Insect-Maschine Hybridsystem: Remote Radio Control eines frei fliegenden Käfer (<em&gt; Mercynorrhina torquata</em&gt;)

Zusammenfassung

This protocol describes the process of constructing an insect-machine hybrid system and carrying out wireless electrical stimulation of the flight muscles required to control the turning motion of a flying insect.

Zusammenfassung

Der Aufstieg von Radio-fähige digitale elektronische Geräte hat für die Untersuchung im Flug Insekten Verhalten die Verwendung von kleinen drahtlosen neuromuskuläre Recordern und Stimulatoren aufgefordert. Diese Technologie ermöglicht die Entwicklung eines insekten Maschine Hybridsystem einen lebenden Insekts Plattform in diesem Protokoll beschrieben ist. Darüber hinaus stellt dieses Protokoll, um die Systemkonfiguration und Freiflugversuchsverfahren für die Funktion der Flugmuskeln in einem untethered Insekt zu bewerten. Zur Demonstration, gezielte wir die dritte axillären sclerite (3Ax) Muskel zu kontrollieren und nach links oder rechts Drehen eines fliegenden Käfer erreichen. Eine dünne Silberdrahtelektrode wurde auf der 3Ax Muskel auf jeder Seite des Käfers implantiert. Diese verbunden wurden an die Ausgänge eines drahtlosen Rucksack (dh einer neuromuskulären elektrischen Stimulator) , montiert auf dem Halsschild des Käfers. Der Muskel wurde in freiem Flug stimuliert durch die Stimulationsseite alternierend (links oder rechts) oder Verändern der stimulation Frequenz. Der Käfer wandte sich an der ipsilateralen Seite, wenn der Muskel wurde ein abgestuftes Reaktion auf eine Erhöhung der Frequenz angeregt und ausgestellt. Der Implantationsprozess und Volumenkalibrierung der 3-dimensionale Bewegungserfassungskamerasystem müssen mit Sorgfalt durchgeführt werden, um den Muskel nicht beschädigt wird und die Spur des Markers zu verlieren, respectively. Diese Methode ist sehr vorteilhaft Insektenflug zu studieren, da sie die Funktionen des Flugmuskel von Interesse im freien Flug zu offenbaren hilft.

Einleitung

An insect-machine hybrid system, often referred to as a cyborg insect or biobot, is the fusion of a living insect platform with a miniature mounted electronic device. The electronic device, which is wirelessly commanded by a remote user, outputs an electrical signal to electrically stimulate neuromuscular sites in the insect via implanted wire electrodes to induce user desired motor actions and behaviors. In the early stages of this research field, researchers were limited to conducting wireless recording of the muscular action of an insect, using simple analog circuits comprised of surface-mounted components^1-3. The development of system-on-a-chip technology with radio frequency functionality enabled not only the wireless recording of neuromuscular signals but also the electrical stimulation of the neuromuscular sites in living insects. At present, a built-in radio microcontroller is small enough to be mounted on living insects without causing any obstructions to their locomotion^4-13.

The development of the built-in radio microcontroller allows researchers to determine electrical stimulation protocols to induce desired motor actions to control the locomotion of the insect of interest. On the ground, researchers have demonstrated walking control by stimulating the neuromuscular sites of cockroaches^4,12,14, spiders¹⁵, and beetles^16,17. In the air, the initiation and cessation of flight were achieved using different methods such as the stimulation of the optic lobes (the massive neural cluster of a compound eye) in beetles^7,9 and brain sub-regions in bees¹⁸, whereas turning control has been demonstrated by stimulating the antennae muscles and nervous system of the abdomens in moths^11,19 and the flight muscles of beetles^7,9,13. In most cases, a built-in radio microcontroller was integrated on a custom-designed printed circuit board to produce a miniature wireless stimulator (backpack), which was mounted on the insect of interest. This allows wireless electrical stimulation to be applied to a freely walking or flying insect. Such a microcontroller-mounted insect is what is referred to as an insect-machine hybrid system.

This study describes the experimental protocols for building an insect-machine hybrid system, wherein a living beetle is employed as the insect platform, and instructs on how to operate the robot and test its flight control systems. The third axillary sclerite (3Ax) muscle was chosen as the muscle of interest for electrical stimulation and demonstration of left or right turning control¹³. A pair of thin silver wire electrodes was implanted in both the left and right 3Ax muscles. Moreover, a backpack was mounted on the living beetle. The other ends of the wire electrode were connected to the output pins of the microcontroller. The backpack was small enough for the beetle to carry in flight. Thus, this allows an experimentalist to remotely stimulate the muscle of interest of an insect in free flight and investigate its reactions to the stimulations.

Protokoll

1. Studie Tier

1. Hinten einzelnen Mecynorrhina torquata Käfer (6 cm, 8 g) in getrennten Kunststoffbehälter mit Holzpellet-Bettwäsche.
2. Ziehen Sie jedem Käfer eine Tasse Zucker Gelee (12 ml) alle 3 Tage.
3. Halten Sie die Temperatur und die Feuchtigkeit der Aufzuchtraum bei 25 ° C und 60% betragen.
4. Testen Sie die Flugfähigkeit eines jeden Käfer vor dünnen Drahtelektroden implantiert wird.
   1. Werfen Sie vorsichtig mit einem Käfer in die Luft. Wenn der Käfer für länger als 10 Sekunden für 5 aufeinander folgenden Studien fliegen können, schließen, dass die Käfer regelmäßige Flugeigenschaften und verwenden es für nachfolgende Flugexperimente hat. Zurückzuerobern den Käfer, schalten alle Lichter im Raum ab, um es dunkel machen. Dies bewirkt, dass der Käfer Flug zu beenden.
      Hinweis: Ein Käfer spontan, wenn sie in die Luft freigesetzt, weg zu fliegen beginnt. Es ist besser , die Flugversuche in einem großen geschlossenen Raum wie die in 1 (16 x 8 x 4 m gezeigt durchzuführen ^{3 mit einer Motion - Capture - Raum von 12,5 x 8 x 4 m 3), eine fliegende Käfer bewegt sich sehr schnell (ca. 3-5 m / sec) und große Bögen zieht , wenn in der Luft drehen.}

2. Elektrodenimplantation

1. Anästhesieren den Käfer , indem er in einen Kunststoffbehälter gefüllt mit CO ₂ für 1 min ^13,16,20-24 platzieren.
2. Dentalwachs erweichen, indem sie in heißes Wasser für 10 sec eingetaucht wird. Platzieren Sie den narkotisierten Käfer auf einem Holzblock und immobilisieren sie mit dem erweichten Dentalwachs. Das Dentalwachs kühlt natürlich und verfestigt sich innerhalb von wenigen Minuten.
3. Cut isolierte Silberdrähte (127 & mgr; m blank Durchmesser, 178 & mgr; m Durchmesser, wenn sie mit Perfluoralkoxy beschichtet) in Längen von 25 mm als dünne Drahtelektroden für die Implantation zu verwenden.
4. Expose 3 mm blanke Silber durch den Isolator an beiden Enden jedes Drahtes flammend.
5. Präparieren Sie die Oberfläche der Kutikula des Käfers mit einem spitzen Schere mit einem sma zu erstellenll Fenster von ungefähr 4 x 4 mm auf der metepisternum (Abbildung 2c). Hinweis: Eine weiche braun gefärbte Kutikula wird dann belichtet, wie in den 2c gezeigt - e. Der 3Ax Muskel unterhalb der weichen Nagelhaut entfernt.
6. Pierce zwei Löcher auf der freiliegenden braun Kutikula mit einem Insektenstift (Größe 00) mit einem Abstand von 2 mm zwischen den beiden Löchern (Figur 2d).
7. Legen Sie zwei Drahtelektroden (einschließlich eine aktive und eine Rückelektroden hergestellt in Schritt 2.4) vorsichtig durch die Löcher und implantieren sie in jedem 3Ax Muskel in einer Tiefe von 3 mm.
8. Sichern Sie sich die implantierten Elektroden und halten sie an ihrem Platz zu vermeiden, Kontakt und Kurzschlüsse durch geschmolzenes Bienenwachs fallen auf die Löcher. Bei Bedarf umfließen das Bienenwachs über die Kutikula durch das Bienenwachs mit der Spitze eines heißen Lötkolben zu berühren. Das Bienenwachs erstarrt schnell und verstärkt die Implantation.
   Hinweis: Um zu überprüfen, ob die Implantation richtig ist, die elytra der Rübele kann die Bewegung des 3Ax Muskel während der elektrischen Stimulation zu beobachten angehoben werden.

3. Wireless-Rucksack Assembly

Hinweis: Der Rucksack besteht aus einem eingebauten Radio - Mikrocontroller auf einem 4 geschichteten FR-4 - Board (1,6 x 1,6 cm ^2). Der Rucksack wurde von einem Lithium-Polymer-Mikro (3,7 V, 350 mg, 10 mAh) angetrieben. Die Gesamtmasse des Rucksacks einschließlich der Batterie betrug 1,2 ± 0,26 g, die weniger als die Nutzlast des Käfers (30% von 10 g Körpergewicht) ist. Der Rucksack wurde vorprogrammierte drahtlose Kommunikation zu empfangen und hatte zwei Ausgangskanäle.

1. Reinigen Sie die Pronotums Oberfläche (entfernen Sie die Wachsschicht auf der Kutikula) unter Verwendung von doppelseitigen Klebeband. Dann befestigen Sie den Rucksack auf dem Halsschild des Käfers mit einem Stück doppelseitiges Klebeband.
2. Verbinden der Enden der implantierten Elektroden mit den Ausgängen des Rucksacks.
3. Wickeln Sie retroreflektierende Band um die Mikrobatterie eine Markierung zu erzeugen, for Motion-Capture-Kameras zu erfassen.
4. Bringen Sie den Mikrobatterie an die Spitze des Rucksacks ein Stück doppelseitiges Klebeband, so dass die retroreflektierende Band kann durch Motion-Capture-Kameras erfasst werden.

4. Wireless Control System

Hinweis: In diesem Fall wird der Begriff drahtlose Steuersystem umfasst einen Empfänger für die Fernbedienung, ein Laptop-Computer den benutzerdefinierten Flugsteuerungssoftware, eine Basisstation, der Rucksack und die Motion-Capture-System auszuführen.

1. Schließen Sie die Basisstation und Empfänger der Fernbedienung auf den Laptop-Computer über USB-Anschlüsse.
2. Schalten Sie das Motion-Capture-System und verbinden Sie es mit dem Laptop-Computer über einen Ethernet-Anschluss.
3. Führen Volumenkalibrierung durch den Kalibrierungsstab winken (vom Hersteller Unternehmen der Motion-Capture-System zur Verfügung gestellt), um voll und ganz die Motion-Capture-Raum abdecken.
   1. Öffnen Sie die Motion-Capture-Software auf dem Desktop des Laptops. Klicken und drag auswählen, um alle Kameras auf dem Menü "System" der "Ressourcen" Panel.
   2. Klicken Sie auf das "3D-Perspektive" und wählen Sie "Kamera", um die Kamera-Ansicht zu ändern. Klicken Sie auf die "Kamera" auf die Registerkarte "Tools" Panel die Kalibrierung Setup zu zeigen. Klicken Sie auf "Start" auf "Create Kamera Masken" Menü Lärm von den Kameras zu beseitigen und dann "Stop", nachdem das Rauschen in Blau maskiert.
   3. Klicken Sie auf und wählen Sie "5 Marker Wand & L-Frame" von der "Wand" Menü und die "L-Frame" Menü auf der "Kamera" aus. Stellen Sie die "Wand Count" auf 2.500, klicken Sie auf "Start" auf dem "Kalibrieren Kameras" Menü und Welle der Kalibrierungsstab durch die gesamte Motion-Capture-Raum. Der Kalibrierungsvorgang stoppt, wenn der Stab Zahl 2500 erreicht.
   4. Wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess, wenn die Bildfehler (am unteren Rand der "Kamera" Register des Panels "Tools") höher als 0,3 foder jede Kamera. Nach dem Kalibrieren legte den Stab auf dem Boden in der Mitte des Motion-Capture-Raum und klicken Sie auf "Start" auf "Set Volume Origin" Menü den Ursprung des Motion-Capture-Raum zu setzen.
4. Überprüfen Sie die Abdeckung des Motion-Capture-System einen Dummy-Test mit dem Bewegungspfad eines Markers durch einen Benutzer in der Motion-Capture-Raum schwenkte aufzeichnen und bestätigen, ob der Marker erkannt und verfolgt. Wenn der Marker häufig während der Erfassung, wiederholen Volumenkalibrierung verloren geht, bis der Dummy-Test erfolgreich ist.
   1. Klicken Sie auf die "Aufnahme" auf die Registerkarte "Tools" Panel und dann auf "Start" auf der "Aufnahme" Menü, bevor Sie die Probe Marker durch die gesamte Motion-Capture-Raum winken seine Bahn aufzunehmen.
   2. Nach der Aufzeichnung klicken Sie auf "Führt die Reconstruct Pipeline", die Positionen der Marker zu rekonstruieren und die Qualität der Aufnahme überprüfen.
5. Verbinden Sie die Anschlüsse des microbattery (an dem Rucksack in Schritt 3.4) zu den Power-Pins des Rucksacks.
6. Testen Sie die drahtlose Kommunikation zwischen dem Laptop und dem Rucksack die benutzerdefinierte Flugsteuerungssoftware. Klicken Sie auf den "Start" Befehl auf der Software und überprüfen Sie die angezeigten Verbindungsstatus.

5. Free Flight Experiment

1. Führen Sie den freien Flug Experiment in einem Flug Arena messen 16 x 8 x 4 m ^3.
2. Geben Sie die entsprechenden Parameter für die Flugsteuerungssoftware (Spannung, Impulsbreite, Frequenz und Stimulationsdauer). Anmerkung: Zur Demonstration, fixiert wir die Spannung auf 3 V, Pulsbreite 3 ms und Stimulationsdauer 1 sec und variiert die Frequenz von 60 bis 100 Hz.
   1. Auf der Software-Bildschirm, Typ 3 für 3 V in der "Spannung" Feld 1000 für 1.000 ms in der "Stimulation Dauer" Box, 3 für 3 ms im "Pulse Width" Feld und einer gewünschten Frequenz in Hz im " Frequency "Box on das Befehlsfenster.
3. Lassen Sie den Rucksack montierte Käfer in die Luft durch die frei im Flug Arena zu fliegen. Sie manuell die Stimulation auslösen, wenn der Käfer den Raum Motion-Capture eintritt. Drücken Sie die entsprechende Befehlstaste (links oder rechts) auf der Fernbedienung, um den Zielmuskel auf der linken oder rechten Seite des Käfers zu stimulieren.
   Hinweis: Sobald die Taste gedrückt wird, erzeugt der Flugsteuerungssoftware auf dem Laptop den Befehl und sendet sie an den Rucksack. Der Rucksack gibt dann den elektrischen Reiz auf den Muskel von Interesse (links oder rechts).
4. Beachten Sie die Reaktion des Käfers in Echtzeit während der Stimulation und rekonstruieren die Daten mit 3D-Grafik-Software.
   1. Wählen Sie eine der Studien in der Datenliste des "Beetle Display" Fenster aufgezeichnet und klicken Sie auf "Export Panda", um die Daten dieser Studie auf die Analyse-Ordner kopieren und das 3D-Grafik-Modul ausgeführt werden.
   2. Drücken Sie auf "N" aufdie Tastatur, um das Reizsignal mit der aufgezeichneten Bewegungsbahn zu verbinden. Drücken Sie I mit den markierten Stimulationsperioden, die Flugbahn des Käfers zu zeigen.

Ergebnisse

Die Elektrodenimplantationsverfahren ist in Figur 2 dargestellt dünne Silberdrahtelektroden wurden in die 3Ax Muskel des Käfers durch kleine Löcher auf der weichen Kutikula auf den Muskel (Abbildungen 2d - e) durchbohrt implantiert.. Diese weiche Nagelhaut wird knapp über dem apodema des basalar Muskel gefunden , nachdem der vordere Teil des metepisternum Entfernen (Figuren 2d - c). Die Elektroden wu...

Diskussion

Der Implantationsprozess ist wichtig, da es die Zuverlässigkeit des Experiments beeinflusst. Die Elektroden sollten in einer Tiefe von 3 mm oder weniger in den Muskel eingesetzt werden, abhängig von der Größe des Käfers (Vermeidung von Kontakt mit dem nahe gelegenen Muskeln). Wenn die Elektroden, die in der Nähe Muskeln, unerwünschte motorische Handlungen und Verhaltensweisen berühren auftreten können, auf die Kontraktion der Muskeln in der Nähe zurückzuführen ist. Die beiden Elektroden sollte gut ausgericht...

Materialien

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