Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

מערכת היברידית חרקים-מכונה: רדיו שליטה מרחוק של חיפושית עפה חופשי ( Published: September 2, 2016 doi: 10.3791/54260
Automatic Translation
1, 1
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

Abstract

עלייתו של מכשירים אלקטרוניים דיגיטליים מאופשרת רדיו עוררה את השימוש מקליט לגירוי תוקפת אלחוטיים קטנים ללימוד התנהגות חרקים בזמן הטיסה. טכנולוגיה זו מאפשרת בניית מערכת היברידית חרק-אוטומטית באמצעות פלטפורמת חרק חייה המתוארת בפרוטוקול זה. יתר על כן, פרוטוקול זה מציג את תצורת מערכת פרוצדורות טיסה חינם להערכת התפקוד של שרירי התעופה ב חרק ומשוחרר. להדגמה, אנו ממוקדים sclerite השחי השלישיים (3Ax) השרירים לשלוט ולהשיג מפנה שמאלה או ימינה של חיפושית עפה. אלקטרודה חוט כסף דקה הושתלה על שריר 3Ax בכל צד של החיפושית. אלה חוברו התפוקות של תרמיל אלחוטי (כלומר, ממריץ חשמל תוקפת) רכוב על pronotum של החיפושית. השריר היה מגורה בטיסה חינם לסירוגין בצד גירוי (ימין או שמאל) או גיוון stimulatioתדירות n. החיפושית פנתה אל צד ipsilateral כאשר השריר היה מגורה והציג תגובה מדורגת אל בתדירות הולכת וגוברת. תהליך ההשתלה וכיול נפח של 3 מערכת המצלמה ללכוד תנועה ממדי צריך להתבצע בזהירות כדי למנוע נזק לשריר לאבד המסלול של הסמן, בהתאמה. שיטה זו היא מאוד מועילה ללמוד טיסת חרקים, כפי שהוא מסייע לחשוף את הפונקציות של שריר הטיסה של עניין טיסה חינם.

Protocol

1. מחקר בבעלי חיים

  1. חיפושיות אחוריות יחיד Mecynorrhina torquata (6 סנטימטר, 8 גרם) במכלי פלסטיק נפרדים עם מצעים גלולים עץ.
  2. להאכיל אחד את החיפושית כוס ג'לי סוכר (12 מ"ל) כל 3 ימים.
  3. שמרו על טמפרטורה ולחות של החדר גידול של 25 מעלות צלזיוס ו -60%, בהתאמה.
  4. בדוק את יכולת הטיסה של כל חיפושית לפני השתלת אלקטרודות חוט דקות.
    1. בעדינות לזרוק חיפושית לאוויר. אם החיפושית יכולה לטוס יותר מ 10 שניות במשך 5 משפטים רצופים, להסיק כי החיפושית יש יכולות טיסה סדירות ולעשות בה ניסויים לטיסה מאוחרים יותר. כדי לשחזר את החיפושית, לכבות את כל האורות בחדר כדי להפוך אותו כהה. זה גורם חיפושית לסיים טיסה.
      הערה: חיפושית מתחילה באופן ספונטני לעוף משם כאשר משתחררים לאוויר. עדיף לבצע את ניסויי הטיסה בחדר סגור גדול כמו זה שמוצג באיור 1 (16 x 8 x 4 מ ' '3), כמו מהלכי חיפושית עפו מהר מאוד (כ 3-5 m / sec) ומציירים קשתות גדולות בעת הסיבוב באוויר.

2. אלקטרודה השרשה

  1. להרדים את חיפושית על ידי הצבת אותו במיכל פלסטיק מלאים CO 2 דקות 1 13,16,20-24.
  2. לרכך שעוות שיניים על ידי טבילה אותו במים חמים למשך 10 שניות. מניח את החיפושית מורדמת על בלוק עץ לשתק אותו עם שעוות שיניים מרוכך. שעוות השיניים מתקררת באופן טבעי מבצרת תוך מספר דקות.
  3. Cut חוטי כסף מבודדים (127 מיקרומטר קוטר חשוף, 178 מיקרומטר בקוטר כאשר מצופה perfluoroalkoxy) לחתיכות באורך של 25 מ"מ להשתמש אלקטרודות חוט דק כמו להשתלה.
  4. לחשוף 3 מ"מ של כסף חשוף ידי בוערים המבדדים בשני קצותיו של כל חוט.
  5. לנתח את המשטח העליון של לציפורן החיפושית באמצעות מספרי קנס שקצו ליצור SMAll חלון של כ 4 x 4 מ"מ על metepisternum (איור 2 ג). הערה: לציפורן רכה בצבע חום חשופה אז, כפי שמוצג 2c ומספרים - דואר. שריר 3Ax ממוקם מתחת לציפורן הרך.
  6. פירס שני חורים על לציפורן החום החשופה באמצעות סיכת חרק (גודל 00), תוך שמירת מרחק של 2 מ"מ בין שני החורים (איור 2).
  7. הכניסו שתי אלקטרודות חוט (כולל אלקטרודות פעיל אחד ואחד בתמורה מוכן בשלב 2.4) בזהירות דרך החורים ולהשתיל אותם כל שריר 3Ax בעומק של 3 מ"מ.
  8. Secure הרושמים ולהחזיק אותם במקום כדי למנוע מגע ו-קצר על ידי הטלת דונג נמס על החורים. במידת הצורך, להזרים מחדש הדונג מעל לציפורן על ידי נגיעת הדונג עם קצה מלחם חם. הדונג מבצר במהירות ומחזק את ההשתלה.
    הערה: כדי לבדוק אם ההשתלה נכון, elytra של סלקle ניתן להרים להתבונן התנועה של השריר 3Ax במהלך גירוי חשמלי.

3. אלחוטי תרמיל אסיפה

הערה: תרמיל כללה מיקרו רדיו מובנה על 4 לוח FR-4 שכבות (1.6 x 1.6 ס"מ 2). התרמיל היה מונע על ידי microbattery ליתיום פולימר (3.7 V, 350 מ"ג, 10 mAh). המסה הכוללת של התרמיל כולל הסוללה הייתה 1.2 ± 0.26 גרם שהוא פחות הקיבולת הגדולה של החיפושית (30% ממשקל גוף 10 גרם). התרמיל היה מתוכנת מראש לקבל תקשורת אלחוטית ונולד להם שני ערוצי פלט.

  1. נקו את משטח pronotum (להסיר את שכבת שעווה על לציפורן) באמצעות דבק דו-צדדי. לאחר מכן, לצרף את התרמיל על pronotum של החיפושית עם נייר דבק דו-צדדי.
  2. חבר את הקצוות של אלקטרודות מושתלות על הפלטים של התרמיל.
  3. גלישת קלטת רטרו-רפלקטיבי ברחבי microbattery לייצר סמן FOמצלמות r לכידת תנועה לאתר.
  4. צרף את microbattery לחלק העליון של התרמיל באמצעות נייר דבק דו-צדדי כך קלטת רטרו-רפלקטיבי ניתן לאתר על ידי מצלמות לכידות תנועה.

4. מערכת שליטה אלחוטית

הערה: במקרה זה, מערכת שליטה אלחוטית לטווח כוללת מקלט עבור בקר מרחוק, מחשב נייד כדי להפעיל את תוכנת בקרת טיסה מותאמת אישית, תחנת בסיס, תרמיל, ואת מערכת לכידת תנועה.

  1. חברו את תחנת הבסיס לבין המקלט של בקר מרחוק למחשב הנייד באמצעות יציאות USB.
  2. הפעילו את מערכת לכידת תנועה ולחבר אותו למחשב הנייד דרך יציאת Ethernet.
  3. בצע כיול נפח בהנפת שרביט הכיול (המסופק על ידי חברת הספק של מערכת לכידת התנועה) כדי לכסות את השטח לכיד תנועה מלאה.
    1. פתח את תוכנת לכידת תנועה משולחן העבודה של המחשב הנייד. לחץ וד"רag כדי לבחור את כל המצלמות על תפריט "המערכת" של הפנל "משאבים".
    2. הקש על תפריט "פרספקטיבת 3D" ובחר "מצלמה" כדי לשנות את תצוגת המצלמה. לחץ על הכרטיסייה "מצלמה" בלוח "כלים" כדי להראות את ההתקנה כיול. לחץ על "התחל" בתפריט "צור מסכות מצלמה" כדי למנוע רעש מהמצלמות ואז "עצור" אחרי הרעש מוסווה בכחול.
    3. לחץ ובחר "5 מרקר שרביט & L-פריים" מהתפריט "שרביט" והתפריט "L-פריים" בכרטיסייה "מצלמה". בחר את "רוזן השרביט" ל -2,500, לחץ על "התחל" בתפריט "כיול המצלמות", ומנופף שרביט הכיול בחלל הלכיד תנועה כולו. תהליך הכיול נפסק כאשר ספירת השרביט מגיעה 2,500.
    4. חזור על תהליך הכיול אם שגיאת תמונה (בתחתית הכרטיסייה "המצלמה" של פנל "כלים") גבוהה מ -0.3 fאו כל מצלמה. לאחר כיול, לשים את השרביט על הרצפה באמצע המרחב לכידת תנועה ולחץ על "התחל" בתפריט "הגדרת נפח מקור" כדי להגדיר את המוצא של המרחב לכידת תנועה.
  4. בדוק את הכיסוי של מערכת לכידת תנועה באמצעות מבחן דמה כדי להקליט את נתיב התנועה של סמן שהניף משתמש במרחב הלכיד התנועה ולאשר אם הסמן מזוהה ולעקוב אחריו. אם הסמן נמצא לאיבוד לעתים במהלך איתור, לחזור כיול נפח עד מבחן הדמה מצליח.
    1. לחץ על הכרטיסייה "לכידת" בלוח "כלים" ולאחר מכן "התחל" בתפריט "ללכוד" לפני מנופף את הסמן מדגם בחלל לכידת תנועה כולו להקליט את מסלולו.
    2. לאחר ההקלטה, לחץ על "מפעיל את הצינור לשחזר" לשחזר את עמדותיהם של הסמן ולבדוק את איכות ההקלטה.
  5. חברו את מסופי של microbattery (מצורף התרמיל בשלב 3.4) את סיכות הכח של התרמיל.
  6. בדוק את התקשורת האלחוטית בין המחשב הנייד ואת התרמיל באמצעות תוכנת בקרת טיסה המותאמת אישית. לחץ על הפקודה "התחל" על התוכנה ולבדוק את מצב חיבור המוצג.

5. ניסוי טיסה חופשית

  1. לבצע את ניסוי טיסה חינם בתוך זירת טיסה המדידה 16 x 8 x 4 מ '3.
  2. הזן את הפרמטרים המתאימים לתוכנת בקרת טיסה (מתח, רוחב דופק, תדירות, ומשך גירוי). הערה: להדגמה, סידרנו את המתח עד 3 V, רוחב הפולס ל -3 msec, ומשך הגירוי 1 שניות ומגוון בתדירות מתוך 60 כדי 100 הרץ.
    1. במסך התוכנה, סוג 3 עבור 3 V בתיבת "המתח", 1,000 1,000 msec בתיבת "משך הגירוי", 3 עבור 3 ms בתיבת "רוחב דופק", ואת בתדירות רצויה רץ ב " תדירות "תיבת on את החלון הפקוד.
  3. שחרר את החיפושית רכוב תרמיל לאוויר שמאפשר לו לעוף בחופשיות בתוך זירת הטיסה. הפעלה ידנית של גירוי כאשר החיפושית נכנס במרחב לכידת תנועה. לחצו על לחצן הפקודה המתאימה (ימין או שמאל) בשלט רחוק כדי לעורר את שריר היעד בצד שמאל או ימין של חיפושית.
    הערה: לאחר הלחיצה על הלחצן, תוכנת בקרת הטיסה פועלת על המחשב הנייד יוצרת את הפקודה ושולחת אותו אל התרמיל. התרמיל ואז פלט את גירוי חשמלי לשריר עניין (בצד שמאל או ימין).
  4. שים לב לתגובה של החיפושית בזמן האמת במהלך הגירוי לשחזר את הנתונים באמצעות תוכנת גרפי 3D.
    1. בחר באחד הניסויים רשמו ברשימת הנתונים של החלון "חיפושית התצוגה" ולחץ על "יצוא פנדה" כדי להעתיק את הנתונים של ניסוי זה לתיקיית הניתוח ולהפעיל את מודול גרפי 3D.
    2. לחץ "N" עלהמקלדת לשלב את אות הגירוי עם המסלול המוקלט. אני לוחץ להראות את המסלול של החיפושית עם תקופות הגירוי הדגישו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הליך השתלת אלקטרודה מוצג באיור 2 אלקטרודות חוט כסף דק הושתלו לתוך שריר 3Ax של החיפושית דרך חורים קטנים פירסינג על לציפורן הרכה על שריר (איורי 2 ד - ה).. לציפורן רך זה נמצא בדיוק מעל apodema של שריר basalar לאחר הסרת החלק הקדמי של metepisternum (איורים 2 ד - ג). האלקטרודות הובטחו מכן באמצעות שעוות דבורים (איור 2F).

איור 3 מציג את ההליכים להקמת מערכת היברידית חרק-מכונה באמצעות חיפושית ללא פגע. איורי 2 ו 3 ב מראה את השיטות להשתלת חוטי מתכת דקה (אלקטרודות גירוי) לתוך השריר של עניין (למשל, באיור 2, שריר 3Ax נעשה שימוש במחקר זה)הרכבת תרמיל על pronotum של חיפושית. מסתיים ללא החוטים הוחדרו לתוך החורים במחבר המגשר על התרמיל, שהיו מחוברים חשמליים פיני קלט / הפלט של מייקרו משולב על התרמיל (איור 3c). לבסוף, microbattery הוצב ואת כבל החשמל של microbattery חובר חורי מחבר המגשר המוביל אל מסופי קרקע ואספקה ​​חיובית של המיקרו.

מערכת הבקרה האלחוטית מוצגת באיור 4. כאשר המשתמש לוחץ על כפתור הפקודה על הבקר מרחוק (איור 4C), תוכנות שליטת הטיסה (4D האיור) המחשב הנייד מייצרת ואלחוטי שולחת את הפקודה אל התרמיל באמצעות הבסיס תחנה (איור 4 ב). מערכת לכידת תנועה (4E איור) מזהה את המיקום (X, Y ו- Z) של סלקle ומסמן אותו עם חותמת. לאחר מכן נתונים מוזנים למחשב הנייד, ואת תוכנת שליטת הטיסה מסנכרנת את הנתונים עם אותות הגירוי.

תוצאות שליטת נציג בתורו מוצגות באיור 5. הפעלת שריר 3Ax נמצאה לגרום לירידה משרעת פעימת כנף של צד ipsilateral 13, ובכך וכתוצאה מכך חיפושית ביצוע תפנית ipsilateral בטיסה חינם. הגירוי החשמלי של שרירי 3Ax הראה השפעה דומה לזו של החיפושית פנתה אל צד ipsilateral כאשר שריר 3Ax ימינה או שמאלה היה מגורה 13. שיעור המפנה של החיפושית דורג כפונקציה של תדירות הגירוי.

איור 1
איור 1:. סדר בזירת טיסה חינם זירת הטיסה חינם אורגן לתוךשני חלקים: אזור הבקרה (3.5 x 8 x 4 מ '3) שמש להגדרת ערכת ההשתלה (כלי מיקרוסקופ דיסקציה) ואת חדר בקרה (מחשב, תחנת בסיס אלחוטית, בקר מצלמה), ואילו השטח לכיד תנועה ( 12.5 x 8 x 4 מ '3) היה מכוסה 20 האינפרה-אדום הקרוב מצלמות כדי לתעד את המיקום (X, Y ו- Z) של החיפושית. זירת הטיסה צוידה 30 לוחות תאורה (60 x 60 סנטימטרים 2, 48 W) כדי להפוך אותו בהיר כמו תנאים היום במהלך הניסוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2:. נוהל להשתלת אלקטרודה החיפושית הייתה מורדמת משותק בשעוות שיניים על בלוק עץ עבור הליך ההשתלה. (א - <חלון קטן strong> ג) נפתח על metepisternum של החיפושית לגשת שריר 3Ax. (ד) שימוש סיכה חרק, שני חורים עם מרחק של 2 מ"מ נוקבו על לציפורן הפנימית הנושאת השריר 3Ax. (ה) אלקטרודות שהוחדרו לתוך השרירים באמצעות החורים האלה והמשיכו במקום עם פינצטה כדי לוודא ששום crosstalk התרחשה בין הטיפים. . (F - g) האלקטרודות מכן תוקנו אל החיפושית באמצעות שעוות דבורים אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3:. נוהל לייצר מערכת היברידית חרק-מכונה באמצעות חיפושית ללא פגע (א) השריר של ריבית על חיפושית חיה הושתל שנינותזוג דונם של אלקטרודות חוט כסף. (ב) לאחר תיקון אלקטרודות עם שעוות דבורים, שטיפסנו תרמיל על pronotum של החיפושית באמצעות קלטת דו צדדית. (ג) מסתיים ללא האלקטרודות הוכנסו התפוקות של התרמיל ומאובטח עם כותרות micropin. (ד) microbattery, אשר היה מכוסה בסרט רטרו-רפלקטיבי, היה רכוב על הגב באמצעות קלטת דו צדדית ומחובר סיכות הכח של התרמיל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4:. מערכה אלחוטית עבור ניסוי טיסה חינם המערכת האלחוטית מורכבת (א) חיפושית Cyborg, (ב) תחנת בסיס אלחוטית, (ג (ד) מחשב נייד הפעלה עם מקלט Bluetooth לחשמל, ו- (ה) מערכת לכידת תנועה 3D. כאשר המשתמש לוחץ על לחצן הפקודה בשלט הרחוק, תוכנת בקרת טיסה המותאמת אישית על המחשב הנייד שולחת את פקודת הגירוי באופן אלחוטי אל חיפושית Cyborg באמצעות תחנת בסיס המתחברת למחשב הנייד דרך יציאת USB. לאחר תרמיל מקבל את הפקודה, שהוא מייצר אות גירוי חשמלי אשר מגרה את השריר. במקביל, מערכת לכידת תנועה מתעדת את 3D קואורדינטות של החיפושית ולהאכילם למחשב הנייד לסינכרון עם נתונים גירוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: התנהגות beetlדואר בשל הגירוי החשמלי של שרירי 3Ax בטיסה חינם. (א) החיפושית פנתה אל צד ipsilateral כאשר שמאלה או ימינה שריר 3Ax היה מגורה, והבקשה מפנה דורגה כפונקציה של תדירות הגירוי. (ב) הנתיב זיגזג של החיפושית עף כאשר שריר 3Ax ימינה או שמאלה היה מגורה ברצף. פרמטרי הגירוי היו אמפליטודה של 3 V, רוחב דופק של 3 אלפיות שני, ואת בתדירות של 60-100 רץ. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: הצעת סטים סמן למעקב אחר האוריינטציה 3D (גליל, המגרש, לסבסב) של החיפושית תצורה באמצעות (א) שלושה סמנים, (ב) ארבע.סמנים, ו- (ג) חמישה סמנים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

תהליך ההשתלה הוא חשוב, מאחר שהוא משפיע על מהימנותם של הניסוי. האלקטרודות צריך להיות מוכנס לתוך השריר בעומק של 3 מ"מ או פחות, תלוי בגודל של החיפושית (הימנעות ממגע עם שרירים באזור). אם אלקטרודות לגעת שרירים הסמוכים, פעולות מוטוריות רצויות והתנהגויות עלולות להתרחש בשל ההתכווצות של שרירים סמוכים. שני האלקטרודות צריכים להיות מתואמים היטב כדי לוודא ששום להתרחש קצר. כאשר נמסו reflowing שעוות דבורים באמצעות מלחם, את בניסויים יש להיזהר לרתך מהר ככל האפשר, שכן השריר ניתן שרוף על ידי מגע ממושך עם טמפרטורות גבוהות, מוביל תקלה של השריר. למרות הסרת לציפורן נדרש לגשת שריר 3Ax, החדרת תהליך איטום לוקח פחות מדקה אחת והיה הצליח למזער את הנזק לשריר. החרקים הוחזרו לחדר גידול גמר הניסויים, יכולים לשרוד במשךעד 3 חודשים נוספים (סוף זמן החיים שלהם). כדי לשמור על רמת ביצועים טובים של החיפושית, החיפושית צריכה להיות מוזנת ואפשרה לנוח במשך 3 עד 4 שעות לאחר 20 כל משפטים רצופים כמו החרק נוטה להתעייף אחרי רצופים רבים (40 עד 50) ניסויי טיסה ייתכן שלא תוכל לפתוח כנפיו.

באשר כיול טיסת הניסוי, נפח בחינם עבור מערכת לכידת תנועה יש צורך, כפי שהוא משפיע על דיוק מעקב המסלול. חשוב למלא את התצוגה 'המצלמות המלאה של גלי שרביט הכיול עם שגיאת תמונה של פחות מ -0.3 עבור כל המצלמות כדי לשמור על הדיוק של מערכת מעקב תנועה. בנוסף, פני השטח של הסמן צריך להיות נקי, או מערכת לכידת תנועה 3D עלול להחמיץ את הסמן לעתים קרובות. לאחר כיול, מבחן דמה צריכה להתבצע על ידי נפנוף הסוללה עטופה עם סרט רטרו-רפלקטיבי בהיקף המוגדר כדי לבדוק את הכיסוי של מערכת לכידת תנועה. לבדיקהדיוק מעקב תנועה, מדדנו את המרחק של שני סמנים נעו בזירת הטיסה. הסמנים תוקנו על לוח קרטון עם מרחק של 200 מ"מ זה לזה. הלוח הועבר בזירת הטיסה כולה להשיג מיקומים שונים של שני הסמנים. סטיית התקן חושבה אז להיות 1.3 מ"מ (n = 3,000).

המתקן מבחן טיסה חינם (איורים 1 ו -4) מאפשר לנו לעקוב אחר המיקום (X, Y ו- Z) של חרק מעופף יחד עם חותמת. מאז רק סמן יחיד המחובר החיפושית והמערכת הלכידה תנועת 3D רק מזהה סמן, החיפושית היא כאל חלקיק או נקודת מסה. ככזה, נתוני חיפושית טיסה יש מידע מיקומית אך חסר אוריינטציה. לכן, ניתוח kinematic מהנתונים שנרשמו במיקום של החיפושית מספק מהירות translational רק והאצה לאורך X, Y ו- Z צירים ללא המהירות הזוויתית או תאוצה זוויתית ב סיבובים על הצירים לסבסב, גובה הצליל, אנד רול. סמנים מרובים נעוצות חיפושית (כמו זה שמוצג באיור 6) חייב לשמש עבור מערכת לכידת תנועה 3D לטפל חרק מעופף כגוף נוקשה סיבוב שיא ונתונים התרגום. עם זאת, בניסויים חייב לרשום את התרומה של סמנים אלה קינטיקה של חיפושית עף, כי הסמן אינו פיסה קטנה של סרט אבל צריך להיות גדול מספיק כדי להיות מזוהים על ידי מערכת מצלמה עם הפסד מעקב מינימלי. הסדר כזה ואת דבקותו של סמנים מרובים עשויים להגדיל את המסה שלה באופן משמעותי ומומנט האינרציה 25. חוץ מזה, בגודל של זירת הטיסה ניתן להגדיר גדול ככל האפשר בתוך טווח הכיסוי של מערכת מעקב תנועה כדי להפחית את האילוצים להתנהגות טיסה חינם של החיפושית. בשביל הגיליון ראשון, בגודל של זירת הטיסה מוגדרת מבוסס על הכיסוי המקסימאלי של מערכת לכידת תנועה (12.5 x 8 x 4 מ '3).

= ילדה "jove_content"> אפשרויות שונות קיימות כדי לשנות טכניקה זו יחד עם הגדלת מספר הסמנים להקליט את הכיוון של החרק כאמור לעיל. הגירוי של שרירים שונים בטיסה חופשית יכול לייצר התנהגויות שונות, למשל., שריר basalar לסיבוב נגדי 7 ושרירי 3Ax עבור תפנית ipsilateral 13. בנוסף, בחלקים מסוימים של מערכת העצבים של חרק יכולים לגרום לתגובות שונות. גירוי אונה אופטי יכול לגרום ייזום טיסה 7, ואילו הגירוי של אנטנות יכול לגרום מפנה נגדי חרק הליכת 12. יתר על כן, אנחנו יכולים לשנות את הפונקציה של התרמיל מלהיות ממריץ אלקטרוני כדי מקליט electromyography לתעד את הפעילויות של חרק במהלך ההתנהגות הטבעית שלה 3,26.

גירוי הטיסה חינם של החיפושית עזר לחשוף ולאשר את תפקידו הטבעי של שריר 3Ax ידי enabliתצפיות ng של התגובה המיידית של החרקים לנוע בחופשיות באוויר. מידע זה אינו זמין בתנאים קשורים 11,13,27-30. ההתנהגות של חרק מוגבלת בתנאים קשורים ועשויה להיות שונה מזה בטיסה חינם, דבר היכול להוביל להבנה נכונה של התנהגות חרקים. לפיכך, גירוי טיסה חינם באמצעות טכניקה זו הוא כלי חזק על תיקוף ההשערות שנשאבו ניסויים קשורים. יתר על כן, מערכת היברידית חרק-מכונה עדיפה על מלאכותי הנוכחי מתנפנף רובוטים מבחינת יכולות קטר וכוח הצריכה 13,17,31,32.

חרקים-מכונה מערכות היברידיות עשויות להחליף רובוטים מלאכותיים בעתיד כפי שהם יורשים את המבנה המורכב וגמיש ויכול קטר של חרק חי ולהפחית את זמן הייצור של תהליך הייצור. יכולות קטר שונות יכול לעזור מערכת היברידית חרקים להתקן לפעול יותרביעילות בחללים מוגבלים שכוללים שילוב של הליכה עף, למשל, במשימות הצלה. בנוסף, מערכות היברידיות חרקי מכונית יכולות לשמש ככלי לשליטת חרקים בחקלאות כפי שהוא עשוי להיות מסוגל להתמזג לתוך מושבות חרקים טבעיות ולעזור לשלוט פעילותם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Mecynorrhina torquata beetle Kingdom of Beetle Taiwan 10 g, 8 cm, pay load capacity is 30% of the body mass
Aproval of importing and using by Agri-Food and Veterinary Authority of Singapore (AVA; HS code: 01069000, product code: ALV002).
Wireless backpack stimulator Custom TI CC2431 micocontroler
The board is custom made based on the GINA board from Prof. Kris Pister’s lab. The layout of GINA board can be found at    https://openwsn.atlassian.net/wiki/display/OW/GINA
Wii Remote control Nintendo Bluetooth remote control to send the command to the operator laptop
BeetleCommander v1.8 Custom. Maharbiz group at UC Berkeley and Sato group at NTU Establish the wireless communication of the backpack and the operator laptop. Configure the stimulus parameters and log the positional data. Visualize the flight data.
GINA base station Kris Pister group at UC Berkeley TI MSP430F2618 and AT86RF231
Motion capture system VICON T160 8 cameras for a flight arena of 12.5 m x 8 m x 4 m
Motion capture system VICON T40s 12 cameras for a flight arena of 12.5 x 8 x 4 m
Micro battery Fullriver  201013HS10C  3.7V, 10 mAh
Retro reflective tape Reflexite V92-1549-010150 V92 reflective tape, silver color
PFA-Insulated Silver Wire  A-M systems 786000 127 µm bare, 177.8 µm coated, 3 mm bare silver flame exposed at tips
SMT Micro Header  SAMTEC FTSH-110-01-L-DV 0.3 mm x 6 mm, bend to make a 3 mm long slider to secure the electrode into the PCB header.
Beeswax Secure the electrodes
Dental Wax Vertex Immobilize the beetle
Insect pin ROBOZ RS-6082-30 Size  00; 0.3 mm Rod diameter; 0.03 mm tip width; 38 mm Length 
Make electrode guiding holes on cuticle
Tweezers DUMONT RS-5015 Pattern #5; .05 mm x .01 mm Tip Size; 110 mm Length
Dissecting and implantation
Scissors ROBOZ RS-5620 Vannas Micro Dissecting Spring Scissors; Straight; 3mm Cutting Edge; 0.1 mm Tip Width; 3" Overall Length 
Dissecting and implantation
Potable soldering iron DAIYO DS241 Reflow beeswax
Hotplate  CORNING PC-400D Melting beeswax and dental wax
Flourescent lamp Philips TL5 14W Light the entire flight arena with 30 panels (60 x 60 cm2). Each panel has 3 lamps.
14 W, 549 mm x 17 mm 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. Wireless Transmission of Muscle Potentials During Free Flight of a Locust. J. Exp. Biol. 185 (1), 367-373 (1993).
  2. Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. A Radiotelemetric 2-Channel Unit for Transmission of Muscle Potentials During Free Flight of the Desert Locust, Schistocerca Gregaria. J. Neurosci. Methods. 64 (1), 39-45 (1996).
  3. Ando, N., Shimoyama, I., Kanzaki, R. A Dual-Channel FM Transmitter for Acquisition of Flight Muscle Activities from the Freely Flying Hawkmoth, Agrius Convolvuli. J. Neurosci. Methods. 115 (2), 181-187 (2002).
  4. Sanchez, C. J., et al. Locomotion control of hybrid cockroach robots. J. R. Soc. Interface. 12 (105), (2015).
  5. Sato, H., et al. A cyborg beetle: insect flight control through an implantable, tetherless microsystem. IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, , 164-167 (2008).
  6. Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Balloon-Assisted Flight of Radio-Controlled Insect Biobots. IEEE Trans. Biomed. Eng. 56 (9), 2304-2307 (2009).
  7. Sato, H., et al. Remote Radio Control of Insect Flight. Front. Neurosci. 3, (2009).
  8. Daly, D. C., et al. A Pulsed UWB Receiver SoC for Insect Motion Control. IEEE J. Solid-State Circuits. 45 (1), 153-166 (2010).
  9. Maharbiz, M. M., Sato, H. Cyborg Beetles. Sci. Am. 303 (6), 94-99 (2010).
  10. Tsang, W. M., et al. Remote control of a cyborg moth using carbon nanotube-enhanced flexible neuroprosthetic probe. 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), , 39-42 (2010).
  11. Hinterwirth, A. J., et al. Wireless Stimulation of Antennal Muscles in Freely Flying Hawkmoths Leads to Flight Path Changes. PloS ONE. 7 (12), (2012).
  12. Whitmire, E., Latif, T., Bozkurt, A. Kinect-based system for automated control of terrestrial insect biobots. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013 35th Annual International Conference of the IEEE, , 1470-1473 (2013).
  13. Sato, H., et al. Deciphering the Role of a Coleopteran Steering Muscle via Free Flight Stimulation. Curr. Biol. 25 (6), 798-803 (2015).
  14. Erickson, J. C., Herrera, M., Bustamante, M., Shingiro, A., Bowen, T. Effective Stimulus Parameters for Directed Locomotion in Madagascar Hissing Cockroach Biobot. PLoS ONE. 10 (8), e0134348 (2015).
  15. Zhaolin, Y., et al. A preliminary study of motion control patterns for biorobotic spiders. Control & Automation (ICCA), 11th IEEE International Conference, , 128-132 (2014).
  16. Feng, C., Chao, Z., Hao Yu, C., Sato, H. Insect-machine hybrid robot: Insect walking control by sequential electrical stimulation of leg muscles. Robotics and Automation (ICRA), 2015 IEEE International Conference, , 4576-4582 (2015).
  17. Cao, F., et al. A Biological Micro Actuator: Graded and Closed-Loop Control of Insect Leg Motion by Electrical Stimulation of Muscles. PLoS ONE. 9 (8), e105389 (2014).
  18. Zhao, H., et al. Neuromechanism Study of Insect-Machine Interface: Flight Control by Neural Electrical Stimulation. PLoS ONE. 9 (11), e113012 (2014).
  19. Tsang, W. M., et al. Flexible Split-Ring Electrode for Insect Flight Biasing Using Multisite Neural Stimulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 57 (7), 1757-1764 (2010).
  20. Barron, A. B. Anaesthetising Drosophila for behavioural studies. J. Insect Physiol. 46 (4), 439-442 (2000).
  21. Cooper, J. E. Anesthesia, Analgesia, and Euthanasia of Invertebrates. ILAR Journal. 52 (2), 196-204 (2011).
  22. Miller, T. A. Insect neurophysiological techniques. , Springer Science & Business Media. (2012).
  23. Leary, S., et al. AVMA guidelines for the euthanasia of animals. , (2013).
  24. Heath, B., West, G., Heard, D., Caulkett, N. Mobile Inhalant Anesthesia Techniques. in Zoo Animal and Wildlife Immobilization and Anesthesia. , Blackwell Publishing Ltd. 75-80 (2008).
  25. Mischiati, M., et al. Internal models direct dragonfly interception steering. Nature. 517 (7534), 333-338 (2015).
  26. Kutsch, W., Berger, S., Kautz, H. Turning Manoeuvres in Free-Flying Locusts: Two-Channel Radio-Telemetric Transmission of Muscle Activity. J. Exp. Zoolog. Part A Comp. Exp. Biol. 299 (2), 139-150 (2003).
  27. Wang, H., Ando, N., Kanzaki, R. Active Control of Free Flight Manoeuvres in a Hawkmoth, Agrius Convolvuli. J. Exp. Biol. 211 (3), 423-432 (2008).
  28. Sato, H., Maharbiz, M. M. Recent developments in the remote radio control of insect flight. Front. Neurosci. 4, (2010).
  29. Tien Van, T., et al. Flight behavior of the rhinoceros beetle Trypoxylus dichotomus during electrical nerve stimulation. Bioinsp. Biomim. 7 (3), 036021 (2012).
  30. Sane, S. P., Dickinson, M. H. The control of flight force by a flapping wing: lift and drag production. J. Exp. Biol. 204 (15), 2607-2626 (2001).
  31. de Croon, G. C., et al. Design, aerodynamics and autonomy of the DelFly. Bioinsp. Biomim. 7 (2), 025003 (2012).
  32. Ma, K. Y., Chirarattananon, P., Fuller, S. B., Wood, R. J. Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot. Science. 340 (6132), 603-607 (2013).

Tags

Neuroscience גיליון 115 התנהגות חרקים מערכת היברידית חרק-מכונה ממשק מכונת חרקים שרירי טיסת חרקים Coleoptera גירוי טיסה חינם טלמטריה
מערכת היברידית חרקים-מכונה: רדיו שליטה מרחוק של חיפושית עפה חופשי (<em&gt; Mercynorrhina torquata</em&gt;)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vo Doan, T. T., Sato, H.… More

Vo Doan, T. T., Sato, H. Insect-machine Hybrid System: Remote Radio Control of a Freely Flying Beetle (Mercynorrhina torquata). J. Vis. Exp. (115), e54260, doi:10.3791/54260 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter