Name: a robotic platform to study the foreflipper of the california sea lion
Uploaded: 2017-01-10T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
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The authors would like to thank the George Washington University Facilitating Fund for financial support of the project. Mr. Patel is grateful the George Washington University School of Engineering and Applied Science Summer Undergraduate Program in Engineering Research and the Undergraduate Research award for financial support. Finally, we are grateful to the GWU Center for Biomemetics and Bioinspired Engineering (COBRE) for use of facilities controlled by the center.

1.シーライオンForeflipperの標本をデジタル化<ol><li>海のライオンforeflipperの検体をスキャンします。 <ol><li>死亡した個体（ 図1a）からアシカフリッパーの標本を取得します。 注：この例では、それらはワシントンD.C.でスミソニアン動物園から入手しました</li><li> （foreflipperは、動物の体に付着する）、その基部から垂直にforeflipperがハングします。この両方は、スキャン時にフリッパーがまっすぐにすることができ、スキャンのための全面を露光します。 </li><li>スキャン約0.5mmの精度で光スキャナの構造の高解像度を用いてフリッパー、約0.1mmの誤差（ 図1B）。 </li></ol></li><li> CADソフトウェアにポイントクラウドをインポートし、面としてそれをレンダリングします。これを行うには、「開く」をクリックし、目的の.objファイルを選択します。 CADソフトウェアにファイルをインポートするには、「インポート」をクリックします。 </li><li>使用して得られた点群を操作します「押し出しカット」をクリックすると、スキャンの果肉部分（不要な部分）を切り出すことにより、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェア。次に、ロボットフリッパー（フルサイズの68％）のための適切なスケーリングを得るために、「スケール」をクリックします。元の試料（ 図2）と比較することによって十分な詳細キャプチャのフリッパーを点検。 </li><li>フリッパーの周りの金型を作成します。 <ol><li> CADソフトウェアでは、フリッパー表面の周りに周囲のボリュームを作成することにより、金型を形成するために、フリッパーの表面を使用しています。四角形を描画するには、「スケッチ」をクリックし、次にそれを完全に網羅するフリッパーの高さよりもそれを押し出すことによって矩形ブロックを押し出すことによってこれを行います。 </li><li> 「組立」をクリックして、作業領域に両方の部分（フリッパーと矩形ブロック）をインポートします。 「メイト」をクリックして、一致としてフリッパーと金型の両方の前面と上面を作ります。これは、自動的に金型内フリッパーを配置します。 </li><li>セレデザインツリーから金型とCT &#39;編集パート」をクリックします。一部が選択されると、金型内部のフリッパーの空洞を作るために「挿入&gt;特長&gt;キャビティ」をクリックします。長方形の金型の中心に線をスケッチし、同じ金型の2つの部分を形成するために、「分割」をクリックします。 </li><li>簡単フリッパー抽出のための二つの部分に周囲のボリュームを分離するために「カットパート」をクリックします。ボリュームの各半分に空洞やペグを挿入し、部品1とフリッパー金型の2つ（ 図3）として保存します。 </li><li>金型の「.SLDRPT」ファイルは、「.STL &#39;に変換します。 3Dプリンタのプロプライエタリなソフトウェアにこれらのファイルをインポートし、3Dプリント金型を生成するために、「印刷」をクリックします。 </li></ol></li></ol> 2.骨構造を設計<ol><li> （例えば、CADソフトウェアにデジタルforeflipperを開き、参照用の骨構造foreflipper海のライオンの像を得ます フィギュア英語で1、1977 19）。 </li><li> foreflipperのデジタルモデルの内側に収まるように骨の構造を模倣する三つの異なる部分を設計します。この手順では、「ベース」は近いforeflipperと「先端」のベースに一部の終わりを意味しforeflipperの先端に近い部分の終わりを指します。 <ol><li>ベースピース<ol><li>肩関節やアシカフリッパーの手首の間の距離にこの作品の長さは比例してください（測定値が測定テープを使用して得られます）。 （ 図4）を 「スケッチ」をクリックし、ベース片の形状を設計することにより、CADソフトウェアを使用してこれを行います。 </li><li> 「スケッチ」をクリックして、二つの円を描画して部分の両端のナックルを追加します。ベース片の面から所望の長さを押し出すために「ボス押し出し」をクリックします。作るために「カット押し出し」をクリックして押し出しにカットするより小さな円のスケッチをクリックします。シャフトのための部屋。このジョイントを強化するために、シャープな関節を滑らかにする「フィレ」をクリックします。 注：円の大きさは、水の水路の上にフリッパーの実装時に使用されるシャフトの大きさに依存します。この例では、小さい円の直径は、0.5インチであり、大きな円1インチです。基端部がフリッパースキンジオメトリの外に座ってされるので、ナックルの大きさは、皮膚の制約に該当しません。 </li></ol></li><li>ミドルピース<ol><li>手首関節とアシカのナックルジョ​​イント間の距離にこの作品の長さは比例してください。 「スケッチ」をクリックし、平面上（ 図4bに示すように）、所望の形状をスケッチして行います。ジオメトリが設計されると、ミドルピースの基本的な3次元形状を取得するために、「押し出し」をクリックします。入力0.1650インチとして押し出された長さ。 注：ミドルピースの所望の形状我々の実験では2.25インチの高さと1.625と0.850インチとしてそれぞれ2つの塩基の長さの台形です。 </li><li>両端にナックルを追加します。ステップ2.2.1.2で説明したようにこれを行います。押し出しカットの直径は0.125インチです。手首関節を表すヒンジを形成するために、アクセルとベース片の先端部に基端側にナックルを接続します。 注：ナックルはforeflipperのボリューム内に収まるので、それに応じ設計する必要があります。 </li><li>両側のピースの先端部に高さ約1cmの塔を追加します。 <ol><li>タワーを追加するには、「スケッチ」をクリックして、モデルのベースに長方形をスケッチします。スケッチを選択し、「ボス押し出し]をクリックしてスケッチを押し出します。この特定の場合に、タワーの厚さは0.165インチです。 </li><li> 「フィレ」をクリックし、モデルと押し出された塔の一つのエッジを選択します。これはどこの塔とBA鋭い関節を強化しますミドルピースのSEが接続されています。タワーは、皮膚の形状から突出する場合、それは大丈夫です。塔はフリッパー拍手の間に発生する力に耐えるのに十分な厚さでなければなりません。参考のため、図4を参照してください。 </li></ol></li></ol></li><li>ヒントワンピース<ol><li>ナックルジョ​​イントとアシカの最長の指の骨の先端間の距離にこの作品の長さは比例してください。 「スケッチ」をクリックし、平面上に所望の形状をスケッチして行います。ジオメトリが設計されると、先端片の基本的な3次元形状を取得するために、押し出しをクリックしてください。 </li><li>両端にナックルを追加します。ステップ2.2.1.2で説明したようにこれを行います。押し出しカットの直径は、この実験では0.125インチである車軸の直径に等しくなければなりません。ベース側のナックルはナックルジョ​​イントを表すヒンジを形成するために、車軸と、中間片の先端部に接続されます。これらのKNUのジオメトリcklesので設計に応じて、foreflipper皮膚のジオメトリ内に収まる必要があります。 </li><li>両側の片の基端部に高さ約1cmの塔を追加します。これは、ステップ2.2.2.3で説明してください。この特定の場合に、タワーの厚さは0.165インチです。タワーは、皮膚の形状から突出する場合、それは大丈夫です。塔はフリッパー拍手の間に発生する力に耐えるのに十分な厚さでなければなりません。参考のため、図5を参照してください。 </li></ol></li></ol></li></ol> 3.フリッパーを作成します<ol><li> 3Dはフリッパーのスケルトン（ベース、ミドルと先端枚）を印刷します。 「.STL &#39;にCADから「.SLDRPT&#39;ファイルを変換して、プリンタ独自のソフトウェアにインポートし、「印刷」をクリックします。 注：印刷命令がプリンタごとに異なります。 <ol><li>接着剤（エポキシ樹脂）とカーボンスレッドとミドルと先端片のナックルを強化。これを行うには、炭水化物をカット長さ0.750インチのスレッドで。 3D印刷骨構造に接着剤を適用し、ナックルを超えるスレッドを置きます。ベース片（ 図5a）に大きなナックルを補強する必要がありません。 </li><li>それぞれの底部にドリル穴は、ケブラー列（ジョイントを作動させるために使用される文字列）の直径タワー。 </li><li>車軸を使用して付け根から先端まで一緒にすべての骨片を組み立てます。 図4に示すように平らなテーブルの上にすべてのコンポーネントを配置することによってこれを行います。ベースと中間ピースを接続するには、部品のナックルを揃えると車軸を挿入します。一緒に中央の先端部分を接続するために同じ技術を使用してください。横方向（ 図5b）を移動しない車軸を確実にするために、各車軸の両端に接着剤を使用してください。 </li><li>以下の長さにプラスチックチューブをカット。 4本のチューブベースの骨片（L 1 = 8センチ）と2つのチューブミドルピース（L 2 = 6センチ）の長さの長さをカットします。 </li><li>ケヴの4枚をカットLARの文字列、長さはそれぞれ3フィート。 </li><li> L 1、チューブ、その後L 2チューブを通って1つの文字列をスライドさせます。 L 1管を通って別の文字列をスライドさせます。残りのチューブと文字列を使用してプロセスを繰り返します。 </li><li>骨構造の上にチューブを置き、一時的な位置にそれらを保持するための明確なテープを使用します。接着剤を使用して、骨の構造上にチューブを貼り付け、その後テープを取り外します。 注：チューブを配置する必要があり、重要な側面はちょうど構造体の表面にそれらを固執することである特定の位置はありません。ガイドラインとして図5cを使用してください。 </li><li>ステップ3.1.2で説明したように、先端と中間片に開けた穴を介してL 1管及びL 2チューブからケブラー文字列を通します。文字列は穴（ 図5d）を介して行われたら、小さいながらも安全な結び目を作ります。 </li></ol></li><li>フリッパーの皮膚を追加すると、最終的なフリッパーを作成します。 <ol><li>ケイの200ミリリットルを測定します上の2つの異なる容器でシリコン媒体。 </li><li>スチールボウルに両方のこれらの液体を注ぎます。簡単に注ぐと混合するための混合物にシンナーを（全混合物の重量の10％を超えない）を追加します。 </li><li> 4分 - 3のために徹底的に混合物を混合するために、スタンドミキサーを使用してください。色は、所望の視覚効果を達成するために、この段階で添加することができます。スタンドミキサーが使用できない場合は、コンテナの側面と底をこすりように注意しながら、それを混合するために泡立て器を使用しています。 </li><li>ベース部のナックルに棒を挿入し、フリッパー金型のナックルの位置に合わせます。ペグは、金型のキャビティ内に収まる場合には、骨の構造は、フリッパー金型内に完全に位置合わせされます。金型の2つの部分に押しながら、（シリコン混合物は2つの部分の間の隙間から漏れないように、このステップは重要である）を加え、圧縮のためのクランプを使用して部品を固定します。 </li><li>混合物が混合された後、慎重に一番上のナックルまでの金型にそれを注ぎます骨構造の。金型内の一番下の穴から液体の滲出は、一様に分布して得る混合物のサインです。このの開始時に、液体のさらなる流れを回避するために穴を差し込みます。金型からフリッパーロボットを削除する前に、4時間硬化する液体のままにしておきます （ 図6を参照）。 </li></ol></li></ol> 4.取り付け<ol><li>水の水路（ 図7）上にシリコンforeflipperをマウントするには、実装構造体を作成します。完成したアセンブリのCAD表現が示されています。 （ 図8）。 <ol><li> CADソフトウェアを使用して慎重に押し出されたカットでプレートを設計します。 「スケッチ」をクリックし、寸法14×19インチ（レーザーカッターの.dwgファイルを使用するように、高さは関係ありません）の四角形を描画します。このプレートを製造するためのベースとして、鋼の長方形のシートを使用してください。希望のカットを達成するために鋼製のレーザーカッターに接続されたコンピュータ上のCADソフトウェアから2次元図面をアップロードします。 注：ティsのプレートは、モータを収容し、滑車システムが機能するために、その中にカットができます。プレートの幅は、このようにそれが簡単に水路の上に板をスライドすること、水水路の幅に等しいです。配置のこのタイプは、簡単に部品を交換するための取り付けアセンブリの取り外しまたはforeflipperモデルに役立ちます。 </li><li>三角形のトラスにスライドシャフト、上にforeflipperとプーリを修正しました。 注：3-プーリーシステムは、ロッドにモータからのトルク/電力を転送するために実装されています。 </li><li>スムーズに回転する棒を助けるためにいずれかの側にベアリングを使用してください。横方向のロッドの動きを制限するには、シャフトの両端にシャフトのカラーを配置します。 </li></ol></li><li>ドライバーにジョギング機能を選択することにより、フリッパーの動きを設定します。 「アップ」ボタンを押すと、フリッパーを時計回りに回転させると「下」ボタンは、フリッパー反時計回りに回転させます。ドライバは、モータの毎分回転数を変更することが可能マニュアル20の指示に従ってシャフト。 </li><li>水に直角染料ポートを挿入し、色素システムに圧力を増加させます。染料は、単一の滑らかなフィラメントのように表示されるように水の自由流れ速度に染料の速度を調整します。染料が相互作用して生成された結果の渦で捕捉されますように、フリッパーを回転させます。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

ロボットフリッパー装置は、私たちが泳いカリフォルニアアシカの流体力学を理解することができるようになります。これは、基本的な推力生産ストローク（ &#39;拍手&#39;）、ならびに動物実験で調査することはできません非物理的な変化を含んでいます。ロボットフリッパーは、このように、実験的な汎用性のためのステップ3-フリッパー自体が目的の結果を得るために重要な-で作られて?...

科学者はアシカ水泳（エネルギー論、輸送のコスト、抗力係数、線速度と加速1-3の基本的な特性を調査しているが、我々はシステムの流体力学に関する情報が不足している。この知識がなければ、我々は潜在的な高速を制限、高機動性のエンジニアリングアプリケーション本体-尾鰭（BCF）運動モデルに4。異なる水泳のパラダイムを特徴づけることによって、私たちは水泳の静かな、ステルスフォームを有効にする可能性と特異的にものを、設計ツールのカタログを拡大したいと考えています。したがって、 、我々は5,6 foreflipperロボットアシカを使用して、カリフォルニアアシカや研究室の研究の直接観察を通じてアシカの水泳の基本的なメカニズムを研究しています。 ロボットプラットフォーム7：これを行うために、私たちは、複雑な生物学的システムを探索するのに一般的に使用される技術を使用します。いくつかの歩行研究ボット8,9を歩いて10 -have動物のいずれかの複雑な11または非常に単純化された12の機械的モデルに基づいてされて水泳の時間。研究者は、大きなパラメータ空間13-15を探索することを可能にしながら、一般的に、ロボットプラットフォームは、モデルシステムの本質を保持しています。常にシステム全体を特徴づけるものではないが、多くの機関車システムの単一のコンポーネントを分離するこれらのプラットフォームを通じて学習されています。例えば、非定常プロパルサの基本的な機能は、carangiform水泳中に尾鰭の掃引前後のように、激しくピッチングおよび/またはヒービングパネル12,16,17,18の実験調査を通じて検討されています。ここでは、その動物ベースの研究ができない方法でこの複雑な動きの特定のモードを分離することができます。推進のそれらの基本的な側面は、その後の進化が提供する生物学的な複雑さを必要としない車両の設計に使用することができます。 （Zalophus californianus）試料の生物学的スキャンから正確に導出されます。 roboflipperは、以前の研究1由来動物のの動きを再現するように作動されます。このロボットフリッパーは得ることができ、水泳アシカの流体力学的性能を調査し、動物実験、大型水生哺乳類の特により広いパラメータ空間を探索するために使用されます。

<table><tbody><tr><td>Dragon Skin 20</td><td>Smooth-on</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dragon Skin 20 medium</td><td>Smooth-on</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Object24</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer</td></tr><tr><td>Stand Mixer</td><td>Hamilton</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PKS-PRO-E-10 System</td><td>Anaheim Automation</td><td>PKS-PRO-E-10-A-LP22</td><td>Controller and Servo Motor</td></tr><tr><td>Artec Eva</td><td>Artec 3D</td><td></td><td>3D light scanner with resolution of 0.1 mm</td></tr><tr><td>Artec Spider</td><td>Artec 3D</td><td></td><td>3D light scanner with resolution of 0.5 mm</td></tr><tr><td>Steel plate</td><td>Mcmaster</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Carbon Tow</td><td>Fibreglast</td><td>2393-A</td><td></td></tr><tr><td>Hardened Precision 440C Stainless Steel Shaft</td><td>Mcmaster</td><td>6253K49</td><td></td></tr><tr><td>Tygon PVC Clear Tubing</td><td>Mcmaster</td><td>6546T23</td><td></td></tr><tr><td>Kevlar Thread</td><td>Mcmaster</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

a robotic platform to study the foreflipper of the california sea lion

カリフォルニアアシカ（Zalophusのcalifornianus）は 、機敏で強力なスイマーです。多くの成功したスイマー（イルカ、マグロ）とは異なり、彼らは大きなforeflippersとの推力の大部分を生成します。このプロトコルは、水泳カリフォルニアアシカ（Zalophusのcalifornianus）の流体力学的性能を研究するために設計されたロボットプラットフォームについて説明します。ロボットはその推進ストローク（ &#39;拍手&#39;）の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。アシカの推進ストロークの運動学は、スミソニアン動物園（SNZ）でマークされていない、非研究アシカの映像データから抽出されています。これらのデータは、ここに提示ロボットフリッパーの作動運動の基礎を形成します。ロボットフリッパーの形状は、フルスケールのフリッパーの約60％に縮小成人女性アシカのforeflipperの高解像度でのレーザスキャンをベースにしています。関節式モデルは、3 Jを持っていますoints、アシカforeflipperの肘、手首とナックルジョ​​イントを模倣します。残りの部分から加速時ロボットプラットフォームは、力学特性、レイノルズ数とチップ速度の動物と一致します。ロボットフリッパーは、性能（力およびモーメント）を加え、得られた流れ場を決定することができます。

上記のプロセスは、カリフォルニアアシカforeflipperのロボットモデルを生成します。モデルは、2つの異なる方法で使用することができます。一つはrootのみ（ 図 6a）でフリッパーを作動させることによってです。この場合、駆動モータは、第一関節の回転速度を設定したが、フリッパーの結果として生じる動きは、可撓性フリッパおよび周囲?...

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A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

ロボットプラットフォームは、流体力学的性能-力と水泳カリフォルニアアシカ-の流れ場を研究するために使用されることが記載されています。ロボットはその推進ストローク（ &#39;拍手&#39;）の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

7.9K ビュー.  The George Washington University. ロボットプラットフォームは、流体力学的性能-力と水泳カリフォルニアアシカ-の流れ場を研究するために使用されることが記載されています。ロボットはその推進ストローク（ '拍手'）の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。 

ビデオ: A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

A Novel Method for Assessing Proximal and Distal Forelimb Function in the Rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) Forelimb Scale

Several experimental models of cervical spinal cord injury (SCI) have been developed recently to assess the consequences of damage to this level of the spinal cord (Pearse et al., 2005, Gensel et al., 2006, Anderson et al., 2009), as the majority of human SCI occur here (Young, 2010; www.sci-info-pages.com). Behavioral deficits include loss of forelimb function due to damage to the white matter affecting both descending motor and ascending sensory systems, and to the gray matter containing the segmental circuitry for processing sensory input and motor output for the forelimb. Additionally, a key priority for human patients with cervical SCI is restoration of hand/arm function (Anderson, 2004). Thus, outcome measures that assess both proximal and distal forelimb function are needed. Although there are several behavioral assays that are sensitive to different aspects of forelimb recovery in experimental models of cervical SCI (Girgis et al., 2007, Gensel et al., 2006, Ballerman et al., 2001, Metz and Whishaw, 2000, Bertelli and Mira, 1993, Montoya et al., 1991, Whishaw and Pellis, 1990), few techniques provide detailed information on the recovery of fine motor control and digit movement.
The current measurement technique, the Irvine, Beatties and Bresnahan forelimb scale (IBB), can detect recovery of both proximal and distal forelimb function including digit movements during a naturally occurring behavior that does not require extensive training or deprivation to enhance motivation. The IBB was generated by observing recovery after a unilateral C6 SCI, and involves video recording of animals eating two differently shaped cereals (spherical and doughnut) of a consistent size. These videos were then used to assess features of forelimb use, such as joint position, object support, digit movement and grasping technique.
The IBB, like other forelimb behavioral tasks, shows a consistent pattern of recovery that is sensitive to injury severity. Furthermore, the IBB scale could be used to assess recovery following other types of injury that impact normal forelimb function.

A Novel Method for Assessing Proximal and Distal Forelimb Function in the Rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan IBB Forelimb Scale

Here we will describe a rodent behavioral assay that can detect recovery of both proximal and distal forelimb function including digit movements during a naturally occurring behavior that does not require extensive training or deprivation to enhance motivation.

ラットの近位および遠位前肢の機能を評価するための新手法：アーバイン、ビーティーズやブレスナハン（IBB）前肢のスケール

Several experimental models of cervical spinal cord injury (SCI) have been developed recently to assess the consequences of damage to this level of the ...

神経科学

Flat-floored Air-lifted Platform: A New Method for Combining Behavior with Microscopy or Electrophysiology on Awake Freely Moving Rodents

It is widely acknowledged that the use of general anesthetics can undermine the relevance of electrophysiological or microscopical data obtained from a living animal&#8217;s brain. Moreover, the lengthy recovery from anesthesia limits the frequency of repeated recording/imaging episodes in longitudinal studies. Hence, new methods that would allow stable recordings from non-anesthetized behaving mice are expected to advance the fields of cellular and cognitive neurosciences. Existing solutions range from mere physical restraint to more sophisticated approaches, such as linear and spherical treadmills used in combination with computer-generated virtual reality. Here, a novel method is described where a head-fixed mouse can move around an air-lifted mobile homecage and explore its environment under stress-free conditions. This method allows researchers to perform behavioral tests (e.g., learning, habituation or novel object recognition) simultaneously with two-photon microscopic imaging and/or patch-clamp recordings, all combined in a single experiment. This video-article describes the use of the awake animal head fixation device (mobile homecage), demonstrates the procedures of animal habituation, and exemplifies a number of possible applications of the method.

This method creates a tangible, familiar environment for the mouse to navigate and explore during microscopic imaging or single-cell electrophysiological recordings, which require firm fixation of the animal&#8217;s head.

フラットの床の空輸プラットフォーム：げっ歯類の移動自由アウェイクに顕微鏡または電気生理学と行動を組み合わせるための新しい方法

It is widely acknowledged that the use of general anesthetics can undermine the relevance of electrophysiological or microscopical data obtained from a ...

行動学

Automated Interactive Video Playback for Studies of Animal Communication

Video playback is a widely-used technique for the controlled manipulation and presentation of visual signals in animal communication. In particular, parameter-based computer animation offers the opportunity to independently manipulate any number of behavioral, morphological, or spectral characteristics in the context of realistic, moving images of animals on screen. A major limitation of conventional playback, however, is that the visual stimulus lacks the ability to interact with the live animal. Borrowing from video-game technology, we have created an automated, interactive system for video playback that controls animations in response to real-time signals from a video tracking system. We demonstrated this method by conducting mate-choice trials on female swordtail fish, Xiphophorus birchmanni. Females were given a simultaneous choice between a courting male conspecific and a courting male heterospecific (X. malinche) on opposite sides of an aquarium. The virtual male stimulus was programmed to track the horizontal position of the female, as courting males do in the wild. Mate-choice trials on wild-caught X. birchmanni females were used to validate the prototype's ability to effectively generate a realistic visual stimulus.

Video playback is a widely used technique in animal behavior. We created and evaluated a program that applies rules-based, interactive playback of 3-D computer animations in response to real-time, automated data on subject behavior.

アニマルコミュニケーションの研究のための自動化されたインタラクティブなビデオ再生

Video playback is a widely-used technique for the controlled manipulation and presentation of visual signals in animal communication. In particular, ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

An In Vitro Preparation for Eliciting and Recording Feeding Motor Programs with Physiological Movements in Aplysia californica

Multifunctionality, the ability of one peripheral structure to generate multiple, distinct behaviors1, allows animals to rapidly adapt their behaviors to changing environments. The marine mollusk Aplysia californica provides a tractable system for the study of multifunctionality. During feeding, Aplysia generates several distinct types of behaviors using the same feeding apparatus, the buccal mass. The ganglia that control these behaviors contain a number of large, identified neurons that are accessible to electrophysiological study. The activity of these neurons has been described in motor programs that can be divided into two types, ingestive and egestive programs, based on the timing of neural activity that closes the food grasper relative to the neural activity that protracts or retracts the grasper2. However, in isolated ganglia, the muscle movements that would produce these behaviors are absent, making it harder to be certain whether the motor programs observed are correlates of real behaviors. In vivo, nerve and muscle recordings have been obtained corresponding to feeding programs2,3,4, but it is very difficult to directly record from individual neurons5. Additionally, in vivo, ingestive programs can be further divided into bites and swallows1,2, a distinction that is difficult to make in most previously described in vitro preparations.
The suspended buccal mass preparation (Figure 1) bridges the gap between isolated ganglia and intact animals. In this preparation, ingestive behaviors - including both biting and swallowing - and egestive behaviors (rejection) can be elicited, at the same time as individual neurons can be recorded from and stimulated using extracellular electrodes6. The feeding movements associated with these different behaviors can be recorded, quantified, and related directly to the motor programs. The motor programs in the suspended buccal mass preparation appear to be more similar to those observed in vivo than are motor programs elicited in isolated ganglia. Thus, the motor programs in this preparation can be more directly related to in vivo behavior; at the same time, individual neurons are more accessible to recording and stimulation than in intact animals. Additionally, as an intermediate step between isolated ganglia and intact animals, findings from the suspended buccal mass can aid in interpretation of data obtained in both more reduced and more intact settings. The suspended buccal mass preparation is a useful tool for characterizing the neural control of multifunctionality in Aplysia.

An In Vitro Preparation for Eliciting and Recording Feeding Motor Programs with Physiological Movements in Aplysia californica

We describe a technique to extracellularly record and stimulate from nerves, muscles, and individual identified neurons in vitro while eliciting and observing different types of feeding behaviors in the feeding apparatus of Aplysia.

アン<em&gt; in vitroで</em生理的動きと送りモータプログラムを引き出すと録音用&gt;準備<em&gt;アメフラシカリフォルニ</em

Multifunctionality, the ability of one peripheral  structure to generate multiple, distinct behaviors1, allows animals  to rapidly adapt their behaviors ...

Recordings of Neural Circuit Activation in Freely Behaving Animals

The relationship between patterns of neural activity and corresponding behavioral expression is difficult to establish in unrestrained animals. Traditional non-invasive methods require at least partially restrained research subjects, and they only allow identification of large numbers of simultaneously activated neurons. On the other hand, small ensembles of neurons or individual neurons can only be measured using single-cell recordings obtained from largely reduced preparations. Since the expression of natural behavior is limited in restrained and dissected animals, the underlying neural mechanisms that control such behavior are difficult to identify. 
Here, I present a non-invasive physiological technique that allows measuring neural circuit activation in freely behaving animals. Using a pair of wire electrodes inside a water-filled chamber, the bath electrodes record neural and muscular field potentials generated by juvenile crayfish during natural or experimentally evoked escape responses. The primary escape responses of crayfish are mediated by three different types of tail-flips which move the animals away from the point of stimulation. Each type of tail-flip is controlled by its own neural circuit; the two fastest and most powerful escape responses require activation of different sets of large &#8220;command&#8221; neurons. In combination with behavioral observations, the bath electrode recordings allow unambiguous identification of these neurons and the associated neural circuits. Thus activity of neural circuitry underlying naturally occurring behavior can be measured in unrestrained animals and in different behavioral contexts.

Non-invasive measurements of neural activity patterns in freely behaving animals are obtained by combining neurophysiological recordings with high speed videography.

自由に動物を振る舞うの神経回路のアクティベーションの記録

The relationship between patterns of neural activity and corresponding behavioral expression is difficult to establish in unrestrained animals. ...

生物学

Automated Rat Single-Pellet Reaching with 3-Dimensional Reconstruction of Paw and Digit Trajectories

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the behavior. Several automated versions of skilled reaching have been developed recently. Here, we describe a version that automatically presents pellets to rats while recording high-definition video from multiple angles at high frame rates (300 fps). The paw and individual digits are tracked with DeepLabCut, a machine learning algorithm for markerless pose estimation. This system can also be synchronized with physiological recordings, or be used to trigger physiologic interventions (e.g., electrical or optical stimulation).

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the behavior. We describe an automated version of skilled reaching with motion tracking and three-dimensional reconstruction of reach trajectories.

足と数字軌道の3次元再構成で到達する自動化されたラットシングルペレット

Rodent skilled reaching is commonly used to study dexterous skills, but requires significant time and effort to implement the task and analyze the ...

Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living components. Due to their inherent advantages, biorobots are gaining interest as alternatives to traditional fully artificial robots. Various studies have focused on harnessing the power of biological actuators, but only recently studies have quantitatively characterized the performance of biorobots and studied their geometry to enhance functionality and efficiency. Here, we demonstrate the development of a self-stabilizing swimming biorobot that can maintain its pitch, depth, and roll without external intervention. The design and fabrication of the PDMS scaffold for the biological actuator and biorobot followed by the functionalization with fibronectin is described in this first part. In the second part of this two-part article, we detail the incorporation of cardiomyocytes and characterize the biological actuator and biorobot function. Both incorporate a base and tail (cantilever) which produce fin-based propulsion. The tail is constructed with soft lithography techniques using PDMS and laser engraving. After incorporating the tail with the device base, it is functionalized with a cell adhesive protein and seeded confluently with cardiomyocytes. The base of the biological actuator consists of a solid PDMS block with a central glass bead (acts as a weight). The base of the biorobot consists of two composite PDMS materials, Ni-PDMS and microballoon-PDMS (MB-PDMS). The nickel powder (in Ni-PDMS) allows magnetic control of the biorobot during cells seeding and stability during locomotion. Microballoons (in MB-PDMS) decrease the density of MB-PDMS, and enable the biorobot to float and swim steadily. The use of these two materials with different mass densities, enabled precise control over the weight distribution to ensure a positive restoration force at any angle of the biorobot. This technique produces a magnetically controlled self-stabilizing swimming biorobot.

In this two-part study, a biological actuator was developed using highly flexible polydimethylsiloxane (PDMS) cantilevers and living muscle cells (cardiomyocytes), and characterized. The biological actuator was incorporated with a base made of modified PDMS materials to build a self-stabilizing, swimming biorobot.

心筋細胞ベースのアクチュエータおよび自己安定化バイオロゴ - パート1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

生物工学

Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and stealth capabilities in unmanned vehicle systems. Soft materials used in the membranes of these fin mechanisms have proven effective at increasing thrust and efficiency compared with more rigid structures, but it is essential to measure and model the deformations in these soft membranes accurately. This study presents a workflow for characterizing the time-dependent shape deformation of flexible underwater flapping fins using planar laser-induced fluorescence (PLIF). Pigmented polydimethylsiloxane fin membranes with varying stiffnesses (0.38 MPa and 0.82 MPa) are fabricated and mounted to an assembly for actuation in two degrees of freedom: pitch and roll. PLIF images are acquired across a range of spanwise planes, processed to obtain fin deformation profiles, and combined to reconstruct time-varying 3D deformed fin shapes. The data are then used to provide high-fidelity validation for fluid-structure interaction simulations and improve the understanding of the performance of these complex propulsion systems.

The present protocol involves the measurement and characterization of 3D shape deformation in underwater flapping fins built with polydimethylsiloxane (PDMS) materials. Accurate reconstruction of these deformations is essential for understanding the propulsive performance of compliant flapping fins.

平面レーザー誘起蛍光イメージングを用いたフラップソフトフィン変形モデリング

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and ...