Este protocolo descreve o processo de construção de um sistema híbrido inseto-máquina e a realização de estimulação elétrica sem fio dos músculos de vôo necessários para controlar o movimento de giro de um inseto voador.
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Artigo de método
Este protocolo descreve o processo de construção de um sistema híbrido inseto-máquina e a realização de estimulação elétrica sem fio dos músculos de vôo necessários para controlar o movimento de giro de um inseto voador.
A ascensão de aparelhos eletrônicos digitais habilitados para rádio fez com que o uso de pequenos gravadores neuromusculares sem fio e estimuladores para estudar o comportamento de insetos em voo. Esta tecnologia permite o desenvolvimento de um sistema híbrido de inseto-máquina, utilizando uma plataforma de insetos vivendo descrito neste protocolo. Além disso, este protocolo apresenta a configuração do sistema e procedimentos experimentais de vôo livre para avaliar a função dos músculos do vôo em um inseto untethered. Para demonstração, alvo do músculo terceira axilar sclerite (3AX) para controlar e conseguir virar à esquerda ou à direita de um besouro voando. Um eléctrodo de fio de prata fina foi implantado no músculo 3ax em cada lado do besouro. Estes foram ligados às saídas de uma mochila sem fio (isto é, um estimulador eléctrico neuromuscular) montado no pronotum do besouro. O músculo foi estimulado em vôo livre, alternando o lado estimulação (esquerda ou direita) ou variando a stimulatiofrequência n. O besouro virado para o lado ipsilateral quando o músculo foi estimulado e exibiu uma resposta gradual para uma frequência cada vez maior. O processo de implantação e calibragem do volume do movimento sistema de câmera captura 3 dimensional precisa ser realizada com cuidado para evitar danos ao músculo e perder de vista o marcador, respectivamente. Este método é altamente benéfico para estudar vôo de insetos, uma vez que ajuda a revelar as funções do músculo do vôo de interesse em vôo livre.
Um sistema híbrido inseto-máquina, muitas vezes referido como inseto ciborgue ou biobot, é a fusão de uma plataforma de insetos vivos com um dispositivo eletrônico montado em miniatura. O dispositivo eletrônico, que é comandado sem fio por um usuário remoto, emite um sinal elétrico para estimular eletricamente os locais neuromusculares no inseto por meio de eletrodos de fio implantados para induzir ações e comportamentos motores desejados pelo usuário. Nos estágios iniciais deste campo de pesquisa, os pesquisadores se limitaram a realizar o registro sem fio da ação muscular de um inseto, usando circuitos analógicos simples compostos por componentes montados na superfície1-3. O desenvolvimento da tecnologia system-on-a-chip com funcionalidade de radiofrequência permitiu não apenas a gravação sem fio de sinais neuromusculares, mas também a estimulação elétrica dos locais neuromusculares em insetos vivos. Atualmente, um microcontrolador de rádio embutido é pequeno o suficiente para ser montado em insetos vivos sem causar obstruções à sua locomoção4-13.
O desenvolvimento do microcontrolador de rádio embutido permite que os pesquisadores determinem protocolos de estimulação elétrica para induzir ações motoras desejadas para controlar a locomoção do inseto de interesse. No solo, os pesquisadores demonstraram o controle da caminhada estimulando os locais neuromusculares de baratas4,12,14, aranhas15 e besouros16,17. No ar, o início e a cessação do vôo foram alcançados usando diferentes métodos, como a estimulação dos lobos ópticos (o aglomerado neural maciço de um olho composto) em besouros7,9 e sub-regiões cerebrais em abelhas18, enquanto o controle de giro foi demonstrado estimulando os músculos das antenas e o sistema nervoso do abdômen em mariposas11,19 e os músculos de vôo de besouros7,9,13. Na maioria dos casos, um microcontrolador de rádio embutido foi integrado em uma placa de circuito impresso projetada sob medida para produzir um estimulador sem fio em miniatura (mochila), que foi montado no inseto de interesse. Isso permite que a estimulação elétrica sem fio seja aplicada a um inseto que anda livremente ou voa. Esse inseto montado em microcontrolador é o que é chamado de sistema híbrido inseto-máquina.
Este estudo descreve os protocolos experimentais para a construção de um sistema híbrido inseto-máquina, em que um besouro vivo é empregado como plataforma de insetos, e instrui sobre como operar o robô e testar seus sistemas de controle de vôo. O terceiro músculo esclerito axilar (3Ax) foi escolhido como o músculo de interesse para estimulação elétrica e demonstração do controle de giro esquerdo ou direito13. Um par de eletrodos finos de fio de prata foi implantado nos músculos 3Ax esquerdo e direito. Além disso, uma mochila foi montada no besouro vivo. As outras extremidades do eletrodo de fio foram conectadas aos pinos de saída do microcontrolador. A mochila era pequena o suficiente para o besouro carregar em vôo. Assim, isso permite que um experimentalista estimule remotamente o músculo de interesse de um inseto em vôo livre e investigue suas reações aos estímulos.
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1. animal Estudo
2. Eletrodo Implantação
3. Montagem Backpack sem fio
Nota: A mochila consistiu de um built-in microcontrolador rádio em uma em camadas placa de 4 FR-4 (1,6 x 1,6 centímetros 2). A mochila foi impulsionado por uma micro bateria de polímero de lítio (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). A massa total da mochila, incluindo a bateria foi de 1,2 ± 0,26 g, o qual é menor do que a capacidade de carga do besouro (30% de 10 g de peso corporal). A mochila foi pré-programado para receber comunicações sem fio e tinha dois canais de saída.
4. Wireless Control System
Nota: Neste caso, o sistema de controle sem fio termo inclui um receptor para o controlador remoto, um computador portátil para executar o software de controle de vôo costume, uma estação base, a mochila, e o sistema de captura de movimento.
Experiência 5. Vôo Livre
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O procedimento de implantação de eléctrodos é apresentado na Figura 2, os eléctrodos de arame de prata fina foram implantados no músculo 3ax do besouro através de pequenos orifícios perfurados na cutícula macio sobre o músculo (Figuras 2d - e).. Este cutícula macia é encontrada logo acima da apodema do músculo basalar após a remoção da parte anterior do metepisternum (Figuras 2d - c). Os eletrodos foram ...
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O processo de implantação é importante, pois afeta a confiabilidade do experimento. Os eléctrodos deve ser inserido dentro do músculo a uma profundidade de 3 mm ou menos, dependendo do tamanho do besouro (evitando o contacto com os músculos próximas). Se os eletrodos tocar os músculos próximos, ações motoras indesejáveis e comportamentos podem ocorrer devido à contração dos músculos próximos. Os dois eléctrodos deve ser bem alinhados para assegurar que não há curto-circuito ocorrer. Quando a fusão e reflui cera utiliz...
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Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este material é baseado nos trabalhos apoiados pela Cátedra Assistente de Nanyang (NAP, M4080740), Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A*STAR) Financiamento de Pesquisa do Setor Público (PSF, M4070190), A*STAR-JST (Agência de Ciência e Tecnologia do Japão) (M4070198) e Ministério da Educação de Cingapura (MOE2013-T2-2-049). Os autores gostariam de agradecer ao Sr. Roger Tan Kay Chia, Prof. Low Kin Huat, Sr. Poon Kee Chun, Sr. Chew Hock See, Sr. Lam Kim Kheong e Dr. Mao Shixin da Escola do MAE por seu apoio na criação e manutenção das instalações de pesquisa. Os autores agradecem ao Prof. Michel Maharbiz (UC Berkeley) por seus conselhos e discussão, ao Prof. Kris Pister e seu grupo (UC Berkeley) por seu apoio no fornecimento da GINA usada neste estudo.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Besouro Mecynorrhina torquata | Reino do Besouro Taiwan | 10 g, 8 cm, capacidade de carga útil é de 30% da massa corporal Aprovação de importação e uso pela Autoridade Agroalimentar e Veterinária de Cingapura (AVA; Código HS: 01069000, código do produto: ALV002). | |
| Estimulador de mochila sem fio | Custom | TI CC2431 microcontroler A prancha é feita sob medida com base na prancha GINA do Prof. Kris Pister' s laboratório. O layout da placa GINA pode ser encontrado em https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA | |
| Wii Controle remoto | Nintendo | Bluetooth controle remoto para enviar o comando para o operador laptop | |
| BeetleCommander v1.8 | Personalizado. Grupo Maharbiz na UC Berkeley e grupo Sato na NTU | Estabeleça a comunicação sem fio da mochila e do laptop do operador. Configure os parâmetros de estímulo e registre os dados posicionais. Visualize os dados do voo. | |
| Estação base GINA | Grupo Kris Pister na UC Berkeley | TI MSP430F2618 e AT86RF231 | |
| Sistema de captura de movimento | VICON | T160 | 8 câmeras para uma arena de voo de 12,5 m x 8 m x 4 m |
| Sistema de captura de movimento | VICON | T40s | 12 câmeras para uma arena de voo de 12,5 x 8 x 4 m |
| Micro bateria | Fullriver | 201013HS10C | 3,7 V, 10 mAh |
| Fita refletora retro | Reflexite | V92-1549-010150 | Fita refletora V92, cor prata |
| Isolada com PFA Fio Prateado | Sistemas A-M | 786000 | 127 µ m nu, 177,8 µ m revestido, 3 mm de chama prateada nua exposta nas pontas |
| Cabeçalho SMT Micro | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0.3 mm x 6 mm, dobre para fazer um controle deslizante de 3 mm de comprimento para prender o eletrodo no cabeçalho da placa de circuito impresso. |
| Cera | Fixa os eletrodos | ||
| Cera Dental | Vertex | Imobiliza o besouro Pino | |
| de Inseto | ROBOZ | RS-6082-30 | Tamanho 00; 0.3 mm Diâmetro da haste; 0.03 mm de largura da ponta; 38 mm Comprimento Faça furos de guia de eletrodo na cutícula |
| Pinças | DUMONT | RS-5015 | Padrão #5; .05 mm x .01 mm Tamanho da ponta; 110 mm Comprimento Tesoura de dissecação e implantação |
| ROBOZ | RS-5620 | Vannas Micro Tesoura de mola dissecadora; Reto; Borda de corte de 3mm; Largura da ponta de 0,1 mm; 3" de comprimento total Dissecação e implantação | |
| Ferro de solda potável | DAIYO | DS241 | Reflow cera |
| de abelha Placa de aquecimento | CORNING | PC-400D | Cera de abelha derretida e cera dental |
| Lâmpada fluorescente | Philips | TL5 14W | Ilumine toda a arena de voo com 30 painéis (60 x 60 cm2). Cada painel tem 3 lâmpadas. 14 W, 549 mm x 17 mm |
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