Этот протокол описывает процесс создания гибридной системы между насекомым и машиной и проведения беспроводной электрической стимуляции летательных мышц, необходимых для управления вращательным движением летающего насекомого.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Этот протокол описывает процесс создания гибридной системы между насекомым и машиной и проведения беспроводной электрической стимуляции летательных мышц, необходимых для управления вращательным движением летающего насекомого.
Повышение радио с поддержкой цифровых электронных устройств обусловил использование небольших беспроводных записывающих нервно-мышечных и стимуляторами для изучения поведения насекомых в полете. Эта технология позволяет разработку гибридной системы насекомых-машины, используя платформу живого насекомого, описанного в этом протоколе. Кроме того, этот протокол представляет конфигурацию системы и свободный полет экспериментальных процедур для оценки функции мышц полета в отвязанный насекомого. Для демонстрации, мы ориентировались на третье подмышечных склерит (3Ax) мышцы для управления и достижения левого или правого поворота летящего жука. Тонкий электрод серебряной проволоки был имплантирован на мышцу 3Ax на каждой стороне жука. Они были подключены к выходам беспроводной рюкзаке (то есть, нервно - мышечных Электростимуляторы) , установленный на переднеспинке жука. Мышцы стимулировалось в свободном полете, чередуя сторону стимуляции (влево или вправо) или изменяя stimulatioп частоты. Жук повернулся к ипсилатеральной стороне, когда мышцы стимулировалось и показал дифференцированный ответ на растущей частотой. Процесс имплантации и объем калибровки одномерной системы захвата камеры 3 движения должны проводиться с осторожностью, чтобы не повредить мышцы и потерять след маркера, соответственно. Этот метод является весьма полезным для изучения полета насекомых, так как она помогает выявить функции мышцы полета интереса в свободном полете.
Гибридная система насекомое-машина, часто называемая насекомым-киборгом или биоботом, представляет собой слияние платформы живого насекомого с миниатюрным электронным устройством, установленным на нем. Электронное устройство, которое управляется по беспроводной сети удаленным пользователем, выводит электрический сигнал для электрической стимуляции нервно-мышечных участков в насекомом с помощью имплантированных проволочных электродов, чтобы вызвать у пользователя желаемые двигательные действия и поведение. На ранних стадиях этой области исследований исследователи были ограничены проведением беспроводной записи мышечных действий насекомого с использованием простых аналоговых схем, состоящих из компонентовповерхностного монтажа 1-3. Разработка технологии «система на кристалле» с радиочастотной функциональностью позволила не только беспроводную запись нервно-мышечных сигналов, но и электрическую стимуляцию нервно-мышечных участков у живых насекомых. В настоящее время встроенный радиомикроконтроллер достаточно мал, чтобы его можно было установить на живых насекомых, не создавая никаких препятствий для их передвижения4-13.
Разработка встроенного радиомикроконтроллера позволяет исследователям определять протоколы электрической стимуляции, чтобы вызвать желаемые двигательные действия для управления локомоцией интересующего насекомого. На земле исследователи продемонстрировали контроль ходьбы путем стимуляции нервно-мышечных участков тараканов4,12,14, пауков15 и жуков16,17. В воздухе начало и прекращение полета достигалось с помощью различных методов, таких как стимуляция оптических долей (массивного нервного кластера сложного глаза) у жуков7,9 и подобластей мозга у пчел18, в то время как контроль над поворотом был продемонстрирован путем стимуляции мышц антенн и нервной системы брюшной полости у бабочек11,19 и летательных мышц жуков7,9,13. В большинстве случаев встроенный радиомикроконтроллер интегрировался в специально разработанную печатную плату для производства миниатюрного беспроводного стимулятора (рюкзака), который крепился на интересующее насекомое. Это позволяет применять беспроводную электрическую стимуляцию к свободно ходящему или летающему насекомому. Такое насекомое, установленное на микроконтроллере, называется гибридной системой «насекомое-машина».
В этом исследовании описываются экспериментальные протоколы создания гибридной системы насекомого-машины, в которой живой жук используется в качестве платформы для насекомых, и инструктируются о том, как управлять роботом и испытывать его системы управления полетом. Третья подмышечная склеритная мышца (3Ax) была выбрана в качестве представляющей интерес мышцы для электростимуляции и демонстрации контроля поворота влево или вправо13. Пара тонких электродов из серебряной проволоки была имплантирована в левую и правую мышцы 3Ax. Более того, на живого жука был смонтирован рюкзак. Другие концы проволочного электрода были подключены к выходным контактам микроконтроллера. Рюкзак был достаточно маленьким, чтобы жук мог нести его в полете. Таким образом, это позволяет экспериментатору дистанционно стимулировать интересующую мышцу насекомого в свободном полете и исследовать его реакции на стимуляции.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Изучение животных
2. Электрод Имплантация
3. Рюкзак Ассамблея беспроводной
Примечание: Рюкзак состоял из встроенного радио микроконтроллера на 4 слоистую FR-4 платы (1,6 х 1,6 см 2). Рюкзак был обусловлен литий-полимерной Microbattery (3,7 В, 350 мг, 10 мАч). Общая масса рюкзака включая батарею было 1,2 ± 0,26 г, который меньше, чем грузоподъемностью жука (30% от 10 г массы тела). Рюкзак был предварительно запрограммирован на получение беспроводной связи и имели два выходных канала.
4. Система управления беспроводной
Примечание: В данном случае термин беспроводная система управления включает в себя приемник для пульта дистанционного управления, портативный компьютер для запуска программного обеспечения на заказ управления полетом, базовая станция, рюкзак, и система захвата движения.
Эксперимент 5. Полет
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Процедура имплантации электродов представлена на рисунке 2 проволочные электроды Тонкие серебряные были имплантированы в 3Ax мышцу жука через маленькие отверстия пробитых на мягкую кутикулу на мышцы (рис 2d - е).. Эта мягкая кутикула находится чуть выше аподемы из basalar мышцы после удаления передней части metepisternum (2d фигуры - с). Электроды были затем закреплены с помощью пчелиный воск (...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Процесс имплантации имеет важное значение, так как она влияет на достоверность эксперимента. Электроды должны быть вставлены в мышцу на глубину 3 мм или менее в зависимости от размера жука (избегая контакта с близлежащим мышц). Если электроды касаются близлежащих мышц, нежелательные действия двигателя и поведение может произойти вследствие сокращения близлежащих мышц. Два электрода должны быть хорошо выровнены, чтобы гарантировать, что никакие короткие замыкания не происходит. При плавлении и переформатирования пчелиный...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Этот материал основан на работах, поддержанных Наньянским доцентом (NAP, M4080740), Агентством по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR) Финансированием исследований государственного сектора (PSF, M4070190), совместным грантом A*STAR-JST (Японское агентство по науке и технике) (M4070198) и Министерством образования Сингапура (MOE2013-T2-2-049). Авторы хотели бы поблагодарить г-на Роджера Тан Кей Чиа, профессора Лоу Кин Хуата, г-на Пун Ки Чуна, г-на Чу Хок Си, г-на Лам Ким Кхеонга и доктора Мао Шисиня из Школы МАЭ за их поддержку в создании и обслуживании исследовательских центров. Авторы благодарят профессора Мишеля Махарбиза (Калифорнийский университет в Беркли) за его советы и дискуссию, профессора Криса Пистера и его группу (Калифорнийский университет в Беркли) за их поддержку в предоставлении GINA, использованной в этом исследовании.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Mecynorrhina torquata | beetle Kingdom of Beetle | 10 г, 8 см, грузоподъемность составляет 30% от массы тела Апровер импорта и использования Агропродовольственным и ветеринарным управлением Сингапура (AVA; код ТН ВЭД: 01069000, код товара: ALV002). | |
| Беспроводной ранцевый стимулятор | Custom | TI CC2431 micocontroler Доска изготовлена на заказ на основе платы GINA от профессора Криса Пистера s lab. С макетом платы GINA можно ознакомиться по ссылке https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA | |
| пульте дистанционного управления Nintendo | Bluetooth для отправки команды на оператор ноутбука | ||
| BeetleCommander v1.8 | Custom. Группа Maharbiz в Калифорнийском университете в Беркли и группа Sato в NTU | Установите беспроводную связь между рюкзаком и ноутбуком оператора. Настройте параметры стимула и зарегистрируйте позиционные данные. Визуализируйте полетные данные. | |
| Базовая станция GINA | группы Криса Пистера в Калифорнийском университете в Беркли | TI MSP430F2618 и AT86RF231 | |
| Система захвата движения | VICON | T160 | камер для полетной арены размером 12,5 м x 8 м x 4 м |
| Система захвата движения | VICON | T40s | 12 камер для полетной арены 12,5 x 8 x 4 м |
| Микробатарея | Fullriver | 201013HS10C | 3,7 В, 10 мАч |
| Светоотражающая лента | Reflexite | V92-1549-010150 | V92 светоотражающая лента, серебристого цвета |
| PFA-Изолированная серебряная проволока | Системы А-М | 786000 | 127 & микро; m bare, 177,8 & микро; m с покрытием, 3 мм голое серебристое пламя, обнаженное на концах |
| SMT Micro Header | SAMTEC | FTSH-110-01-L-DV | 0,3 мм x 6 мм, согните, чтобы сделать ползунок длиной 3 мм для крепления электрода в разъеме печатной платы. |
| Пчелиный воск | Закрепить электроды | ||
| Стоматологический воск | Вершина | Обездвижить жука | |
| Штифт от насекомых | ROBOZ | RS-6082-30 | Размер 00; 0,3 мм Диаметр стержня; 0,03 мм Ширина наконечника; 38 мм Длина Сделать направляющие отверстия электродов на |
| пинцете | DUMONT | RS-5015 | Pattern #5; .05 мм x .01 мм Размер наконечника; 110 мм Длина<бр/> Ножницы для пресечения и имплантации |
| ROBOZ | RS-5620 | Vannas Micro Dissecting Пружинные ножницы; Прямой; режущая кромка 3 мм; Ширина наконечника 0,1 мм; 3" Общая длина Препарирование и имплантация | |
| Питьевой паяльник | DAIYO | DS241 | Горячая пластина из пчелиного воска |
| CORNING | PC-400D | Плавящийся пчелиный воск и стоматологический воск | |
| Люминесцентная лампа | Philips | TL5 14W | Освещает всю полетную арену с помощью 30 панелей (60 x 60 см< >2). На каждой панели установлено по 3 лампы.<чел/> 14 Вт, 549 мм х 17 мм; |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.