CN103584837A - 粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法和装置，属于人工控制领域。通过手术分离、微电刺激确定粘附动物控制粘/脱附动作的神经干，利用同步触发模块将触发信号同时发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，显微高速摄像系统和力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观行为和力学数据进行采集并记录。本发明采用微电刺激粘附动物控制粘/脱附动作的神经干，通过同步触发模块实现采集过程中系统间的同步，快速、准确、高效地对粘附动物粘/脱附微观行为和力学数据进行采集，操作简单、数据采集精度高、重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及了一种粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法和装置，适用于粘附类动物特殊动作反应的微观行为学、生物力学研究中的数据采集，属于人工控制领域。
背景技术
可粘附动物的粘附系统具有高稳定性、易粘/脱附等特点，对其粘附系统的粘/脱附微观行为及力学性能的研究有利于理解动物粘附系统的物理机制，为未来仿生爬壁机器人粘附系统设计提供理论依据和技术支撑。大壁虎是已知具有粘附性能的爬行动物中个体最大的一种，具有优异粘附能力的大壁虎可以在任意倾斜角度表面运动，作为可粘附动物中的一个典型实验动物，已被广泛研究。
2000年，Autumn等采用人为控制刚毛粘脱附的方法，在显微摄像的帮助下，首次获得了单根刚毛的粘脱附性能，并发表于Nature 杂志，极大的推动了壁虎粘附系统性能的研究。
目前关于粘附动物的粘脱附性能的研究主要集中于理论假想模型，缺乏实验验证，不能全面揭示其粘脱附的物理机制。原因在于：首先，为了获得自由粘/脱附过程中脚趾刚毛在粘/脱附时的变形机制，必须采用显微摄像系统，但其拍摄视野有限加之粘附动物运动过程中脚趾接触位置的不确定性，导致实际情况下难以捕获自由运动时粘附动物脚趾粘/脱附过程的微观行为；其次，粘/脱附性能的一个重要评价参数就是力学性能，如何在自由运动时，高效地获得大量的粘附动物各个脚趾的粘/脱附力学数据一直没有得到解决。因此同时获得自由状态下粘附动物脚趾粘/脱附的微观行为及力学数据是粘附动物脚趾粘/脱附物理机制研究的一个重要技术难题。
发明内容
本发明提供了一种粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法和装置，以解决现有技术中无法准确、同步采集粘附动物粘/脱附过程中的微观行为及力学数据的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，包括以下步骤：
1）手术分离粘附动物附肢神经干；
2）找出控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干；
3）将控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干搭载于刺激电极的刺激输出端，并将粘附动物的一个脚趾粘附在力学传感器测力玻璃片上，将其中一台显微高速摄像机对准粘附动物脚趾的腹面，调节光焦，使显微高速显示仪中脚趾腹部刚毛变形清晰可见；另一台显微高速摄像机与其成直角放置，调节光焦，从侧向以记录脚趾刚毛的微观行为；
4）调节力学采集系统，进行空采集、初始化后准备采集；
5）力采集程序控制计算机发出触发信号经同步触发模块发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，同时显微高速摄像系统和力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观形态变化和输出的力学数据进行采集。
所述手术分离粘附动物附肢神经干的过程为：
1）按粘附动物20 mg/kg剂量采用腹腔注射戊巴比妥钠对其进行浅度麻醉，在手术区皮下注射2%盐酸利多卡因注射液0.1 ml进行局部麻醉，增强镇痛效果；
2）对手术野皮肤进行碘伏消毒处理，沿腿的纵轴方向在大腿近中部背侧开一6~10 mm切口，用玻璃分针将皮肤垂直切口方向拉向两侧，然后用玻璃分针分离相邻肌肉间的结缔组织膜；
3）将走形于腿部肌肉之间的神经干和血管束用玻璃分针分离，使其相对独立。
所述确定控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干过程为：将微电刺激器的输出端与刺激电极输入端相连，将分离出的神经干连接于刺激电极的输出端，采用生理范围内的微电刺激参数进行电刺激检测各神经干对粘附动物附肢的调控作用，找出控制粘/脱附行为的对应神经干并用生理盐水保湿备用。
所述微电刺激参数为波宽1 ms，频率80 Hz，强度30~80 μA，每次刺激时间不超过5 s，两次刺激的时间间隔＞3 min。
所述刺激电极制作地过程为：
1）采用双钩式排列，用针体直径100 μm、Teflon绝缘的镍铬合金丝进行螺旋缠绕，输入端焊接铜导线便于微电刺激器输出端的鳄鱼夹夹持；
2）刺激输出端平行排列，基于间距调节片固定，使其间距为1mm；
3）将其弯折呈1/2~2/3圆弧，圆弧直径为2 mm；
4）在显微镜下用手术刀片将圆弧凹面中间部绝缘层刮去3mm长度，便于电刺激时神经干与刺激电极的联通。
所述显微高速摄像机的采集频率为1000 Hz。
所述显微高速摄像机拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光。
所述力学采集系统采样频率为4000 Hz。
本发明还提供了一种实现粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法的装置，包括分别与同步触发模块连接的力学采集系统、显微高速摄像系统、程控微电刺激系统；
所述力学采集系统包括与力采集部件连接的力学传感器、安装力采集程序的控制计算机，粘附动物脚趾粘附在力学传感器的测力玻璃片上；
所述显微高速摄像系统为两台显微高速摄像机，其中一台显微高速摄像机对准可粘附动物脚趾的腹面，从腹面记录脚趾刚毛的变形情况；另一台显微高速摄像机与其成直角放置，从侧向记录脚趾刚毛的微观行为；
所述程控微电刺激系统包括微电刺激程序控制计算机、微电刺激器和刺激电极，微电刺激程序控制计算机与微电刺激器连接，微电刺激器与刺激电极输入端连接，刺激电极输出端与粘附动物控制粘/脱附动作的神经干连接；
所述安装力采集程序的控制计算机同时还与同步触发模块连接，负责向同步触发模块发出触发信号；触发信号经同步触发模块发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，同时显微高速摄像系统和力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观形态变化和力学输出的数据进行采集。
所述力学采集系统中的力学传感器为毫牛级三维力学传感器，其分辨率为1 mN，固有频率为491 Hz。
本发明的有益效果在于：
（1）将神经电生理技术引入动物行为学和力学研究，基于粘附动物附肢不同神经干在特定运动中所发挥的具体作用，采用人工电刺激的方式，高效、稳定的实现了粘/脱附时微观行为和力学数据的采集；
（2）通过同步触发模块实现了程控微电刺激系统、高速摄像采集系统、力学采集系统的同步，快速、准确地采集到粘附动物粘/脱附行为中微观行为和力学数据，为其生物物理机理研究提供了技术支撑；
（3）本发明操作简单、数据采集精度高、重复性好。
附图说明
图1粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据采集示意图。
图2粘附动物神经干刺激电极示意图。
图3粘附动物神经干的手术分离示意图。
其中，1-同步触发模块、2-力采集部件、3-力采集程序控制计算机、4-力学传感器、5-显微高速摄像机、6-显微高速摄像机、7-微电刺激器、8-微电刺激控制计算机、9-刺激电极。
具体实施方式
下面结合附图1、2、3，以微电刺激控制大壁虎脚掌外翻的神经干诱发其脱附行为为例介绍微观行为及力学数据的采集过程，其包括以下步骤：
1）制作刺激电极9：采用双钩式排列，用针体直径100 μm、Teflon绝缘的镍铬合金丝进行螺旋缠绕，刺激输入端焊接铜导线便于微电刺激器7输出端的鳄鱼夹夹持，刺激输出端平行排列，通过间距调节片固定，使其间距为1 mm；然后将其弯折呈1/2~2/3圆弧，圆弧直径为2mm；在显微镜下用手术刀片将圆弧凹面中间部绝缘层刮去3 mm长度，便于电刺激时神经干与刺激电极9的联通；
2）将大壁虎称重后按20 mg/kg体重剂量采用腹腔注射戊巴比妥钠对大壁虎进行浅度麻醉，在手术区皮下注射2%盐酸利多卡因注射液0.1 ml进行局部麻醉，以增强镇痛效果；
3）对手术野皮肤进行碘伏消毒处理，沿腿的纵轴方向在大腿近中部背侧开一6~10 mm切口，用玻璃分针将皮肤垂直切口方向拉向两侧，然后用玻璃分针分离相邻肌肉间的结缔组织膜；
4）将走形于腿部肌肉之间的神经干和血管束用玻璃分针分离，使其相对独立，然后在分离出的神经干两端穿手术缝合线备用；
5）将微电刺激器7的输出端鳄鱼夹与刺激电极9输入端的夹持部相连，提起神经干两端的手术缝合线使其搭载于刺激电极9的输出端，调节刺激参数为波宽1 ms，频率80 Hz，强度30~80 μA，每次刺激时间不超过5 s，两次刺激的时间间隔＞3min；检测各神经干对大壁虎附肢的调控作用，找出控制脚掌外翻的神经干备用，用蘸有生理盐水的脱脂棉覆盖神经干进行保湿；
6）将控制脚掌外翻的神经干搭载于刺激电极9的刺激输出端，然后将大壁虎的一个脚趾粘附在力学传感器4测力玻璃片上，将其中一台显微高速摄像机5对准大壁虎脚趾的腹面，调节光焦，使显微高速摄像机5的显示仪中脚趾腹侧刚毛变形清晰可见。另一台显微高速摄像机6与其成直角放置，调节光焦，从侧向以记录脚趾刚毛的微观行为；将高速摄像采集频率设为1000 Hz，整个显微高速摄像机拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光；
7）调节力学采集系统，进行空采集、初始化后准备实验；
8）力采集程序控制计算机3发出触发信号经同步触发模块发送信号至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，通过微电刺激器7输出电刺激信号诱发大壁虎脚掌外翻的同时对脚趾微观形态变化和输出的力学数据进行采集；采集过程中大壁虎的脱附过程约为20 ms，显微高速摄像机采用每秒1000 fps记录；
9）实验结束，大壁虎俯卧位至少休息3 min，期间用生理盐水对神经干进行保湿，然后重复步骤8），进行下一次采集。
上述步骤7）力学采集系统中力学采集程序主要有四个步骤：空采集、初始化、采集和停止。在软硬件系统的参数设置中需考虑物理通道的选择，桥信息、应变计信息的设置与力学传感器和数据采集卡参数保持一致，避免采集到的信号产生畸变。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是原信号的两倍，但实际工程应用中，一般都需要5~10倍。通过Matlab软件对预试验数据进行频谱分析和长期试验经验的积累，本方法中设定的采样频率为4000 Hz。
基于同理，上述采集过程中也可以通过刺激大壁虎的粘附神经干实现对粘附微观行为及力学数据的采集，在此不作详细说明。
该方法也同样适用于树蛙等其它粘附动物的粘/脱附微观行为及力学数据的采集。
参照图1，本发明实现粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法的装置，包括分别与同步触发模块1连接的力学采集系统、显微高速摄像系统、程控微电刺激系统；
力学采集系统包括与力采集部件2连接的分辨率为1 mN，固有频率为491 Hz的毫牛级三维力学传感器4、安装力采集程序的控制计算机3，粘附动物脚趾粘附在力学传感器4的测力玻璃片上；
显微高速摄像系统包括两台Olympus i-SPEED 3，在2000 fps以下，分辨率为1280×1024，可通过CF卡无限扩展容量的显微高速摄像机5、6，其中一台对准可粘附动物脚趾的腹面，从腹面记录脚趾刚毛的变形情况；另一台与其成直角放置，从侧向记录脚趾刚毛的微观行为；
程控微电刺激系统包括微电刺激程序控制计算机8、微电刺激器7和刺激电极9，微电刺激程序控制计算机8与微电刺激器7连接，微电刺激器7与刺激电极9输入端连接，刺激电极9输出端与粘附动物控制粘/脱附动作的神经干连接；
力采集程序控制计算机3同时还与同步触发模块1连接，负责向同步触发模块1发出触发信号；触发信号经同步触发模块1发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，同时显微高速摄像系统和三维力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观形态变化和力学输出的数据进行采集。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于包括以下步骤：
1）手术分离粘附动物附肢神经干；
2）找出控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干；
3）将控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干搭载于刺激电极的刺激输出端，并将粘附动物的一个脚趾粘附在力学传感器的测力玻璃片上，将其中一台显微高速摄像机对准粘附动物脚趾的腹面，调节光焦，使显微高速显示仪中脚趾腹部刚毛变形清晰可见；另一台显微高速摄像机与其成直角放置，调节光焦，从侧向以记录脚趾刚毛的微观行为；
4）调节力学采集系统，进行空采集、初始化后准备采集；
5）力采集程序控制计算机发出触发信号经同步触发模块发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，同时显微高速摄像系统和力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观形态变化和输出的力学数据进行采集和记录。
2.根据权利要求1所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于所述步骤1）的过程为：
1）按粘附动物20 mg/kg剂量采用腹腔注射戊巴比妥钠对其进行浅度麻醉，在手术区皮下注射2%盐酸利多卡因注射液0.1ml进行局部麻醉，增强镇痛效果；
2）对手术野皮肤进行碘伏消毒处理，沿腿的纵轴方向在大腿近中部背侧开一6-10 mm切口，用玻璃分针将皮肤垂直切口方向拉向两侧，然后用玻璃分针分离相邻肌肉间的结缔组织膜；
3）将走形于腿部肌肉之间的神经干和血管束用玻璃分针分离，使其相对独立。
3.根据权利要求1所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于所述步骤2）的过程为：将微电刺激器的输出端与刺激电极输入端相连，将分离出的神经干连接于刺激电极的输出端，采用生理范围内的微电刺激参数进行电刺激检测各神经干对粘附动物附肢的调控作用，找出控制粘/脱附行为的对应神经干并用生理盐水保湿备用。
4.根据权利要求3所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于：所述微电刺激参数为波宽1 ms，频率80 Hz，强度30~80 μA，每次刺激时间不超过5 s，两次刺激的时间间隔＞3 min。
5.根据权利要求1或3所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于所述刺激电极制作过程为：
1）采用双钩式排列，用针体直径100 μm、Teflon绝缘的镍铬合金丝进行螺旋缠绕，输入端焊接铜导线便于微电刺激器输出端的鳄鱼夹夹持；
2）刺激输出端平行排列，基于间距调节片固定，使其间距为1 mm；
3）将其弯折呈1/2~2/3圆弧，圆弧直径为2 mm；
4）在显微镜下用手术刀片将圆弧凹面中间部绝缘层刮去3 mm长度，便于电刺激时神经干与刺激电极的联通。
6.根据权利要求1所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于：所述显微高速摄像机的采集频率为1000 Hz。
7.根据权利要求1所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于：整个显微高速摄像机拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光。
8.根据权利要求1所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法，其特征在于：所述力学采集系统采样频率为4000 Hz。
9.一种实现权利要求1至4、6至8任一项所述的粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法的装置，其特征在于：包括分别与同步触发模块连接的力学采集系统、显微高速摄像系统、程控微电刺激系统；
所述力学采集系统包括与力采集部件连接的力学传感器、安装力采集程序的控制计算机，粘附动物脚趾粘附在力学传感器的测力玻璃片上；
所述显微高速摄像系统为两台显微高速摄像机，其中一台显微高速摄像机对准可粘附动物脚趾的腹面，从腹面记录脚趾腹部刚毛的变形情况；另一台显微高速摄像机与其成直角放置，从侧面记录脚趾刚毛的微观行为；
所述程控微电刺激系统包括微电刺激程序控制计算机、微电刺激器和刺激电极，微电刺激程序控制计算机与微电刺激器连接，微电刺激器与刺激电极输入端连接，刺激电极输出端与粘附动物控制粘/脱附动作的神经干连接；
所述安装力采集程序的控制计算机同时还与同步触发模块连接，负责向同步触发模块发出触发信号；触发信号经同步触发模块发送至程控微电刺激系统、显微高速摄像系统和力学采集系统，程控微电刺激系统输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作，同时显微高速摄像系统和力学采集系统分别对粘附动物的脚趾微观形态变化和力学输出的数据进行采集并记录。
10.根据权利要求9所述的实现粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法的装置，其特征在于：所述力学采集系统中的力学传感器为毫牛级三维力学传感器，其分辨率为1 mN，固有频率为491 Hz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Zhouyi Inventor after: Cai Lei Inventor after: Dai Zhendong Inventor after: Wang Wenbo Inventor after: Ji Aihong Inventor after: Guo Ce Inventor before: Dai Zhendong Inventor before: Cai Lei Inventor before: Wang Zhouyi Inventor before: Wang Wenbo Inventor before: Ji Aihong Inventor before: Guo Ce |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: DAI ZHENDONG CAI LEI WANG ZHOUYI WANG WENBO JI AIHONG GUO CE TO: WANG ZHOUYI CAI LEI DAI ZHENDONG WANG WENBO JI AIHONG GUO CE |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140219 |