CN207854783U - 黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种黏附动物黏‑脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置包括同步触发模块，同步触发模块分别连接有力学采集系统、显微高速摄像系统、程控微电刺激系统；力学采集系统包括力采集部件、力学传感器和力采集程序控制计算机，力学传感器和力采集程序控制计算机分别与力采集部件连接，力采集程序控制计算机和力采集部件分别与同步触发模块连接；显微高速摄像系统包括第一显微高速摄像机和第二显微高速摄像机；程控微电刺激系统包括依次相连的微电刺激控制计算机、微电刺激器和刺激电极，微电刺激控制计算机与同步触发模块连接。本实用新型通过同步触发模块实现了同步，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。
Description
技术领域
本实用新型属于微观行为学技术领域，涉及一种黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置。
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。
实用新型内容
为了达到上述目的，本实用新型提供一种黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，解决了自由运动时粘附动物脚趾粘/脱附过程的微观行为难以捕获的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，包括同步触发模块，所述同步触发模块分别连接有力学采集系统、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力采集部件、力学传感器和力采集程序控制计算机，所述力学传感器和力采集程序控制计算机分别与力采集部件连接，所述力采集程序控制计算机和力采集部件分别与同步触发模块连接；所述显微高速摄像系统包括第一显微高速摄像机和第二显微高速摄像机，所述第一显微高速摄像机和第二显微高速摄像机分别与同步触发模块连接；所述程控微电刺激系统包括依次相连的微电刺激控制计算机、微电刺激器和刺激电极，所述微电刺激控制计算机与同步触发模块连接。
本实用新型的特征还在于，
所述力学传感器包括用于粘附动物脚趾的测力玻璃片。
所述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。
所述第一显微高速摄像机和第二显微高速摄像机拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光，采集频率为1000 Hz。
所述刺激电极的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。
本实用新型的有益效果是，
（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）操作简单、数据采集精度高、重复性好。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的结构示意图；
图2是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的采集示意图；
图3是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的粘附动物神经干刺激电极示意图；
图4是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的粘附动物神经干的手术分离示意图；
图5是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的脚趾外翻脱附过程中的行为与受力状态图；
图6是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的力采集部件主控芯片电路图；
图7是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的力采集部件供电模块电路图；
图8是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的力采集部件力学信号前端处理电路图；
图9是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的力采集部件网口电路图；
图10是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的同步触发模块网口部分电路图；
图11是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的同步触发模块主控芯片部分电路图；
图12是本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置的同步触发模块供电模块电路图。
图中，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.第一显微高速摄像机，6.第二显微高速摄像机，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
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实数据处理电路用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，如图1-图2所示，包括同步触发模块1，所述同步触发模块1分别连接有力学采集系统、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力采集部件2、力学传感器4和力采集程序控制计算机3，所述力学传感器4和力采集程序控制计算机3分别与力采集部件2连接，所述力采集程序控制计算机3和力采集部件2分别与同步触发模块1连接；所述显微高速摄像系统包括第一显微高速摄像机5和第二显微高速摄像机6，所述第一显微高速摄像机5和第二显微高速摄像机6分别与同步触发模块1连接；
所述程控微电刺激系统包括依次相连的微电刺激控制计算机8、微电刺激器7和刺激电极9，所述微电刺激控制计算机8与同步触发模块1连接。
所述力学传感器4包括用于粘附动物脚趾的测力玻璃片。
所述力学传感器4为毫牛级三维力学传感器，其分辨率为1 mN，固有频率为491Hz。
所述第一显微高速摄像机5和第二显微高速摄像机6拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光，采集频率为1000 Hz。
所述刺激电极9的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。
本实用新型的黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，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9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4的测力玻璃片上，将第一显微高速摄像机5对准粘附动物脚趾的腹面并调节光焦，使显示的脚趾腹部刚毛变形清晰可见；第二显微高速摄像机6与第一显微高速摄像机5成直角放置，调节光焦，从侧向以记录脚趾刚毛的微观行为；完成各设备准备工作及力学采集系统初始化后，操作者在力采集程序控制计算机3确认实验开始后，力采集程序控制计算机3通过网口向同步触发模块1发送开始信号，同步触发模块1在接收到开始信号后，将同时向力采集部件2、第一显微高速摄像机5、微电刺激控制计算机8及第二显微高速摄像机6发送触发指令，其中，第一显微高速摄像机5和第二显微高速摄像机6接收到触发信号后将开始对实验对象控制粘附动物粘/脱附行为的对应神经干进行摄像；力采集部件2在接收到触发信号后，将开始从力学传感器4接收力学信号，力采集部件2将接收到的力学信号处理后，通过网口向力采集程序控制计算机3传输处理后的力学数据；微电刺激控制计算机8在接收到触发信号后，将通过微电刺激系统控制微电刺激器7来使能刺激电极9，最终输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作。
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。
本实用新型所述同步触发模块1包括供电模块、主控芯片、网口三部分。
所述同步触发模块1的供电模块中，端口J3外接5V稳压电源，经稳压芯片转换后，将为主控芯片、网口提供3.3V供电电源。所述同步触发模块1的主控芯片中，端口J2为编译口，运行指示灯指示主控芯片工作情况，主控芯片输出同步触发指令。所述同步触发模块1的网口部分中，同步触发模块1通过网口部门接收到力采集程序控制计算机3的开始指令后，主控芯片将同时向力采集部件2、第一显微高速摄像机5、微电刺激控制计算机8及第二显微高速摄像机6发送触发指令。
所述力采集部件2包括主控芯片、供电模块、力学信号前端处理、网口四部分。所述力采集部件2的主控芯片中，端口J2为编译口，运行指示灯指示主控芯片工作情况，力学信号的滤波处理、一般运算、AD转换等工作将在主控芯片内完成。所述力采集部件2的供电模块中，端口J1外接正负12V及5V稳压电源，外部输入电压经稳压芯片转换，输出REF2.5V、3.3V及REF5V电压供以主芯片、AD转换模块以及运算放大器芯片使用；所述力采集部件2的力学信号前端处理部分中，端口J3与三维力传感器相连接，三维力传感器输入信号经过处理后输入运算放大器芯片，信号经放大处理后，输出X、Y、Z三路力学数据信号至主芯片中；所述力采集部件2的网口部分中，力学信号经前端处理后，力采集部件2通过标准网口接口向力采集程序控制计算机3传输处理后的力学数据。
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，将显微高速摄像记录的视频数据与力学传感器获得的法力学数据相结合，整个脚趾外翻实验过程可以分为四个阶段：初始黏附、脱附力加载、刚毛束黏附失效、实验系统的衰减，如图5所示，其中(A)为脚趾外翻脱附过程的轨迹图；(B)为外翻脱附过程中脚趾受力的时间函数。
第（1）阶段，为初始黏附阶段，此时壁虎依靠一根脚趾静止悬挂于玻璃片上，法向力和切向力保持不变。由计算得到作用力合力与玻璃片之间的夹角α约为14.24°，与实验装置设定的几何角度ζ=15°近似相等，说明脚趾根部未黏附段受力是沿骨骼轴向。
第（2）阶段，为壁虎外翻脱附的力加载过程。在t a 时刻，神经刺激触发，脚趾开始向后蜷曲。第一排刚毛束不断被拉伸，但未与基底分离。大约持续20ms，约占外翻脱附总时间的40%。从而，法向力不断增大，而切向力无明显变化。
第（3）阶段，从第一束刚毛开始断裂后，后续刚毛束被拉伸并脱附的过程，在整个脱附过程的末段，法向力达到峰值并迅速衰减，在t c 出现一个小的正的法向力峰值(<10mN)，表明此时脚趾与基底之间由拉力转变为压力。切向力达到峰值并迅速衰减。脱附过程中法向力峰值与初始法向力的差值(△F N )约为23mN。
第（4）阶段，该部分反应的是实验系统在受到激励后两个方向力的衰减。
本实用新型的采集装置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。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (5)
1.黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，其特征在于，包括同步触发模块（1），所述同步触发模块（1）分别连接有力学采集系统、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力采集部件（2）、力学传感器（4）和力采集程序控制计算机（3），所述力学传感器（4）和力采集程序控制计算机（3）分别与力采集部件（2）连接，所述力采集程序控制计算机（3）和力采集部件（2）分别与同步触发模块（1）连接；所述显微高速摄像系统包括第一显微高速摄像机（5）和第二显微高速摄像机（6），所述第一显微高速摄像机（5）和第二显微高速摄像机（6）分别与同步触发模块（1）连接；
所述程控微电刺激系统包括依次相连的微电刺激控制计算机（8）、微电刺激器（7）和刺激电极（9），所述微电刺激控制计算机（8）与同步触发模块（1）连接。
2.根据权利要求1所述的黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，其特征在于，所述力学传感器（4）包括用于粘附动物脚趾的测力玻璃片。
3.根据权利要求1所述的黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，其特征在于，所述力学传感器（4）为毫牛级三维力学传感器，其分辨率为1 mN，固有频率为491Hz。
4.根据权利要求1所述的黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，其特征在于，所述第一显微高速摄像机（5）和第二显微高速摄像机（6）拍摄区域采用6000 Lux冷光源补光，采集频率为1000 Hz。
5.根据权利要求1所述的黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集装置，其特征在于，所述刺激电极（9）的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。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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