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实验:无线控制一只电子蟑螂

你是想教学生先进神经技术的老师或家长吗?你很幸运!经过3年的研发,RoboRoach现在已经准备好隆重发布了!我们很兴奋地宣布世界上第一个商用半机械人!有了我们的RoboRoach,你可以通过微刺激触角神经,简单地无线控制蟑螂的左右移动。RoboRoach是学习神经微刺激、学习和电子的好方法!

时间1.5 - 2小时
困难成人监督

你会学到什么?

您将了解蟑螂的解剖和神经系统。您还将学习昆虫实验的正确手术和饲养技巧。伟德国际安卓手术后,您将使用Roboroach电路短暂地影响Microstimulation的蟑螂运动,并且您将在响应微刺激时观察蟑螂的随后适应。

先决条件的实验室

  • 尖刺箱-你应该熟悉如何使用SpikerBox


背景

这个实验适合大学生。此外,高中生有成人监督。

罗勒布是一个具有教育意义的蟑螂机器人DIY工具包。它包括一个PCB(印刷电路板),也被称为“背包”,它携带蓝牙低能量无线接收器/发射器(这样你就可以通过智能手机与它通信),一些led指示灯(发光二极管)和其他电路组件(电阻和电容)。一个小的硬币电池也被提供给PCB的组件。最后但并非最不重要的是,该套件包括3套电极,用于植入3只成年蟑螂。每个电极组的一端是一个连接器,可以插入RoboRoach背包,另一端是一根0.003英寸的银线(比你的头发还细),作为导电元件,连接蟑螂的感觉神经。每组电极3个;1个用于左天线、1个用于右天线、1个用于地面。由于电流需要一个闭合的回路来流动,地线就必须为电刺激电流提供一个返回的通道。地面可以到达蟑螂身体的任何地方,但我们使用胸部的背侧,靠近飞行肌肉(这些蟑螂不能飞),作为对昆虫伤害最小的地面位置。

“Cyborg”这个词是“网络感受机”的缩写,被定义为具有非生物人造部分的生物有机物。在20世纪60年代的神经科学家曼弗雷德·科尔斯(Manfred Clynes)中被设计成了一个机器人作为“新的前沿”的想法,这将是“一座桥梁......之间”(1)从那以后,科技的快速发展带来了各种不同类型和定义的半机械人。直接的神经界面,就像你将从RoboRoach实验中了解到的那样,已经在20世纪70年代早期被开发出来(2).这种类型的脑机接口,简称BCI,已经被科学家和医生研究、开发和利用,以了解我们的神经系统,并帮助治疗那些失去重要生物功能的人,如视力、听力和运动神经修复术。以人工耳蜗为例,它已被用于使听力恢复到22万(3.全世界的人。

顺便说一下,我们并不是唯一创造半机械人无脊椎动物来学习电生理学和帮助神经技术发展的人。从90年代末开始,两组研究人员(东京大学(4)及密歇根大学(5))实现了对蟑螂转动的原始控制。美国工作由DARPA提供资金,其中最终目标是拥有“混合机器人”,这些目标能够做救灾监测和侦察,即昆虫比微小机器人更有效。这项工作发表在一些小型贸易期刊上,收到了一些新闻界,但在很大程度上被忽视了。

最近,康奈尔大学的一群人(6)能够识别不同的信号来控制亚利桑那大学的飞蛾和科学家的翅膀(7)发明了一种由飞蛾的神经系统控制的机器人[看视频]。伯克利研究(8)导致控制巨型甲虫的飞行[看视频)和北卡罗莱纳州立大学(9)还在试验蟑螂感觉神经的微刺激,开发“用于自主控制的陆地昆虫生物学的动力学系统”[看视频]。



哇!...但是为什么蟑螂?

伟德国际备用网址后院大脑最喜欢的roboroach是王国动物,Phylopoda,昆虫,命令blattodea,family blaberidae,glaberus和物种迪斯诺里亚。由于它完全是生物学分类,所以嘴巴完全是我们将称之为点滑的蟑螂。由于几个原因,我们发现无点状对roboroach是最好的。首先,他们在美国很容易获得。因为人们养成宠物爬行动物和两栖动物的饲养昆虫。此外,它们易于照顾和处理(它们比本土原产于美国的蟑螂慢得多)。最后但并非最不重要的是,它们足够大,可以携带罗草背包。

令人震惊的盘状盘状B.成年标本,自然(左)和RoboRoach(右)。

蟑螂有与我们类似的神经元,但它们有更少的数量。蟑螂有大约100万神经元,而我们有100亿!这使我们人类能够酷的人才,如说话/理解语言和设计神经刺激电路。蟑螂还有一个分散的神经系统,具有神经节(小脑)落在身体上。然而,蟑螂在头部有一个“更大”的神经节,这可以被认为是大脑。尽管我们的神经系统与蟑螂的神经系统截然不同,但我们个体神经元的结构和功能也非常相似,这使我们能够通过研究他们的学习来了解我们的大脑。

除非你叫格里高尔·萨姆沙,否则你的中枢神经系统看起来就像左边那个。

但它是如何工作的呢?!

蟑螂的前端有两根触角。这些触角通过感知触摸(像移动的空气一样小)和气味来帮助蟑螂在世界中穿行。这些微小的“毛发状”传感器直接连接到向蟑螂大脑传递信息的神经元上。

神经元就像我们人类一样,通过电活动(动作电位)的形式向神经通路发送信息,或者我们神经科学家称之为“尖刺”。

它们也有两个尾须位于它们的后端。这些传感器与触角相似,还具有专门的风和振动听觉感受器,它们会向蟑螂神经节发送“尖峰”,如果它们感到接近刺激,就会非常迅速地启动逃跑反应。蟑螂神经节经过进化的磨砺。这使得蟑螂有非常快的行为反应,这就是为什么蟑螂能在你开门的时候迅速逃跑。

通过将微小电极的尖端植入到蟑螂的天线中,您可以创建一个神经接口。由于电极线是导电的,因此您可以发送类似于蟑螂的天线的感觉神经元自然产生的电信号。结果:天线中的神经元将被刺激到灭火神经元消息(尖峰!)。

这些“尖刺”会到达蟑螂的神经节,刺激自然的感觉运动反应。这是你控制蟑螂运动的方法。基本上是这样的:如果我们刺激右侧天线上的神经元,蟑螂就会向左转弯。如果我们刺激左侧触角上的神经元,蟑螂就会向右转。

您将在今天学习的神经界面科学与世界各地医院和大学的尖端神经工程非常相似。例如,您可以尝试在55 Hz刺激,这大致相同的刺激,即神经工程师在刺激亚粒细胞核作为帕金森病的治疗时使用。



印刷材料

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为机器人手术做准备

你准备尝试用手作为蟑螂脑外科医生,并制作自己的临时机器人?

手术本身大约需要30-45分钟。一个良好的科学手术的一个重要方面是适当的准备,彻底的文档和对动物福祉的考虑。因此,考虑到设置和清理时间,计划至少一个小时进行全部操作。任何人都可以做roboroach手术,但像生活中的一切一样,它需要练习和耐心掌握!这就是为什么你的套件带有3套电极阵列,足以让您准备3个机制人来学习和改善重复实验。通过我们的额外的roboroach电极可获得在线商店或者你可以带走DIY路线和自己制作电极.我们建议您在开始手术之前仔细阅读完整的指导实验,以便为您的大脑做好准备!

同时,我们想提醒你RoboRoach是一个教育工具,可以用来和蟑螂一起学习神经接口。当涉及到动物研究时,请尊重并遵守贵国政府的法律法规。如有道德问题,请参阅我们的betvictor官网道德指南和讨论

你需要什么:

  • “雄鸦代手术程序”(下文)。这也可以作为(n):
    1. 可下载PDF
    2. 教学视频
  • 印刷品“RoboRoach手术工作表”
  • 你的大脑,一些耐心,和一个欺骗手
  • 大约1小时的时间
  • 1“RoboRoach手术工具包”
    1. 150砂砾砂纸
    2. Loctite Super Glue Gel Control(注意:我们发现这些东西是最好的,其他超级胶水可能无法替代)
    3. 棉签
    4. 橡皮泥
    5. 直径较小的针
    6. 牙签
    7. 解剖剪刀
    8. 镊子或钳子
    9. 放大镜(或者升级,给你的朋友一个RoachScope
    10. 低温热胶枪及胶筒
    11. 冰棒棍
    12. 少量面粉
  • 杯冰水(你想要足够的冰来保持水非常冷,但足够的水能够淹没蟑螂)。冰水总是32华氏度,只要水中仍有冰就。
  • 纸巾
  • 时钟有分钟手
  • 工作灯,不要在黑暗中使用!
  • 1 roboroach电极阵列
  • ...当然还有:1只健康的成年盘状蟑螂。重要的:成人可以通过前胸背板上的黑点识别(外骨骼“引擎盖”在他们的头上)和翅膀的存在。他们将不再蜕变。因此,永久地将连接器粘贴到头部。注意:如果将电极连接器粘合到少年蟑螂(无翅膀),则不会在蜕皮时分开其外骨骼并将死亡。不要在少年蟑螂上做这个手术。


程序

步骤1:准备工作空间。选择你的蟑螂。文档!

布置上面列出的所有必要用品和工具。插入热胶枪,如果它有温度设置,请将其设置为低。填写手术设置记录的初始信息,第1页roboroach手术工作表



第2步:将电极阵列连接到蟑螂

2.1)通过将其浸入冰水中麻醉您的蟑螂。注意手术工作表的开始时间 - 程序记录。从现在开始,为了易于阅读,我们不会在每一步中包含提醒,以更新工作表,但您应该承诺成为一个好科学家并记录您的实验!

由于蟑螂是一种冰血动物(不通过代谢产生其自身的热量),因此降低温度会有效地减少神经和代谢功能,有效地“麻醉”昆虫(10).蟑螂通常需要2-5分钟“去睡觉”,只是看着蟑螂停止移动并反应刺激,就像腿上的触感一样。

2.2)一旦完全麻醉,请小心地用镊子从冰水中取出蟑螂并将蟑螂放在桌子上。用砂纸,轻轻砂前胸的中心,以粗糙的蜡状龟。小心不要在打磨时推动太厉害,你不想伤害蟑螂!Hemostat Forceps在此处掌握前胸背板(他们的外骨骼“罩”)。这类似于打磨指甲 - 这是一种没有神经的硬质物质。

沙子,直到摸上去感觉“稍微粗糙”。这将使强力胶粘牢。

2.3)用湿毛巾擦除磨砂时的碎片,然后用纸巾完全擦干。在磨砂的地方涂上一点强力胶。一定不要用手指碰胶水,你想让它粘在蟑螂身上,而不是粘在你身上!

2.4)将黑色接头小心地放在胶水上,电极朝向前(朝向天线)。一定要把它对准身体,大头针应该与身体的长度平行。连接应在1-2分钟内牢固。

2.5)将蟑螂放回冰中1-2分钟以确保不断麻醉(或直到没有观察到刺激)。



第3步:植入胸腔中的“接地”电极

3.1)把蟑螂从水里拿出来,肚子朝下放在桌上,一只翅膀小心地向两侧展开。用橡皮泥把翅膀压下去,稳住蟑螂。用棉签把胸部擦干,然后轻轻地用沙子擦(因为这是粘的步骤)。

用针轻轻地在蟑螂头部后面的胸腔外骨骼上戳一个小洞。避开食道所在的中线。

两侧的飞行肌肉可以忍受一个小刺(这种蟑螂反正不会飞,所以它很少使用这些肌肉)。用足够的力,穿透坚硬的甲壳质外骨骼,但不要太用力,以免把针推得太深。一个有用的提示是,有时你可以在蟑螂的外骨骼上找到一个小标记(蟑螂的背部有5-8个小黑色“雀斑”,你可以使用它们作为插入点的参考)。在这里开个孔,植入电极时更容易定位。

3.3)具有精细钳(或镊子)小心地将中心电极1mm(0.039英寸)插入刚刚制作的孔中。它有助于在插入之前尽可能地伸直电极的尖端。

3.4)使用牙签将超级胶水的小珠施加到刚刚上方的电极上方。

然后使用镊子,小心地将电极1-3毫米(0.039 - 0.118“)”停放“到插入孔中。目标是为了超级进入身体,因为当它与内盐水接触时,它将快速和安全地聚合。超级胶水(氰基丙烯酸酯)实际用于越南战争作为快速战场解决方案,以关闭士兵的伤口。

如果你需要进一步确保它,添加一个额外的小珠子的超级胶水以上的插入点,然后更换机翼的休息的地方。胶水凝固后,用轻型拖轮测试接地电极是否牢固。

3.5)将蟑螂放回冰浴中1-2分钟,保持麻醉状态。



步骤4:植入右侧天线电极

4.1)将蟑螂从冰水中取出并将其置于背侧(将其转回背部)。然后使用镊子仔细地张开天线并将蟑螂正确的天线切成〜1/8 - 英寸(〜3 - 6毫米)。

4.2)取右电极,将电极“放置”在右天线内侧1毫米(0.039”)(不是全部放入)。

就像你之前做的,轻拍一颗超级胶水就在上面的地方电极在天线(停)。

4.3)然后用镊子放置电极,使强力胶珠部分进入天线,~2 - 4mm(0.078“- 0.157”)。如有需要,可在插线后在顶部多涂一点强力胶,但要避免胶水过多。强力胶插入天线后应立即聚合。关键是把强力胶放在天线的内环上;否则很容易脱落。不要用手指碰胶水,因为它会粘在你身上!

4.4)将蟑螂放回冰浴中1-2分钟,保持麻醉状态。



步骤5:植入左天线电极

重复步骤4,但将“右”替换为“左”。



步骤6:整理松弛的铁丝

6.1)清理“钢丝松弛”是重要的。使用手指和镊子,小心地组织(折叠)电线松弛在连接器顶部。尽量确保天线和连接器之间存在小松弛线。蟑螂腿非常强壮,如果牢牢抓住或让它陷入困境,可以拉出电极。还要确保“暴露”的银线部分不接触。

6.2)准备一个小平面的末端,如冰棒棒(也可以用小尺子或钳子的后端),将其浸湿,然后在面粉中浸泡。

6.3)为了将多余的电线固定在适当的位置,使用热胶枪,在电线顶部轻轻涂上热胶。

涂完热熔胶后,用“撒面粉”的平边将热熔胶压下去。面粉的作用是防止热胶粘在你的捣碎工具上。

确保电线都是整齐的头部,有时添加一点额外的超级胶水,以确保松动部分的电线必须做。



步骤7:手术完成!清理时间

7.1)将蟑螂放回玻璃玻璃玻璃玻璃,并提供食物和水。恢复最多可能需要2-4小时。准备演示时,我们通常会在前一天晚上进行手术,让蟑螂整夜恢复。蟑螂将在第二天早上准备好实验。

7.2)将您的工具放开并丢弃污染的材料。不要喝水!清洁手术表和工具。永远记得洗手!

7.3)填写《术后复查记录》,第3页roboroach手术工作表



步骤8:测试你的roboroach

为了测试触角的微刺激,首先将RoboRoach PCB的公连接器插入蟑螂头上的母连接器。如果你还没有,你可以直接下载应用程序,不需要通过app Store,这里.如果您有任何问题,请发邮件给我hello@www.zermakina.com).接下来,按下PCB左边缘的小黑色按钮,这将唤醒微控制器,以便您可以使用蓝牙智能兼容设备的应用程序连接。使用默认刺激设置,在屏幕上向左或向右滑动,并观察任何行为响应。如果蟑螂转向你刷涂的方向,你的手术是成功的。做得好!你的roboroach准备好进行下一个实验。如果没有可观察的行为响应,请审查您的手术记录,从经验中学习,并在准备好时再试一次。不要沮丧,失败有一个光明的一面。它提供了改进的机会,并且在利用科学方法时是一个重要的结果。阿尔伯特爱因斯坦(或者也许是托马斯A.爱迪生)最好,“我没有失败,我刚刚找到了10000种不起作用的方式。”



实验,学习和分享

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  • 向我们发送您的结果和手术工作表info@www.zermakina.com
  • 告诉我们您发现有用的任何技巧和/或提示。
  • 让我们知道如果您有任何麻烦,我们非常乐意提供帮助!
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    提示和技巧

    • 将一块干燥的纸巾放在手边,与你从冰浴中取出后用来擦干蟑螂的纸巾分开。
    • 保持胶水孔清洁,这样您就可以精确使用SuperGlue。


    失败和修复

      失败:GND电极松动
    • 解决方法:确认你的蟑螂仍然是麻醉的。修剪电线的尖端,去除任何胶水或皱折的部分。接下来拿打火机把顶端烧掉~1-2mm的绝缘层(要拿稳手和细心眼)。然后用你的剪刀修剪掉在电极尖端形成的银珠。现在,从失败的插入点再戳一个洞,最好是在胸腔的另一边,然后重复第3步。
    • 故障:天线电极出现
    • 解决方法:确认你的蟑螂仍然是麻醉的。修剪电线的尖端,去除任何胶水或皱折的部分。接下来拿打火机把顶端烧掉~1-2mm的绝缘层(要拿稳手和细心眼)。然后用剪刀剪掉电极尖端形成的小银珠。现在,剪掉天线上的胶水,再试一次。
    • 失败:连接器从前胸背板松开
    • FIX:如果电线没有损坏,那么一块超级胶水可以解决这个问题,否则,您将必须重新开始。为了防止下次发生这种情况,请确保连接器被砂磨和清洁灰尘或水,因此胶水粘得很好。
    • 失败:热胶从连接器顶部松动
    • FIX:如果电线没有损坏,那么一块超级胶水可以解决这个问题,否则,您将必须重新开始。为了防止这种情况发生,请确保连接器砂磨,因此胶粘棒。此外,在应用胶水之前,请务必清洁和干燥连接器顶部。此外,由于热胶迅速干燥,在施加胶水后立即将其与冰棒棒(在末端面粉上)包装。
    • 失败:蟑螂在过程中轻微移动
    • FIX:在冰浴中添加更多冰并允许蟑螂几分钟内容以进行全身麻醉。此外,在蟑螂位于冰浴中,准备下一步所需的工具,以便在每个步骤中尽可能快速且高效。


    常见问题

    我在哪里可以获得更多的电池?
    RoboRoach电池可在我们的在线商店提供。
    我在哪里获得更多电极?
    Roboroach电极可在我们的在线商店提供。或者自己做RoboRoach电极。
    什么是蓝牙低能耗兼容的智能手机?
    支持的IOS设备:iPhone 4s +,iPod 5th代+,iPad Mini,iPad第4代+。支持的Android设备:摩托罗拉Droid Razr M;Nexus 4,5,7;三星Galaxy S3 +(当BLE正式发布时,许多其他人)
    我如何得到RoboRoach应用程序?它是免费的吗?
    它是免费下载的。目前它还在iOS的审核过程中。现在,它可以在Android 4.3+设备上使用。
    我在哪里可以获得蟑螂?
    如果你住在美国,我们可以给你寄一箱结实的、健康的盘状鱼,或者盘状鱼/cranifer的混合体。蟑螂在长时间不被关在船运箱里的时候是最快乐的。因此,我们在周一或周二通过2-3天的USPS优先邮件发送蟑螂。你可以订购蟑螂通过我们的网上商店。
    为什么?
    五分之一的人一生中会有神经系统疾病(11).提供实惠的教育工具和实验,例如罗勒别可国可以传播神经系统疾病和当前神经技术的意识和知识伟德国际安卓。鼓舞人心和令人兴奋的人们了解有关他们神经系统如何工作和追求神经科学和/或茎中的田地的更多信息。
    用RoboRoach你能学到什么?
    • 行为的神经控制:首先,你将实时看到大脑对感官刺激的反应。
    • 学习和记忆:几分钟后,蟑螂会对RoboRoach微刺激停止反应。为什么?大脑学习和适应。这就是大脑的功能。你可以测量适应各种刺激频率的时间。
    • 适应与习惯:将蟑螂放回其玻璃圈后,他再次回应需要多长时间?他是否会更快地适应刺激?
    • 刺激选择:什么频率范围的工作导致神经元放电?有了这个工具,你就可以选择刺激范围,看看什么对你的准备工作最有效。这和医生用来刺激人类神经元的方法是一样的吗?你会发现的。
    • 随机性的影响:通过向我们的刺激模式添加新的“随机”模式,您可以试验非过期刺激。我们作为人类,可以轻松适应定期噪音(例如,例如,可以忽略冰箱)。因此,适应的原因是我们的刺激是定期的。现在,您可以选择随机模式,看看Roboroach是否尽快适应。或者根本!
    蟑螂会痛吗?
    科学家们仍在研究这个问题。由于我们不确定,我们假设他们会,并采取一切预防措施来减少伤害和潜在的疼痛。我们向神经元发送少量电流。这种方法被称为微刺激,用来使附近的神经元产生动作电位或“尖峰”。这不是电击,也不会引起疼痛。我们可以通过这样一个事实来证实:蟑螂可以在几分钟内适应微刺激,并完全忽视它,而这是对疼痛刺激无法做到的。
    我能用RoboRoach把我的弟弟/妹妹/妈妈/爸爸/狗/猫/仓鼠变成半机械人吗?
    不可以。在美国,有脊椎动物上神经微疗法的规则,法规和协议(12).控制蟑螂的运动轨迹有效,因为刺激了天线中的神经。天线直接涉及导航,并且天线的接口比其他动物的导航系统更容易更简单。
    RoboRoach的规格是什么?
    • 总重量:<4.5g
    • 刺激频率:1Hz-150Hz
    • 刺激脉冲宽度:1ms-500ms(最大脉冲宽度取决于频率)
    • 刺激增益:0到100%
    • 刺激持续时间:10ms至1000ms。
    • 通信协议:蓝牙智能(低能量)
    • 电极:0.003“裸,0.0055”绝缘,银线
    • 电池:16mm 1632硬币电池
    • 使用时间:每节电池12小时


    科学公平项目理念

    • 增加或减少刺激增益对蟑螂行为的影响是什么?它适应刺激的速度是快还是慢?尝试更改其他一些变量,如频率、脉冲宽度和持续时间,并看看它们有什么影响。
    • 为什么你认为蟑螂在它时停止响应?你认为你如何增加那个时间?
    • 蟑螂需要多少天停止响应?您认为原因或影响什么?
    • 为什么蟑螂会有这种行为?你能做些什么实验来证明我们诱伟德国际安卓导的行为和自然行为是一样的呢?
    • 你认为你是否可以诱导的其他行为,也许是电极的不同放置?

    参考

    1. D. S. Halacy,《电子人:超人的进化》(纽约:Harper and Row出版社,1965),7。
    2. Vidal,JJ(1973)。“走向直接脑电电脑通信”。生物物理学和生物工程的年度审查2:157-80.DOI:10.1146 / annurev.bb.02.060173.001105.pmid 4583653。
    3. 国家卫生研究院出版物,第11-4798号(2011年3月1日)。“耳蜗植入设备”。国家耳聋和其他沟通障碍研究所。
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    5. T.E.摩尔,S.E.Crary,D.E.koditschek,和t.a.Conklin,“蟑螂的直接机器人:”Biobots“,”Acta Entomologica Slovenica,Vol.6,1998年12月71-78
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    7. Tsang W. M.,Stone A.L.,Aldworth Z. N.,Otten D.,Akinwande A. I. Daniel T. L.,Hildebrand J. G.,Levine R.,Voldman J.(2010B)。“使用碳纳米管增强柔性神经治疗探针的遥控器遥控,”香港IEEE微电机械系统(MEMS2010)的IEEE国际会议综述。
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