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.
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Artículo de método
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.
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.
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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1. Estudio de Animales
2. Electrodo de implantación
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.
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.
Experimento 5. Vuelo Libre
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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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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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Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.
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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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Escarabajo Mecynorrhina torquata | Reino del escarabajo Taiwán | 10 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 inalámbrico | Custom | TI 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 Nintendo | Bluetooth para enviar el comando al operador portátil | ||
| BeetleCommander v1.8 | Custom. El grupo Maharbiz de la Universidad de California en Berkeley y el grupo Sato de la NTU | establecen 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 GINA | Grupo Kris Pister en UC Berkeley | TI MSP430F2618 y AT86RF231 | |
| Sistema de captura de movimiento | VICON | T160 | 8 cámaras para una pista de vuelo de 12,5 m x 8 m x 4 m Sistema de |
| captura de movimiento | VICON | T40s | 12 cámaras para una pista de vuelo de 12,5 x 8 x 4 m |
| Micro batería | Fullriver | 201013HS10C | 3,7 V, 10 mAh |
| Cinta retrorreflectante | Reflexite | V92-1549-010150 | Cinta reflectante V92, color |
| plateado Alambre de plata con aislamiento de PFA | Sistemas A-M | 786000 | 127 y micro; m desnudo, 177.8 y micro; m recubierto, llama de plata desnuda de 3 mm expuesta en las puntas |
| SMT Micro Header | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0,3 mm x 6 mm, doble para hacer un deslizador de 3 mm de largo para asegurar el electrodo en el cabezal de PCB. |
| Cera | Asegure los electrodos | ||
| Cera dental | Vértice | Inmovilizar el escarabajo | |
| Alfiler de insectos | ROBOZ | RS-6082-30 | Tamaño 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 |
| Pinzas | DUMONT | RS-5015 | Patrón #5; .05 mm x .01 mm Tamaño de la punta; 110 mm Longitud Tijeras de disección e implantación |
| Tijeras de resorte | ROBOZ | RS-5620 | Vannas; Recto; filo de corte de 3 mm; 0,1 mm de ancho de la punta; Longitud total de 3" Disección e implantación |
| Soldador potable | DAIYO | DS241 | Cera de abejas por reflujo |
| Placa calefactora | CORNING | PC-400D | Cera de abejas y cera dental derretida |
| Lámpara fluorescente | Philips | TL5 14W | Ilumina toda la pista de vuelo con 30 paneles (60 x 60 cm2). Cada panel tiene 3 lámparas. 14 W, 549 mm x 17 mm |
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