Insect-máquina Sistema Híbrido: Controle de rádio remoto de um Beetle Livremente Aeronáutica (<em&gt; Torquata Mercynorrhina</em&gt;)

Resumo

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.

Resumo

A ascensão de aparelhos eletrônicos digitais habilitados para rádio fez com que o uso de pequenos gravadores neuromusculares sem fio e estimuladores para estudar o comportamento de insetos em voo. Esta tecnologia permite o desenvolvimento de um sistema híbrido de inseto-máquina, utilizando uma plataforma de insetos vivendo descrito neste protocolo. Além disso, este protocolo apresenta a configuração do sistema e procedimentos experimentais de vôo livre para avaliar a função dos músculos do vôo em um inseto untethered. Para demonstração, alvo do músculo terceira axilar sclerite (3AX) para controlar e conseguir virar à esquerda ou à direita de um besouro voando. Um eléctrodo de fio de prata fina foi implantado no músculo 3ax em cada lado do besouro. Estes foram ligados às saídas de uma mochila sem fio (isto é, um estimulador eléctrico neuromuscular) montado no pronotum do besouro. O músculo foi estimulado em vôo livre, alternando o lado estimulação (esquerda ou direita) ou variando a stimulatiofrequência n. O besouro virado para o lado ipsilateral quando o músculo foi estimulado e exibiu uma resposta gradual para uma frequência cada vez maior. O processo de implantação e calibragem do volume do movimento sistema de câmera captura 3 dimensional precisa ser realizada com cuidado para evitar danos ao músculo e perder de vista o marcador, respectivamente. Este método é altamente benéfico para estudar vôo de insetos, uma vez que ajuda a revelar as funções do músculo do vôo de interesse em vôo livre.

Introdução

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.

Protocolo

1. animal Estudo

1. besouros traseiros individuais Mecynorrhina torquata (6 cm, 8 g) em recipientes de plástico separados com cama de aglomerados de madeira.
2. Alimentar cada besouro um copo de geléia de açúcar (12 ml) a cada 3 dias.
3. Manter a temperatura e humidade da sala de criação, a 25 ° C e 60%, respectivamente.
4. Testar a capacidade de vôo de cada besouro antes de implantar eletrodos de arame fino.
   1. Gentilmente jogar um besouro no ar. Se o besouro pode voar por mais de 10 segundos para 5 ensaios consecutivos, concluir que o besouro tem capacidades aéreas regulares e empregá-lo para experimentos voo seguinte. Para recuperar o besouro, desligar todas as luzes da sala para torná-lo escuro. Isso faz com que o besouro para terminar o vôo.
      Nota: Um besouro espontaneamente começa a voar para longe quando liberado no ar. É preferível realizar as experiências de voo numa sala fechada, tal como a mostrada na Figura 1 (16 x 8 x 4 m ^{3 com um espaço de captura de movimento de 12,5 x 8 x 4 m 3), com um vôo movimentos besouro muito rápido (aproximadamente 3-5 m / s) e atrai grandes arcos ao girar no ar.}

2. Eletrodo Implantação

1. Anestesiar o besouro, colocando-o em um recipiente de plástico cheio com CO ₂ durante 1 min ^13,16,20-24.
2. Amaciar a cera dental por imersão em água quente por 10 seg. Coloque o besouro anestesiados em um bloco de madeira e imobilizá-lo com a cera dental amolecida. A cera dental naturalmente esfria e se solidifica dentro de alguns minutos.
3. Corte fios de prata isolados (127 mm de diâmetro nua, 178 mm de diâmetro quando revestido com perfluoroalkoxy) em comprimentos de 25 mm de usar eletrodos de fio finas para implantação.
4. Expor 3 mm de prata nua por chamas do isolador em ambas as extremidades de cada fio.
5. Dissecar a superfície superior da cutícula do besouro usando uma tesoura de ponta fina para criar uma smaLL janela de cerca de 4 x 4 mm no metepisternum (Figura 2c). Nota: A cutícula de cor castanha suave é então exposta, tal como mostrado nas Figuras 2c - e. O músculo 3AX está localizado por baixo da cutícula macia.
6. Pierce dois furos na cutícula castanho expostos usando um pino de inseto (tamanho 00) com uma distância de 2 mm entre os dois furos (Figura 2D).
7. Inserir dois eléctrodos de fio (incluindo uma eléctrodos activos e um retorno, preparado no passo 2.4) cuidadosamente através dos orifícios e implantá-las em cada músculo 3ax a uma profundidade de 3 mm.
8. Fixe os eletrodos implantados e mantê-los no lugar para evitar o contato e curto-circuitos, largando cera de abelha derretida sobre os buracos. Se necessário, a cera de abelha refluir através da cutícula tocando a cera de abelha com a ponta do ferro de soldar a quente. A cera solidifica rapidamente e reforça a implantação.
   Nota: Para verificar se o implante está correto, o elytra da beterrabale pode ser levantada para observar o movimento do músculo 3ax durante a estimulação eléctrica.

3. Montagem Backpack sem fio

Nota: A mochila consistiu de um built-in microcontrolador rádio em uma em camadas placa de 4 FR-4 (1,6 x 1,6 centímetros ^2). A mochila foi impulsionado por uma micro bateria de polímero de lítio (3,7 V, 350 mg, 10 mAh). A massa total da mochila, incluindo a bateria foi de 1,2 ± 0,26 g, o qual é menor do que a capacidade de carga do besouro (30% de 10 g de peso corporal). A mochila foi pré-programado para receber comunicações sem fio e tinha dois canais de saída.

1. Limpe a superfície do pronoto (remover a camada de cera na cutícula) usando fita dupla face. Em seguida, coloque a mochila no pronotum do besouro com um pedaço de fita dupla face.
2. Conectar as extremidades dos eléctrodos implantados às saídas da mochila.
3. Enrole fita retro-reflexivo em torno do micro bateria para produzir um marcador focâmeras de captura de movimento r de detectar.
4. Anexar a microbateria para o topo da mochila utilizando um pedaço de fita adesiva de dupla face de modo que a fita retro-reflectora pode ser detectado por câmaras de captura de movimento.

4. Wireless Control System

Nota: Neste caso, o sistema de controle sem fio termo inclui um receptor para o controlador remoto, um computador portátil para executar o software de controle de vôo costume, uma estação base, a mochila, e o sistema de captura de movimento.

1. Ligue a estação base eo receptor do controle remoto para o computador portátil através de portas USB.
2. Ligue o sistema de captura de movimento e conecte-o ao computador portátil através de uma porta Ethernet.
3. Executar a calibração de volume, acenando a varinha de calibração (fornecido pela empresa fabricante do sistema de captura de movimento) para cobrir totalmente o espaço de captura de movimento.
   1. Abra o software de captura de movimento a partir do desktop do laptop. Clique e drag para selecionar todas as câmeras no menu "Sistema" do painel "Recursos".
   2. Clique no menu "Perspectiva 3D" e selecione "Camera" para mudar para a visualização da câmera. Clique na aba "Camera" no painel "Ferramentas" para mostrar o ajuste de calibração. Clique em "Iniciar" no menu "Criar Máscaras Câmera" para eliminar o ruído das câmeras e, em seguida, "Stop" após o barulho é mascarado em azul.
   3. Clique e selecione "5 Marcador Wand & L-Frame" no menu "Wand" eo menu "L-Frame" no separador "Câmara". Defina o "Contagem Wand" para 2500, clique em "Start" no menu "Câmeras Calibrar", e acenar a varinha de calibração através de todo o espaço de captura de movimento. O processo de calibração pára quando a contagem varinha atinge 2.500.
   4. Repita o processo de calibração se o erro de imagem (na parte inferior da guia "Camera" do painel "Ferramentas") é superior a 0,3 fou qualquer câmera. Depois de calibrar, coloque a varinha no chão no meio do espaço de captura de movimento e clique em "Start" no menu "Definir Origem Volume" para definir a origem do espaço de captura de movimento.
4. Verifique a cobertura do sistema de captura de movimento utilizando um ensaio em branco para gravar o caminho de movimento de um marcador acenou por um usuário no espaço de captura de movimento e confirmar se o marcador é detectado e monitorado. Se o marcador é frequentemente perdido durante a detecção, repita a calibragem de volume até que o ensaio em branco bem-sucedido.
   1. Clique na aba "Capture" no painel "Ferramentas" e depois "Iniciar" no menu "Capture" antes de acenar o marcador amostra através de todo o espaço de captura de movimento para gravar sua trajetória.
   2. Após a gravação, clique em "Executa o gasoduto Reconstruct" para reconstruir as posições do marcador e verificar a qualidade da gravação.
5. Ligar os terminais do Microbattery (ligado à mochila no passo 3.4) para os pinos de alimentação da mochila.
6. Teste a comunicação sem fios entre o computador portátil e a mochila usando o software de controle de vôo personalizado. Clique no comando "Iniciar" no software e verificar o status da conexão exibido.

Experiência 5. Vôo Livre

1. Realizar a experiência de voo livre em uma arena de vôo medindo 16 x 8 x 4 m ^3.
2. Entrada os parâmetros apropriados para o software de controle de vôo (tensão, largura de pulso, frequência e duração estimulação). Nota: Para demonstração, que fixa a tensão de 3 V, largura de impulso de 3 ms, e a duração de estimulação de 1 seg e a frequência variou de 60 a 100 Hz.
   1. Na tela do software, o tipo 3 para 3 V na caixa "Voltage", de 1.000 para 1.000 ms na caixa de "Estimulação Duração", 3 por 3 ms na caixa "Largura de Pulso", e uma frequência desejada em Hz no " frequência "caixa de on janela de comando.
3. Solte o besouro montado na mochila para o ar que lhe permite voar livremente dentro da arena de voo. acionar manualmente a estimulação quando o besouro entra no espaço de captura de movimento. Pressione o botão apropriado de comando (esquerda ou direita) no controle remoto para estimular o músculo alvo do lado esquerdo ou direito do besouro.
   Nota: Uma vez que o botão é pressionado, o software de controle de vôo em execução no laptop gera o comando e envia-lo para a mochila. A mochila, em seguida, emite o estímulo eléctrico ao músculo de interesse (no lado esquerdo ou direito).
4. Observe a reação do besouro em tempo real durante a estimulação e reconstruir os dados utilizando software de gráficos 3D.
   1. Escolha um dos ensaios gravados na lista de dados da janela "Beetle Display" e clique em "Panda Export" para copiar os dados de que o julgamento para a pasta de análise e executar o módulo de gráficos 3D.
   2. Pressione "N" nao teclado para combinar o sinal de estímulo com a trajetória gravada. Prima I para mostrar a trajetória do besouro com os períodos de estimulação destacadas.

Resultados

O procedimento de implantação de eléctrodos é apresentado na Figura 2, os eléctrodos de arame de prata fina foram implantados no músculo 3ax do besouro através de pequenos orifícios perfurados na cutícula macio sobre o músculo (Figuras 2d - e).. Este cutícula macia é encontrada logo acima da apodema do músculo basalar após a remoção da parte anterior do metepisternum (Figuras 2d - c). Os ...

Discussão

O processo de implantação é importante, pois afeta a confiabilidade do experimento. Os eléctrodos deve ser inserido dentro do músculo a uma profundidade de 3 mm ou menos, dependendo do tamanho do besouro (evitando o contacto com os músculos próximas). Se os eletrodos tocar os músculos próximos, ações motoras indesejáveis ​​e comportamentos podem ocorrer devido à contração dos músculos próximos. Os dois eléctrodos deve ser bem alinhados para assegurar que não há curto-circuito ocorrer. Quando a fu...

Materiais

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