이 프로토콜은 곤충-기계 하이브리드 시스템을 구축하고 비행 곤충의 회전 동작을 제어하는 데 필요한 비행 근육에 무선 전기 자극을 수행하는 과정을 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
무선 호환 디지털 전자 기기의 상승은 비행 곤충의 행동을 연구하기위한 작은 무선 신경 근육 레코더 및 자극의 사용을 묻는 메시지가있다. 이 기술은이 프로토콜에서 설명 살아있는 곤충의 플랫폼을 사용하여 곤충 기계 하이브리드 시스템의 개발을 가능하게한다. 더욱이,이 프로토콜은 시스템 구성 및 풀려 곤충의 비행 근육의 기능을 평가하기위한 자유 비행 실험 절차를 나타낸다. 데모를 위해, 우리는 제어 및 비행 딱정벌레의 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전을 달성하기 위해 세 번째 겨드랑이 sclerite (3AX) 근육을 대상으로. 얇은 실버 와이어 전극은 딱정벌레의 각 측면에 3AX 근육에 이식했다. 이들은 무선 배낭의 출력에 연결되어 (즉, 신경 근육 전기 자극)는 딱정벌레의 앞가슴 등판에 장착. 근육은 (왼쪽 또는 오른쪽) 자극 측 교대 또는 stimulatio를 변화시킴으로써 자유 비행 자극했다n 개의 주파수. 근육이 자극 증가 주파수에 대한 등급 화 반응을 나타냈다 때 딱정벌레는 동측 측에 돌렸다. 주입 공정 및 3 차원 모션 캡쳐 카메라 시스템의 볼륨 조정을 각각 근육 손상 및 마커 트랙의 손실을 방지하기 위해주의 깊게 수행되어야한다. 무료로 비행에 대한 관심의 비행 근육의 기능을 공개하는 데 도움이 방법은, 곤충 비행을 연구하는 것이 매우 유리하다.
서론
종종 사이보그 곤충 또는 바이오봇이라고 불리는 곤충-기계 하이브리드 시스템은 살아있는 곤충 플랫폼과 소형 장착 전자 장치의 융합입니다. 원격 사용자가 무선으로 명령하는 전자 장치는 이식된 와이어 전극을 통해 곤충의 신경근 부위를 전기적으로 자극하는 전기 신호를 출력하여 사용자가 원하는 운동 동작과 행동을 유도합니다. 이 연구 분야의 초기 단계에서 연구자들은 표면 실장 구성 요소1-3으로 구성된 간단한 아날로그 회로를 사용하여 곤충의 근육 활동을 무선으로 기록하는 데 제한이 있었습니다. 무선 주파수 기능을 갖춘 시스템 온 칩(System-on-a-Chip) 기술의 개발로 신경근 신호의 무선 기록뿐만 아니라 살아있는 곤충의 신경근 부위에 대한 전기 자극도 가능해졌습니다. 현재 내장된 무선 마이크로 컨트롤러는 살아있는 곤충의 운동4-13에 어떠한 방해도 주지 않고 곤충에 장착할 수 있을 만큼 충분히 작다.
내장 무선 마이크로 컨트롤러의 개발을 통해 연구원들은 관심 곤충의 운동을 제어하기 위해 원하는 운동 동작을 유도하는 전기 자극 프로토콜을 결정할 수 있습니다. 지상에서 연구자들은 바퀴벌레4,12,14, 거미15, 딱정벌레16,17의 신경근 부위를 자극하여 보행....
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프로토콜
1. 연구 동물
- 후면 개별 Mecynorrhina의 torquata 딱정벌레 나무 펠렛 침구 별도의 플라스틱 용기에 (6cm, 8g).
- 각 딱정벌레에게 설탕 젤리 (12 ml)을 3 일마다 한 잔을 공급.
- 각각 25 ° C, 60 %로 사육 실내의 온도와 습도를 유지한다.
- 얇은 와이어 전극을 주입하기 전에 각 딱정벌레의 비행 능력을 테스트합니다.
- 부드럽게 공기에 딱정벌레를 throw합니다. 딱정벌레는 5 연속 시험에 대한 이상 10 초 동안 비행 할 수있는 경우, 딱정벌레 일반 비행 기능을 가지고 결론 및 후속 비행 실험을 위해 그것을 사용한다. 어두워하기 위해 방에있는 모든 조명을 끄고, 딱정벌레를 탈환합니다. 이 비행을 종료 할 딱정벌레가 발생합니다.
참고 : 공기 중으로 방출 할 때 딱정벌레가 자발적으로 멀리 비행을 시작합니다. 예컨대도 1 (16 × 8 × 4m에 도시 한 바와 같이 큰 폐 공간에서 비행 실험을 실시하는 것이 좋다 3 12.5 X 8 × 4m 3), 공중에서 회전 할 때 비행 딱정벌레 이동 매우 빠르게 (약 3-5m / 초)과 큰 호를 그립니다.
- 부드럽게 공기에 딱정벌레를 throw합니다. 딱정벌레는 5 연속 시험에 대한 이상 10 초 동안 비행 할 수있는 경우, 딱정벌레 일반 비행 기능을 가지고 결론 및 후속 비행 실험을 위해 그것을 사용한다. 어두워하기 위해 방에있는 모든 조명을 끄고, 딱정벌레를 탈환합니다. 이 비행을 종료 할 딱정벌레가 발생합니다.
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결과
전극 주입 절차는 그림 2에 제시되어 얇은 실버 와이어 전극 근육 (도 2D - 전자)의 부드러운 표피에 피어싱 작은 구멍을 통해 딱정벌레의 3AX 근육에 이식했다.. 이 부드러운 표피는 metepisternum의 앞쪽 부분을 제거한 후 바로 basalar 근육의 apodema 위에서 발견된다 (도 2 차원을 - 다). 전극은 다음 밀랍 (도 2F)을 사용하여 고정 하였다.
도 3은 본래 딱정벌레를 이용한 곤충 기계 하이브리드 시스템을 구성하기위한 절차를 나타낸다.도 2 3AX 근육 2, 및도
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토론
이 실험의 신뢰도에 영향을 미치는, 상기 주입 공정은 중요하다. 전극은 3mm 비틀 (주변 근육과의 접촉을 회피)의 크기에 따라 이하의 깊이에서 근육에 삽입되어야한다. 전극이 근처의 근육을 터치하면 바람직하지 않은 모터 행동과 행동은 주변 근육의 수축으로 인해 발생할 수 있습니다. 두 개의 전극이 아니라 더 단락이 발생하지 않도록 정렬되어야합니다. 용융 및 납땜을 사용하여 밀랍을 리플 로우 할 때, 실험자 조심하고 근육은 근육의 고장으로 이어지는, 고온에 장기간 접촉에 의해 점화 될 수 있기 때문에, 가능한 한 빨리 납땜한다. 표피를 제거하는 것은 3AX 근육 액세스 할 필요가 있지만, 삽입 및 밀봉 공정은 1 분 미만이 소요 근육의 손상을 최소화하는 데 성공 하였다. 곤충은 실험 후 양육 방에 반환하고 생존 할 수3 개월 이상 (자신의 인생 시간의 끝)까지. 딱정벌레, 딱정벌레가 공급되고 많은 연속 (40 ~ 50) 비행 시험 후 곤충이 피로해질 수있는 매 20 연속 시험 후 4 시간에 3 휴식을 허용 열지 못할 수 있습니다.......
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공개 사항
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
감사의 글
이 자료는 난양 조교수직(NAP, M4080740), 과학기술연구진흥기구(A*STAR) 공공부문연구기금(PSF, M4070190), A*STAR-JST(일본과학기술진흥기구) 공동 보조금(M4070198) 및 싱가포르 문부과학성(MOE2013-T2-2-049)의 지원을 받은 연구를 기반으로 합니다. 저자는 연구 시설의 설립과 유지에 도움을 주신 MAE 대학의 Roger Tan Kay Chia 교수, Low Kin Huat 교수, Poon Kee Chun, Chew Hock See, Lam Kim Kheong 교수, Mao Shixin 박사에게 감사의 뜻을 전합니다. 저자는 Michel Maharbiz 교수(U.C. Berkeley)의 조언과 토론, Kris Pister 교수 및 그의 그룹(U.C. Berkeley)에게 이 연구에 사용된 GINA를 제공하는 데 도움을 준 것에 대해 감사를 표합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Mecynorrhina torquata 딱정벌레 | 딱정벌레 왕국 대만 | 10g, 8cm, 지불 하중 용량은 본체 질량의 30 %입니다 Aproval 수입 및 사용 싱가포르 농식품 수의청 (AVA; HS 코드: 01069000, 제품 코드: ALV002). | |
| 무선 배낭 자극기 | Custom | TI CC2431 micocontroler 보드는 Kris Pister 교수의 GINA 보드를 기반으로 맞춤 제작되었습니다. s 연구실. GINA 보드의 레이아웃은 다음에서 찾을 수 있습니다. https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA | |
| Wii 원격 제어 | 닌텐도 | 블루투스 원격 제어는 운영자 노트북 | |
| BeetleCommander v1.8 | . UC Berkeley의 Maharbiz 그룹과 NTU | 배낭과 운영자 노트북의 무선 통신을 설정합니다. 자극 파라미터를 구성하고 위치 데이터를 기록합니다. 비행 데이터를 시각화합니다. | |
| GINA 기지국 | Kris Pister 그룹 UC Berkeley | TI MSP430F2618 및 AT86RF231 | |
| 모션 캡처 시스템 | VICON | T160 | 12.5 m x 8 m x 4 m의 비행 경기장용 |
| 8 카메라 모션 캡처 시스템 | VICON | T40s | 12 카메라 12.5 x 8 x 4 m |
| 마이크로 배터리 | Fullriver | 201013HS10C | 3.7V, 10mAh |
| 레트로 반사 테이프 | Reflexite | V92-1549-010150 | V92 반사 테이프, 은색 |
| PFA 절연 은색 와이어 | AM 시스템 | 786000 | 127 &마이크로; M 베어, 177.8 &마이크로; m 코팅, 팁에 노출된 3mm 벌거벗은 은색 불꽃 |
| SMT 마이크로 헤더 | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0.3mm x 6mm, 전극을 PCB 헤더에 고정하기 위해 3mm 길이의 슬라이더를 만들어 구부립니다. |
| 밀랍 | 은 전극을 고정합니다. | ||
| 치과 왁스 | 버텍스는 | 딱정벌레를 움직이 | |
| 곤충 핀 | ROBOZ | RS-6082-30 | 크기 00; 0.3 mm 로드 직경; 0.03 mm 팁 너비; 38 mm 길이 큐티클 핀셋에 전극 안내 구멍을 만드십시오 |
| DUMONT | RS-5015 | 패턴 #5; .05 mm x .01 mm 팁 크기; 110 mm 길이 해부 및 이식 | |
| 가위 | ROBOZ | RS-5620 | Vannas Micro 해부 스프링 가위; 곧장; 3mm 절삭 날; 0.1mm 팁 너비; 3" 전체 길이 해부 및 이식 |
| 휴대용 납땜 철 | DAIYO | DS241 | 리플로우 밀랍 |
| 핫플레이트 | CORNING | PC-400D | 밀랍 및 치과용 왁스 녹이기 |
| 형광 램프 | Philips | TL5 14W | 30개의 패널(60 x 60cm2)로 전체 비행 경기장을 밝힙니다. 각 패널에는 3개의 램프가 있습니다. 14 W, 549 mm x 17 mm |
참고문헌
- 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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재인쇄 및 허가
