cuidado a través de los agujeros y implantarlos en cada músculo 3AX a una profundidad de 3 mm.
  8. Asegurar los electrodos implantados y mantenerlos en su lugar para evitar el contacto y cortocircuitos dejando caer cera derretida en los agujeros. Si es necesario, ajustar el flujo de cera de abeja sobre la cutícula tocando la cera de abeja con la punta de un soldador caliente. La cera de abejas se solidifica rápidamente y refuerza la implantación.
    Nota: Para comprobar si el implante es correcta, los élitros de la remolachaLe puede ser levantado para observar el movimiento del músculo 3AX durante la estimulación eléctrica.

3. Asamblea Mochila inalámbrica

Nota: La mochila consistía en un microcontrolador incorporado de radio en una tabla de capas 4 FR-4 (1,6 x 1,6 cm 2). La mochila fue impulsado por un MicroBattery de polímero de litio (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). La masa total de la mochila incluyendo la batería fue de 1,2 ± 0,26 g, que es menor que la capacidad de carga útil del escarabajo (30% de 10 g de peso corporal). La mochila se pre-programados para recibir comunicaciones inalámbricas y tenía dos canales de salida.

  1. Limpiar la superficie pronoto (quitar la capa de cera sobre la cutícula) con cinta adhesiva de doble cara. A continuación, coloque la mochila en el pronoto del escarabajo con un trozo de cinta de doble cara.
  2. Conectar los extremos de los electrodos implantados a las salidas de la mochila.
  3. Envuelva la cinta retrorreflectante alrededor del MicroBattery para producir un marcador for cámaras de captura de movimiento para detectar.
  4. Coloque la microbatería a la parte superior de la mochila con un trozo de cinta de doble cara para que la cinta retro-reflectante puede ser detectada por las cámaras de captura de movimiento.

4. Sistema de control inalámbrico

Nota: En este caso, el sistema de control inalámbrico término incluye un receptor para el mando a distancia, un ordenador portátil para ejecutar el software de control de vuelo a medida, una estación base, la mochila, y el sistema de captura de movimiento.

  1. Conectar la estación base y el receptor del mando a distancia para el ordenador portátil a través de puertos USB.
  2. Encienda el sistema de captura de movimiento y conectarlo a la computadora portátil a través de un puerto Ethernet.
  3. Realizar la calibración de volumen agitando la varita de calibración (proporcionado por la empresa proveedora del sistema de captura de movimiento) para cubrir la totalidad del espacio de captura de movimiento.
    1. Abra el software de captura de movimiento desde el escritorio del ordenador portátil. Haga clic y drag para seleccionar todas las cámaras en el menú "Sistema" del panel "Recursos".
    2. Haga clic en el menú "Perspectiva 3D" y seleccione "Cámara" para cambiar a la vista de la cámara. Haga clic en la pestaña "Cámara" en el panel "Herramientas" para mostrar la configuración de calibración. Haga clic en "Inicio" en el menú "Crear máscaras de la cámara" para eliminar el ruido de las cámaras y luego "Stop" después de que el ruido se enmascara en azul.
    3. Haga clic y seleccione "Marcador de 5 Wand & L-Frame" en el menú "Wand" y el menú "L-Frame" en la pestaña "Cámara". Ajuste el "Conde Wand" de 2500, haga clic en "Inicio" en el menú "Cámaras Calibrar", y agitar la varita de calibración a través de todo el espacio de captura de movimiento. El proceso de calibración se detiene cuando el recuento de varita alcanza 2.500.
    4. Repetir el proceso de calibración de error si la imagen (en la parte inferior de la pestaña "Cámara" del panel "Herramientas") es superior a 0,3 fo cualquier cámara. Después de la calibración, poner la varita en el suelo en el centro del espacio de captura de movimiento y haga clic en "Inicio" en el menú "Configuración de Origen Volumen" para establecer el origen del espacio de captura de movimiento.
  4. Compruebe la cobertura del sistema de captura de movimiento utilizando una prueba simulada para registrar la trayectoria de movimiento de un marcador ondulado por un usuario en el espacio de captura de movimiento y confirmar si se detecta el marcador y de seguimiento. Si el marcador es frecuentemente pierde durante la detección, repetir la calibración volumen hasta que el maniquí de ensayo tiene éxito.
    1. Haga clic en la pestaña de "captura" en el panel "Herramientas" y luego "Inicio" en el menú "Captura" antes de agitar el marcador de la muestra a través de todo el espacio de captura de movimiento para grabar su trayectoria.
    2. Después de la grabación, haga clic en "Ejecuta la tubería Reconstruir" para reconstruir las posiciones del marcador y comprobar la calidad de la grabación.
  5. Conecte los terminales de la Microbialattery (que se adjunta a la mochila en el paso 3.4) para los pines de alimentación de la mochila.
  6. Prueba de la comunicación inalámbrica entre el ordenador portátil y la mochila con el software de control de vuelo personalizado. Haga clic en el comando "Inicio" en el software y comprobar el estado de la conexión mostrada.

Experimento 5. Vuelo Libre

  1. Llevar a cabo el experimento de vuelo libre en una arena de vuelo midiendo 16 x 8 x 4 m 3.
  2. Introducir los parámetros adecuados en el software de control de vuelo (voltaje, anchura de pulso, frecuencia, y duración de estimulación). Nota: Para la demostración, se fijó la tensión de 3 V, ancho de pulso a 3 mseg, y la duración de estimulación a 1 seg y variada la frecuencia de 60 a 100 Hz.
    1. En la pantalla de software, tipo 3 de 3 V en el cuadro de "tensión", 1.000 por 1.000 mseg en la casilla "Duración de estimulación", 3 por 3 m en el cuadro de "ancho de pulso", y una frecuencia deseada en Hz en el " frecuencia "o cuadron la ventana de comandos.
  3. Suelte el escarabajo de la mochila montado en el aire que le permite volar libremente dentro de la arena de vuelo. activar manualmente la estimulación cuando el escarabajo entra en el espacio de captura de movimiento. Pulse el botón correspondiente de comandos (izquierda o derecha) en el control remoto para estimular el músculo deseado en el lado izquierdo o derecho del escarabajo.
    Nota: Una vez que se pulsa el botón, el software de control de vuelo que se ejecuta en el ordenador portátil genera el comando y lo envía a la mochila. La mochila a continuación, emite el estímulo eléctrico al músculo de interés (en el lado izquierdo o derecho).
  4. Observar la reacción del escarabajo en tiempo real durante la estimulación y la reconstrucción de los datos utilizando el software de gráficos 3D.
    1. Seleccione uno de los ensayos registrados en la lista de datos de la ventana "Display Escarabajo" y haga clic en "Exportar Panda" para copiar los datos de dicho ensayo a la carpeta de análisis y ejecutar el módulo de gráficos 3D.
    2. Pulse la tecla "N" en lael teclado para combinar la señal de estímulo con la trayectoria grabada. Pulse I para mostrar la trayectoria del escarabajo con los periodos de estimulación resaltados.

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Resultados

El procedimiento de implantación de electrodos se presenta en la Figura 2 electrodos de hilo de plata fina se implantaron en el músculo 3AX del escarabajo través de pequeños agujeros perforados en la cutícula suave en el músculo (figuras 2d - e).. Esta cutícula suave se encuentra justo por encima del apodema del músculo basalar después de la eliminación de la parte anterior de la metepisternum (Figuras 2d - c).

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Discusión

El proceso de implantación es importante, ya que afecta a la fiabilidad del experimento. Los electrodos deben ser insertados en el músculo a una profundidad de 3 mm o menos, dependiendo del tamaño del escarabajo (evitando el contacto con los músculos cercanos). Si los electrodos tocan los músculos cercanos, acciones motoras y comportamientos indeseables pueden ocurrir debido a la contracción de los músculos cercanos. Los dos electrodos deben estar bien alineados para asegurar que no se produzcan cortocircuitos. Cuando l...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

Agradecimientos

Este material se basa en los trabajos apoyados por la Cátedra Asistente de Nanyang (NAP, M4080740), la Agencia para la Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR), la Financiación de la Investigación del Sector Público (PSF, M4070190), A*STAR-JST (La Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón) (M4070198) y el Ministerio de Educación de Singapur (MOE2013-T2-2-049). Los autores desean agradecer al Sr. Roger Tan Kay Chia, al Prof. Low Kin Huat, al Sr. Poon Kee Chun, al Sr. Chew Hock See, al Sr. Lam Kim Kheong y al Dr. Mao Shixin de la Escuela de MAE por su apoyo en la creación y el mantenimiento de las instalaciones de investigación. Los autores agradecen al Prof. Michel Maharbiz (U.C. Berkeley) su consejo y discusión, al Prof. Kris Pister y a su grupo (U.C. Berkeley) por su apoyo en el suministro de la GINA utilizada en este estudio.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Escarabajo Mecynorrhina torquataReino del escarabajo Taiwán10 g, 8 cm, la capacidad de carga paga es el 30% de la masa corporal
Aprobación de importación y uso por parte de la Autoridad Agroalimentaria y Veterinaria de Singapur (AVA; Código del HS: 01069000, código de producto: ALV002).
Estimulador de mochila inalámbricoCustomTI CC2431 micocontroler
La tabla está hecha a medida en base a la placa GINA del Prof. Kris Pister' s laboratorio. El diseño del tablero GINA se puede encontrar en       https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA
Mando a distancia de Wii NintendoBluetooth para enviar el comando al operador portátil
BeetleCommander v1.8Custom. El grupo Maharbiz de la Universidad de California en Berkeley y el grupo Sato de la NTUestablecen la comunicación inalámbrica de la mochila y el portátil del operador. Configure los parámetros de estímulo y registre los datos de posición. Visualiza los datos de vuelo.
Estación base GINAGrupo Kris Pister en UC BerkeleyTI MSP430F2618 y AT86RF231
Sistema de captura de movimientoVICONT1608 cámaras para una pista de vuelo de 12,5 m x 8 m x 4 m Sistema de
captura de movimientoVICONT40s12 cámaras para una pista de vuelo de 12,5 x 8 x 4 m
Micro bateríaFullriver  201013HS10C 3,7 V, 10 mAh
Cinta retrorreflectanteReflexiteV92-1549-010150Cinta reflectante V92, color
plateado Alambre de plata con aislamiento de PFA Sistemas A-M786000127 y micro; m desnudo, 177.8 y micro; m recubierto, llama de plata desnuda de 3 mm expuesta en las puntas
SMT Micro Header SAMTECFTSH-110-01-L-DV0,3 mm x 6 mm, doble para hacer un deslizador de 3 mm de largo para asegurar el electrodo en el cabezal de PCB.
CeraAsegure los electrodos
Cera dentalVérticeInmovilizar el escarabajo
Alfiler de insectosROBOZRS-6082-30Tamaño  00; 0,3 mm Diámetro de la varilla; 0,03 mm Ancho de la punta; 38 mm Longitud 
Hacer orificios para guiar los electrodos en la cutícula
PinzasDUMONTRS-5015Patrón #5; .05 mm x .01 mm Tamaño de la punta; 110 mm Longitud
Tijeras de disección e implantación
Tijeras de resorteROBOZRS-5620Vannas; Recto; filo de corte de 3 mm; 0,1 mm de ancho de la punta; Longitud total de 3"
Disección e implantación
Soldador potableDAIYODS241Cera de abejas por reflujo
Placa calefactora CORNINGPC-400DCera de abejas y cera dental derretida
Lámpara fluorescentePhilipsTL5 14WIlumina toda la pista de vuelo con 30 paneles (60 x 60 cm2). Cada panel tiene 3 lámparas.
14 W, 549 mm x 17 mm 
de abejas de microdisección

Referencias

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