Hybrydowy system owado-maszynowy: zdalne sterowanie radiowe swobodnie latającym chrząszczem (Mercynorrhina torquata)

Ten film opisuje proces konstruowania hybrydowego systemu owado-maszynowego do bezprzewodowej stymulacji elektrycznej mięśni lotu u swobodnie latającego owada. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytanie w dziedzinie badań nad owadami, takie jak funkcja mięśnia lotu owadów w locie. Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy zbadać wpływ aktywacji specjalnego mięśnia lotu na lot trzech różnych owadów za pomocą maleńkiego zdalnego stymulatora.

Dzięki tej metodzie uzyskaliśmy pewien wgląd w funkcję mięśni muchowych u chrząszczy. Może być również stosowany do innych owadów lub innych grup mięśni, takich jak noga lub antena. Na początek przetestuj zdolność chrząszczy do lotu, aby zidentyfikować te, które nadają się do eksperymentów.

Wybierz chrząszcza i delikatnie wyrzuć go w powietrze w dużym zamkniętym pomieszczeniu. Aby ponownie schwytać chrząszcza, po prostu zaciemnij pomieszczenie, co spowoduje, że przestanie latać. Jeśli chrząszcz leci dłużej niż 10 sekund w pięciu kolejnych próbach, może być wykorzystany w eksperymencie.

Najpierw znieczul chrząszcza za pomocą komory na dwutlenek węgla. Zostaw go tam na chwilę. Następnie zmiękcz trochę wosku dentystycznego w gorącej wodzie przez 10 sekund.

Następnie umieść znieczulonego chrząszcza na drewnianym klocku i unieruchamij go woskiem. Następnie pokrój izolowany srebrny drut na 25-milimetrowe odcinki, aby działały jako elektrody. Na obu końcach odsłoń trzy milimetry gołego srebrnego drutu za pomocą płomienia.

Teraz rozetnij górną powierzchnię naskórka chrząszcza nożyczkami z cienką końcówką, aby utworzyć małe okienko o wymiarach cztery na cztery milimetry w metepisternum, odsłaniając miękki brązowy naskórek pod spodem. Tuż pod naskórkiem znajduje się mięsień 3AX. Następnie za pomocą szpilki do owadów z podwójnym zerem przebij dwa otwory w brązowym naskórku w odległości dwóch milimetrów od siebie.

Następnie wprowadź drut elektrodowy przez każdy otwór i do każdego mięśnia 3AX. Wbij każdy drut trzy milimetry w tkankę. Każdy błąd w tym procesie może prowadzić do długiej reakcji lub deficytu mięśniowego, dlatego dokładnie zidentyfikuj interesujący Cię mięsień i precyzyjnie wszczepij elektrodę.

Teraz zabezpiecz elektrody woskiem pszczelim, aby uniknąć styków i zwarć. W razie potrzeby ponownie rozlej wosk pszczeli na naskórek, topiąc go ponownie za pomocą lutownicy. Teraz, aby sprawdzić, czy implantacja jest prawidłowa, podnieś electrę chrząszcza, aby obserwować ruch mięśnia 3AX, jednocześnie stymulując go elektrodą.

Szczegóły dotyczące urządzenia plecakowego znajdują się w protokole tekstowym. Aby go przymocować, najpierw oczyść warstwę wosku z powierzchni przedplecza za pomocą taśmy dwustronnej. Następnie przymocuj plecak za pomocą taśmy dwustronnej.

Następnie podłącz końce wszczepionych elektrod do wyjść plecaka. Następnie owiń taśmę odblaskową wokół mikrobaterii i przymocuj ją do górnej części plecaka za pomocą większej ilości taśmy dwustronnej. Upewnij się, że terminale są dostępne.

Ta owinięta taśmą bateria będzie działać jako znacznik dla kamer do przechwytywania ruchu. Bezprzewodowy system sterowania obejmuje odbiornik pilota zdalnego sterowania, laptop do uruchamiania niestandardowego oprogramowania do sterowania lotem, stację bazową, plecak i system przechwytywania ruchu. Najpierw podłącz stację bazową i odbiornik pilota zdalnego sterowania do laptopa za pomocą połączeń USB.

Następnie włącz system motion capture i podłącz go do laptopa przez port Ethernet. Teraz w oprogramowaniu wykonaj kalibrację objętości za pomocą różdżki kalibracyjnej dostarczonej przez producenta. W oprogramowaniu kliknij i przeciągnij, aby wybrać wszystkie kamery w menu systemowym panelu zasobów.

Następnie kliknij menu Perspektywa 3D i wybierz Kamera, aby zmienić widok na kamerę. Następnie kliknij kartę Kamera w panelu Narzędzia, aby wyświetlić konfigurację kalibracji, a następnie wybierz Start z menu Utwórz maski kamery, aby wyeliminować szumy z kamer. Gdy hałas zostanie zamaskowany, pokazany na niebiesko, zatrzymaj proces.

Teraz z menu Różdżka wybierz 5 Marker Wand L-Frame. Następnie przejdź do menu L-Frame na karcie Aparat i zrób to samo. Następnie ustaw liczbę różdżek na 2500.

Następnie kliknij przycisk Start w menu Kalibruj kamery i pomachaj różdżką kalibracyjną przez całą przestrzeń przechwytywania ruchu. Proces kalibracji zatrzymuje się, gdy liczba różdżek osiągnie 2500. Po kalibracji połóż różdżkę na podłodze na środku przestrzeni motion capture.

Następnie kliknij przycisk Start w menu Ustaw początek głośności, aby ustawić początek przestrzeni przechwytywania ruchu. Następnie rozpocznij test, klikając kartę Przechwytywanie w panelu Narzędzia, a następnie klikając polecenie Start w menu Przechwyć. Teraz sprawdź, czy system działa, rejestrując ścieżkę ruchu znacznika, gdy jest on machany przez użytkownika.

Aby sprawdzić jakość nagrania, kliknij Uruchamia potok rekonstrukcji, aby zrekonstruować pozycje znacznika i sprawdzić jakość nagrania. Jeśli znacznik zostanie utracony na odległość przekraczającą 200 milimetrów, należy ponownie skalibrować system. Teraz sprawdź, czy system na chrząszczu działa.

Podłącz zaciski mikrobaterii do pinów zasilania plecaka. Następnie kliknij polecenie Start w oprogramowaniu i sprawdź wyświetlany stan połączenia. Jeśli się rejestruje, można teraz przeprowadzić eksperyment swobodnego lotu.

Przeprowadź eksperyment swobodnego lotu na arenie lotniczej. W tym przykładzie arena ma wymiary 16 na osiem na cztery metry sześcienne, przy czym część areny znajduje się poza obszarem śledzenia ruchu. W oprogramowaniu lotu wprowadź odpowiednie parametry, w tym napięcie, szerokość impulsu, częstotliwość i czas trwania stymulacji.

Teraz wypuść chrząszcza zamontowanego na plecaku na arenę lotu i poczekaj, aż chrząszcz wejdzie w przestrzeń przechwytywania ruchu, aby ręcznie uruchomić stymulację. Naciśnij odpowiedni przycisk poleceń na pilocie, aby stymulować mięsień docelowy po lewej lub prawej stronie chrząszcza i obserwuj reakcję chrząszcza. Później zrekonstruuj dane za pomocą oprogramowania do tworzenia wykresów 3D.

Wybierz jedną z prób zarejestrowanych na liście danych w oknie wyświetlania chrząszczy i kliknij przycisk Eksportuj Pandę, aby skopiować dane tej próby do folderu Analysis. W oprogramowaniu do tworzenia wykresów naciśnij N na klawiaturze, aby połączyć sygnał bodźca z zarejestrowaną trajektorią. Naciśnij I, aby pokazać trajektorię chrząszcza z podświetlonymi okresami stymulacji.

Stwierdzono, że aktywacja mięśnia 3AX powoduje zmniejszenie amplitudy uderzeń skrzydła po stronie ipsilateralnej, co powoduje, że chrząszcz wykonuje ipsilateralny skręt w locie swobodnym. Szybkość obracania się chrząszcza została następnie oceniona w funkcji częstotliwości stymulacji. Zauważ, że częstotliwość stymulacji mięśnia prawej strony jest zgrabnie skoordynowana ze stopniem skrętu w prawą stronę.

Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w 20 minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby pamiętać o prawidłowej identyfikacji mięśnia i prawidłowym ustawieniu implantu, aby uniknąć izolowania domu. Po tej procedurze mięsień automatycznego lotu leży mięsień czubaty lub mięsień podstawny, może być stymulowany do wytworzenia różnych zachowań owada.

Po opracowaniu, technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się badaniami związanymi z owadami do zbadania funkcji mięśnia lotu owadów latających w 3D.