Insect-machine à système hybride: Radio Control à distance d'un scarabée volant librement ( Mercynorrhina torquata)

Un système hybride insecte-machine, souvent appelé insecte cyborg ou biobot, est la fusion d’une plate-forme d’insecte vivant avec un dispositif électronique miniature monté. Le dispositif électronique, qui est commandé sans fil par un utilisateur distant, émet un signal électrique pour stimuler électriquement les sites neuromusculaires de l’insecte via des électrodes métalliques implantées pour induire les actions motrices et les comportements souhaités par l’utilisateur. Dans les premiers stades de ce domaine de recherche, les chercheurs se limitaient à effectuer un enregistrement sans fil de l’action musculaire d’un insecte, à l’aide de simples circuits analogiques composés de composants montés en surface^{1 à 3}. Le développement de la technologie des systèmes sur puce avec fonctionnalité de radiofréquence a permis non seulement l’enregistrement sans fil des signaux neuromusculaires, mais aussi la stimulation électrique des sites neuromusculaires chez les insectes vivants. À l’heure actuelle, un microcontrôleur radio intégré est suffisamment petit pour être monté sur des insectes vivants sans causer d’obstruction à leur locomotion^4-13.

Le développement du microcontrôleur radio intégré permet aux chercheurs de déterminer des protocoles de stimulation électrique pour induire les actions motrices souhaitées pour contrôler la locomotion de l’insecte d’intérêt. Sur le terrain, les chercheurs ont démontré le contrôle de la marche en stimulant les sites neuromusculaires des cafards^4,12,14, des araignées¹⁵ et des coléoptères^16,17. Dans l’air, l’initiation et la cessation du vol ont été réalisées à l’aide de différentes méthodes telles que la stimulation des lobes optiques (le grappe neurale massive d’un œil composé) chez les coléoptères^7,9 et des sous-régions cérébrales chez les abeilles¹⁸, tandis que le contrôle de la rotation a été démontré en stimulant les muscles des antennes et le système nerveux de l’abdomen chez les papillons de nuit^11,19 et les muscles de vol des coléoptères^7,9,13. Dans la plupart des cas, un microcontrôleur radio intégré a été intégré sur une carte de circuit imprimé conçue sur mesure pour produire un stimulateur sans fil miniature (sac à dos), qui a été monté sur l’insecte d’intérêt. Cela permet d’appliquer une stimulation électrique sans fil à un insecte qui marche librement ou vole. Un tel insecte monté sur microcontrôleur est ce que l’on appelle un système hybride insecte-machine.

Cette étude décrit les protocoles expérimentaux pour la construction d’un système hybride insecte-machine, dans lequel un coléoptère vivant est utilisé comme plate-forme d’insectes, et donne des instructions sur la façon de faire fonctionner le robot et de tester ses systèmes de contrôle de vol. Le troisième muscle de la sclérite axillaire (3Ax) a été choisi comme muscle d’intérêt pour la stimulation électrique et la démonstration du contrôle de rotation à gauche ou à droite¹³. Une paire d’électrodes minces en fil d’argent a été implantée dans les muscles 3Ax gauche et droit. De plus, un sac à dos a été monté sur le scarabée vivant. Les autres extrémités du fil-électrode étaient connectées aux broches de sortie du microcontrôleur. Le sac à dos était assez petit pour que le scarabée puisse le porter en vol. Ainsi, cela permet à un expérimentateur de stimuler à distance le muscle d’intérêt d’un insecte en vol libre et d’étudier ses réactions aux stimulations.

1. Étude des animaux

1. individuels arrière coléoptères torquata Mecynorrhina (6 cm, 8 g) dans des récipients en plastique séparés avec une literie de granulés de bois.
2. Nourrir chaque beetle une tasse de gelée de sucre (12 ml) tous les 3 jours.
3. Maintenir la température et l'humidité de la pièce d'élevage à 25 ° C et 60% respectivement.
4. Testez la capacité de vol de chaque dendroctone avant l'implantation des électrodes minces de fil.
   1. jeter doucement un scarabée dans l'air. Si le dendroctone peut voler pendant plus de 10 secondes pendant 5 essais consécutifs, conclure que le dendroctone a des capacités de vol réguliers et l'employer pour des expériences de vol ultérieures. Pour reprendre le dendroctone, éteindre toutes les lumières dans la salle pour faire sombre. Cela provoque le dendroctone de mettre fin à un vol.
      Note: Un coléoptère commence spontanément à s'envoler lorsqu'il est libéré dans l'air. Il est préférable de conduire les expériences de vol dans une grande chambre fermée tel que celui représenté sur la figure 1 (16 x 8 x 4 m 3), un scarabée volant se déplace très rapidement (environ 3-5 m / s) et dessine de grands arcs en tournant dans l'air.

2. Electrode Implantation

1. Anesthésier le coléoptère en le plaçant dans un récipient en plastique rempli avec du CO ₂ pendant 1 min ^13,16,20-24.
2. Ramollir la cire dentaire en le plongeant dans l'eau chaude pendant 10 secondes. Placez le dendroctone anesthésié sur un bloc de bois et l'immobiliser avec la cire dentaire ramolli. La cire dentaire refroidit naturellement et se solidifie en quelques minutes.
3. Couper les fils d'argent isolés (127 um de diamètre nu, 178 um de diamètre lorsqu'il est revêtu d'perfluoroalkoxy) en longueurs de 25 mm à utiliser comme électrodes minces de fil pour l'implantation.
4. Expose 3 mm d'argent nu par flambage l'isolant aux deux extrémités de chaque fil.
5. Disséquer la surface supérieure de la cuticule de l'insecte à l'aide d'un ciseau à pointe fine pour créer un smaFenêtre ll d'environ 4 x 4 mm sur la metepisternum (figure 2c). Note: Un cuticule de couleur brune douce est ensuite exposée, comme le montrent les figures 2c - e. Le muscle 3AX est situé sous la cuticule molle.
6. Percer deux trous sur la cuticule brune exposée à l' aide d' une broche d' insecte (taille 00) avec une distance de 2 mm entre les deux trous (figure 2d).
7. Insérer deux fils-électrodes (dont une électrode active et une retour préparée à l'étape 2.4) avec précaution à travers les trous et les implanter dans chaque muscle 3AX à une profondeur de 3 mm.
8. Fixer les électrodes implantées et les maintenir en place pour éviter le contact et les courts-circuits en laissant tomber la cire fondue sur les trous. Si nécessaire, la refusion de la cire sur la cuticule en touchant la cire d'abeille avec la pointe d'un fer à souder chaud. La cire se solidifie rapidement et renforce l'implantation.
   Remarque: Pour vérifier si l'implantation est correcte, les élytres de la betteraveLe peut être soulevé pour observer le mouvement du muscle 3AX lors de la stimulation électrique.

3. Assemblée Sac à dos sans fil

Note: Le sac à dos est composée d'un microcontrôleur intégré radio sur une couche Carte FR-4 4 (1,6 x 1,6 cm ^2). Le sac à dos a été tirée par une microbatterie lithium-polymère (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). La masse totale du sac à dos, y compris la batterie était de 1,2 ± 0,26 g, ce qui est inférieur à la capacité de charge utile du coléoptère (30% de 10 g de poids corporel). Le sac à dos est pré-programmé pour recevoir les communications sans fil et a deux canaux de sortie.

1. Nettoyer la surface du pronotum (enlever la couche de cire sur la cuticule) en utilisant un adhésif double face. Ensuite, fixez le sac à dos sur le pronotum du dendroctone avec un morceau de ruban adhésif double face.
2. Relier les extrémités des électrodes implantées aux sorties du sac à dos.
3. Envelopper de ruban rétroréfléchissant autour de la microbatterie pour produire un marqueur for caméras de capture de mouvement pour détecter.
4. Fixer la microbatterie au sommet du sac à dos avec un morceau de ruban adhésif double face de telle sorte que la bande rétro-réfléchissante peut être détectée par des caméras de capture de mouvement.

4. Wireless Control System

Remarque: Dans ce cas, le système de commande sans fil à long terme comprend un récepteur pour la télécommande, un ordinateur portable pour exécuter le logiciel de contrôle de vol personnalisé, une station de base, le sac à dos, et le système de capture de mouvement.

1. Connectez la station de base et le récepteur de la télécommande à l'ordinateur portable via les ports USB.
2. Allumez le système de capture de mouvement et le connecter à l'ordinateur portable via un port Ethernet.
3. Effectuer le calibrage de volume en agitant la baguette d'étalonnage (fourni par la société du fournisseur du système de capture de mouvement) pour couvrir entièrement l'espace de capture de mouvement.
   1. Ouvrez le logiciel de capture de mouvement à partir du bureau de l'ordinateur portable. Cliquez et drag pour sélectionner toutes les caméras dans le menu «Système» du panneau «Ressources».
   2. Cliquez sur le menu "Perspective 3D" et sélectionnez "Caméra" pour changer la vue de la caméra. Cliquez sur l'onglet "Caméra" sur le panneau "Outils" pour afficher la configuration de l'étalonnage. Cliquez sur "Démarrer" dans le menu "Créer caméra Masques" pour éliminer le bruit des caméras, puis «Stop» après le bruit est masqué en bleu.
   3. Cliquez et sélectionnez "5 Marker Wand & L-Frame" dans le menu "Wand" et le menu "L-Frame" dans l'onglet "Caméra". Réglez le "Count Wand" à 2500, cliquez sur "Démarrer" dans le menu "Caméras Étalonner" et agiter la baguette d'étalonnage à travers l'ensemble de l'espace de capture de mouvement. Le processus d'étalonnage arrête lorsque le nombre de baguette atteint 2.500.
   4. Répétez le processus d'étalonnage en cas d'erreur d'image (en bas de l'onglet "Caméra" du panneau "Tools") est supérieur à 0,3 fou tout autre appareil. Après la calibration, mettre la baguette sur le sol au milieu de l'espace de capture de mouvement et cliquez sur "Démarrer" dans le menu "Réglage d'origine du volume» pour définir l'origine de l'espace de capture de mouvement.
4. Vérifiez la couverture du système de capture de mouvement à l'aide d'un mannequin d'essai pour enregistrer la trajectoire d'un marqueur agité par un utilisateur dans l'espace de capture de mouvement et de confirmer si le marqueur est détecté et suivi. Si le marqueur est souvent perdu lors de la détection, répéter le calibrage de volume jusqu'à ce que le test dummy réussit.
   1. Cliquez sur l'onglet "Capture" sur le panneau "Outils" puis "Démarrer" sur le menu "Capture" avant agitant le marqueur d'échantillon à travers l'ensemble de l'espace de capture de mouvement pour enregistrer sa trajectoire.
   2. Après l'enregistrement, cliquez sur "Exécute le pipeline Reconstruire" pour reconstruire les positions du marqueur et vérifier la qualité de l'enregistrement.
5. Connecter les bornes de la microbatterie (attaché au sac à dos à l'étape 3.4) pour les broches d'alimentation du sac à dos.
6. Test de la communication sans fil entre l'ordinateur portable et le sac à dos en utilisant le logiciel de contrôle de vol personnalisé. Cliquez sur la commande "Démarrer" sur le logiciel et vérifier l'état de connexion affichée.

Expérience 5. Free Flight

1. Effectuer l'expérience de vol libre dans une arène de vol mesurant 16 x 8 x 4 m ^3.
2. Saisissez les paramètres appropriés au logiciel de commande de vol (tension, largeur d'impulsion, la fréquence et la durée de stimulation). Remarque: Pour la démonstration, nous avons fixé la tension à 3 V, la largeur d'impulsion de 3 ms et la durée de stimulation à 1 seconde et varier la fréquence de 60-100 Hz.
   1. Sur l'écran du logiciel, type 3 pour 3 V dans la boîte "tension", 1000 pour 1000 msec dans la "Durée Stimulation" boîte, 3 pour 3 ms dans la boîte "Pulse Width", et une fréquence souhaitée en Hz dans le " Fréquence "boîte on la fenêtre de commande.
3. Relâchez le dendroctone du sac à dos monté dans l'air ce qui lui permet de voler librement dans l'arène de vol. déclencher manuellement la stimulation lorsque le dendroctone pénètre dans l'espace de capture de mouvement. Appuyez sur le bouton approprié de commande (gauche ou droite) de la télécommande pour stimuler le muscle cible sur le côté gauche ou à droite du scarabée.
   Remarque: Une fois que le bouton est enfoncé, le logiciel de commande de vol en cours d'exécution sur l'ordinateur portable génère la commande et l'envoie au sac à dos. Le sac à dos délivre alors le stimulus électrique au muscle d'intérêt (sur le côté gauche ou à droite).
4. Observer la réaction du dendroctone en temps réel lors de la stimulation et de reconstruire les données en utilisant un logiciel graphique 3D.
   1. Sélectionnez l'un des essais enregistrés dans la liste de données de la fenêtre "Beetle d'affichage" et cliquez sur "Exporter Panda" pour copier les données de ce procès dans le dossier d'analyse et de lancer le module graphique 3D.
   2. Appuyez sur "N" surle clavier pour combiner le signal de stimulus à la trajectoire enregistrée. Appuyez sur I pour montrer la trajectoire du dendroctone avec les périodes de stimulation mis en évidence.

La procédure électrode d'implantation est présentée à la figure 2 électrodes en fil d'argent mince ont été implantés dans le muscle 3AX du dendroctone à travers de petits trous percés sur la cuticule molle sur le muscle (figures 2d - e).. Cette cuticule molle se trouve juste au- dessus du muscle apodema basalar après avoir enlevé la partie antérieure de la metepisternum (figures 2d - c). Les électrodes ont ensuite été sécurisées en utilisant la cire d' abeille (Figure 2f).

La figure 3 montre les procédures pour la construction d' un système hybride insectes machine en utilisant un coléoptère intact. Les figures 2 et 3b montrent les méthodes d'implantation de fils métalliques minces (électrodes de stimulation) dans le muscle d'intérêt (par exemple, dans la figure 2, le muscle 3AX a été utilisé dans cette étude), etle montage d'un sac à dos sur le pronotum d'un scarabée. Les extrémités libres des fils sont insérés dans les trous du connecteur de cavalier sur le sac à dos, qui sont connectées électriquement aux broches d' entrée / sortie du micro - contrôleur intégré sur le sac à dos (figure 3c). Enfin, un micro-batterie a été monté et le câble d'alimentation de la micro-batterie a été connectée aux trous du connecteur de pontage menant à la masse et les bornes d'alimentation positive du microcontrôleur.

Le système de commande sans fil est représenté sur la figure 4. Lorsque l'utilisateur appuie sur un bouton de commande sur la télécommande (Figure 4c), le logiciel de contrôle de vol dans l'ordinateur portable (Figure 4d) génère et envoie sans fil la commande pour le sac à dos via la base la station (figure 4b). Le système de capture de mouvement (Figure 4E) détecte la position (X, Y, Z) de la betteravele et marque avec un horodatage. Ces données sont ensuite introduite dans l'ordinateur portable et le logiciel de commande de vol synchronise les données avec les signaux de stimulation.

Les résultats de contrôle de tour représentatifs sont présentés dans la figure 5. A été trouvé L'activation du muscle 3AX pour provoquer une réduction de l'amplitude de battement d'aile du côté ipsilatéral 13, entraînant ainsi le dendroctone effectuant un virage ipsilatéral en vol libre. La stimulation électrique du muscle 3AX a montré un effet similaire que le scarabée se tourna vers le côté ipsilatéral lorsque le muscle 3AX gauche ou à droite a été stimulée 13. Le taux de rotation de l'insecte a été classé en fonction de la fréquence de stimulation.

Figure 1:. Gratuit arrangement d'arène de vol L'arène de vol libre a été organisée endeux parties: l'espace de commande (3,5 x 8 x 4 m 3) a été utilisé pour la mise en place du kit d'implantation (outils de microscope et dissection) et cabine de contrôle (ordinateur, station de base sans fil, et le contrôleur de la caméra), tandis que l'espace de capture de mouvement ( 12,5 x 8 x 4 m 3) était couverte de 20 proche infrarouge caméras pour enregistrer la position (X, Y et Z) du dendroctone. L'arène de vol a été équipé de 30 panneaux d'éclairage (60 x 60 cm 2, 48 W) pour le rendre aussi brillant que les conditions de jour pendant l'expérience. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2:. Procédure pour l' implantation d' électrodes Le coléoptère a été anesthésié et immobilisé avec de la cire dentaire sur un bloc de bois pour la procédure d'implantation. (A - <strong> c) Une petite fenêtre a été ouverte sur le metepisternum du dendroctone pour accéder au muscle 3AX. (D) A l' aide d' une broche d' insecte, deux trous avec une distance de 2 mm ont été percés à l'intérieur cuticule qui porte le muscle 3AX. (E) Les électrodes ont été insérées dans les muscles par ces trous et maintenus en place avec des pinces pour veiller à ce qu'aucune diaphonie a eu lieu entre les conseils. . (F - g) Les électrodes ont ensuite été fixées au dendroctone en utilisant la cire d' abeille S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3:. Procédure pour produire un système hybride insectes machine utilisant un coléoptère intact wit (a) Le muscle de l' intérêt sur ​​un scarabée vivant a été implantéha paire d'électrodes en fil d'argent. (B) Après avoir fixé les électrodes avec la cire d' abeille, nous avons monté le sac à dos sur le pronotum du dendroctone en utilisant du ruban adhésif double-face. (C) les extrémités libres des électrodes ont été insérées dans les sorties du sac à dos et fixés avec des en- têtes de micropin. (D) A microbatterie, qui a été couvert avec du ruban rétroréfléchissant, a été monté sur le sac à dos à l' aide de ruban adhésif double face et relié aux broches d'alimentation du sac à dos. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4:. Système sans fil pour l' expérience de vol libre Le système sans fil se compose de (a) un scarabée de cyborg, (b) une station de base sans fil, (c (d) un ordinateur portable fonctionnant avec un récepteur Bluetooth branché, et (e) un système de capture de mouvement 3D. Lorsque l'utilisateur appuie sur le bouton de commande sur la télécommande, le logiciel de contrôle de vol personnalisé sur l'ordinateur portable envoie la commande de stimulation sans fil au dendroctone du cyborg via une station de base qui est branché sur l'ordinateur portable via un port USB. Une fois que le sac à dos reçoit la commande, il génère un signal de stimulation électrique qui stimule le muscle. En même temps, le système de capture de mouvement enregistre les coordonnées 3D du dendroctone et les nourrit à l'ordinateur portable pour la synchronisation avec les données de stimulation. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5: Le comportement du beetle en raison de la stimulation électrique du muscle 3AX en vol libre. (a) Le coléoptère se tourna vers le côté ipsilatéral lorsque le muscle 3AX gauche ou à droite a été stimulée, et le mouvement de rotation a été classé en fonction de la fréquence de stimulation. (B) Le sentier en zigzag du dendroctone volant lorsque le muscle 3AX gauche ou à droite a été stimulée en séquence. Les paramètres de stimulation ont une amplitude de 3 V, une largeur d'impulsion de 3 ms, et une fréquence de 60-100 Hz. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6: Proposition de jeux de marqueurs pour le suivi de l'orientation 3D (roulis, tangage et lacet) du dendroctone Configuration à l' aide (a) trois marqueurs, (b) quatre.marqueurs, et (c) cinq marqueurs. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflits d’intérêts.