Dit protocol beschrijft het proces van het construeren van een insect-machine hybride systeem en het uitvoeren van draadloze elektrische stimulatie van de vliegspieren die nodig zijn om de draaibeweging van een vliegende insect te besturen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit protocol beschrijft het proces van het construeren van een insect-machine hybride systeem en het uitvoeren van draadloze elektrische stimulatie van de vliegspieren die nodig zijn om de draaibeweging van een vliegende insect te besturen.
De opkomst van radio-compatibele digitale elektronische apparaten is het gebruik van kleine draadloze neuromusculaire recorders en stimulatoren gevraagd voor het bestuderen van in-flight insect gedrag. Deze technologie maakt de ontwikkeling van een insect-machine hybride systeem met een levende insecten platform beschreven in dit protocol. Bovendien is dit protocol geeft de systeemconfiguratie en vrije vlucht experimentele procedures voor evaluatie van de functie van de vliegspieren per ongebonden insect. Voor de demonstratie, gericht we de derde oksel skleriet (3AX) spier te beheersen en het bereiken van links of rechts draaien van een vliegende kever. Een dunne zilverdraad elektrode geïmplanteerd op de 3AX spier aan weerskanten van de kever. Deze zijn verbonden met de uitgangen van een draadloze rugzak (dwz een neuromusculaire elektrische stimulator) aangebracht op de pronotum van de kever. De spier werd gestimuleerd vrije vlucht door afwisselend de stimulatie zijde (links of rechts) of het variëren van de stimulation frequentie. De kever wendde zich tot de ipsilaterale kant wanneer de spier werd gestimuleerd en vertoonden een graded reactie op een toenemende frequentie. De implantatie proces en het volume kalibratie van de 3-dimensionale motion capture camera systeem moet met zorg worden uitgevoerd om te voorkomen dat schade aan de spieren en het verliezen van spoor van de markering, respectievelijk. Deze methode is zeer gunstig voor insectenvlucht bestuderen, aangezien het helpt om de functies van de vlucht spier van belang onthullen vrije vlucht.
Een hybride systeem van insect en machine, vaak aangeduid als een cyborginsect of biobot, is de fusie van een levend insectplatform met een gemonteerde miniatuur elektronische apparaat. Het elektronische apparaat, dat draadloos wordt aangestuurd door een externe gebruiker, geeft een elektrisch signaal af om neuromusculaire sites in het insect elektrisch te stimuleren via geïmplanteerde draadelektroden om door de gebruiker gewenste motorische acties en gedragingen te induceren. In de vroege stadia van dit onderzoeksgebied waren onderzoekers beperkt tot het uitvoeren van draadloze registratie van de spieractiviteit van een insect, met behulp van eenvoudige analoge circuits bestaande uit oppervlaktegemonteerde componenten1-3. De ontwikkeling van system-on-a-chip technologie met radiofrequentiefunctionaliteit maakte niet alleen de draadloze registratie van neuromusculaire signalen mogelijk, maar ook de elektrische stimulatie van de neuromusculaire sites in levende insecten. Op dit moment is een ingebouwde radiomicrocontroller klein genoeg om op levende insecten te worden gemonteerd zonder enige obstructie van hun voortbeweging4-13.
De ontwikkeling van de ingebouwde radiomicrocontroller stelt onderzoekers in staat om elektrische stimulatieprotocollen te bepalen om gewenste motorische acties te induceren om de voortbeweging van het insect van belang te controleren. Op de grond hebben onderzoekers het lopen van kakkerlakken4,12,14, spinnen15 en kevers16,17 gedemonstreerd door de neuromusculaire sites te stimuleren. In de lucht werden de initiatie en stopzetting van vlucht bereikt met behulp van verschillende methoden, zoals de stimulatie van de optische lobben (de massieve neurale cluster van een samengesteld oog) bij kevers7,9 en hersensubregio's bij bijen18, terwijl de draaisturing werd gedemonstreerd door de antenne spieren en het zenuwstelsel van de buik te stimuleren bij motten11,19 en de vliegspieren van kevers7,9,13. In de meeste gevallen werd een ingebouwde radiomicrocontroller geïntegreerd op een op maat ontworpen printplaat om een miniatuur draadloze stimulator (rugzak) te produceren, die op het insect van belang werd gemonteerd. Dit maakt het mogelijk om draadloze elektrische stimulatie toe te passen op een vrij lopend of vliegend insect. Een dergelijk insect met een gemonteerde microcontroller wordt aangeduid als een insect-machine hybride systeem.
Deze studie beschrijft de experimentele protocollen voor het bouwen van een insect-machine hybride systeem, waarbij een levende kever wordt gebruikt als het insectplatform, en geeft instructies over hoe de robot te bedienen en zijn vluchtcontrolesystemen te testen. De derde axillaire scleriet (3Ax) spier werd gekozen als de spier van belang voor elektrische stimulatie en demonstratie van links- of rechtsdraairegeling13. Een paar dunne zilveren draadelektroden werd geïmplanteerd in zowel de linker- als rechter 3Ax spieren. Bovendien werd een rugzak op de levende kever gemonteerd. De andere uiteinden van de draadelektrode werden aangesloten op de uitgangspen van de microcontroller. De rugzak was klein genoeg voor de kever om tijdens de vlucht te dragen. Dit stelt een experimentator in staat om op afstand de spier van belang van een insect in vrije vlucht te stimuleren en zijn reacties op de stimulaties te onderzoeken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Studie Animal
2. Electrode Implantatie
3. Draadloze Backpack Assembly
Noot: De rugzak bestond uit een ingebouwde radio microcontroller op een gelaagde 4 FR-4 board (1,6 x 1,6 cm 2). De rugzak werd aangedreven door een lithium-polymeer microbatterij (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). De totale massa van de rugzak met de batterij was 1,2 ± 0,26 g die kleiner is dan het laadvermogen van de kever (30% van 10 g lichaamsgewicht). De rugzak werd voorgeprogrammeerd om draadloze communicatie te ontvangen en had twee uitgangskanalen.
4. Wireless Control System
Opmerking: In dit geval is de term draadloze besturing is voorzien van een ontvanger voor de afstandsbediening, een laptop computer aan de aangepaste flight control software te draaien, een basisstation, de rugzak en de motion capture systeem.
5. Vrije Vlucht Experiment
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De elektrode implantatieprocedure is weergegeven in figuur 2 dunne zilverdraad elektroden werden geïmplanteerd in de 3AX spier van de kever door kleine gaten gemaakt op de zachte opperhuid op de spier (figuren 2d - e).. Deze zachte opperhuid is zojuist boven de apodema van de basalar spieren na het verwijderen van het voorste deel van de metepisternum (figuren 2d - c). De elektroden werden vervolgens vas...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het implantatieproces is belangrijk omdat het de betrouwbaarheid van het experiment beïnvloedt. De elektroden moeten in de spier worden geplaatst op een diepte van 3 mm of minder, afhankelijk van de grootte van de kever (vermijden van contact met nabijgelegen spieren). Als de elektroden raken de spieren in de buurt, kunnen ongewenste motorische handelingen en gedragingen voordoen als gevolg van de inkrimping van de nabijgelegen spieren. De twee elektroden moeten goed worden afgestemd dat er geen kortsluiting optreedt. B...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat er geen belangenconflicten zijn.
Dit materiaal is gebaseerd op de werken die worden ondersteund door 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) gezamenlijke subsidie (M4070198) en Singapore Ministry of Education (MOE2013-T2-2-049). De auteurs willen de heer Roger Tan Kay Chia, Prof. Low Kin Huat, de heer Poon Kee Chun, de heer Chew Hock See, de heer Lam Kim Kheong en Dr. Mao Shixin van de School of MAE bedanken voor hun ondersteuning bij het opzetten en onderhouden van de onderzoeksfaciliteiten. De auteurs danken Prof. Michel Maharbiz (U.C. Berkeley) voor zijn advies en discussie, Prof. Kris Pister en zijn groep (U.C. Berkeley) voor hun ondersteuning bij het verstrekken van de GINA die in dit onderzoek is gebruikt.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Mecynorrhina torquata kever | Koninkrijk van Kever Taiwan | 10 g, 8 cm, laadvermogen is 30% van de lichaamsmassa Goedkeuring van import en gebruik door Agri-Food and Veterinary Authority of Singapore (AVA; HS-code: 01069000, productcode: ALV002). | |
| Draadloze rugzakstimulator | Op maat | TI CC2431 microcontroller Het bord is op maat gemaakt op basis van de GINA-bord van Prof. Kris Pister’s lab. De lay-out van het GINA-bord is te vinden op https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA | |
| Wii-afstandsbediening | Nintendo | Bluetooth-afstandsbediening om de opdracht naar de laptop van de operator te sturen | |
| BeetleCommander v1.8 | Op maat. Maharbiz-groep bij UC Berkeley en Sato-groep bij NTU | De draadloze communicatie van de rugzak en de laptop van de operator tot stand brengen. De stimulatieparameters configureren en de positionele gegevens loggen. De vluchtgegevens visualiseren. | |
| GINA-basisstation | Kris Pister-groep bij UC Berkeley | TI MSP430F2618 en AT86RF231 | |
| Bewegingsregistratiesysteem | VICON | T160 | 8 camera's voor een vliegarena van 12,5 m x 8 m x 4 m |
| Bewegingsregistratiesysteem | VICON | T40s | 12 camera's voor een vliegarena van 12,5 x 8 x 4 m |
| Microbatterij | Fullriver | 201013HS10C | 3,7V, 10 mAh |
| Retro reflecterend tape | Reflexite | V92-1549-010150 | V92 reflecterend tape, zilveren kleur |
| PFA-geïsoleerde zilverdraad | A-M systemen | 786000 | 127 µm ongecoat, 177,8 µm gecoat, 3 mm ongecoat zilvervlammetje blootgesteld aan de punten |
| SMT Micro Header | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0,3 mm x 6 mm, gebogen om een 3 mm lange schuifregelaar te maken om de elektrode in de PCB-header te bevestigen. |
| Bijenwas | De elektroden bevestigen | ||
| Tandartswas | Vertex | De kever immobiliseren | |
| Insectpin | ROBOZ | RS-6082-30 | Grootte 00; 0,3 mm Staafdiameter; 0,03 mm tipbreedte; 38 mm Lengte Maak elektrodegeleidelijk gaatjes op de cuticula |
| Pincet | DUMONT | RS-5015 | Patroon #5;.05 mm x.01 mm Tipgrootte; 110 mm Lengte Dissected en implantatie |
| Schaar | ROBOZ | RS-5620 | Vannas Micro Dissected Spring Scissors; Recht; 3mm Snijsnijder; 0,1 mm Tipbreedte; 3" Totale lengte Dissected en implantatie |
| Draagbaar soldeerbout | DAIYO | DS241 | Reflow bijenwas |
| Hotplate | CORNING | PC-400D | Bijenwas en tandwas smelten |
| Fluorescentielamp | Philips | TL5 14W | Verlicht de hele vliegarena met 30 panelen (60 x 60 cm2). Elk paneel heeft 3 lampen. 14 W, 549 mm x 17 mm |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.