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Articolo metodologico

Insect-macchina Sistema ibrido: radiocomandato di un coleottero liberamente Volare (

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⸱

DOI:

10.3791/54260

⸱

2 settembre 2016

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive il processo di costruzione di un sistema ibrido insetto-macchina e l'esecuzione della stimolazione elettrica wireless dei muscoli di volo necessari per controllare il movimento di rotazione di un insetto volante.

Abstract

L'aumento dei dispositivi elettronici digitali di radio-enabled ha spinto l'uso di piccoli registratori neuromuscolari wireless e stimolatori per studiare il comportamento degli insetti in volo. Questa tecnologia consente lo sviluppo di un sistema ibrido insetto-macchina utilizzando una piattaforma di insetto che vive descritto in questo protocollo. Inoltre, questo protocollo presenta la configurazione del sistema e ponti procedure sperimentali gratuiti per valutare la funzione dei muscoli di volo in un insetto untethered. Per la dimostrazione, abbiamo mirato al terzo muscolo ascellare sclerite (3AX) per controllare e raggiungere svolta a sinistra oa destra di un coleottero che vola. Un sottile elettrodo filo d'argento è stato impiantato sul muscolo 3AX su ciascun lato del coleottero. Questi sono stati collegati alle uscite di uno zaino wireless (cioè, uno stimolatore elettrico neuromuscolare) montato sul pronoto del coleottero. Il muscolo è stata stimolata in volo libero, alternando il lato stimolazione (sinistra o destra) oppure variando la stimulatiofrequenza n. Il coleottero si voltò verso il lato ipsilaterale quando il muscolo è stata stimolata ed esposto una risposta graduata ad una frequenza crescente. Il processo di impiantazione e calibrazione del volume del sistema di telecamere capture 3 dimensionale motion devono essere effettuate con cura per evitare di danneggiare il muscolo e perdere traccia del marcatore, rispettivamente. Questo metodo è estremamente utile per studiare volo degli insetti, in quanto contribuisce a rivelare le funzioni del muscolo volo di interesse volo libero.

Introduzione

Un sistema ibrido insetto-macchina, spesso indicato come insetto cyborg o biobot, è la fusione di una piattaforma di insetti viventi con un dispositivo elettronico montato in miniatura. Il dispositivo elettronico, che viene comandato in modalità wireless da un utente remoto, emette un segnale elettrico per stimolare elettricamente i siti neuromuscolari nell'insetto tramite elettrodi a filo impiantati per indurre le azioni e i comportamenti motori desiderati dall'utente. Nelle prime fasi di questo campo di ricerca, i ricercatori si sono limitati a condurre registrazioni wireless dell'azione muscolare di un insetto, utilizzando semplici circuiti analogici costituiti da componenti montati in superficie1-3. Lo sviluppo della tecnologia system-on-a-chip con funzionalità a radiofrequenza ha consentito non solo la registrazione wireless dei segnali neuromuscolari, ma anche la stimolazione elettrica dei siti neuromuscolari negli insetti viventi. Attualmente, un microcontrollore radio incorporato è abbastanza piccolo da poter essere montato su insetti vivi senza causare alcun ostacolo alla loro locomozione4-13.

Lo sviluppo del microcontrollore radio integrato consente ai ricercatori di determinare protocolli di stimolazione elettrica per indurre le azioni motorie desiderate per controllare la locomozione dell'insetto di interesse. A terra, i ricercatori hanno dimostrato il controllo della deambulazione stimolando i siti neuromuscolari degli scarafaggi4,12,14, dei ragni15 e dei coleotteri16,17. Nell'aria, l'inizio e la cessazione del volo sono stati ottenuti utilizzando metodi diversi come la stimolazione dei lobi ottici (il massiccio ammasso neurale di un occhio composto) nei coleotteri7,9 e delle sottoregioni cerebrali nelle api18, mentre il controllo della rotazione è stato dimostrato stimolando i muscoli delle antenne e il sistema nervoso dell'adduscolo nelle falene11,19 e i muscoli del volo dei coleotteri7,9,13. Nella maggior parte dei casi, un microcontrollore radio integrato è stato integrato su un circuito stampato progettato su misura per produrre uno stimolatore wireless in miniatura (zaino), che è stato montato sull'insetto di interesse. Ciò consente di applicare la stimolazione elettrica wireless a un insetto che cammina liberamente o vola. Un tale insetto montato su microcontrollore è ciò che viene definito un sistema ibrido insetto-macchina.

Questo studio descrive i protocolli sperimentali per la costruzione di un sistema ibrido insetto-macchina, in cui uno scarabeo vivente viene impiegato come piattaforma per insetti, e istruisce su come far funzionare il robot e testare i suoi sistemi di controllo del volo. Il terzo muscolo sclerite ascellare (3Ax) è stato scelto come muscolo di interesse per la stimolazione elettrica e la dimostrazione del controllo della rotazione a sinistra o a destra13. Un paio di sottili elettrodi a filo d'argento sono stati impiantati in entrambi i muscoli 3Ax sinistro e destro. Inoltre, uno zaino è stato montato sullo scarabeo vivente. Le altre estremità dell'elettrodo a filo erano collegate ai pin di uscita del microcontrollore. Lo zaino era abbastanza piccolo da poter essere trasportato dallo scarabeo in volo. Pertanto, ciò consente a uno sperimentatore di stimolare a distanza il muscolo di interesse di un insetto in volo libero e di indagare le sue reazioni alle stimolazioni.

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Protocollo

1. Animal Studio

  1. Posteriori singoli coleotteri torquata Mecynorrhina (6 cm, 8 g) in contenitori di plastica separati con biancheria pellet.
  2. Alimentare ogni coleottero una tazza di gelatina di zucchero (12 ml) ogni 3 giorni.
  3. Mantenere la temperatura e l'umidità della stanza allevamento a 25 ° C e 60%, rispettivamente.
  4. Testare la capacità di volo di ogni coleottero prima di impiantare elettrodi a filo sottile.
    1. gettare delicatamente un coleottero in aria. Se lo scarafaggio può volare per più di 10 secondi per 5 prove consecutive, concludere che il coleottero ha capacità di volo regolari e impiegare per esperimenti di volo successivo. Per riprendere il coleottero, spegnere tutte le luci in sala per renderlo scuro. Questo fa sì che il coleottero di interrompere volo.
      Nota: Un coleottero inizia spontaneamente a volare via quando rilasciato nell'aria. E 'meglio condurre gli esperimenti di volo in una grande camera chiusa come quella mostrata in Figura 1 (16 x 8 x 4 m 3 con uno spazio di motion capture di 12,5 x 8 x 4 m 3), un coleottero volanti si muove molto velocemente (circa 3-5 m / sec) e attira grandi archi quando si gira in aria.

2. impianto di elettrodi

  1. Anestetizzare il coleottero ponendolo in un contenitore di plastica pieno di CO 2 per 1 min 13,16,20-24.
  2. Ammorbidire impronte dentarie immergendolo in acqua calda per 10 secondi. Posizionare il coleottero anestetizzato su un blocco di legno e immobilizzarlo con la cera dentale ammorbidita. La cera dentale raffredda naturalmente e solidifica in pochi minuti.
  3. Tagliare i fili d'argento isolati (127 micron di diametro nuda, 178 micron di diametro, quando rivestito con perfluoroalkoxy) in lunghezze di 25 mm da utilizzare come elettrodi a filo sottile per l'impianto.
  4. Esporre 3 mm di argento nuda sfiammando l'isolatore a entrambe le estremità di ogni filo.
  5. Sezionare la superficie superiore della cuticola del coleottero utilizzando una forbice a punta fine di creare un small finestra di circa 4 x 4 mm sulla metepisternum (figura 2c). Nota: Un cuticola morbida color marrone viene quindi esposto, come illustrato nelle figure 2c - e. Il muscolo 3AX si trova sotto la cuticola morbida.
  6. Pierce due fori sulla cuticola marrone esposto usando un perno insetto (dimensione 00) con una distanza di 2 mm tra i due fori (figura 2d).
  7. Inserire due elettrodi a filo (di cui uno elettrodi attivi e uno di ritorno previste al punto 2.4) con attenzione attraverso i fori e impiantare in ogni muscolo 3AX ad una profondità di 3 mm.
  8. Fissare gli elettrodi impiantati e tenerli in atto per evitare il contatto e cortocircuiti facendo cadere la cera d'api fusa sui fori. Se necessario, ridisporre la cera d'api sopra la cuticola toccando la cera con la punta di un saldatore. La cera d'api solidifica rapidamente e rafforza l'impianto.
    Nota: Per verificare se l'impianto è corretta, elitre della barbabietolale può essere sollevato per osservare il movimento del muscolo 3AX durante la stimolazione elettrica.

3. Montaggio zaino senza fili

Nota: Lo zaino consisteva in un armadio a microcontrollore radio una stratificata FR-4 scheda 4 (1,6 x 1,6 cm 2). Lo zaino è stato guidato da un microbattery ai polimeri di litio (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). La massa totale dello zaino compresa la batteria era 1,2 ± 0,26 g, che è inferiore alla capacità di carico utile del coleottero (30% di 10 g di peso corporeo). Lo zaino è stato pre-programmato per ricevere le comunicazioni wireless e aveva due canali di uscita.

  1. Pulire la superficie pronoto (rimuovere lo strato di cera sulla cuticola) usando del nastro biadesivo. Quindi, fissare lo zaino sul pronoto del coleottero con un pezzo di nastro biadesivo.
  2. Collegare le estremità degli elettrodi impiantati alle uscite dello zaino.
  3. Avvolgere nastro retro-riflettente intorno al microbattery per produrre un marcatore FOr telecamere motion capture per rilevare.
  4. Fissare la microbattery all'inizio dello zaino con un pezzo di nastro biadesivo in modo che il nastro retroriflettente può essere rilevato da telecamere motion capture.

4. Wireless Control System

Nota: In questo caso, il sistema di controllo senza fili termine comprende un ricevitore per il telecomando, un computer portatile per eseguire il software di controllo di volo personalizzato, una stazione base, lo zaino, e il sistema di cattura di movimento.

  1. Collegare la stazione base e il ricevitore del telecomando al computer portatile tramite porte USB.
  2. Accendere il sistema di motion capture e collegarlo al computer portatile tramite una porta Ethernet.
  3. Eseguire la taratura del volume agitando la bacchetta di calibrazione (fornito dalla società fornitore del sistema di motion capture) per coprire completamente lo spazio motion capture.
    1. Aprire il software di motion capture dal desktop del portatile. Fare clic e drAG per selezionare tutte le telecamere sul menu "Sistema" del pannello "Risorse".
    2. Fare clic sul menu "Prospettiva 3D" e selezionare "Camera" per passare alla visualizzazione della telecamera. Fare clic sulla scheda "Camera" sul pannello "Strumenti" per mostrare l'impostazione di calibrazione. Fai clic su "Start" sul menu "creare maschere telecamera" per eliminare il rumore dalle telecamere e poi "Stop" dopo il rumore è mascherato in blu.
    3. Fare clic e selezionare "5 Marker Wand & L-Frame" dal menu "Wand" e il menu "L-Frame" sulla scheda "Camera". Impostare il "conte Wand" a 2.500, fai clic su "Start" sul menu "Calibrate Telecamere", e sventolare la bacchetta di calibrazione attraverso l'intero spazio motion capture. Il processo di calibrazione si arresta quando il conteggio raggiunge bacchetta 2.500.
    4. Ripetere il processo di calibrazione se l'errore di immagine (nella parte inferiore della scheda "Camera" del pannello "Strumenti") è superiore a 0,3 fo di qualsiasi fotocamera. Dopo aver calibrato, mettere la bacchetta sul pavimento al centro dello spazio motion capture e fare clic su "Start" sul menu "Imposta volume d'origine" per impostare l'origine dello spazio motion capture.
  4. Verificare la copertura del sistema di motion capture con una prova senza per registrare il tracciato del movimento di un marcatore sventolato da un utente nello spazio motion capture e confermare se il marcatore viene rilevato e monitorato. Se l'indicatore è spesso persa durante il rilevamento, ripetere la calibrazione del volume fino a quando il manichino di prova ha esito positivo.
    1. Fare clic sulla scheda "Capture" sul pannello "Strumenti" e poi "Start" sul menu "Capture" prima agitando il marcatore campione attraverso l'intero spazio motion capture per registrare la sua traiettoria.
    2. Dopo la registrazione, clicca su "Esegue il gasdotto Ricostruire" per ricostruire le posizioni del marcatore e controllare la qualità della registrazione.
  5. Collegare i terminali del MicroBattery (allegato al zaino nel passaggio 3.4) per i piedini di alimentazione dello zaino.
  6. Testare la comunicazione wireless tra il computer portatile e lo zaino con il software di controllo di volo personalizzato. Fare clic sul comando "Start" sul software e verificare lo stato della connessione visualizzato.

Esperimento 5. Volo Libero

  1. Effettuare l'esperimento volo libero in un'arena volo misura 16 x 8 x 4 m 3.
  2. Inserire i parametri appropriati per il software di controllo di volo (tensione, larghezza d'impulso, la frequenza, la durata e la stimolazione). Nota: Per la dimostrazione, abbiamo risolto la tensione di 3 V, durata dell'impulso di 3 msec, e durata stimolo per 1 sec e varia la frequenza da 60 a 100 Hz.
    1. Nella schermata del software, tipo 3 per 3 V nella casella "tensione", 1.000 per 1.000 msec nel box "Stimolazione Durata", 3 per 3 ms nella casella "Pulse Width", e una frequenza desiderata in Hz nel " Frequenza "scatola on la finestra di comando.
  3. Rilasciare il coleottero zaino montato in aria permettendo di volare liberamente all'interno dell'arena di volo. attivare manualmente la stimolazione quando il coleottero entra nello spazio motion capture. Premere il pulsante appropriato di comando (sinistra o destra) sul telecomando per stimolare il muscolo bersaglio sul lato sinistro o destro del coleottero.
    Nota: Una volta che il pulsante viene premuto, il software di controllo di volo in esecuzione sul computer portatile genera il comando e lo invia allo zaino. Lo zaino irradia il stimolo elettrico al muscolo di interesse (sul lato sinistro o destro).
  4. Osservare la reazione del coleottero in tempo reale durante la stimolazione e ricostruire i dati utilizzando il software rappresentazione grafica 3D.
    1. Selezionare una delle prove registrate nella lista di dati della finestra "Maggiolino Display" e fare clic su "Esporta Panda" per copiare i dati di quel processo nella cartella di analisi ed eseguire il modulo di rappresentazione grafica 3D.
    2. Premere il tasto "N" sula tastiera per combinare il segnale di stimolo con la traiettoria registrata. Premere I per mostrare la traiettoria del coleottero con i periodi di stimolazione evidenziati.

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Risultati

La procedura di impianto di elettrodi è presentato in figura 2 elettrodi a filo d'argento sottile sono stati impiantati nel muscolo 3AX del coleottero attraverso piccoli fori trafitto sulla cuticola morbida sul muscolo (figure 2d - e).. Questo cuticola morbida si trova appena sopra il apodema del muscolo basalar dopo aver rimosso la parte anteriore del metepisternum (figure 2d - c). Gli elettrodi son...

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Discussione

Il processo di impianto è importante, in quanto compromettono l'affidabilità dell'esperimento. Gli elettrodi devono essere inseriti nel muscolo ad una profondità pari o inferiore a seconda delle dimensioni del coleottero (evitando il contatto con muscoli adiacenti) 3 mm. Se gli elettrodi si toccano i muscoli circostanti, azioni motorie indesiderate e comportamenti si possono verificare a causa della contrazione dei muscoli vicini. I due elettrodi devono essere ben allineati per garantire che non si verifichino c...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano che non sussistono conflitti di interesse.

Ringraziamenti

Questo materiale si basa sui lavori sostenuti da Nanyang Assistant Professorship (NAP, M4080740), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Public Sector Research Funding (PSF, M4070190), A*STAR-JST (The Japan Science and Technology Agency) joint grant (M4070198), e Singapore Ministry of Education (MOE2013-T2-2-049). Gli autori desiderano ringraziare Roger Tan Kay Chia, il Prof. Low Kin Huat, il Sig. Poon Kee Chun, il Sig. Chew Hock See, il Sig. Lam Kim Kheong e il Dr. Mao Shixin della School of MAE per il loro supporto nella creazione e nel mantenimento delle strutture di ricerca. Gli autori ringraziano il Prof. Michel Maharbiz (U.C. Berkeley) per i suoi consigli e discussioni, il Prof. Kris Pister e il suo gruppo (U.C. Berkeley) per il loro supporto nel fornire il GINA utilizzato in questo studio.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Mecynorrhina torquata beetleRegno di Beetle Taiwan10 g, 8 cm, la capacità di carico utile è del 30% della massa corporea
Aproval di importazione e utilizzo da parte dell'Autorità agroalimentare e veterinaria di Singapore (AVA; Codice SA: 01069000, codice prodotto: ALV002).
Stimolatore a zaino wirelessCustomTI CC2431 micocontroler
La tavola è realizzata su misura sulla base della scheda GINA del Prof. Kris Pister' s laboratorio. Il layout della scheda GINA può essere trovato su     https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA
telecomando Wii TelecomandoBluetooth Nintendoper inviare il comando al laptop operatore
BeetleCommander v1.8Custom. Il gruppo Maharbiz presso l'UC Berkeley e il gruppo Sato presso NTUStabilire la comunicazione wireless dello zaino e del laptop dell'operatore. Configura i parametri dello stimolo e registra i dati posizionali. Visualizza i dati di volo.
Stazione base GINAKris Pister group presso UC BerkeleyTI MSP430F2618 e AT86RF231
Sistema di motion captureVICONT1608 telecamere per un'arena di volo di 12,5 m x 8 m x 4 m
Sistema di motion captureVICONT40s12 telecamere per un'arena di volo di 12,5 x 8 x 4 m
Micro batteriaFullriver  201013HS10C 3,7 V, 10 mAh
Nastro retroriflettenteReflexiteV92-1549-010150V92 nastro riflettente, colore argento
PFA-isolato Silver Wire Sistemi A-M786000127 µ m nudo, 177,8 µ m rivestito, fiamma d'argento nudo da 3 mm esposta alle punte
SMT Micro Header SAMTECFTSH-110-01-L-DV0,3 mm x 6 mm, piegare per creare un cursore lungo 3 mm per fissare l'elettrodo nel connettore PCB.
Cerad'api Fissare gli elettrodi
Cera dentaleVerticeImmobilizzare lo scarabeo
Perno per insettiROBOZRS-6082-30Dimensioni  00; 0,3 mm Diametro dell'asta; 0,03 mm Larghezza della punta; 38 mm Lunghezza 
Praticare fori guida per elettrodi su
pinzette per cuticoleDUMONTRS-5015Modello #5; .05 mm x .01 mm Dimensione della punta; 110 mm Lunghezza
Forbici per dissezione e impianto
ROBOZRS-5620Vannas Forbici a molla per micro dissezione; Diritto; Tagliente da 3 mm; Larghezza della punta 0,1 mm; Lunghezza totale 3 "
Saldatore da dissezione e impianto
Saldatore potabileDAIYODS241Cera d'api a riflusso
Piastra riscaldante CORNINGPC-400DCera d'api fondente e cera dentale
Lampada fluorescentePhilipsTL5 14WIllumina l'intera arena di volo con 30 pannelli (60 x 60 cm2). Ogni pannello ha 3 lampade.
14 W, 549 mm x 17 mm 

Riferimenti

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