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. Digitalize um espécime de uma Lion Foreflipper Mar <ol><li> Digitalizar um espécime de um leão foreflipper mar. <ol><li> Obter uma amostra de um flipper leão de mar a partir de um falecido individuais (Figura 1a). NOTA: No nosso caso, eles foram obtidos a partir do Parque Smithsonian Zoological em Washington, DC </li><li> Pendurar o foreflipper verticalmente a partir da sua base (onde o foreflipper atribui ao corpo do animal). Isso tanto permite a palheta ser direto quando digitalizados, e expõe toda a superfície para a digitalização. </li><li> Aleta verificação usando um estruturado de alta resolução do digitalizador de luz, com uma precisão de cerca de 0,5 mm, e o erro de aproximadamente 0,1 mm (Figura 1b). </li></ol></li><li> Importar a nuvem de pontos em software CAD e torná-lo como uma superfície. Para fazer isso, clique em &quot;Abrir&quot; e selecione o arquivo desejado .obj. Clique em &quot;Importar&quot; para importar o arquivo para o software CAD. </li><li> Manipular a nuvem de pontos resultante usandoum design (CAD) software assistida por computador, clicando em &#39;corte extrudado&#39; e cortar a parte carne (parte indesejada) da digitalização. Em seguida, clique em &#39;Escala&#39; para obter o dimensionamento adequado para o flipper robótico (68% do tamanho total). Inspecione flipper para captura detalhes suficientes comparando com o modelo original (Figura 2). </li><li> Criar o molde em torno da palheta. <ol><li> Em um software de CAD, utilizar as superfícies de aletas, para formar um molde pela criação de um volume circundante em torno da superfície da aleta. Faça isso por extrusão de um bloco retangular clicando em &#39;esboço&#39; para desenhar um retângulo e, em seguida, expulsando-o mais do que a altura da aleta para abranger completamente. </li><li> Clique em &#39;Assembléia&#39; e importar as duas partes (aletas e bloco retangular) para a área de trabalho. Clique em &#39;Companheiro&#39; e fazer o plano frontal e superior, tanto da palheta e molde como coincidentes. Isto coloca automaticamente o flipper no interior do molde. </li><li> Select o molde da árvore de projeto e clique em &quot;Editar Parte &#39;. Uma vez que a parte que está selecionada, clique em &quot;Inserir&gt; Recursos&gt; Cavity &#39;para fazer uma cavidade do flipper no interior do molde. Esboçar uma linha no centro do molde rectangular e clique em &#39;Dividir&#39; para formar duas partes do mesmo molde. </li><li> Clique em &#39;Parte Corte&#39; para separar o volume circundante em duas partes para a extração de flipper fácil. Insira cavidades e estacas em cada metade do volume e guardá-lo como parte de um e dois do molde flipper (Figura 3). </li><li> Converter arquivos do &#39;.SLDRPT&#39; do molde para &#39;.STL&#39;. Importar esses arquivos para o software proprietário da impressora 3D e clique em &quot;Imprimir&quot; para gerar o molde impresso 3D. </li></ol></li></ol> 2. Criar a estrutura óssea <ol><li> Abra o foreflipper digitais em um software CAD e obter uma imagem do leão de mar foreflipper estrutura óssea para referência (tal como Figura1, em Inglês, 1977 19). </li><li> Projetar três peças diferentes que imitam a estrutura óssea que vai caber dentro do modelo digital do foreflipper. Ao longo deste processo, &quot;base&quot; refere-se ao fim de uma parte mais perto da base do foreflipper e &quot;ponta&quot; refere-se à extremidade da parte mais perto da ponta da foreflipper. <ol><li> Pedaço de base <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do ombro e do punho do flipper Leão de mar (medições são obtidas utilizando fita métrica). Faça isso usando um software de CAD clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar a forma da peça de base (Figura 4). </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades da peça clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar dois círculos. Clique sobre &#39;Boss Extrude&#39; para extrudir o comprimento desejado a partir do plano da peça de base. Clique no esboço do círculo menor para cortar a extrusão clicando em &#39;Extrusão de corte &quot;para fazerespaço para o veio. Para fortalecer esse conjunto, clique em &#39;filé&#39; para suavizar as articulações afiadas. NOTA: As dimensões dos círculos depender do tamanho do veio a ser usada durante a montagem da aleta em cima da caleira de água. No nosso caso, o diâmetro do círculo mais pequeno é de 0,5 polegadas e o círculo grande é 1 polegadas. A extremidade de base vai estar sentado fora da geometria da pele flipper, portanto, o tamanho do juntas não cai sob as restrições da pele. </li></ol></li><li> Pedaço Médio <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do pulso e da articulação do joelho de um leão-marinho. Faça isso clicando em &#39;esboço&#39; e desenhar a forma desejada (como mostrado na Figura 4-B) em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em &#39;Extrude&#39; para obter a forma tridimensional de base da peça do meio. Entrada do comprimento extrudido como 0.1650 polegadas. NOTA: A forma desejada da peça intermediáriaem nossa experiência é um trapézio, com uma altura de 2,25 polegadas e o comprimento das duas bases como 1.625 e 0.850 polegadas, respectivamente. </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudado é de 0,125 polegadas. Ligar os nós dos dedos na extremidade de base para a extremidade da ponta da peça de base com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a articulação do pulso. NOTA: As juntas precisa para caber dentro do volume do foreflipper, assim conceber conformidade. </li><li> Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura com a extremidade da ponta da peça de ambos os lados. <ol><li> Para adicionar uma torre, clique em &#39;esboço&#39; e esboçar um retângulo na base do modelo. Extrude o sketch selecionando o esboço e clicando em &#39;Boss Extrude&#39;. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas. </li><li> Clique em &#39;Faixa&#39; e selecione o modelo e uma borda da torre extrudido. Isso reforça a articulação nítida onde a torre ea base da peça do meio estão ligados. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 4 para referência. </li></ol></li></ol></li><li> Dica Pedaço <ol><li> Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a junta articulada e a ponta do maior osso do dedo de um leão de mar. Faça isso clicando em &#39;esboço&#39; e esboçar uma forma desejada em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em extrusão para obter a forma tridimensional básica da peça ponta. </li><li> Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudido deve ser igual ao diâmetro do eixo, que nesta experiência é de 0,125 polegadas. Os nós dos dedos na extremidade de base irá ser ligado à extremidade da ponta da peça intermediária com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a junta articulada. A geometria destas KNUckles precisa para caber no interior da geometria da pele foreflipper, assim conceber conformidade. </li><li> Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura para a extremidade da base da peça de ambos os lados. Faça isso descrito no passo 2.2.2.3. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 5 para referência. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. Criação de um Flipper <ol><li> 3D imprimir o esqueleto (base, pedaços médios e de ponta) da palheta. Converter o arquivo &#39;.SLDRPT&#39; do CAD para o &#39;.STL &quot;e importá-lo para o software proprietário da impressora e clique em&quot; Imprimir &quot;. NOTA: As instruções de impressão são diferentes para cada impressora. <ol><li> Reforçar os nós dos dedos da peça do meio e ponta com um adesivo (epóxi) e fios de carbono. Para fazer isso, cortar carbem segmentos de comprimento 0,750 polegadas. Aplique o adesivo com as estruturas ósseas 3D impresso e colocar os fios ao longo dos dedos. Não é necessário o reforço das grandes articulações sobre a peça de base (Figura 5a). </li><li> Faça furos na parte inferior de cada torre o diâmetro da corda Kevlar (cordas que serão usados ​​para acionar as articulações). </li><li> Montar todas as peças de osso junto da base à ponta usando eixos. Fazer isso colocando todos os componentes sobre uma mesa plana, como mostrado na Figura 4. Para ligar a base e peça do meio, alinhar os nós dos dedos das partes e inserir o eixo. Usar a mesma técnica para ligar o meio e a peça de ponta juntos. Usar um adesivo em cada extremidade de cada eixo para assegurar o eixo não se move lateralmente (Figura 5b). </li><li> Cortar tubos de plástico para o comprimento que se segue. Cortar quatro tubos do comprimento da peça de base de osso (L 1 = 8 cm) e dois tubos de o comprimento da parte média (G 2 = 6 cm). </li><li> Corte 4 pedaços de Kevcadeia lar, cada 3 pés de comprimento. </li><li> Deslize uma corda através de um tubo de L 1 e, em seguida, um tubo de L 2. Deslize outra cadeia através de um tubo L 1. Repita o processo com os restantes tubos e cordas. </li><li> Colocar os tubos no topo das estruturas ósseas e usar uma fita adesiva transparente para segurá-los em posição temporariamente. Usando um adesivo, para manter os tubos para a estrutura óssea e remova as fitas. NOTA: Não existe uma posição específica na qual os tubos têm que ser colocados, o aspecto essencial é simplesmente colocá-los na superfície da estrutura. Use Figura 5c como uma diretriz. </li><li> Passe o fio Kevlar a partir de L 1 tubo e o tubo L 2 através dos orifícios perfurados na ponta de meia e peças como descrito no passo 3.1.2. Faça um pequeno mas seguro nó uma vez que a cadeia é através do orifício (Figura 5d). </li></ol></li><li> Adicionando a pele do flipper para criar uma palheta final. <ol><li> Medir 200 mL de silice na forma de silício em dois recipientes diferentes. </li><li> Despeje estes dois líquidos em uma tigela de aço. Adicionar solvente de tinta (não exceder 10% do peso da mistura total) à mistura para facilitar o vazamento e de mistura. </li><li> Use uma batedeira para misturar a mistura completamente por 3-4 min. A cor pode ser adicionada neste passo para atingir os desejados efeitos visuais. Se uma batedeira não estiver disponível, use um batedor para misturá-lo, tomando cuidado para raspar os lados e no fundo do recipiente. </li><li> Insira uma haste nos nós dos dedos da parte de base e alinhá-lo com as juntas do molde flipper. Quando as cavilhas de encaixar para dentro das cavidades do molde, a estrutura óssea é perfeitamente alinhados no molde aleta. Enquanto mantém para baixo as duas partes do molde, fixar as peças usando uma braçadeira de compressão adicionado (este passo é fundamental para que a mistura de silicone não vaza a partir do espaço entre as duas partes). </li><li> Uma vez que a mistura é misturada, despeje-o cuidadosamente no molde até que os nós dos dedos de nível superiorda estrutura óssea. Escorrendo de líquido a partir do orifício inferior no molde é um sinal de a mistura ficar uniformemente distribuído. No início deste, tapar o buraco para evitar ainda mais o fluxo do líquido. Deixar o líquido a curar durante quatro horas antes de retirar o robô aleta do molde (ver Figura 6). </li></ol></li></ol> 4. montagem <ol><li> Para montar o foreflipper silício na calha de água (Figura 7), criar uma estrutura de montagem. Uma representação CAD do conjunto acabado é mostrado. (Figura 8). <ol><li> Projetar uma placa com um corte cuidadosamente extrudido usando software CAD. Clique em &#39;esboço&#39; e desenhe um retângulo de dimensões 14 x 19 polegadas (a altura não importa como o cortador a laser usa um arquivo .dwg). Use uma folha rectangular de aço como a base para o fabrico deste prato. Carregue um desenho bidimensional do software CAD em um computador ligado a um cortador de laser de aço para atingir os cortes desejados. NOTA: Thicasas s placa do motor e do corte em que permite o sistema de roldanas para trabalhar. A largura da placa é igual à largura de um canal de descarga de água, tornando assim mais fácil para fazer deslizar a placa ao longo da calha. Este tipo de colocação ajuda a fácil remoção do conjunto de montagem para substituir peças ou o modelo foreflipper. </li><li> Fixar o foreflipper ea polia em um eixo, que desliza em uma treliça triangular. NOTA: um sistema de três polia é implementado para transferir o torque / potência do motor para a haste. </li><li> Use rolamentos em ambos os lados para ajudar a vara para rodar sem problemas. Para restringir o movimento da haste na direcção lateral, colocar os colares de veio em cada extremidade do eixo. </li></ol></li><li> Defina o movimento da palheta, seleccionando a função jogging no motorista. Pressionar o botão &quot;Up&quot; gira no sentido horário flipper e botão &#39;Down&#39; roda o sentido anti-horário flipper. O driver permite a mudança das rotações por minuto do motorveio de acordo com as instruções do manual 20. </li><li> Insira a porta de corante em ângulo reto na água e aumentar a pressão sobre o sistema de corante. Ajustar a velocidade do corante para a velocidade da corrente livre da água de modo que o corante aparece como um único filamento liso. Gire a palheta de modo a que o corante interage e fica preso com os vórtices que foi gerado. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

O aparelho flipper robótico nos permitirá compreender a hidrodinâmica da natação do leão de mar Califórnia. Isso inclui o impulso produzir traço básico (o &quot;aplauso&quot;), bem como as variações não-físicos que estudos com animais não podem investigar. A aleta robótico foi concebido para versatilidade experimental, assim, passo 3 em que a aleta em si é feita, é crítico na obtenção dos resultados desejados. Embora este aparelho é, claramente, apenas um modelo do sistema vivo, estudos in situ<...

Enquanto os cientistas têm investigado as características básicas de natação do leão de mar (energética, o custo do transporte, coeficiente de arrasto, a velocidade linear e 1-3 aceleração, faltam informações sobre a dinâmica dos fluidos do sistema. Sem esse conhecimento, nós limitar o potencial de alta velocidade , aplicações de engenharia de alta capacidade de manobra para o corpo-caudal fin (FBC) modelos de locomoção 4. ao caracterizar um paradigma de natação diferente, esperamos expandir nosso catálogo de ferramentas de design, especificamente aquelas com potencial para permitir mais silenciosos formas furtivos de natação. Assim , estudamos o mecanismo fundamental de natação do leão de mar através da observação direta do leão de mar Califórnia e investigações laboratoriais utilizando um leão-marinho robótico foreflipper 5,6. Para fazer isso, vamos empregar uma técnica comumente usada para explorar sistemas biológicos complexos: a plataforma robótica 7. Vários estudos de locomoção-both de caminhar 8,9 e nadar 10 -ter sido baseada em ambos complexos 11 ou altamente simplificados 12 modelos mecânicos de animais. Tipicamente, as plataformas robóticas reter a essência do sistema modelo, ao mesmo tempo permitindo que os investigadores para explorar grandes espaços de parâmetros 13-15. Embora nem sempre caracterizar todo o sistema, é muito aprendidas através destas plataformas que isolam um único componente de um sistema de locomotiva. Por exemplo, o funcionamento fundamental de propulsores instáveis, como o vai-e-vem varrendo de uma barbatana caudal durante a natação carangiform, tem sido intensamente explorada através de investigações experimentais de pitching e / ou painéis arfando 12,16,17,18. Neste caso, podemos isolar certos modos de este movimento complexo de maneiras que os estudos em animais com base não pode. Esses aspectos fundamentais de propulsão pode, então, ser utilizada na concepção de veículos que não necessitam da evolução complexidade biológica fornece. <p class=&quot;Jove_content&quot;&gt; Neste artigo, apresentamos uma plataforma nova para explorar a fase de &quot;bater palmas&quot; do leão-marinho produtoras de empuxo acidente vascular cerebral. Apenas um único foreflipper-o &#39;roboflipper&#39;-se incluídos na plataforma. Sua geometria deriva exatamente das verificações biológicos de um leão de mar Califórnia (Zalophus) espécime. O roboflipper é actuado para replicar o movimento dos animais &#39;derivados a partir de estudos anteriores 1. Este flipper robótico será usado para investigar o desempenho hidrodinâmico do leão-marinho natação e explorar um espaço de parâmetros mais vasto do que estudos com animais, particularmente aqueles de grandes mamíferos aquáticos, pode render.

<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

O leão de mar de Califórnia (californianus do Zalophus), é um nadador ágil e poderoso. Ao contrário de muitos nadadores de sucesso (golfinhos, atum), que geram a maior parte de seu impulso com seus grandes foreflippers. Este protocolo descreve uma plataforma robótica projetado para estudar o desempenho hidrodinâmico da natação do leão de mar Califórnia (Zalophus). O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o &quot;bater palmas &#39;). A cinemática de acidente vascular cerebral propulsora do leão mar são extraídos de dados de vídeo de desmarcados, não as de pesquisa leões marinhos no Parque Zoológico Smithsonian (SNZ). Esses dados constituem a base do movimento de accionamento da aleta robótico aqui apresentada. A geometria da palheta robótico é baseado um on-alta resolução de digitalização a laser de um foreflipper de um leão-marinho fêmea adulta, dimensionada para cerca de 60% do flipper em grande escala. O modelo articulado tem três joints, imitando o cotovelo, punho e articulação conjunta do foreflipper leão marinho. A plataforma robótica combina propriedades de Reynolds dinâmica número e velocidade ponta-do animal ao acelerar a partir do repouso. A aleta robótico pode ser utilizado para determinar o desempenho (forças e momentos) e flowfields resultantes.

O processo descrito acima produz um modelo robótico de um leão-marinho foreflipper Califórnia. O modelo pode ser usado de duas maneiras diferentes. Uma é através da actuação do aleta-se apenas com a raiz (Figura 6a). Neste caso, o motor de accionamento define a velocidade de rotação da primeira articulação, mas o movimento resultante da aleta é determinada pela interacção de fluido-estrutura entre a palheta flexível e a água circundante. ...

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

A plataforma robótica é descrito que será usada para estudar o desempenho-forças e flowfields-da natação do leão de mar Califórnia hidrodinâmicas. O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o &quot;bater palmas &#39;).

A plataforma robótica para estudar a Foreflipper do Leão de mar de Califórnia

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

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

Research

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Engineering

7.9K visualizações.  The George Washington University.  A plataforma robótica é descrito que será usada para estudar o desempenho-forças e flowfields-da natação do leão de mar Califórnia hidrodinâmicas. O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o "bater palmas '). 

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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.

Um novo método para avaliação da função Membro Anterior Proximal e Distal no Rato: o Irvine, Beatties e Bresnahan (IBB) Escala Membro Anterior

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

Neurociência

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.

Plataforma Ar levantou Flat-pavimentado: Um Novo Método para Combinando Comportamento com Microscopia ou Eletrofisiologia em Awake Roedores movendo-se livremente

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

Comportamento

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.

Reprodução de vídeo automatizada interativo para estudos da comunicação animal

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.

Investigação dos processos de aprendizagem motora habilidade com uma 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 ...

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.

A tarefa de supinação de botão: Um método semi-automático para avaliar a função do Forelimb em ratos

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.

Um<em&gt; In Vitro</em&gt; Preparação para divulgação e gravação de programas de alimentação do motor com movimentos fisiológicos em<em&gt; Aplysia californica</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.

Gravações da ativação do circuito neural no Livremente Behaving Animais

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

Biologia

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.

Automatizado Rat single-pellet atingindo com 3-dimensional reconstrução de pata e dígitos trajetórias

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.

Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 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 ...

Bioengenharia

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.

Modelagem de deformação da barbatana macia usando imagens de fluorescência induzidas por laser planar

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