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。
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この記事について
サマリー
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....
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プロトコル
1.研究動物
- 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）。
- 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。
- それぞれ、25℃、60％で飼育室の温度と湿度を保ちます。
- 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。
- 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）、。
- 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。
2.電極注入
- 1分13,16,20-24....
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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
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Mecynorrhina torquata beetle | Kingdom of Beetle Taiwan | 10 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 | VICON | T160 | 12.5 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 | VICON | T40s | 12.5 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 | Reflexite | V92-1549-010150 | V92反射テープ、銀色 |
| PFA絶縁銀線 | AMシステム | 786000 | 127&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 | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0.3 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 | ROBOZ | RS-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 |
| DUMONT | RS-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 | ROBOZ | RS-5620 | Vannas 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 | DAIYO | DS241 | 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 |
参考文献
- Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. Wireless Transmission of Muscle Potentials During Free Flight of a Locust. J. Exp. Biol. 185 (1), 367-373 (1993).
- Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. A Ra....
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再版と許可
