곤충 - 기계 하이브리드 시스템 : 자유롭게 비행 비틀의 원격 무선 제어 ( Mercynorrhina의 torquata)

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 요소^1-3으로 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 운동^4-13에 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 바퀴벌레^4,12,14, 거미15, 딱정벌레^16,17의 신경근 부위를 자극하여 보행 조절 능력을 입증했습니다. 공중에서는 딱정벌레^7,9 의 시신경엽 (겹눈의 거대한 신경 클러스터)과 꿀벌¹⁸ 의 뇌 하위 영역을 자극하는 것과 같은 다양한 방법을 사용하여 비행의 시작과 중지를 달성 한 반면, 방향 전환은 나방^{11 , 19} 및 딱정벌레^{7 ,9 ,13} 의 복부 더듬이 근육과 신경계를 자극하여 입증되었습니다. 대부분의 경우, 내장된 무선 마이크로 컨트롤러를 맞춤형으로 설계된 인쇄 회로 기판에 통합하여 관심 곤충에 장착된 소형 무선 자극기(배낭)를 생산했습니다. 이를 통해 자유롭게 걷거나 날아다니는 곤충에 무선 전기 자극을 가할 수 있습니다. 이러한 마이크로 컨트롤러 탑재 곤충을 곤충-기계 하이브리드 시스템이라고 합니다.

본 연구에서는 살아있는 딱정벌레를 곤충 플랫폼으로 사용하는 곤충-기계 하이브리드 시스템을 구축하기 위한 실험 프로토콜을 설명하고 로봇을 작동하고 비행 제어 시스템을 테스트하는 방법을 지시합니다. 세 번째 겨드랑이 경피근(3Ax) 근육은 전기 자극 및 좌측 또는 우측 회전 제어¹³의 시연을 위한 관심 근육으로 선택되었습니다. 한 쌍의 얇은 은선 전극이 왼쪽과 오른쪽 3Ax 근육 모두에 이식되었습니다. 더욱이, 살아있는 딱정벌레에는 배낭이 장착되어 있었습니다. 와이어 전극의 다른 쪽 끝은 마이크로 컨트롤러의 출력 핀에 연결되었습니다. 배낭은 딱정벌레가 비행 중에 가지고 다닐 수 있을 만큼 작았습니다. 따라서 이를 통해 실험자는 자유 비행 중인 곤충의 관심 근육을 원격으로 자극하고 자극에 대한 반응을 조사할 수 있습니다.

1. 연구 동물

1. 후면 개별 Mecynorrhina의 torquata 딱정벌레 나무 펠렛 침구 별도의 플라스틱 용기에 (6cm, 8g).
2. 각 딱정벌레에게 설탕 젤리 (12 ml)을 3 일마다 한 잔을 공급.
3. 각각 25 ° C, 60 %로 사육 실내의 온도와 습도를 유지한다.
4. 얇은 와이어 전극을 주입하기 전에 각 딱정벌레의 비행 능력을 테스트합니다.
   1. 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), 공중에서 회전 할 때 비행 딱정벌레 이동 매우 빠르게 (약 3-5m / 초)과 큰 호를 그립니다.

2. 전극 주입

1. 1 분 ^{13,16,20-24에} 대한 CO _2로 채워진 플라스틱 용기에 배치하여 벌레를 마취.
2. 10 초 동안 온수에 침지하여 치과 용 왁스를 발라. 나무 블록에 마취 딱정벌레를 놓고 연화 치과 왁스로 고정시킨다. 치과 왁스는 자연적으로 냉각하고 몇 분 이내에 굳은.
3. 25mm의 길이로 잘라 절연은 전선 (127 μm의 맨 직경, 퍼플 루오로 코팅 된 178 μm의 직경) 주입을위한 얇은 와이어 전극을 사용할 수 있습니다.
4. 각 와이어의 양 단부에 상기 절연체를 화염에 의해 베어 실버 3mm 노출.
5. SMA를 만들 뾰족한 가위를 이용하여 딱정벌레의 큐티클의 표면을 해부하다metepisternum (그림 2C)에 약 4 × 4mm의 LL 창. 참고 :도 2c에 도시 된 바와 같이 부드러운 갈색 색상의 표피가 다음 노출 - 전자. 3AX 근육은 부드러운 표피 아래에 있습니다.
6. 피어스 개의 구멍 (도 2D) 사이에 2mm의 거리 곤충 핀 (크기 00)를 사용하여 노출 된 갈색 표피 두 구멍.
7. 주의 깊게 관통 구멍 (단계 2.4에서 제조 한 액티브 한 귀환 전극을 포함)이 와이어 전극을 넣고, 3 mm의 깊이로 각 3AX 근육로 이식.
8. 이식 된 전극을 고정하고 구멍에 녹은 밀랍을 놓아 연락처 및 단락을 방지하기 위해 장소에 개최합니다. 필요한 경우, 뜨거운 납땜 인두의 끝과 밀랍을 터치하여 표피를 통해 밀랍을 리플 로우. 밀랍 빠르게 굳은 및 주입을 강화.
   참고 : 주입이 올 경우 무의 딱지 날개를 확인하려면제작 전기 자극 중 3AX 근육의 움직임을 관찰하기 위해 해제 될 수있다.

3. 무선 배낭 조립

주 : 배낭 내장 무선 마이크로 4 층 FR-4 기판 상에 (1.6 X 1.6 cm ^2)로 구성되었다. 배낭은 리튬 폴리머 microbattery (3.7 V, 350 ㎎, 10 MAH)에 의해 구동되었다. 전지를 포함하는 배낭의 총 질량은 비틀 (10 g 체중의 30 %)의 페이로드 용량 미만 1.2 ± 0.26 g이었다. 배낭은 무선 통신을 수신하기 위해 미리 프로그램과 2 개의 출력 채널이었다.

1. 앞가슴 등판의 표면을 청소 양면 테이프를 사용하여 (표피의 왁스 층을 제거). 그런 다음, 양면 테이프의 조각을 가진 딱정벌레의 앞가슴 등판의 배낭을 연결합니다.
2. 배낭의 출력에 이식 된 전극의 끝을 연결합니다.
3. fo를 마커를 생성하기 위해 microbattery 주위에 역 반사 테이프를 감싸R 모션 캡쳐 카메라를 검출한다.
4. 되 반사 테이프가 모션 캡쳐 카메라에 의해 검출 할 수 있으므로, 양면 테이프의 조각을 사용하여 가방의 상부에 microbattery 첨부.

4. 무선 제어 시스템

주의 : 이러한 경우에, 용어 무선 제어 장치는 원격 제어기를위한 수신기를 포함하는, 커스텀 비행 제어 소프트웨어를 실행하기위한 노트북 컴퓨터, 기지국, 배낭 및 모션 캡쳐 시스템.

1. USB 포트를 통해 랩탑 컴퓨터의 리모트 컨트롤러의 기지국 수신기에 연결한다.
2. 모션 캡쳐 시스템에서 스위치 및 이더넷 포트를 통해 노트북 컴퓨터에 연결합니다.
3. 완전 모션 캡쳐 공간을 커버 (모션 캡쳐 시스템의 공급 회사가 제공하는) 보정 지팡이를 흔들며 부피 보정을 수행한다.
   1. 노트북의 바탕 화면에서 모션 캡쳐 소프트웨어를 엽니 다. 클릭 한 박사AG는 "자원"패널의 "시스템"메뉴에서 모든 카메라를 선택합니다.
   2. 은 "3D 관점"메뉴를 클릭하고 카메라보기로 변경 "카메라"를 선택합니다. 교정 설정을 표시하는 "도구"패널에서 "카메라"탭을 클릭합니다. 카메라에서 잡음을 제거하기 위해 "카메라 마스크 만들기"메뉴에서 "시작"버튼을 클릭 잡음이 파란색 마스크 후 다음 "정지".
   3. 클릭하고 "지팡이"메뉴와 "카메라"탭에서 "L-프레임"메뉴에서 "5 마커 지팡이 & L-프레임"을 선택합니다. 2500에 "지팡이 카운트를"설정은 "교정 카메라"메뉴의 "시작"을 클릭하고 전체 모션 캡처 공간을 통해 교정 지팡이를 흔들어. 막대 수가 2,500에 도달하면 교정 프로세스가 중지됩니다.
   4. ( "도구"패널의 "카메라"탭의 하단에있는) 이미지 오류가보다 높은 0.3 F 인 경우 교정 과정을 반복또는 카메라. 교정 후, 모션 캡처 공간의 중앙에 바닥에 지팡이를 넣어 모션 캡쳐 공간의 원점을 설정하려면 "설정 볼륨 기원"메뉴의 "시작"을 클릭합니다.
4. 모션 캡쳐 공간에서 사용자에 의해 흔들어 마커의 이동 경로를 기록하고 마커가 검출 및 추적 여부를 확인하기 위해 테스트 더미를 이용하여 모션 캡쳐 시스템의 범위를 확인한다. 마커가 자주 검색하는 동안 손실 된 경우 더미 테스트가 성공할 때까지, 볼륨 교정을 반복합니다.
   1. "도구"패널에서 "캡처"탭을 클릭 한 다음 그 궤적을 기록 전체 모션 캡처 공간을 통해 샘플 마커를 흔들며하기 전에 "캡처"메뉴의 "시작".
   2. 기록 후, 클릭 마커의 위치를​​ 재구성하고 기록의 품질을 확인하기 "를 재구성 파이프 라인을 실행합니다."
5. microb의 단자에 연결attery 배낭의 전원 핀 (단계 3.4에서 배낭에 부착).
6. 랩톱과 맞춤 비행 제어 소프트웨어를 사용하여 배낭 사이의 무선 통신을 테스트한다. 소프트웨어의 "시작"명령을 클릭하고 표시된 연결 상태를 확인합니다.

5. 무료 비행 실험

1. 16 × 8 × 4m ^(3)을 측정하는 비행 분야에서 자유 비행 실험을 실시하고 있습니다.
2. 입력 비행 제어 소프트웨어 (전압, 펄스 폭, 주파수 및 자극 지속 시간)에 해당하는 파라미터. 참고 : 데모, 우리는 3 밀리로 3 V까지 펄스 폭의 전압을 고정하고, 자극 지속 시간이 1 초에 60 내지 100 Hz로 주파수를 변경.
   1. 은 "전압"상자에 3 V에 대한 소프트웨어 화면, 유형 3은 "자극 기간"상자에 1,000 밀리의 "펄스 폭"상자에 3 밀리 3 1,000, 및에서 Hz 단위 원하는 주파수에서 " 주파수 "박스 오n은 명령 창을여십시오.
3. 이 비행 경기장 내에서 자유롭게 비행 할 수 있도록 공중으로 배낭에 장착 된 딱정벌레를 놓습니다. 딱정벌레는 모션 캡쳐 공간에 진입 할 때 수동 자극을 발생시킨다. 를 눌러 원격에서 해당 명령 단추 (왼쪽 또는 오른쪽)는 딱정벌레의 왼쪽이나 오른쪽에있는 대상 근육을 자극합니다.
   주의 :이 버튼이 눌러지면, 랩톱에서 실행되는 비행 제어 소프트웨어 명령을 생성하고, 배낭으로 보낸다. 배낭은 (왼쪽 또는 오른쪽) 관심의 근육에 전기 자극을 출력한다.
4. 자극하는 동안 실시간으로 딱정벌레의 반응을 관찰하고 3D 그래프 소프트웨어를 사용하여 데이터를 재구성.
   1. 은 "비틀 디스플레이"윈도우의 데이터 목록에 기록 된 시험 중 하나를 선택하고 분석 폴더에 그 재판의 데이터를 복사하고 3 차원 그래프 모듈을 실행하는 "수출 팬더"를 클릭합니다.
   2. 눌러 "N"키보드 기록 궤도에 자극 신호를 결합한다. I를 눌러 강조 표시된 자극 기간이 딱정벌레의 궤도를 표시합니다.

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 (예를 들어, 관심의 근육에 금속 세선 (자극 전극)을 주입하는 방법을 보여주는도 3b ) 본 연구에서 사용하고,딱정벌레의 앞가슴 등판에 배낭을 장착. 와이어의 자유 단을 전기적 배낭 (도 3c)에 통합 된 마이크로 컴퓨터의 입력 / 출력 핀에 접속 된 배낭 점퍼 커넥터의 구멍에 삽입 하였다. 마지막으로, microbattery가 장착하고 microbattery의 전력 케이블은 마이크로 컨트롤러의 지상과 양의 전원 단자에 이르는 점퍼 커넥터의 구멍에 연결되었다.

무선 제어 시스템은 사용자가 리모트 컨트롤러 (도 4c)의 커맨드 버튼, 랩탑 컴퓨터 (도 4D)의 비행 제어 소프트웨어를 누르면도 4.에 도시 생성하여 무선 기지국을 통해 배낭에 명령을 전송한다 역 (도 4b). 모션 캡쳐 시스템 (도 4E)은 무의 위치 (X, Y, 및 Z)를 검출제작 및 타임 스탬프로 표시합니다. 이 데이터는 랩톱 컴퓨터에 공급 및 비행 제어 소프트웨어는 상기 자극 신호들과 데이터를 동기화한다.

대표 회전 제어 결과를 그림 5에 표시됩니다. 3AX 근육의 활성화 따라서 자유 비행의 동측 회전을 수행하는 딱정벌레의 결과로, 동측 측 (13)의 날개 비트 진폭의 감소의 원인이 밝혀졌다. 좌우 3AX 근육이 13 자극 될 때 비틀 동측에 온으로 3AX 근육의 전기 자극은 동일한 효과를 보였다. 딱정벌레의 회전 속도가 자극의 주파수의 함수로 등급 화 하였다.

그림 1 :. 무료 비행 경기장 배치는 자유 비행 경기장은으로 배열되었다두 부분 : 제어 공간 (X 4m 3 3.5 × 8)을하면서 모션 캡쳐 공간 (즉, 주입 키트 (현미경 절개 도구) 및 제어 부스 (컴퓨터, 무선 기지국, 카메라 컨트롤러)의 설정에 사용 된 12.5 × 8 × 4, M3)가 비틀의 위치 (X, Y, 및 Z)를 기록하기 위해 20 근적외선 카메라로 덮었다. 비행 경기장 (30) 조명 ​​패널 (60 X 60cm 2, 48 W) 실험 중 낮의 상태가 밝은 만들기를 장착 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2 :. 전극 주입 절차는 비틀 마취 주입 절차 나무 블록에 치과 왁스로 고정되었다. (A - <강한> C) 작은 창은 3AX 근육에 액세스 할 수 딱정벌레의 metepisternum에 문을 열었습니다. 곤충 핀을 사용하여 (d)가 2 mm의 거리를 갖는 두 개의 구멍은 3AX 근육 곰 표피 내부에 관통시켰다. (e)에 전극이 구멍을 통해 근육에 삽입 핀셋과 장소에 보관하고 더 크로스 토크가 팁 사이에 발생하지 않았 음을 확인합니다. . (F - g) 전극은 다음 밀랍을 사용하여 딱정벌레에 고정 된 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 :. 손상되지 딱정벌레를 이용하여 곤충 - 기계 하이브리드 시스템을 생산하는 절차 (a)는 생활 딱정벌레에 관심의 근육이 이식 된 지혜실버 와이어 전극의 하 쌍입니다. (b) 밀랍로 전극을 고정 후, 양면 테이프를 이용하여 딱정벌레의 앞가슴 등판의 배낭을 탑재. (c) 상기 전극의 자유 단부가 배낭의 출력에 삽입 마이크로 핀 헤더로 고정 하였다. 역 반사 테이프로 덮여 있었다 (d) 상기 microbattery는, 양면 테이프와 배낭의 전원 핀에 연결되어 있습니다. 사용하여 배낭에 장착 된 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

도 4 :. 자유 비행 실험 무선 시스템은 무선 시스템은 (a) 싸이 딱정벌레, (b) 무선 기지국 (c 이루어져 (d) 블루투스 수신기 동작 랩탑에 연결하고, (e) 상기 3 차원 모션 캡쳐 시스템. 사용자가 리모컨 커맨드 버튼을 누를 때, 노트북의 사용자 비행 제어 소프트웨어는 USB 포트를 통해 랩탑에 연결되어있는 기지국을 통하여 싸이 비틀 무선으로 자극 명령을 송신한다. 배낭 명령을 수신하면, 그것은 근육을 자극하는 전기 자극 신호를 생성한다. 동시에, 모션 캡쳐 시스템은 3D가 딱정벌레의 좌표와 자극 데이터와 동기화를 위해 노트북을 공급 기록한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5 : beetl의 동작E (a)를 비틀 좌우 3AX 근육 자극 때 동측쪽으로 돌렸다. 자유 비행 중에 3AX 근육의 전기 자극에 의해, 상기 회전 운동 자극 주파수의 함수로 채점 하였다. (b)는 왼쪽 또는 오른쪽 3AX 근육이 순서로 자극 된 비행 딱정벌레의 지그재그 경로입니다. 자극 파라미터는 3 V의 진폭했다, 3 밀리의 펄스 폭, 60 ~ 100 Hz의 주파수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

. 그림 6 (a)는 세 개의 마커를 이용하여 딱정벌레 구성의 3D 방향 (롤, 피치 및 요)을 추적하기위한 제안 마커 세트, (b)에 사마커, 및 (c) 오 마커. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.