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方法論記事

昆虫・マシン・ハイブリッドシステム：自由フライングビートルのリモートラジオコントロール（

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⸱

DOI:

10.3791/54260

⸱

2016年9月2日

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

この記事について

サマリー

このプロトコルは、昆虫と機械のハイブリッドシステムを構築し、飛翔昆虫の旋回運動を制御するために必要な飛行筋の無線電気刺激を行うプロセスを説明しています。

要約

ラジオ対応のデジタル電子機器の上昇は、飛行中の昆虫の行動を研究するための小型無線神経筋レコーダーや刺激物質の使用を促してきました。この技術は、このプロトコルで説明住む昆虫プラットフォームを用いて、昆虫・マシン・ハイブリッドシステムの開発を可能にします。また、このプロトコルは、システム構成や命綱をつけ昆虫における飛翔筋の機能を評価するための自​​由飛行実験手順を説明します。デモンストレーションのために、私たちは飛んでカブトムシの左または右回転を制御し、達成するための第三の腋窩骨片（3AX）筋肉をターゲットに。細い銀線電極は、カブトムシの各側の3AX筋に移植しました。これらは、甲虫の前胸背板に取り付けられた。無線バックパック（ すなわち 、神経筋電気刺激装置）の出力に接続されていました筋肉は、（左または右）の刺激の側を交互にまたはstimulatioを変えることによって自由飛行で刺激しました。n個の周波数。カブトムシは、筋肉が刺激されたときに同側になって、周波数の増加に段階的な応答を示しました。注入プロセスおよび3次元モーションキャプチャカメラシステムの容積キャリブレーションは、それぞれ、筋肉を損傷し、マーカの追跡が失われないように注意して行う必要があります。それは自由飛行に関心の飛翔筋の機能を明らかにするのに役立つように、この方法は、昆虫の飛行を研究するために非常に有益です。

概要

昆虫と機械のハイブリッドシステムは、しばしばサイボーグ昆虫またはバイオボットと呼ばれ、生きた昆虫プラットフォームと小型の電子機器との融合です。この電子デバイスは、遠隔地のユーザーによって無線で操作され、電気信号を出力して、埋め込まれたワイヤー電極を介して昆虫の神経筋部位を電気的に刺激し、ユーザーが望む運動行動や行動を誘導します。この研究分野の初期の段階では、研究者は昆虫の筋肉の働きを無線記録することに限られており、表面実装部品1-3で構成された単純なアナログ回路を用いて行われていました。無線周波数機能を搭載したシステム・オン・チップ技術の開発により、神経筋信号の無線記録だけでなく、生きた昆虫の神経筋部位への電気刺激も可能になりました。現在、内蔵の無線マイクロコントローラーは、生きている昆虫に取り付けても、その移動に支障をきたすことなく搭載できるほど小さいです4-13。

内蔵の無線マイクロコントローラーの開発により、研究者は目的の昆虫の移動を制御するための望ましい運動動作を誘発するための電気刺激プロトコルを決定することができます。地上では、研究者たちはゴキブリ4,12,14、クモ15、およびカブトムシ16,17の神経筋部位を刺激することにより、歩行制御を実証した。空中では、飛行の開始と停止は、カブトムシ7,9の視葉(複眼の巨大な神経クラスター)とハチ18の脳サブ領域の刺激など、さまざまな方法を使用して達成されましたが、蛾11,19の腹部の触角筋と神経系、およびカブトムシ7,9,13の飛行筋を刺激することにより、回転制御が実証されています.ほとんどの場合、カスタム設計のプリント回路基板に内蔵の無線マイクロコントローラーが組み込まれ、目的の昆虫に取り付けられた小型のワイヤレス刺激装置(バックパック)が製造されました。これにより、自由に歩いたり飛んだりする昆虫に無線電気刺激を加えることができます。このようなマイコン搭載型昆虫を昆虫と機械のハイブリッドシステムと呼ぶのが、

この研究は、生きたカブトムシを昆虫プラットフォームとして採用し、ロボットの操作方法と飛行制御システムのテスト方法を教える昆虫と機械のハイブリッドシステムを構築するための実験プロトコルを記述します。第3の腋窩強膜(3Ax)筋は、電気刺激および左または右の回転制御のデモンストレーションのための関心のある筋肉として選択された13。細い銀線電極のペアが左右の3Ax筋肉の両方に埋め込まれました。さらに、生きているカブトムシにはバックパックが取り付けられていました。ワイヤ電極のもう一方の端は、マイクロコントローラの出力ピンに接続されました。バックパックは、カブトムシが飛ぶときに運ぶのに十分なほど小さかった。したがって、これにより、実験家は自由飛行中の昆虫の関心のある筋肉を遠隔で刺激し、その刺激に対するその反応を調査することができます。

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プロトコル

1.研究動物

  1. リア個々Mecynorrhinaのtorquataカブトムシ木質ペレット寝具付きの独立したプラスチック容器（6センチ、8グラム）。
  2. 3日毎に各カブトムシに砂糖ゼリー（12ミリリットル）のカップをフィード。
  3. それぞれ、25℃、60％で飼育室の温度と湿度を保ちます。
  4. 細線電極を埋め込む前に、各カブトムシの飛行能力をテストします。
    1. 静かに空気中にカブトムシを投げます。カブトムシが5回連続試験のために10秒より長く飛ぶことができる場合は、カブトムシは、通常の飛行能力を有しており、その後の飛行実験のためにそれを使用すると結論付けています。カブトムシを奪還するために、それは暗い作るために部屋内のすべてのライトをオフにします。これは飛行を終了するカブトムシの原因となります。
      注：カブトムシは自然に空気中に放出されたときに離れて飛行することから始まります。 図1（16×8×4メートルに示すように、大きな密室で飛行実験を行う方が良いです3のモーションキャプチャ空間のp> 3）、。

2.電極注入

  1. 1分13,16,20-24のためにCO 2を充填したプラスチック容器に置くことでカブトムシを麻酔。
  2. 10秒間お湯の中に浸漬することにより、歯科用ワックスを軟化させます。木製のブロックに麻酔カブトムシを配置し、軟化した歯科用ワックスでそれを固定化します。歯科用ワックスは自然に冷却し、数分以内に固化します。
  3. 25ミリメートルの長さに切断絶縁銀線（127μmの裸の直径、パーフルオロアルコキシでコーティングされた178μmの直径）は、移植のためのような細いワイヤ電極を使用します。
  4. 各ワイヤの両端に絶縁体を燃えることにより、裸の銀の3ミリメートルを公開します。
  5. SMAを作成するために、先の細いハサミを使用して、カブトムシのキューティクルの表面を分析metepisternum（ 図2c）で約4×4mmのLLウィンドウ。注意：ソフト茶色のキューティクルは、次に露出させ、 図2cに示すように- 電子 。 3AXの筋肉が柔らかいキューティクルの下に位置しています。
  6. ピアス二つの穴（ 図2d）との間に2mmの距離で虫ピン（サイズ00）を用いて露光茶色のキューティクルの2つの穴。
  7. 慎重に貫通孔（ステップ2.4​​で調製した一つの活性と1つの戻り電極を含む）は、2つのワイヤ電極を挿入し、3ミリメートルの深さで各3AX筋にそれらを移植。
  8. 移植された電極を固定し、穴に溶融した蜜蝋をドロップすることにより、接触および短絡を回避するために、場所でそれらを保持します。必要に応じて、ホットはんだごての先端で蜜蝋に触れることでキューティクルの上に蜜蝋をリフロー。蜜蝋はすぐに固化し、移植を強化します。
    注：移植が正しいかどうかを確認するには、ビートの鞘ばねルは、電気刺激時3AXの筋肉の動きを観察するために持ち上げることができます。

3.ワイヤレスバックパックアセンブリ

注：バックパックは、内蔵の無線マイクロコントローラ4階層FR-4基板上（1.6×1.6 cm 2）とから構成されていました。バックパックは、リチウムポリマーマイクロ電池（3.7 V、350 mgの、10ミリアンペア時）によるものでした。電池を含むバックパックの総質量は、甲虫（10gの体重の30％）のペイロード容量未満で1.2±0.26 gでした。バックパックは、無線通信を受信するように予めプログラムと2つの出力チャネルを有していました。

  1. 両面テープを使用して（キューティクル上のワックス層を除去）前胸背板の表面を清掃してください。そして、両面テープの切れ端でカブトムシの前胸背板にバックパックを取り付けます。
  2. バックパックの出力に注入された電極の両端を接続します。
  3. foのマーカーを生成するためにマイクロバッテリの周囲に再帰反射テープを包みますRモーションキャプチャカメラが検出します。
  4. 再帰反射テープは、モーションキャプチャカメラによって検出することができるように、両面テープの一片を用いてバックパックの上部にマイクロ電池を取り付けます。

4.ワイヤレス制御システム

注：この場合には、用語の無線制御システムは、カスタム飛行制御ソフトウェアを実行するためのリモートコントローラ、ラップトップコンピュータ、ベースステーション、バックパック、およびモーションキャプチャシステムのための受信機を含みます。

  1. USBポートを介してラップトップコンピュータにリモートコントローラの基地局と受信機を接続します。
  2. モーションキャプチャシステムに切り替えて、イーサネットポートを介してラップトップコンピュータに接続します。
  3. 完全にモーションキャプチャ空間をカバーする（モーションキャプチャシステムのベンダー会社によって提供される）較正杖を振ることによって体積較正を実行します。
    1. ノートパソコンのデスクトップからモーションキャプチャソフトウェアを開きます。クリックして、DRAGは、「リソース」パネルの「システム」メニューのすべてのカメラを選択します。
    2. 「3D視点」メニューをクリックし、カメラのビューに変更する「カメラ」を選択します。キャリブレーションの設定を表示するには、「ツール」パネルの「カメラ」タブをクリックします。カメラからのノイズを除去する「カメラのマスクを作成」メニューの「スタート」をクリックして、ノイズが青色でマスクされた後、次に「停止」。
    3. 「カメラ」タブの「ワンド」メニューと「L-フレーム "メニューから" 5マーカーワンド＆L-フレーム」をクリックして選択します。 2500に「ワンドカウント」を設定し、「キャリブレーションカメラ」メニューの「スタート」をクリックし、全体のモーションキャプチャ空間を介してキャリブレーション杖を振ります。ワンド数が2,500に達したときに、キャリブレーションプロセスが停止します。
    4. （「ツール」パネルの「カメラ」タブの下部にある）画像の誤差が0.3 Fよりも高い場合には、キャリブレーションプロセスを繰り返しまたは任意のカメラ。キャリブレーション後、モーションキャプチャ空間の中央に床の上に杖を入れて、モーションキャプチャ空間の原点を設定するには、「ボリュームセットの原点」メニューの「スタート」をクリックします。
  4. モーションキャプチャ空間内でユーザが手を振ったマーカーの移動経路を記録し、マーカが検出され、追跡されているかどうかを確認するために、ダミー試験を使用してモーションキャプチャシステムのカバレッジを確認します。マーカーが頻繁に検出中に失われた場合、ダミーテストが成功するまで、ボリュームのキャリブレーションを繰り返します。
    1. 「ツール」パネルの「キャプチャ」タブをクリックし、その軌跡を記録するために、全体のモーションキャプチャ空間を介して、サンプルマーカーを振って前に「キャプチャ」メニューの「スタート」。
    2. 記録した後、マーカーの位置を再構築し、記録の品質をチェックするために「再構築パイプラインを実行」をクリックしてください。
  5. がMicroBの端子を接続しますバックパックの電源ピンにattery（ステップ3.4でバックパックに取り付けられています）。
  6. ラップトップおよびカスタム飛行制御ソフトウェアを使用して、バックパックとの間の無線通信をテストします。ソフトウェアの「スタート」コマンドをクリックして、表示​​された接続状態を確認してください。

5.無料飛行実験

  1. 16×8×4メートル3を測定する飛行の分野で自由飛行実験を行います。
  2. 入力飛行制御ソフトウェア（電圧、パルス幅、周波数、および刺激期間）に適切なパラメータ。注：デモのために、我々は3ミリ秒に、3 Vにパルス幅を電圧を固定し、刺激の持続時間1秒に、60から100 Hzの周波数を変化させます。
    1. ソフトウェアの画面で、「パルス幅」ボックスで3ミリ秒のための "刺激期間」ボックス、3、および「中ヘルツで所望の周波数で千ミリ秒のための「電圧」ボックス、千の3 Vのためのタイプ3周波数「ボックスOnはコマンドウィンドウ。
  3. それは飛行アリーナ内で自由に飛ぶことができるように空気中にバックパックに取り付けられた甲虫をリリース。甲虫は、モーションキャプチャ空間に入ったときに手動で刺激をトリガします。押して、適切なコマンドボタン（左または右）リモコンの甲虫の左側または右側にターゲットの筋肉を刺激します。
    注：ボタンが押されると、ラップトップ上で実行されている飛行制御ソフトウェアは、コマンドを生成し、バックパックに送信します。バックパックは、その後、（左側または右側に）興味のある筋肉に電気刺激を出力します。
  4. 刺激中にリアルタイムでカブトムシの反応を観察し、3Dグラフのソフトウェアを使用してデータを再構築します。
    1. 「ビートル表示」ウィンドウのデータリストに記録された試験のいずれかを選択し、分析フォルダにその試験のデータをコピーして、3次元グラフモジュールを実行するには、「エクスポートパンダ」をクリックします。
    2. 押して「N」記録された軌道に刺激信号を結合するキーボード。私が強調表示された刺激期間とカブトムシの軌跡を表示するプレス。

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結果

電極の移植手順は、 図2に示されているシン・銀線電極を筋肉（ 図2dの - E）のソフトキューティクルに穴を開け、小さな穴を通してカブトムシの3AX筋に移植しました。このソフトキューティクルはmetepisternum（ - C 図2D）の前方部分を除去した後、ちょうどbasalar筋肉の内突起の上に発見されました。電極はその後、蜜蝋（ 図2F）を用いて固定しました。

図3は、無傷の甲虫を用いて昆虫マシンハイブリッドシステムを構築するための手順を示し、図2および図 （例えば、 図2の関心対象の筋肉に金属細線（刺激電極...

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ディスカッション

それは、実験の信頼性に影響を与えるような注入プロセスは、重要です。電極は、（近くの筋肉との接触を回避する）甲虫のサイズに応じて、3mm以下の深さで筋肉に挿入する必要があります。電極は近くの筋肉をタッチすると、望ましくないモータの行動や行動は、近くの筋肉の収縮により発生する可能性があります。 2つの電極はよくない短絡が発生しないことを確実にするために整列されるべきです。溶融はんだごてを使用して蜜蝋をリフローすると、実験者は注意が必要と筋肉が筋肉の故障につながる、高温と長時間接触することによって燃焼させることができるので、可能な限り迅速にはんだ付けする必要があります。キューティクルを除去すること3AX筋にアクセスするために必要であるが、挿入および封止プロセスは、1分未満をとり、筋肉へのダメージを最小限にするために管理されていました。昆虫は、実験後の飼育室に戻したし、生存可能性3カ月以上（自分の人生の時間の終わり）まで。カブトムシの良好なパフォーマンスを維持するために、カブトムシ、昆虫など、すべての20の連続した​​試験では多くの連続（40〜50）の飛行試験後に疲労になることができると開くことができない場合があります後に供給され、3〜4時間放...

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開示事項

著者らは、利益相反はないことを宣言します。

謝辞

この資料は、南洋助教授職(NAP、M4080740)、科学技術研究庁(A*STAR)公共部門研究資金(PSF、M4070190)、A*STAR-JST(科学技術振興機構)共同助成金(M4070198)、およびシンガポール教育省(MOE2013-T2-2-049)の支援を受けた研究に基づいています。著者らは、研究施設の設立と維持にご協力いただいたRoger Tan Kay Chia氏、Low Kin Huat教授、Poon Kee Chun氏、Chew Hock See氏、Lam Kim Kheong氏、Mao Shixin博士に感謝いたします。著者らは、Michel Maharbiz教授(カリフォルニア大学バークレー校)のアドバイスとディスカッション、クリス・ピスター教授と彼のグループ(カリフォルニア大学バークレー校)がこの研究で使用したGINAの提供を支援してくれたことに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Mecynorrhina torquata beetleKingdom of Beetle Taiwan10 g、8 cm、負荷容量は体重の30%です
シンガポール農業食品獣医局(AVA;HSコード:01069000、商品コード:ALV002)。
ワイヤレスバックパック刺激装置カスタムTI CC2431 micocontroler
このボードは、クリス・ピスター教授のGINAボードをベースにカスタムメイドされています。の研究室。GINAボードのレイアウトは にあります。  Wii
リモコン任天堂カスタムにコマンドを送信するリモコン
カリフォルニア大学バークレー校のMaharbizグループとNTUの佐藤グループスティミュラスパラメータを設定し、位置データをログに記録します。フライト データを視覚化します。
カリフォルニア大学バークレーGINA基地局TI MSP430F2618およびAT86RF231
モーションキャプチャシステムVICONT16012.5 m x 8 m x 4 mのフライトアリーナ用8カメラ
モーションキャプチャシステムVICONT40s12.5 x 8 x 4 mのフライトアリーナ用12台のカメラ
マイクロバッテリーFullriver 201013HS10C 3.7V、10mAh
再帰反射テープReflexiteV92-1549-010150V92反射テープ、銀色
PFA絶縁銀線 AMシステム786000127&マイクロ;Mベア、177.8&マイクロ;mコーティング、先端に露出した3mmの裸の銀色の炎
SMTマイクロヘッダー SAMTECFTSH-110-01-L-DV0.3 mm x 6 mm、曲げて3 mmの長さのスライダーを作成し、電極をPCBヘッダーに固定します。
蜜蝋電極を固定
する 歯科用ワックス頂点カブトムシを固定する
昆虫ピンROBOZRS-6082-30サイズ  00; 0.3 mm ロッド径 0.03 mm 先端幅 38 mm 長さ 
キューティクルピンセットに電極ガイド穴を開け
DUMONTRS-5015パターン #5; .05 mm x .01 mm 先端サイズ; 110 mm 長さ
解剖および移植
ハサミROBOZRS-5620Vannas マイクロ解剖スプリングハサミ;直;3mmカッティングエッジ;0.1mmの先端幅;3インチ全長 
解剖・埋入
飲料水はんだごてDAIYODS241リフロー蜜蝋
ホットプレート コーニングPC-400D溶ける蜜蝋と歯科用ワックス
蛍光灯フィリップスTL5 14Wは、30枚のパネル(60 x 60 cm2)でフライトアリーナ全体を照らします。各パネルには3つのランプがあります。
14 W、549 mm x 17 mm 
https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA BluetoothオペレーターのラップトップBeetleCommander v1.8。バックパックとオペレーターラップトップの無線通信を確立します。校のクリス・ピスター・グループ る

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