מערכת היברידית חרקים-מכונה: רדיו שליטה מרחוק של חיפושית עפה חופשי (<em&gt; Mercynorrhina torquata</em&gt;)

Summary

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.

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.

Introduction

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.

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 עם רווח לכיד תנועה של 12.5 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.

תוצאות

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 metepister...

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 ?...

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