JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

Повышение радио с поддержкой цифровых электронных устройств обусловил использование небольших беспроводных записывающих нервно-мышечных и стимуляторами для изучения поведения насекомых в полете. Эта технология позволяет разработку гибридной системы насекомых-машины, используя платформу живого насекомого, описанного в этом протоколе. Кроме того, этот протокол представляет конфигурацию системы и свободный полет экспериментальных процедур для оценки функции мышц полета в отвязанный насекомого. Для демонстрации, мы ориентировались на третье подмышечных склерит (3Ax) мышцы для управления и достижения левого или правого поворота летящего жука. Тонкий электрод серебряной проволоки был имплантирован на мышцу 3Ax на каждой стороне жука. Они были подключены к выходам беспроводной рюкзаке (то есть, нервно - мышечных Электростимуляторы) , установленный на переднеспинке жука. Мышцы стимулировалось в свободном полете, чередуя сторону стимуляции (влево или вправо) или изменяя stimulatioп частоты. Жук повернулся к ипсилатеральной стороне, когда мышцы стимулировалось и показал дифференцированный ответ на растущей частотой. Процесс имплантации и объем калибровки одномерной системы захвата камеры 3 движения должны проводиться с осторожностью, чтобы не повредить мышцы и потерять след маркера, соответственно. Этот метод является весьма полезным для изучения полета насекомых, так как она помогает выявить функции мышцы полета интереса в свободном полете.

Введение

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 components1-3. 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 locomotion4-13.

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 cockroaches4,12,14, spiders15, and beetles16,17. 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 beetles7,9 and brain sub-regions in bees18, whereas turning control has been demonstrated by stimulating the antennae muscles and nervous system of the abdomens in moths11,19 and the flight muscles of beetles7,9,13. 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.

протокол

1. Изучение животных

  1. Задние отдельные torquata жуки Mecynorrhina (6 см, 8 г) в отдельных пластиковых контейнеров с древесных гранул постельные принадлежности.
  2. Поток каждый жук чашку сахара желе (12 мл) каждые 3 дня.
  3. Поддерживают температуру и влажность подьем помещении при температуре 25 ° С и 60%, соответственно.
  4. Проверьте возможность полета каждого жука, прежде чем имплантировать тонких электродов проволоки.
    1. Осторожно бросить жука в воздух. Если жук может летать дольше, чем 10 секунд в течение 5 последовательных испытаний, сделать вывод, что жук имеет регулярные возможности полета и использовать ее для последующих летных экспериментов. Для того, чтобы вернуть себе жука, выключить все источники света в комнате, чтобы сделать его темным. Это приводит к тому, жук прекратить полет.
      Примечание: Жук спонтанно начинает улетать, когда выбрасывается в воздух. Лучше проводить эксперименты полета в большом закрытом помещении , таких , как показано на рисунке 1 (16 х 8 х 4 м 3 с захвата пространства движения 12,5 х 8 х 4 м 3), как летающий жук движется очень быстро (примерно 3-5 м / сек) и рисует большие дуги при повороте в воздухе.

2. Электрод Имплантация

  1. Обезболить жук, поместив его в пластиковый контейнер , наполненный CO 2 в течение 1 мин 13,16,20-24.
  2. Смягчение зубной воск путем погружения его в горячей воде в течение 10 сек. Поместите наркозом жук на деревянном блоке и обездвижить его с размягченным стоматологического воска. Зубоврачебный воск естественно остывает и затвердевает в течение нескольких минут.
  3. Срезанные изолированные серебряные провода (127 мкм голый диаметр, диаметр 178 мкм при нанесении с перфторалкоксиалкан) на отрезки длиной 25 мм для использования в качестве тонких электродов проволоки для имплантации.
  4. Защиту 3 мм голую серебра пламенный изолятор на обоих концах каждого провода.
  5. Рассеките верхнюю поверхность кутикулы жука с помощью остроконечного ножницами, чтобы создать СМАLL окно приблизительно 4 х 4 мм на metepisternum (фиг.2с). Примечание: Мягкий коричневый цвета кутикулы затем экспонируют, как показано на рисунках 2в - е. 3Ax мышца расположена под мягкой кожицей.
  6. Пирс два отверстия на открытой коричневой кожицей , используя булавку насекомых (размер 00) с расстоянием 2 мм между двумя отверстиями (рис 2d).
  7. Вставьте два проволочных электродов (в том числе один активный и один обратных электродов, полученных на этапе 2.4) тщательно через отверстия и насадить их в каждую мышцу 3Ax на глубине 3 мм.
  8. Закрепите имплантированные электроды и удерживать их на месте, чтобы избежать контакта и короткого замыкания, понижая растопленным пчелиным воском на отверстиях. При необходимости, оплавления пчелиный воск над кутикулы, прикоснувшись к пчелиный воск с наконечником горячим паяльником. Пчелиный воск быстро застывает и усиливает имплантацию.
    Примечание: Для того, чтобы проверить, если имплантация правильно, надкрылий свеклыле может быть снят для наблюдения за движением мышц 3Ax при электрической стимуляции.

3. Рюкзак Ассамблея беспроводной

Примечание: Рюкзак состоял из встроенного радио микроконтроллера на 4 слоистую FR-4 платы (1,6 х 1,6 см 2). Рюкзак был обусловлен литий-полимерной Microbattery (3,7 В, 350 мг, 10 мАч). Общая масса рюкзака включая батарею было 1,2 ± 0,26 г, который меньше, чем грузоподъемностью жука (30% от 10 г массы тела). Рюкзак был предварительно запрограммирован на получение беспроводной связи и имели два выходных канала.

  1. Очистите поверхность переднеспинки (удалить воскового слоя на кутикуле) с помощью двусторонней клейкой ленты. Затем прикрепите рюкзак на переднеспинке жука с куском двухсторонней ленты.
  2. Соедините концы вживленных электродов к выходам рюкзака.
  3. Оберните световозвращающиеся ленту вокруг Microbattery для получения маркера FOг захвата движения камеры для обнаружения.
  4. Прикрепите Microbattery к верхней части рюкзака, используя кусок двухсторонней ленты, так что светоотражающий ленты могут быть обнаружены с помощью камер захвата движения.

4. Система управления беспроводной

Примечание: В данном случае термин беспроводная система управления включает в себя приемник для пульта дистанционного управления, портативный компьютер для запуска программного обеспечения на заказ управления полетом, базовая станция, рюкзак, и система захвата движения.

  1. Подключите базовую станцию ​​и приемник пульта дистанционного управления на портативный компьютер через USB-порты.
  2. Включите систему захвата движения и подключить его к компьютеру через портативный порт Ethernet.
  3. Выполните калибровку громкости, махая калибровочный палочкой (предоставляются поставщиком компании системы захвата движения), чтобы полностью покрыть захвата движения пространство.
    1. Открытое программное обеспечение захвата движения с рабочего стола ноутбука. Нажмите и дрAG, чтобы выбрать все камеры в меню "System" в "Ресурсы" панели.
    2. Нажмите на меню "3D Перспектива" и выберите "Камера" для перехода в поле зрения камеры. Нажмите на вкладку "Camera" на "Инструменты" панели, чтобы показать настройки калибровки. Нажмите кнопку "Пуск" в меню "Создание маски камеры", чтобы устранить шум от камер, а затем "Stop" после того, как шум маскируется синим цветом.
    3. Нажмите и выберите "5 Маркер Wand & L-Frame" из меню "Wand" и меню "L-кадр" на вкладке "Camera". Установите "Wand Count", 2500, нажмите кнопку "Пуск" в меню "Калибровка камеры", и волна калибровочный палочку через все пространство захвата движения. Процесс калибровки останавливается, когда счетчик достигает 2500 палочка.
    4. Повторите процесс калибровки, если ошибка изображения (в нижней части вкладки "Камера" на панели "Инструменты") выше, чем 0,3 Fили любую камеру. После калибровки, положите палочку на пол в середине пространства захвата движения и нажмите кнопку "Пуск" в меню "Настройка громкости происхождения", чтобы установить происхождение пространства захвата движения.
  4. Проверьте охват системы захвата движения с использованием фиктивного тест, чтобы записать траекторию движения маркера волнообразные пользователем в пространстве захвата движения и подтвердить, обнаружен ли маркер и отслеживаться. Если маркер часто теряется во время обнаружения, повторите калибровку громкости, пока холостое испытание не завершится успешно.
    1. Нажмите на вкладке "Захват" на "Инструменты" панели, а затем "Пуск" в меню "Capture", прежде чем махать образца маркер через все пространство захвата движения, чтобы записать его траекторию.
    2. После записи, нажмите на кнопку "Запуск трубопровода Reconstruct" реконструировать позиции маркера и проверить качество записи.
  5. Соедините клеммы MicroBattery (прилагается к рюкзаку на шаге 3.4) к силовым контактам рюкзака.
  6. Проверьте беспроводную связь между ноутбуком и рюкзак с помощью программного обеспечения на заказ управления полетом. Выберите команду "Пуск" на программное обеспечение и проверить состояние подключения отображается.

Эксперимент 5. Полет

  1. Провести свободный эксперимент полета на летном арене измерения 16 х 8 х 4 м 3.
  2. Входные соответствующие параметры в программном обеспечении управления полетом (напряжения, длительности импульса, частоты и продолжительности стимуляции). Примечание: Для демонстрации, мы установили напряжение до 3 В, длительность импульса до 3 мс, а длительность стимуляции до 1 сек и варьировали частоту от 60 до 100 Гц.
    1. На экране программного обеспечения, типа 3 для 3 V в поле "Напряжение", 1000 за 1000 мс в "Продолжительность стимуляции" поле, 3 для 3 мс в поле "Длительность импульса", и желаемую частоту в Гц в " Частота "окно оп окно командной строки.
  3. Отпустите рюкзак установленный жука в воздух, позволяя ему свободно летать в пределах полета арене. Ручной запуск стимуляции, когда жук попадает в пространство захвата движения. Нажмите кнопку соответствующую команду (влево или вправо) на пульте дистанционного управления, чтобы стимулировать мышцы-мишени на левой или правой стороне жука.
    Примечание: После нажатия кнопки, программное обеспечение управления полетом работает на ноутбуке формирует команду и отправляет его в рюкзак. Рюкзак затем выводит электрический стимул к мышце интереса (на левой или правой стороне).
  4. Обратите внимание реакцию жука в режиме реального времени во время стимуляции и восстановить данные, используя 3D графическое программное обеспечение.
    1. Выберите один из испытаний, зарегистрированных в списке данных окна "Beetle Display" и нажмите кнопку "Экспорт Panda", чтобы скопировать данные этого суда в папку анализа и запустить модуль 3D-графиков.
    2. Нажмите "N" наклавиатура совместить возбуждающий сигнал с записанной траектории. Нажмите I, чтобы показать траекторию жука с подсвеченными периодов стимуляции.

Результаты

Процедура имплантации электродов представлена ​​на рисунке 2 проволочные электроды Тонкие серебряные были имплантированы в 3Ax мышцу жука через маленькие отверстия пробитых на мягкую кутикулу на мышцы (рис 2d - е).. Эта мягкая кутикула наход?...

Обсуждение

Процесс имплантации имеет важное значение, так как она влияет на достоверность эксперимента. Электроды должны быть вставлены в мышцу на глубину 3 мм или менее в зависимости от размера жука (избегая контакта с близлежащим мышц). Если электроды касаются близлежащих мышц, нежелательные де...

Раскрытие информации

The authors declare that there are no conflicts of interest.

Благодарности

This material is based on the works supported by Nanyang Assistant Professorship (NAP, M4080740), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Public Sector Research Funding (PSF, M4070190), A*STAR-JST (The Japan Science and Technology Agency) joint grant (M4070198), and Singapore Ministry of Education (MOE2013-T2-2-049). The authors would like to thank Mr. Roger Tan Kay Chia, Prof. Low Kin Huat, Mr. Poon Kee Chun, Mr. Chew Hock See, Mr. Lam Kim Kheong and Dr. Mao Shixin at School of MAE for their support in setting up and maintaining the research facilities. The authors thank Prof. Michel Maharbiz (U.C. Berkeley) his advice and discussion, Prof. Kris Pister and his group (U.C. Berkeley) for their support in providing the GINA used in this study.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Mecynorrhina torquata beetleKingdom of Beetle Taiwan10 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 stimulatorCustomTI 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 controlNintendoBluetooth remote control to send the command to the operator laptop
BeetleCommander v1.8Custom. Maharbiz group at UC Berkeley and Sato group at NTUEstablish 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 stationKris Pister group at UC BerkeleyTI MSP430F2618 and AT86RF231
Motion capture systemVICONT1608 cameras for a flight arena of 12.5 m x 8 m x 4 m
Motion capture systemVICONT40s12 cameras for a flight arena of 12.5 x 8 x 4 m
Micro batteryFullriver 201013HS10C 3.7V, 10 mAh
Retro reflective tapeReflexiteV92-1549-010150V92 reflective tape, silver color
PFA-Insulated Silver Wire A-M systems786000127 µm bare, 177.8 µm coated, 3 mm bare silver flame exposed at tips
SMT Micro Header SAMTECFTSH-110-01-L-DV0.3 mm x 6 mm, bend to make a 3 mm long slider to secure the electrode into the PCB header.
BeeswaxSecure the electrodes
Dental WaxVertexImmobilize the beetle
Insect pinROBOZRS-6082-30Size  00; 0.3 mm Rod diameter; 0.03 mm tip width; 38 mm Length 
Make electrode guiding holes on cuticle
TweezersDUMONTRS-5015Pattern #5; .05 mm x .01 mm Tip Size; 110 mm Length
Dissecting and implantation
ScissorsROBOZRS-5620Vannas Micro Dissecting Spring Scissors; Straight; 3mm Cutting Edge; 0.1 mm Tip Width; 3" Overall Length 
Dissecting and implantation
Potable soldering ironDAIYODS241Reflow beeswax
Hotplate CORNINGPC-400DMelting beeswax and dental wax
Flourescent lampPhilipsTL5 14WLight the entire flight arena with 30 panels (60 x 60 cm2). Each panel has 3 lamps.
14 W, 549 mm x 17 mm 

Ссылки

  1. Kutsch, W., Schwarz, G., Fischer, H., Kautz, H. Wireless Transmission of Muscle Potentials During Free Flight of a Locust. J. Exp. Biol. 185 (1), 367-373 (1993).
  2. Fischer, H., Kautz, H., Kutsch, W. A Radiotelemetric 2-Channel Unit for Transmission of Muscle Potentials During Free Flight of the Desert Locust, Schistocerca Gregaria. J. Neurosci. Methods. 64 (1), 39-45 (1996).
  3. Ando, N., Shimoyama, I., Kanzaki, R. A Dual-Channel FM Transmitter for Acquisition of Flight Muscle Activities from the Freely Flying Hawkmoth, Agrius Convolvuli. J. Neurosci. Methods. 115 (2), 181-187 (2002).
  4. Sanchez, C. J., et al. Locomotion control of hybrid cockroach robots. J. R. Soc. Interface. 12 (105), (2015).
  5. Sato, H., et al. A cyborg beetle: insect flight control through an implantable, tetherless microsystem. , 164-167 (2008).
  6. Bozkurt, A., Gilmour, R. F., Lal, A. Balloon-Assisted Flight of Radio-Controlled Insect Biobots. IEEE Trans. Biomed. Eng. 56 (9), 2304-2307 (2009).
  7. Sato, H., et al. Remote Radio Control of Insect Flight. Front. Neurosci. 3, (2009).
  8. Daly, D. C., et al. A Pulsed UWB Receiver SoC for Insect Motion Control. IEEE J. Solid-State Circuits. 45 (1), 153-166 (2010).
  9. Maharbiz, M. M., Sato, H. Cyborg Beetles. Sci. Am. 303 (6), 94-99 (2010).
  10. Tsang, W. M., et al. Remote control of a cyborg moth using carbon nanotube-enhanced flexible neuroprosthetic probe. , 39-42 (2010).
  11. Hinterwirth, A. J., et al. Wireless Stimulation of Antennal Muscles in Freely Flying Hawkmoths Leads to Flight Path Changes. PloS ONE. 7 (12), (2012).
  12. Whitmire, E., Latif, T., Bozkurt, A. Kinect-based system for automated control of terrestrial insect biobots. , 1470-1473 (2013).
  13. Sato, H., et al. Deciphering the Role of a Coleopteran Steering Muscle via Free Flight Stimulation. Curr. Biol. 25 (6), 798-803 (2015).
  14. Erickson, J. C., Herrera, M., Bustamante, M., Shingiro, A., Bowen, T. Effective Stimulus Parameters for Directed Locomotion in Madagascar Hissing Cockroach Biobot. PLoS ONE. 10 (8), e0134348 (2015).
  15. Zhaolin, Y., et al. A preliminary study of motion control patterns for biorobotic spiders. , 128-132 (2014).
  16. Feng, C., Chao, Z., Hao Yu, C., Sato, H. Insect-machine hybrid robot: Insect walking control by sequential electrical stimulation of leg muscles. , 4576-4582 (2015).
  17. Cao, F., et al. A Biological Micro Actuator: Graded and Closed-Loop Control of Insect Leg Motion by Electrical Stimulation of Muscles. PLoS ONE. 9 (8), e105389 (2014).
  18. Zhao, H., et al. Neuromechanism Study of Insect-Machine Interface: Flight Control by Neural Electrical Stimulation. PLoS ONE. 9 (11), e113012 (2014).
  19. Tsang, W. M., et al. Flexible Split-Ring Electrode for Insect Flight Biasing Using Multisite Neural Stimulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 57 (7), 1757-1764 (2010).
  20. Barron, A. B. Anaesthetising Drosophila for behavioural studies. J. Insect Physiol. 46 (4), 439-442 (2000).
  21. Cooper, J. E. Anesthesia, Analgesia, and Euthanasia of Invertebrates. ILAR Journal. 52 (2), 196-204 (2011).
  22. Miller, T. A. . Insect neurophysiological techniques. , (2012).
  23. Leary, S., et al. . AVMA guidelines for the euthanasia of animals. , (2013).
  24. Heath, B., West, G., Heard, D., Caulkett, N. Mobile Inhalant Anesthesia Techniques. in Zoo Animal and Wildlife Immobilization and Anesthesia. , 75-80 (2008).
  25. Mischiati, M., et al. Internal models direct dragonfly interception steering. Nature. 517 (7534), 333-338 (2015).
  26. Kutsch, W., Berger, S., Kautz, H. Turning Manoeuvres in Free-Flying Locusts: Two-Channel Radio-Telemetric Transmission of Muscle Activity. J. Exp. Zoolog. Part A Comp. Exp. Biol. 299 (2), 139-150 (2003).
  27. Wang, H., Ando, N., Kanzaki, R. Active Control of Free Flight Manoeuvres in a Hawkmoth, Agrius Convolvuli. J. Exp. Biol. 211 (3), 423-432 (2008).
  28. Sato, H., Maharbiz, M. M. Recent developments in the remote radio control of insect flight. Front. Neurosci. 4, (2010).
  29. Tien Van, T., et al. Flight behavior of the rhinoceros beetle Trypoxylus dichotomus during electrical nerve stimulation. Bioinsp. Biomim. 7 (3), 036021 (2012).
  30. Sane, S. P., Dickinson, M. H. The control of flight force by a flapping wing: lift and drag production. J. Exp. Biol. 204 (15), 2607-2626 (2001).
  31. de Croon, G. C., et al. Design, aerodynamics and autonomy of the DelFly. Bioinsp. Biomim. 7 (2), 025003 (2012).
  32. Ma, K. Y., Chirarattananon, P., Fuller, S. B., Wood, R. J. Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot. Science. 340 (6132), 603-607 (2013).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

Neuroscience115

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены