JP2011509216A - Insect flight control system - Google Patents

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裕崇 佐藤
マハービズ、マイケル、エム.
ベリー、クリストファー、ダブリュー.
ケーシー、ブレンダン、イー.
ラベラ、ガブリエル
Original Assignee
ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティー オブ ミシガン
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    • B64U10/80UAVs characterised by their small size, e.g. micro air vehicles [MAV]

Abstract

マイクロバッテリによって給電されるマイクロコントローラ駆動神経刺激システムを用いた、飛行開始、停止、ピッチ制御、及び操向を含む、昆虫の遠隔制御飛行。いくつかの実施例では、神経刺激器と、筋肉刺激器と、マイクロコントローラと、2グラムの甲虫(Cotinis texana)の連続遠隔飛行制御を可能にするマイクロバッテリとを備える、前胸背板に取り付けられる小型システムが提供される。飛行開始、停止、及び上昇制御は、翅振動を誘発し、抑制し、又は変化させる、脳の神経刺激を通して達成される。方向転換は、どちらかの飛行筋への直接的な筋肉刺激を通して引き起こされる。刺激電位(|3|V)と、電力(パルス当たり平均80μW)が、160mgのマイクロバッテリを搭載した場合に、31時間よりも長い動作時間を可能にする。飛行命令は、マイクロコントローラ・メモリ内に事前ロードしておくことができ、又は遠隔制御することができる。  Insect remote control flight including start, stop, pitch control, and steering using a microcontroller driven neural stimulation system powered by a microbattery. In some embodiments, attached to the anterior chest backplate comprising a neurostimulator, a muscle stimulator, a microcontroller, and a microbattery that allows continuous remote flight control of a 2 gram Cotinis texana. A small system is provided. Flight start, stop, and lift control is achieved through neural stimulation of the brain that induces, suppresses, or changes heel vibration. The turn is triggered through direct muscle stimulation to either flight muscle. Stimulation potential (| 3 | V) and power (average 80 μW per pulse) allow an operating time longer than 31 hours when a 160 mg microbattery is mounted. Flight instructions can be preloaded into the microcontroller memory or can be remotely controlled.

Description

本出願は、2008年1月11日に出願された特許文献1の利益を主張する。上記出願の開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。   This application claims the benefit of Patent Document 1 filed on Jan. 11, 2008. The entire disclosure of the above application is incorporated herein by reference.

政府の権利
本発明は、NAVY/SPAWARによって裁定されたN66001−07−1−2006の下、政府支援を受けて行われた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
Government Rights This invention was made with government support under N66001-07-1-2006 awarded by NAVY / SPAWAR. The government has certain rights in the invention.

本開示は、マイクロ飛行体(MAV:micro air vehicle)及びナノ飛行体(NAV:nano air vehicle)に関し、より詳細には、昆虫飛行を制御するための、埋め込み可能なつなぎ綱なしのマイクロシステムに関する。   The present disclosure relates to micro air vehicles (MAVs) and nano air vehicles (NAVs), and more particularly to implantable tetherless microsystems for controlling insect flight. .

米国仮出願第61/020,499号US Provisional Application No. 61 / 020,499

本教示の原理によれば、神経刺激器と、筋肉刺激器と、マイクロコントローラと、昆虫の連続飛行制御を可能にするマイクロバッテリとを備える、前胸背板に取り付けられる小型制御システムが提供される。いくつかの実施例では、飛行開始、停止、及び上昇制御は、翅振動を誘発し、抑制し、及び/又は変化させることになる、脳の神経刺激を通して達成される。いくつかの実施例では、方向転換は、どちらかの飛行筋への直接的な筋肉刺激を通して引き起こすことができる。いくつかの実施例では、約|3|Vの刺激電位と、パルス当たり約80μWの電力が、160mgのマイクロバッテリを搭載した場合に、31時間よりも長い動作時間を可能にする。飛行命令は、マイクロコントローラ・メモリ内に事前ロードしておくことができ、及び/又はリモート・コントローラから無線で送信することができる。   In accordance with the principles of the present teachings, there is provided a miniature control system attached to the front chest back plate that includes a neurostimulator, a muscle stimulator, a microcontroller, and a microbattery that enables continuous flight control of insects. The In some embodiments, flight start, stop, and lift control is achieved through neural stimulation of the brain that will induce, suppress, and / or change heel vibration. In some examples, the turn can be triggered through direct muscle stimulation to either flight muscle. In some embodiments, a stimulation potential of about | 3 | V and a power of about 80 μW per pulse allows for an operating time longer than 31 hours with a 160 mg microbattery. Flight instructions can be preloaded into the microcontroller memory and / or can be transmitted wirelessly from a remote controller.

さらなる応用可能領域は、本明細書において提供される説明から明らかになる。説明及び具体的な実例は、説明目的で意図されたものであり、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。   Further areas of applicability will become apparent from the description provided herein. It should be understood that the description and specific examples are intended for purposes of illustration and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

本明細書で説明される図面は、もっぱら選択された実施例の説明を目的としており、必ずしもすべての可能な実施の説明は目的としておらず、本開示の範囲を限定することを意図していない。   The drawings described herein are solely for the purpose of illustrating selected embodiments and are not necessarily intended to describe all possible implementations and are not intended to limit the scope of the disclosure. .

Cotinis texana(アオコフキコガネ(Green June Beetle))に取り付けられた、本教示の原理による、昆虫飛行制御システムを示す写真である。FIG. 6 is a photograph showing an insect flight control system according to the principles of the present teachings attached to a Cotinis texana (Green June Beetle). 神経電極に印加される電圧とつなぎ綱でつながれた昆虫(甲虫)の正規化オーディオ記録とを比較する並べて示された一連のグラフである。FIG. 6 is a series of graphs shown side by side comparing the voltage applied to a neural electrode with a normalized audio recording of a tethered insect (Coleoptera). ジンバルを取り付けられた甲虫の迎え角の増加として把握される飛行中の甲虫のピッチの変化を神経刺激が引き起こすことを示す、刺激ありの飛行と刺激なしの飛行が交替する期間中のグラフであり、水平の線分は刺激の持続時間(3秒)を表し、図2の場合と同じ1Hz、3Vの双極方形波が刺激の持続時間中に印加される。It is a graph during a period of alternating between stimulated flight and unstimulated flight, showing that neural stimulation causes a change in the pitch of the beetle in flight perceived as an increase in the angle of attack of a beetle with a gimbal attached The horizontal line represents the duration of stimulation (3 seconds) and the same 1 Hz, 3 V bipolar square wave as in FIG. 2 is applied during the duration of stimulation. 刺激なしの状態にあるジンバルを取り付けられた甲虫の写真である。It is a photograph of a beetle with a gimbal attached without stimulation. 刺激を表すLEDインジケータをさらに含む、刺激ありの状態にあるジンバルを取り付けられた甲虫の写真である。FIG. 5 is a photograph of a beetle with a gimbal attached in a stimulated state, further including an LED indicator representing the stimulus. 左飛行筋の刺激に反応した甲虫飛行プロフィール(右方向転換)を示す上面図である。It is a top view which shows the beetle flight profile (right direction change) in response to irritation | stimulation of the left flight muscle. 無刺激に反応した甲虫飛行プロフィール(ランダム飛行)を示す上面図である。It is a top view which shows the beetle flight profile (random flight) which responded unstimulated. 右飛行筋の刺激に反応した甲虫飛行プロフィール(左方向転換)を示す上面図である。It is a top view which shows the beetle flight profile (left direction change) which responded to the stimulus of the right flight muscle. 甲虫の脳に印加された電位パルス(3V、0.1Hz)に対する応答として測定された正確な波を示す図である。FIG. 6 shows an accurate wave measured as a response to a potential pulse (3V, 0.1 Hz) applied to a beetle brain. 本教示に関連して使用される試験用ジンバルを示す図である。FIG. 3 shows a test gimbal used in connection with the present teachings. 甲虫のさなぎ及び成虫への神経プローブ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white light image of the nerve probe embedding to the beetle's pupa and the adult. 甲虫のさなぎ及び成虫への神経プローブ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white light image of the nerve probe embedding to the beetle's pupa and the adult. 甲虫のさなぎ及び成虫への神経プローブ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white light image of the nerve probe embedding to the beetle's pupa and the adult. 甲虫のさなぎ及び成虫へのシリコン・チップ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white-light image of a beetle's pupa and a silicon chip embedding to an adult. 甲虫のさなぎ及び成虫へのシリコン・チップ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white-light image of a beetle's pupa and a silicon chip embedding to an adult. 甲虫のさなぎ及び成虫へのシリコン・チップ埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white-light image of a beetle's pupa and a silicon chip embedding to an adult. 甲虫のさなぎ及び成虫へのLED埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white light image of LED embedment in a beetle's pupa and an adult. 甲虫のさなぎ及び成虫へのLED埋め込みのX線画像及び白色光画像を示す図である。It is a figure which shows the X-ray image and white light image of LED embedment in a beetle's pupa and an adult. 本教示の原理による、甲虫に搭載された組み立て視覚刺激器を示す図である。FIG. 3 shows an assembled visual stimulator mounted on a beetle in accordance with the principles of the present teachings. 本教示の原理による、甲虫に搭載された組み立て視覚刺激器を示す図である。FIG. 3 shows an assembled visual stimulator mounted on a beetle in accordance with the principles of the present teachings. 本教示の原理による、甲虫に搭載された組み立て視覚刺激器を示す図である。FIG. 3 shows an assembled visual stimulator mounted on a beetle in accordance with the principles of the present teachings. ミシガン神経プローブの断面図である。It is sectional drawing of a Michigan nerve probe. 図9Aのミシガン神経プローブの写真である。9B is a photograph of the Michigan neuroprobe of FIG. 9A. 複数の刺激サイト(stimulation sights)を示すプローブ先端の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a probe tip showing a plurality of stimulation sites. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. ミシガン神経プローブを形成するための一連の作製ステップのうちの一ステップを示す図である。It is a figure which shows one step in a series of preparation steps for forming a Michigan nerve probe. 神経刺激波形を示す図である。It is a figure which shows a nerve stimulation waveform. 図11Aの神経刺激波形の印加に応答したオーディオ・トラック記録を示す図である。FIG. 11B shows audio track recording in response to application of the neural stimulation waveform of FIG. 11A. LED表示に反応した甲虫のヨー角度測定と時間との関係を説明するプロットである。It is a plot explaining the relationship between the yaw angle measurement of the beetle which responded to LED display, and time. 本教示の原理による、遠隔制御された飛行制御システムを示す図である。FIG. 2 illustrates a remotely controlled flight control system in accordance with the principles of the present teachings. 本教示の原理による、遠隔制御された飛行制御システムを示す図である。FIG. 2 illustrates a remotely controlled flight control system in accordance with the principles of the present teachings. 本開示の原理による、RF受信機組み立て体の回路図である。1 is a circuit diagram of an RF receiver assembly in accordance with the principles of the present disclosure. FIG. 本教示の原理による、制御システムの写真である。2 is a photograph of a control system according to the principles of the present teachings. 本教示の原理による、制御システムの写真である。2 is a photograph of a control system according to the principles of the present teachings. 脳及び視葉(optic lobe)の埋め込み部位を示す写真である。It is a photograph which shows the implantation site | part of a brain and an optical lobe (optic lobe). 後側前胸背板(posterior pronotum)埋め込み(対向電極)を示す前胸背板(pronotum)の矢状断面(saggital section)を示す写真である。It is a photograph which shows the sagittal section (sagital section) of the anterior chest back plate | board (pronotum) which shows a posterior front chest back board (poster pronotum) embedding (counter electrode). 基翅節片筋(basalar muscle)刺激器及び関連内部領域も示す前胸背板を示す写真であり、基翅節片筋刺激器は、昆虫のどちらかの側の吻部(rostral)から尾部(caudal)にかけて、前胸背板の腹板(sternum)と背板(notum)の間のほぼ中間に約1cmの深さで挿入され、文字X及び線分は、それぞれ埋め込み部位及び近似的な埋め込み長を示す。FIG. 6 is a photograph showing the anterior chest dorsal plate also showing the basallar muscle stimulator and associated internal regions, where the proximal segmental muscle stimulator is from the rostral to the tail on either side of the insect (Caudal), inserted approximately 1 cm deep between the sternum and backplate of the anterior chest dorsal plate, the letter X and the line segment, respectively, Indicates the embedding length. 飛行開始のために左視葉と右視葉の間に印加される正電位と負電位が交替するパルス列(100Hz)を示す図である。It is a figure which shows the pulse train (100 Hz) with which the positive potential and negative potential which are applied between the left visual lobe and the right visual lobe for the start of flight alternate. 図16Aのパルス列を印加された場合に観察される典型的な電流波を示す図である。It is a figure which shows the typical current wave observed when the pulse train of FIG. 16A is applied. 方向転換を誘発するために左又は右基翅節片飛行筋(basalar flight muscle)のどちらかと後側前胸背板(対向電極)の間に印加される正電位パルス列(100Hz)を示す図である。FIG. 4 shows a positive potential pulse train (100 Hz) applied between either the left or right proximal flight muscle and the posterior anterior chest back plate (counter electrode) to induce a turn. is there. 図16Cのパルス列を印加された場合に観察される典型的な電流波を示す図である。It is a figure which shows the typical current wave observed when the pulse train of FIG. 16C is applied. 立ち止まった位置の写真である。It is a photograph of the position where it stopped. 刺激の開始を示すLEDが点灯している写真である。It is the photograph in which LED which shows the start of irritation is lit. 制御信号が送信された0.27秒後に翅が広げられ、飛行が開始された写真である。This is a photograph in which the kite was unfolded 0.27 seconds after the control signal was transmitted and the flight was started. 無線制御された甲虫の飛行経路を示す写真であり、甲虫は最初、オペレータに向かって飛行しており、T(0.00秒)は、撮影の開始時間であり、T(0.6秒)において、オペレータが基地局から左方向転換の信号(右基翅節片筋刺激)を送信し、T(1.6秒)において、オペレータが刺激する側を右側から左基翅節片飛行筋に切り替えると、甲虫は右に方向転換し、T(3.1秒)において、右基翅節片飛行筋が刺激され(左方向転換)、T(4.2秒)において、左基翅節片飛行筋が刺激されると、再び右に方向転換し、T(4.8秒)において、甲虫はカーテンに接触し、飛行を停止した。It is a photograph showing the flight path of a wirelessly controlled beetle, where the beetle is initially flying toward the operator, T 0 (0.00 seconds) is the start time of imaging, and T 1 (0.6 Second), the operator sends a left turn signal from the base station (right proximal segment muscle stimulation), and at T 2 (1.6 seconds), the operator stimulates the left proximal segment from the right side. When switching to the flight muscle, the beetle turns to the right and at T 3 (3.1 seconds), the right proximal segmental flight muscle is stimulated (turns to the left) and at T 4 (4.2 seconds), When the left basal segment flight muscle was stimulated, it turned to the right again, and at T 5 (4.8 seconds), the beetle touched the curtain and stopped flying.

対応する参照番号は、図面の複数の図にわたって対応する部分を指示する。   Corresponding reference numerals indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.

添付の図面を参照しながら、実施例の実例が、今からより十分に説明される。   Examples of embodiments will now be described more fully with reference to the accompanying drawings.

I.一般的な態様
マイクロ飛行体(MAV)及びナノ飛行体(NAV)は、総質量が100g未満、翼幅が15cm未満の航空機と定義され、熱心な研究及び開発の対象である。大きな進歩にも関わらず、MAV及びNAVは、積載質量、飛行距離、及び速度の間の著しいトレードオフを依然として提示する。現在、主要な制限要因は、既存の燃料源のエネルギー密度及び出力密度と、飛行力学上の効率である。しかし、ハエ(双翅目)、ガ(鱗翅目)、トンボ(トンボ目)、及び甲虫(鞘翅目)を含む昆虫の多くの種は、同様のサイズの人工航空機が今のところ匹敵し得ない、(距離及び速度対積載量及び機動性によって測定される)飛行性能を有し、制御された昆虫飛行のための十分なプラットフォームを提供する。したがって、本教示に従って、これらの昆虫及び類似の昆虫を使用することができる。飛行力学と、これらの生物のいくつか−主としてバッタ、ミバエ、及びガ−の神経生理学はともに、今では比較的よく理解されている。
I. General aspects Micro-aircraft (MAV) and nano-aircraft (NAV) are defined as aircraft with a total mass of less than 100 g and a wingspan of less than 15 cm, and are the subject of intense research and development. Despite major advances, MAV and NAV still present significant tradeoffs between payload, flight distance, and speed. Currently, the main limiting factors are the energy density and power density of existing fuel sources and flight dynamic efficiency. However, many species of insects, including flies (Diptera), moths (Lepidoptera), dragonflies (Coleoptera), and beetles (Coleoptera), are currently not comparable to artificial aircraft of similar size , Providing sufficient platform for controlled insect flight with flight performance (measured by distance and speed vs load capacity and maneuverability). Thus, these and similar insects can be used in accordance with the present teachings. Both flight mechanics and the neurophysiology of some of these organisms—primarily grasshoppers, fruit flies, and moths—are now relatively well understood.

本発明の原理に従って、飛行する昆虫を使用することができるが、本説明で主として取り上げるのは甲虫である。甲虫には他の生物よりも多くの種が存在することが、甲虫を選択した主な理由である。それらのサイズは、約1mmから10cmの範囲にあり、したがって、研究用のプラットフォームとして広い選択肢を提供する。強力な飛行体は、一般に10分から3時間の持続時間にわたって約2〜6km/時の平均速度を達成することができ、7〜14km/時の最大速度を可能にする。甲虫は、完全な変態を経験し、本飛行制御システムの埋め込みに、それを役立てることができる。さらに、甲虫は、飼育するのが容易であり、一般に人に無害である。   Although flying insects can be used in accordance with the principles of the present invention, the focus of this description is on beetles. Beetles are the main reason for choosing beetles because there are more species than other organisms. Their size is in the range of about 1 mm to 10 cm, thus providing a wide choice as a research platform. A powerful air vehicle can generally achieve an average speed of about 2-6 km / hour over a duration of 10 minutes to 3 hours, allowing a maximum speed of 7-14 km / hour. Beetles experience a complete transformation and can use it to embed the flight control system. In addition, beetles are easy to breed and are generally harmless to humans.

一般に、昆虫の飛行制御は、a)オン・デマンドの飛行開始及び停止、b)高度調整、並びにc)姿勢調整を必要とする。つなぎ綱なしの操縦は、昆虫とコントローラの間の通信の手段、又は離陸前にロードされた事前プログラムされた飛行命令をさらに必要とする。   In general, insect flight control requires a) on-demand flight start and stop, b) altitude adjustment, and c) attitude adjustment. Tetherless maneuver further requires a means of communication between the insect and the controller or pre-programmed flight instructions loaded prior to takeoff.

いくつかの実施例では、図1に示されるように、昆虫飛行のための制御システム10は、充電式リチウム・イオン・コイン電池などのマイクロバッテリ14によって給電されるプログラム可能マイクロコントローラ12を備えることができる。低電力電子機器における最近の進歩が、質量が100mg未満で、アクティブ動作中には900μW未満の電力消費(0.9nJ/動作@1MHz)、スタンバイ動作中には1.5μWの電力消費しか必要としないマイクロコントローラのクラスを市販品として入手可能にした。これは、エネルギー密度が230J/gよりも大きく、総質量が160mg未満の、3Vよりも大きな市販の電池で、11時間(連続アクティブ動作)から6800時間(連続スタンバイ動作)の範囲の稼動寿命を可能にする。マイクロコントローラ12によって発生された電気信号が、すべての刺激について、脳及び飛行筋に挿入された銀ワイヤ電極16、18(φ75μm)と、前胸背板に挿入された対向電極20を駆動する。いくつかの実施例では、制御システム10は、230mg以下の重量とすることができる。   In some embodiments, as shown in FIG. 1, the control system 10 for insect flight includes a programmable microcontroller 12 powered by a microbattery 14, such as a rechargeable lithium ion coin cell. Can do. Recent advances in low-power electronics require less than 100 mg in mass, consume less than 900 μW during active operation (0.9 nJ / operation @ 1 MHz), and only 1.5 μW during standby operation The class of microcontrollers that do not do so is now available as a commercial product. This is a commercial battery larger than 3V with an energy density greater than 230 J / g and a total mass of less than 160 mg, with an operating life ranging from 11 hours (continuous active operation) to 6800 hours (continuous standby operation). enable. The electrical signals generated by the microcontroller 12 drive the silver wire electrodes 16 and 18 (φ75 μm) inserted into the brain and flight muscle and the counter electrode 20 inserted into the front chest back plate for all stimuli. In some examples, the control system 10 can weigh 230 mg or less.

図2に示されるように、脳に印加される3Vの電位パルス(パルス当たり80μWの平均電力消費)は、極性に応じて飛行を誘発又は抑制することができる。昆虫の多くの種では、刺激の開始と振動の開始の間に約150msの反応時間(ttag)が経験される。パルス間の期間がttagよりも短くなると、甲虫は、翅の運動を十分に開始又は停止させられないことがあるが、振動周波数は、刺激周波数によって変化させることができる。昆虫の多くの種では、振動する神経入力がなくても、翅は機械的な振動反応を見せる。代わりに、脳からの神経信号は、飛行挙動の開始又は停止を引き起こし、拮抗筋群(antagonistic muscle group)の活動化を引き延ばし、それによって、リズミカルな飛行出力を生み出す。 As shown in FIG. 2, a 3V potential pulse applied to the brain (average power consumption of 80 μW per pulse) can induce or inhibit flight depending on polarity. In many species of insects, a reaction time (t tag ) of about 150 ms is experienced between the onset of stimulation and the onset of vibration. If the period between pulses is shorter than t tag , the beetle may not be able to start or stop the wing movement sufficiently, but the oscillation frequency can be changed by the stimulation frequency. In many species of insects, moths exhibit a mechanical vibrational response without vibrating neural inputs. Instead, neural signals from the brain cause the start or stop of flight behavior, prolonging the activation of antagonistic muscle groups, thereby producing a rhythmic flight output.

特にCotinis texanaに関する本教示のいくつかの実施例では、脳に印加される入力信号は、刺激の極性に応じて、飛行挙動を誘発し、又は停止させる。刺激による飛行開始又は停止は、甲虫が立ち止まっているか、強く若しくは弱くつなぎ綱でつながれているか、又は自由に飛行しているかに関わらずに発生する。甲虫に空中で飛行を停止させることができ、又は飛行が不可能なほど過度に荷を負わせた場合であっても、翅を振動させるよう甲虫に試みさせることができる。双極パルス列は、パルス間の間隔が甲虫の反応時間よりも短くなった場合、翅振動を変化させる(図2)。翅発振器系は、基本的に、「オン」及び「オフ」の合図を、それらに反応できるよりも速く受け取り、その結果、翅発振器周波数は、刺激周波数と混合される。いくつかの実施例では、最初の700ms(図2のtenhanced)は、刺激による翅運動が、著しく大きな振幅を有する音響シグニチャを発生させることが確認され、それによって、それらの初期の羽ばたきでは、より大きなエネルギーが利用可能であることを示唆している。この現象は、飛行中に揚力及び推力を制御するために使用される。甲虫は、10Hzの電位パルス列が脳に印加されると常に上昇し、刺激を受けなくなると通常の飛行に戻った(図3)。 In some embodiments of the present teachings, particularly with respect to Cotinis texana, an input signal applied to the brain induces or stops flight behavior depending on the polarity of the stimulus. The start or stop of flight due to a stimulus occurs regardless of whether the beetle has stopped, is strongly or weakly tethered, or is flying freely. The beetle can stop flying in the air, or the beetle can try to vibrate the moth even if it is overloaded so that flight is not possible. Bipolar pulse trains change wrinkle vibration when the interval between pulses is shorter than the beetle reaction time (FIG. 2). The soot oscillator system basically receives “on” and “off” cues faster than it can react to them, so that the soot oscillator frequency is mixed with the stimulation frequency. In some embodiments, the first 700 ms (t enhanced in FIG. 2) has been confirmed that stimulating wrinkle movements generate acoustic signatures with significantly larger amplitudes, so that in their initial flapping, This suggests that more energy is available. This phenomenon is used to control lift and thrust during flight. Beetles always rose when a 10 Hz potential pulse train was applied to the brain, and returned to normal flight when no stimulation was applied (FIG. 3).

方向転換は、正電位パルス列を用いた左及び右飛行筋に対する独立した刺激によって誘発された。Cotinis texanaでは、飛行筋は、甲虫の神経系からの6Hzの神経インパルスによって刺激された場合、通常76Hzで収縮及び伸展する。Cotinis texanaの飛行筋は、周波数100Hzの電気的パルスによって直接刺激された場合に、最大パワーを生み出すことが報告されている。飛行中、方向転換は、意図する転換方向とは反対の飛行筋に100Hz、2Vの電位パルス列を印加することによって引き起こすことができる(図4)。すなわち、右方向転換は、右飛行筋よりも大きなパワーを生み出し、その結果、右方向転換を引き起こすことになる、左飛行筋の刺激によって引き起こすことができるが、右飛行筋の電極は、対向電極20と同じ電位に保たれる。飛行回転の総角度は、刺激の持続時間によって設定することができる。   The turn was triggered by independent stimulation of the left and right flight muscles using a positive potential pulse train. In Cotinis texana, the flight muscle contracts and extends normally at 76 Hz when stimulated by a 6 Hz nerve impulse from the beetle nervous system. The Cotinis texana flight muscle has been reported to produce maximum power when directly stimulated by electrical pulses with a frequency of 100 Hz. During flight, turning can be caused by applying a 100 Hz, 2 V potential pulse train to the flight muscle opposite to the intended turning direction (FIG. 4). That is, a right turn can be caused by stimulation of the left flight muscle, which produces more power than the right flight muscle and consequently causes a right turn, but the right flight muscle electrode is the counter electrode The same potential as 20 is maintained. The total angle of flight rotation can be set by the duration of the stimulus.

要約すると、本教示は、24時間よりも長い間、多数の自由度をもって、飛行中の2グラムの昆虫を制御することが可能である。実際、いくつかの実施例では、本制御システム10は、市販の部品から構成することができ、昆虫の解剖学的構造についての基礎知識を用いて、穴あけ工具を使用して埋め込むことができる。   In summary, the present teachings can control 2 grams of insects in flight with multiple degrees of freedom for longer than 24 hours. In fact, in some embodiments, the control system 10 can be constructed from commercially available components and can be embedded using a drilling tool with basic knowledge of insect anatomy.

II.一般的な材料及び方法
A)Cotinis texanaの飼育
Cotinis texana(2〜4cm、1〜2gのアオコフキコガネ)が、米国テキサス州の果樹園で収集された。甲虫は、全容積の4分の1まで有機泥炭を入れた陸生飼育器(40cm×27cm×32cm)に30〜40匹ずつグループにして入れ、スライスしたリンゴを週に1度給餌された。温度は、陸生飼育器の上に配置された白熱電球を用いて、日中は約28℃に保たれ、同じ電球が、昼間15時間/夜間9時間のサイクルを維持した。陸生飼育器の壁は、外側を黒い紙で覆われた。湿度を約60%に保つために、水分が毎日泥炭の上に噴霧された。
II. General Materials and Methods A) Breeding of Cotinis texana Cotinis texana (2-4 cm, 1-2 g of Scotch) was collected in an orchard in Texas, USA. Beetles were placed in groups of 30 to 40 terrestrial incubators (40 cm × 27 cm × 32 cm) containing organic peat to a quarter of the total volume, and sliced apples were fed once a week. The temperature was kept at about 28 ° C. during the day using an incandescent bulb placed on a terrestrial incubator, and the same bulb maintained a 15 hour day / 9 hour night cycle. The wall of the terrestrial incubator was covered with black paper on the outside. In order to keep the humidity around 60%, moisture was sprayed on the peat every day.

B)積載容量の測定
甲虫の積載容量が、前胸背板と胸郭(thorax)の間の甲虫の胴回りに1本の紐を結び付けることによって決定され、紐の他方の端には輪が作られた。甲虫は、自由に飛行できるようにされた。各々の重量が10mgの数本の細い金属ワイヤが、甲虫がその重りを持ち上げて飛行できなくなるまで、甲虫の質量中心に段階的に追加された。その後、追加された細い金属ワイヤの総重量が測定され、積載容量として記録された。
B) Measurement of load capacity The load capacity of beetles is determined by tying a single string around the beetle's torso between the anterior chest back plate and thorax, and a ring is made at the other end of the string It was. Beetles were allowed to fly freely. Several thin metal wires, each weighing 10 mg, were added in stages to the beetle's center of mass until the beetle lifted its weight and could not fly. Thereafter, the total weight of the added thin metal wires was measured and recorded as the loading capacity.

C)刺激器の組み立て
組み立ての前に、いくつかの実施例では、各マイクロコントローラ(Texas Instruments、MSP430F2012IPWR、63mg、5.0mm×4.5mm×1.0mm)は、TI MSP430 14 Pin Package Board and USB Programmer(MSP−FET430U14)を備えたインタフェースを使用して、飛行プログラムを事前ロードされた。ロードされた後、マイクロコントローラの異なるピンに、6本の銀ワイヤ(φ75μm)がはんだ付けされた。(図3と同様に)いくつかのケースでは、小型LED(Lite−On Inc.、LTST−C171GKT、3mg、2.0mm×1.2mm×0.7mm)も、刺激のインジケータとして、並列にはんだ付けされた。マイクロバッテリから最初に供給される電位の3V以外に印加される電位を調整するため、表面実装抵抗(10KΩ、各々1mg未満)が、並列にはんだ付けされた。マイクロバッテリ(Panasonic、ML614、3V、160mg、φ6.8mm×1.4mm、3.4mA時)が、1mm×1mmの両面粘着テープを用いて、マイクロコントローラに取り付けられた。この組み立て体が、蜜ろうを用いて、Cotinis texanaの前胸背板に取り付けられた。4つの小さな穴が、a)複眼の間の頭部中央、b)両側の飛行筋、及びc)マイクロコントローラの背後の前胸背板のところの甲虫の表皮に、針を使用して慎重に開けられた。ワイヤのうち4本は、穴を通して挿入された。残りの2本のワイヤは、マイクロコントローラのVDDピン及びGNDピンとマイクロバッテリの陽極端子及び陰極端子の間にそれぞれ接続された。平均で、甲虫は、組み立てられた飛行制御システムを搭載した状態で、2週間よりも長く生き続けた。
C) Stimulator assembly Prior to assembly, in some examples, each microcontroller (Texas Instruments, MSP430F2012IPWR, 63 mg, 5.0 mm x 4.5 mm x 1.0 mm) was assembled into a TI MSP430 14 Pin Package Board and The flight program was preloaded using an interface with a USB Programmer (MSP-FET430U14). After loading, six silver wires (φ75 μm) were soldered to different pins of the microcontroller. In some cases (similar to FIG. 3), a small LED (Lite-On Inc., LTST-C171GKT, 3 mg, 2.0 mm × 1.2 mm × 0.7 mm) is also soldered in parallel as a stimulus indicator. It was attached. Surface mounted resistors (10 KΩ, each less than 1 mg) were soldered in parallel to adjust the potential applied to other than the 3 V potential initially supplied from the microbattery. A microbattery (Panasonic, ML614, 3V, 160 mg, φ6.8 mm × 1.4 mm, 3.4 mAh) was attached to the microcontroller using a 1 mm × 1 mm double-sided adhesive tape. The assembly was attached to the Cotinis texana front chest back using beeswax. Four small holes are carefully inserted into the epidermis skin of the beetle at the front chest back plate behind the microcontroller, a) the middle of the head between the compound eyes, b) the flight muscles on both sides, and c) It was opened. Four of the wires were inserted through the holes. The remaining two wires were connected between the VDD pin and GND pin of the microcontroller and the anode terminal and cathode terminal of the microbattery, respectively. On average, beetles lived longer than two weeks with an assembled flight control system.

D)電力消費の計算
刺激中に甲虫の体内を流れる電流が、電流計(Keithley、6485 Picoammeter)を用いて測定され、機能発生器(Agilent、33220A)が、甲虫の脳に電位パルス(3V、0.1Hz)を印加した。測定された典型的な電流波が、図5に示されている。刺激パルス中に、平均で80μWが消費された。これと、マイクロコントローラの250μWの平均動作電力消費とを与えた場合、3.4mA時のマイクロバッテリは、31時間にわたる連続的な刺激を維持することができる。もちろん、刺激は、デューティ・サイクルが20%のパルス列(図2)として送られるので、バッテリ寿命は、著しく長くすることができる。
D) Calculation of power consumption The current flowing through the body of a beetle during stimulation was measured using an ammeter (Keithley, 6485 Picoammeter) and a function generator (Agilent, 33220A) was applied to the beetle brain with a potential pulse (3V, 0.1 Hz) was applied. A typical measured current wave is shown in FIG. An average of 80 μW was consumed during the stimulation pulse. Given this and an average operating power consumption of 250 μW for the microcontroller, the microbattery at 3.4 mA can maintain a continuous stimulus for 31 hours. Of course, since the stimulus is sent as a 20% duty cycle pulse train (FIG. 2), battery life can be significantly increased.

E)甲虫の飛行の記録
すべての甲虫の飛行は、温度及び湿度がそれぞれ28℃及び60%に保たれた、閉ざされた室内で記録された。甲虫の飛行は、3つの状態、すなわち、a)小さな棒の先端につなぎ綱でつながれた状態、b)紐に結ばれた状態、又はc)飛行中の甲虫が単一の軸の周りを回転できるようにした、カスタム曲げジンバル(custom flexural gimbal)(図6)にのり付けされた状態のうちの1つで記録された。ジンバル100は、既知の捩り剛性定数(torsional stiffness constant)(kθ=3.32×10−5Nm/rad)を有するシリコーン・エラストマ・フレキシャ(silicone elastomer flexure)106(PDMS、ポリジメチルシロキサン)によって連結された、機械加工されたアクリル・インナ(acrylic inner)102と、アウタ・リング(outer ring)104を含むことができる。アウタ・リング104のエッジは、ラボ・ジャッキ(lab jack)によって水平に支持された。
E) Beetle Flight Record All beetle flight was recorded in a closed room with temperature and humidity kept at 28 ° C. and 60%, respectively. Beetle flight can be in three states: a) tethered to the tip of a small rod, b) tied to a string, or c) a flying beetle rotating around a single axis Recorded in one of the states glued to a custom flexural gimbal (FIG. 6). The gimbal 100 is connected by a silicone elastomer flexure 106 (PDMS, polydimethylsiloxane) having a known torsional stiffness constant (kθ = 3.32 × 10 −5 Nm / rad). In addition, a machined acrylic inner 102 and an outer ring 104 may be included. The edge of the outer ring 104 was supported horizontally by a lab jack.

昆虫の飛行前には、インナ・リングが水平に対して−25度の初期角度をなすように、甲虫がインナ・リング104のセンタ・ポール108に取り付けられ(図6)、飛行中には、インナ・リングは、水平に対して10から20度の間の角度を示した(図3)。インナ・リングの1つのコーナにカラー・ドット(color dot)がペイントされ、各フレームがデジタル化された。水平に対するリング角度の変化を追跡するために、ジンバルの回転角が、MATLAB(The Mathworks)のカスタム・コードを使用して、(ユーザによって設定された)回転の中心に対するマーカの動きから抽出された。甲虫の飛行は、ビデオ・カメラ(Victor、GZ−MG275−S、毎秒30フレーム、シャッタ速度1/2〜1/4000秒、解像度720×480ピクセル)又は高速度カメラ(Motion Engineering、FASTCAM−X 1024PC1、毎秒6000フレーム、シャッタ速度1/6000秒、解像度256×256ピクセル)を用いて撮影された。高速度カメラのフレーム・レートは、羽ばたきレート(wing beat rate)の約85倍であった。高速度カメラを使用して、羽ばたき周波数と、刺激(LEDインジケータによって示される。例えば図3を参照)と反応の間の遅延を記録することができる。   Before the insects fly, the beetles are attached to the center pole 108 of the inner ring 104 so that the inner ring makes an initial angle of −25 degrees with respect to the horizontal (FIG. 6). The inner ring showed an angle between 10 and 20 degrees with respect to the horizontal (FIG. 3). A color dot was painted on one corner of the inner ring and each frame was digitized. To track the change in ring angle relative to the horizontal, the gimbal rotation angle was extracted from the marker motion relative to the center of rotation (set by the user) using a custom code from MATLAB (The Mathworks). . Beetle flight can be done with a video camera (Victor, GZ-MG275-S, 30 frames per second, shutter speed 1 / 2-1 / 4000 seconds, resolution 720 × 480 pixels) or a high-speed camera (Motion Engineering, FASTCAM-X 1024PC1). , 6000 frames per second, shutter speed 1/6000 sec, resolution 256 × 256 pixels). The frame rate of the high speed camera was about 85 times the wing beat rate. A high speed camera can be used to record the flapping frequency and the delay between the stimulus (indicated by the LED indicator, see eg FIG. 3) and the response.

F)埋め込みの研究
いくつかの実施例では、飛行制御システム10の構成要素の一部又は全部は、昆虫内に埋め込むことができる。この目的を達成するため、シリコン・チップ(1.5mm×3.0mm×0.5mm)、シリコン神経プローブ/刺激器、及びマイクロ流体ガラス管(φ200μm)が、甲虫類がさなぎへの外科的侵害に対して一般に耐性があるかどうかを決定するために、さなぎ段階のZophobas morio甲虫に埋め込まれた。Cotinis texanaがマイクロコントローラ飛行実験のために利用されたように、多くの数を容易に入手することができ、飼育期間がより短い、Zophobas morioも利用することができる。埋め込みのたびに、精密なマイクロ剪刀を用いて、対象位置のところのさなぎの表皮に切れ込みを入れた。シリコン・チップが、背側腹部(dorsal abdomen)、前胸背板、腹側腹部(ventral abdomen)、又は腹側前胸背板(ventral pronotum)のところのさなぎの表皮の下に、切れ込みから慎重に挿入された。神経プローブが、本明細書の他の箇所で使用されるワイヤ電極と正確に同じ位置のところの脳に、切れ込みを通して挿入された。マイクロ流体ガラス管が、前胸背板に挿入された。結果として、ほとんどのさなぎが、正常な成虫として羽化に成功した。すべての埋め込みについての成功率及び平均寿命が、表1に要約されている。成功率は、奇形を含むすべての羽化に対する正常な羽化の比率として定義されている。
F) Implantation studies In some embodiments, some or all of the components of the flight control system 10 can be implanted in insects. To achieve this goal, a silicon tip (1.5 mm x 3.0 mm x 0.5 mm), a silicon neuroprobe / stimulator, and a microfluidic glass tube (φ200 μm) are used for surgical infringement of beetles on pupae. In order to determine if they are generally resistant to, they were implanted in the pupal stage Zophobas mori beetle. As Cotinis texana was utilized for microcontroller flight experiments, Zophobas mori, which is readily available in large numbers and has a shorter breeding period, can also be utilized. At each implantation, a cut was made in the pupa's epidermis at the target location using a precision micro scissor. A silicon chip is carefully removed from the cut under the pupal epidermis at the dorsal abdomen, the anterior chest dorsal plate, the ventral abdomen, or the ventral anterior chest dorsal plate. Was inserted. A neuroprobe was inserted through the incision into the brain at exactly the same location as the wire electrode used elsewhere in this specification. A microfluidic glass tube was inserted into the anterior chest backplate. As a result, most pupae successfully emerged as normal adults. The success rates and average lifetimes for all implants are summarized in Table 1. Success rate is defined as the ratio of normal emergence to all emergence, including malformations.

図7A〜図7Hは、さなぎ段階及び成虫段階の両方における代表的な埋め込みのX線画像及び白色光画像を示している。具体的には、図7A〜図7Cは、甲虫のさなぎ及び成虫への神経プローブ埋め込みを示している。図7D〜図7Fは、甲虫のさなぎ及び成虫へのシリコン・チップ埋め込みを示している。図7G及び図7Hは、さなぎ段階におけるLED埋め込みと、成虫段階におけるLEDの機能を示している。いくつかの実施例では、埋め込まれたデバイスとの電気的接続が可能かどうかを試験するため、LEDが埋め込まれ、視覚的な確認を提供するために、さなぎの表皮(後には成虫の表皮)を通して点滅させられた。   7A-7H show representative embedded X-ray and white light images in both the pupa stage and the adult stage. Specifically, FIGS. 7A-7C illustrate beetle pups and neural probe implantation in adults. Figures 7D-7F show beetle pups and silicon chip embedding in adults. 7G and 7H show the LED embedding in the puppet stage and the function of the LED in the adult stage. In some embodiments, a pupa epidermis (later an adult epidermis) is used to test whether an electrical connection with the implanted device is possible, so that the LED is implanted and provides visual confirmation. Flashed through.

III.第1のケース・スタディ
A)刺激器の組み立て
図8A〜図8Cに、本ケース・スタディのマイクロシステムが、少なくとも部分的に示されている。神経刺激システム200(図8A)は、銀の細いワイヤ電極(φ75μm)である4種類の神経刺激器を備え、1つ(200)は、眼の後の背側に埋め込まれ、1つ(204)は、昆虫の脳の飛行制御領域に埋め込まれ、2つ(206)は、両側の飛行筋の下を前側から後側に延びるように埋め込まれ、第4のもの(208)は、前胸背板に挿入されて、対向電極として使用された。視覚刺激器210(図8B及び図8C)は、ポリイミド・フレキシブルPCB(プリント回路基板)214上に取り付けられた、1つ又は複数の白色SMT LED 212(発光ダイオード、LTST−C171 YKT)を備えることができる。マイクロコントローラ216は、ポリイミド上の金属配線を介してLED 212を駆動することができる。神経刺激器及び視覚刺激器はともに、マイクロコントローラ(Texas Instrument、MSP430)によって駆動され、いくつかのキャラクタリゼーションは、機能発生器によって行うことができる。飛行コマンド・シーケンスは、2KBのメモリ内に保存することができる(現在のプログラムの飛行コマンドは約1000コマンド)。フレキシブル・パリレン・ケーブル(flexible parylene cable)を有するミシガン神経プローブ(図9A〜図9C)を作製し、マイクロバッテリとともにポリイミドPCB上に取り付けることができる。神経プローブの作製プロセスが、図10に示されている。
III. First Case Study A) Stimulator Assembly In FIGS. 8A-8C, the case study microsystem is shown, at least in part. The nerve stimulation system 200 (FIG. 8A) includes four types of nerve stimulators, which are thin silver wire electrodes (φ75 μm), one (200) implanted on the back side behind the eye and one (204 ) Is embedded in the flight control region of the insect brain, two (206) are embedded under the flight muscles on both sides so as to extend from the front to the rear, and the fourth (208) is the front chest It was inserted into the back plate and used as a counter electrode. The visual stimulator 210 (FIGS. 8B and 8C) comprises one or more white SMT LEDs 212 (light emitting diodes, LTST-C171 YKT) mounted on a polyimide flexible PCB (printed circuit board) 214. Can do. The microcontroller 216 can drive the LED 212 via metal wiring on the polyimide. Both neurostimulators and visual stimulators are driven by a microcontroller (Texas Instrument, MSP430), and some characterization can be done by a function generator. The flight command sequence can be stored in 2 KB of memory (the current program's flight commands are approximately 1000 commands). A Michigan neuroprobe (FIGS. 9A-9C) with a flexible parylene cable can be made and mounted on a polyimide PCB with a microbattery. The process of making the neural probe is shown in FIG.

B)飛行制御
本明細書で説明したように、飛行制御に成功するには、オン・デマンドの飛行開始及び停止のほか、方向及び加速制御を必要とする。図11A及び図11Bは、脳刺激器を使用した飛行開始結果を示しており、図11Aは、神経刺激波形を示し、図11Bは、羽ばたきのオーディオ・トラック記録を示している。簡潔に言えば、いくつかの実施例では、約1.5Vの負電圧パルスが、翅筋肉の振動を開始させることが分かり、同様の正電位パルスが、翅筋肉の振動を停止させることが分かり、これを実質的に無限に、又は疲れきるまで繰り返すことができる。面白いことに、いくつかの実施例では、どの飛行でも最初の0.3秒は、より大きな振幅を生じさせ、その後、定常状態に減衰することが分かった。これは、(約2Hzよりも大きい)高速の「切り替え」が、通常のかき乱されない飛行よりも僅かに大きな羽ばたき振幅を生じさせることを意味する。極性が交替するパルスのタイミングを十分によく調整した場合、発振器は、完全にはオン又はオフになることができず、印加されたパルス周波数によって変化させられるようになる。飛行中の甲虫では、これは、推力及び揚力の制御可能な変化を生じさせる。揚力及び推力の変化を定量化するため、甲虫が、ジンバル100(図6)に取り付けられた。図11Aのものと同じ、持続時間が3秒の10Hzの刺激信号が、推力及び揚力の増大を誘発した。左及び右翅振動の変化は、翅筋肉神経刺激器を用いて達成された。翅振動が開始した後、筋肉刺激器(+1V、100Hz)は、どちらかの翅の振幅を変化させることができる。
B) Flight Control As described herein, successful flight control requires on-demand flight start and stop, as well as direction and acceleration control. 11A and 11B show the start of flight results using a brain stimulator, FIG. 11A shows the nerve stimulation waveform, and FIG. 11B shows the flapping audio track recording. Briefly, in some embodiments, a negative voltage pulse of about 1.5V has been found to start the heel muscle vibration, and a similar positive potential pulse has been found to stop the heel muscle vibration. This can be repeated virtually indefinitely or until exhausted. Interestingly, in some embodiments, the first 0.3 seconds of any flight was found to produce a larger amplitude and then decay to steady state. This means that fast “switching” (greater than about 2 Hz) produces a flapping amplitude that is slightly greater than normal undisturbed flight. If the timing of the pulses with alternating polarity is adjusted well enough, the oscillator will not be able to turn on or off completely, but will be able to vary with the applied pulse frequency. For flying beetles, this causes controllable changes in thrust and lift. A beetle was attached to the gimbal 100 (FIG. 6) to quantify changes in lift and thrust. A stimulus signal of 10 Hz with a duration of 3 seconds, similar to that of FIG. 11A, induced an increase in thrust and lift. Changes in left and right heel vibrations were achieved using the heel muscle nerve stimulator. After the heel vibration has begun, the muscle stimulator (+ 1V, 100 Hz) can change the amplitude of either heel.

刺激器の平均電力消費は、毎秒10神経パルスの最悪ケースで80μWであり、マイクロコントローラの平均消費は、250μWと決定された。したがって、3.7mA時のマイクロバッテリは、これらの条件の下で、31時間にわたって電力を供給することができる。   The average power consumption of the stimulator was 80 μW in the worst case of 10 nerve pulses per second, and the average consumption of the microcontroller was determined to be 250 μW. Thus, a 3.7 mAh microbattery can supply power for 31 hours under these conditions.

C)光学的刺激器
いくつかの実施例では、飛行制御の代替方法として、光学的刺激が探求された。初期キャラクタリゼーションは、(ヨー回転又はロール回転を可能とするように90度回転させて)ジンバル100に取り付けられたCotinis texanaの約15cm前方に配置された紙のスクリーン上に、DLPを用いた一連の白黒の縦縞を投影することによって実行された。飛行中、すべての甲虫(N>15)は一貫して、縞の動きを頭部で追跡し、その後、方向転換を開始し、方向を転換する際の遅延は、一般に約2秒であった。これと同じ現象は、ミバエでも示され、特性決定された。図8B及び図8Cに、小型光学的刺激システムが示されている。いくつかの実施例では、各列3個の10列のLEDが、マイクロコントローラによって駆動された。LEDの各列は、独立に点灯して、動きの錯覚を生み出すことができる。デバイスの基台は、甲虫の前胸背板に取り付けることができ、LEDの配列は、甲虫の頭部の前方に吊るすことができる。現在のデバイスを使用する光学的刺激に対する反応は、甲虫ごとに様々であり、周囲の光による干渉を受けやすい。大きな方向転換反応を示す甲虫も存在したが、もっぱら闇の中でのことであった。
C) Optical stimulator In some examples, optical stimulation was explored as an alternative to flight control. The initial characterization is a series of using DLP on a paper screen placed approximately 15 cm in front of Cotinis texana attached to gimbal 100 (rotated 90 degrees to allow yaw or roll rotation). This was done by projecting black and white vertical stripes. During flight, all beetles (N> 15) consistently tracked the movement of the stripes with the head, then started to turn and the delay in turning was generally about 2 seconds . This same phenomenon has been shown and characterized in fruit flies. A miniature optical stimulation system is shown in FIGS. 8B and 8C. In some examples, three rows of 10 LEDs were driven by a microcontroller. Each row of LEDs can be lit independently to create the illusion of movement. The base of the device can be attached to the beetle front chest back plate and the array of LEDs can be hung in front of the beetle head. The response to optical stimuli using current devices varies from beetle to beetle and is susceptible to interference by ambient light. There was a beetle that showed a large turnaround reaction, but it was in the dark.

図12は、LED表示に反応した甲虫のヨー角度測定と時間との関係を説明する代表的な実験についてのデータを提供している。この実験では、甲虫と光学的刺激デバイスは、闇の中で、甲虫の垂直軸の周りの連続的なヨー回転を可能にする小型ボール・ベアリングの上に取り付けられた。デバイスは、交互に、左側のLEDを点灯させ(6秒)、点灯を右側に移し(0.5〜1.5秒)、右側を点灯させ(6秒)、その後、左側に戻し(0.5〜1.5秒)、このシーケンスを無限に繰り返した。この実験では、甲虫の飛行は一貫して、点灯したLEDの側から離れるように方向転換された。LEDがサイドを変化させた時間と、甲虫がLEDから離れるように方向転換し始めた時間との間に、最大4秒の遅延が観測された。より大規模な実験(甲虫数N>20、異なるLED作動パターン数M>10)が、サイド間の視覚的動きの勾配、LED変化の周波数、及び点灯LEDの数(すなわち明るいスポットの見掛けのサイズ)を様々に変化させて実行された。上記の刺激を除いて、変化によって生じる反応のいずれも、刺激と相関がなかった。   FIG. 12 provides data on a representative experiment that illustrates the relationship between beetle yaw angle measurement in response to LED display and time. In this experiment, the beetle and optical stimulation device were mounted on a small ball bearing that allowed continuous yaw rotation about the beetle's vertical axis in the dark. The device alternately turns on the left LED (6 seconds), shifts the lighting to the right side (0.5-1.5 seconds), lights the right side (6 seconds), and then returns to the left side (0. This sequence was repeated indefinitely for 5 to 1.5 seconds. In this experiment, beetle flight was consistently redirected away from the side of the lit LED. A delay of up to 4 seconds was observed between the time when the LED changed side and the time when the beetle began to turn away from the LED. A larger experiment (number of beetles N> 20, number of different LED actuation patterns M> 10) showed that the visual motion gradient between the sides, the frequency of LED changes, and the number of lit LEDs (ie the apparent size of the bright spot) ) Was executed in various ways. With the exception of the above stimuli, none of the reactions caused by the change were correlated with the stimulus.

D)埋め込み
様々なシリコン・チップ、神経プローブ、及びマイクロ流体管が、理想的な埋め込みサイズ及び位置を決定するために、さなぎ段階の甲虫に導入された(図7及び表1)。図7は、さなぎ段階及び成虫段階の両方における代表的な埋め込みについてのX線画像及び白色光画像を示している。電気的接続のキャラクタリゼーションを行うため、カプセル化されたSMT LEDが、さなぎに埋め込まれ、表皮から突き出した市販のピン・ヘッダに結合された。表皮は、さなぎ化の最中に、ピン・ヘッダと融合した。羽化後、ヘッダは、昆虫に悪影響を及ぼさずに、内部LED(3V、1mA)を点滅させるために使用された。
D) Implantation Various silicon chips, neuroprobes, and microfluidic tubes were introduced into the pupal stage beetle to determine the ideal implant size and position (Figure 7 and Table 1). FIG. 7 shows an X-ray image and a white light image for a representative implant in both the pupa stage and the adult stage. In order to characterize the electrical connections, encapsulated SMT LEDs were embedded in pupae and bonded to a commercial pin header that protruded from the epidermis. The epidermis fused with the pin header during puppeting. After emergence, the header was used to flash the internal LEDs (3V, 1mA) without adversely affecting the insects.

E)概略的な結論
本教示によれば、飛行開始、停止、加速/上昇、及び方向転換を変化させることが可能な、甲虫用の埋め込み可能な飛行制御マイクロシステムが開示される。システムは、多数の挿入された神経及び筋肉刺激器、視覚刺激器、ポリイミド組み立て体、並びにマイクロコントローラから成り、甲虫に連続的刺激を与えながら1日よりも長く動作することができる。システムは、2つのサイズ5渦巻マイクロバッテリ(cochlear microbattery)によって給電することができる。昆虫プラットフォームは、Cotinis texana−体長2cm、1〜2グラムのアオコフキコガネ−であったが、代替の昆虫を使用することもできる。
E) General Conclusion In accordance with the present teachings, an implantable flight control microsystem for beetles is disclosed that is capable of changing flight start, stop, acceleration / climbing, and turning. The system consists of a number of inserted nerve and muscle stimulators, visual stimulators, polyimide assemblies, and microcontrollers, and can operate for more than a day while providing continuous stimulation to beetles. The system can be powered by two size 5 spiral microbatteries. The insect platform was a Cotinis texana-2 cm long, 1-2 gram long-tailed frog-although alternative insects can be used.

IV.第2のケース・スタディ
いくつかの実施例では、昆虫の飛行を遠隔制御し、搭載センサ(すなわちカメラ、検出器、及びセンサなど)から情報を受信する能力は、娯楽、偵察、救助、及び試験を含む多種多様な応用に適用できることが確認された。さらに、生物学においては、昆虫飛行を制御する能力は、昆虫の情報伝達、交尾行動、及び飛行エネルギー学の研究、並びに地上ロボットを用いて行われていたような、鳥などの昆虫捕食生物の採餌行動の研究に役立つ。工学においては、電子制御可能な昆虫は、昆虫を模倣したMAV及びNAVの有益なモデルとすることができる。さらに、つなぎ綱なしの電気制御可能な昆虫自体は、MAV及びNAVとして使用することができ、人又は地上ロボットが容易に接近できない場所への急使(courier)として役立つ。
IV. Second Case Study In some embodiments, the ability to remotely control insect flight and receive information from onboard sensors (ie, cameras, detectors, sensors, etc.) is an entertainment, reconnaissance, rescue, and testing It was confirmed that it can be applied to a wide variety of applications including Furthermore, in biology, the ability to control insect flight is the ability of insect predators, such as birds, to perform research on insect signaling, mating behavior, and flight energetics, and ground robots. Useful for foraging behavior studies. In engineering, electronically controllable insects can be useful models of MAV and NAV that mimic insects. Furthermore, the tetherless electrically controllable insects themselves can be used as MAVs and NAVs and serve as couriers to places where humans or ground robots are not easily accessible.

B)RFシステム
本ケース・スタディの遠隔制御システムは、2つのChipcon Texas Instruments CC2431マイクロコントローラ(6×6mm、130mg、2.4GHz)を備え、1つは、甲虫搭載のRF受信機として機能し、1つは、コンピュータ駆動のRF送信機基地局として機能する。図14Aに示された回路図に基づいて、カスタムPCB(プリント回路基板、16×13mm、FR4(硬質)バージョン:500mg、ポリイミド(可撓)バージョン:70mg)が、受信機用に設計され、製造された。プログラミングの後、マイクロコントローラ及び他の構成要素が、図14Bに示されるように、PCB上に組み立てられた。マイクロコントローラは、図14Cに示されるように両面粘着テープでPCBの裏面に取り付けられ、使用時にPCBに電気的に接続される、充電可能なマイクロ・リチウム・ポリマ・バッテリ(Micro Avionics、4V、8.5mA時、350mg)によって給電された。組み立て体の総重量は、約1331mgであり、その内訳は、687mgがPCB及び種々雑多の構成要素、350mgがマイクロバッテリ、74mgがアンテナ、130mgがマイクロコントローラ、90mgが接着剤であった。
B) RF system The remote control system of this case study comprises two Chipcon Texas Instruments CC2431 microcontrollers (6x6mm, 130mg, 2.4GHz), one functioning as a beetle-mounted RF receiver, One functions as a computer-driven RF transmitter base station. Based on the schematic shown in FIG. 14A, a custom PCB (printed circuit board, 16 × 13 mm, FR4 (hard) version: 500 mg, polyimide (flexible) version: 70 mg) is designed and manufactured for the receiver. It was done. After programming, the microcontroller and other components were assembled on the PCB as shown in FIG. 14B. The microcontroller is a rechargeable micro lithium polymer battery (Micro Avionics, 4V, 8) that is attached to the backside of the PCB with double sided adhesive tape as shown in FIG. 14C and electrically connected to the PCB in use. At 350 mA) at 5 mA. The total weight of the assembly was approximately 1331 mg, of which 687 mg was PCB and miscellaneous components, 350 mg was a microbattery, 74 mg was an antenna, 130 mg was a microcontroller, and 90 mg was an adhesive.

甲虫のMecynorhina polyphemus又はMecynorhina torquata(4〜10g、4〜8cm)が、昆虫プラットフォームとして使用された。組み立て体は、甲虫の後側前胸背板に取り付けられ(図13A〜図13B)、蜜ろうを用いて接着された。組み立て体からの6つの出力ワイヤの終端は、左視葉402及び右視葉404、脳406、後側前胸背板408、左基翅節片飛行筋410及び右基翅節片飛行筋412に挿入された(図15A〜図15C)。   The beetle Mecynorhina polyphemus or Mecynorhina torquata (4-10 g, 4-8 cm) was used as the insect platform. The assembly was attached to the beetle's posterior front chest back plate (FIGS. 13A-13B) and glued using beeswax. The ends of the six output wires from the assembly are the left optic lobe 402 and right optic lobe 404, brain 406, posterior anterior chest back plate 408, left proximal segmental flight muscle 410 and right proximal segmental flight muscle 412. (FIGS. 15A to 15C).

飛行コマンドは、USBポートを介して送信機(Chipcon Texas Instruments SmartRF 04EB上に取り付けられたCC2431マイクロコントローラ)とインタフェースを取るパーソナル・コンピュータ上で動作する、カスタム制御ソフトウェア(BeetleCommander v1.0)によって生成された。BeetleCommander v1.0は、刺激部位への制御電圧パルスの周波数、数、及びデューティ・サイクルを含む刺激パラメータの飛行中制御を可能にした。信号は、直接シーケンス・スペクトル拡散(direct sequence spread spectrum)RF変調を使用して単一のチャネル(1A、2.480GHz)上でブロードキャストを行う、CC2431のビルトイン2.4 GHz IEEE 802.15.4準拠の送信機を使用して送信された。代替の伝送プロトコルも使用できることを理解されたい。送信機は、そうするよう命令された場合、300msにわたって1ms置きに、コマンドを受信機に送信した。飛行コマンドは、受信機上で動作するカスタム信号生成ソフトウェア(BeetleBrain v1.0)によって、甲虫の神経刺激器における適切な電圧パルス列にマッピングされた。印加電位をリチウム・ポリマ・バッテリから供給される4V以外の値に調整するため、表面実装抵抗が、各出力ピンへの電圧分圧器として並列にはんだ付けされた。   Flight commands are generated by custom control software (BeetleCommander v1.0) running on a personal computer that interfaces with a transmitter (CC2431 microcontroller mounted on a Chipcon Texas Instruments SmartRF 04EB) via a USB port. It was. BeetleCommander v1.0 allowed in-flight control of stimulation parameters including the frequency, number, and duty cycle of control voltage pulses to the stimulation site. The signal is broadcast on a single channel (1A, 2.480 GHz) using direct sequence spread spectrum RF modulation, CC 2431 built-in 2.4 GHz IEEE 802.15.4. Sent using a compliant transmitter. It should be understood that alternative transmission protocols can be used. When the transmitter was instructed to do so, it sent commands to the receiver every 1 ms for 300 ms. The flight commands were mapped to the appropriate voltage pulse trains on the beetle neural stimulator by custom signal generation software (BeetleBrain v1.0) running on the receiver. A surface mount resistor was soldered in parallel as a voltage divider to each output pin to adjust the applied potential to a value other than 4V supplied from a lithium polymer battery.

甲虫搭載の無線システムの動作範囲は、現在のオフィス環境の屋内では約10mであり、屋外では見通し線及び存在物に応じて約20〜50mであった。フル・パワーで、受信機は、約77mWを消費する。スリープ・モードと受信モードを周期的に繰り返す場合、動作中の消費は、10.95mWである。視葉刺激及び基翅節片飛行筋刺激は、図16A〜図16Dに示されるように、それぞれ約500μW及び約20μWを消費した。   The operating range of the beetle-mounted radio system was about 10 m indoors in the current office environment and about 20-50 m outdoors depending on the line of sight and the presence. At full power, the receiver consumes about 77 mW. When the sleep mode and the reception mode are periodically repeated, the consumption during operation is 10.95 mW. The optic lobe stimulation and the proximal nodal flight muscle stimulation consumed about 500 μW and about 20 μW, respectively, as shown in FIGS. 16A-16D.

C)飛行制御
飛行開始は、視葉に埋め込まれた2つの神経刺激器(図13、図15A、及び図15C)に、搭載受信機を介して、4V、100Hz、デューティ・サイクル20%の正電位及び負電位が交替するパルス列を印加することによって引き起こされた(図16A及び図16B)。反応時間は、1秒よりも短く(N=9)、図17A〜図17Cに示されるような30fpsのビデオをフレームごとに分析して確定されたところによれば、典型的なつなぎ綱なしの甲虫は、飛行開始コマンドに270msで反応した。飛行停止は、視葉の間に印加された単一の4V、1秒のパルスによって引き起こされた。
C) Flight control The start of flight is performed by using two neural stimulators (FIGS. 13, 15A, and 15C) embedded in the optic lobe via an on-board receiver, 4V, 100 Hz, duty cycle 20% positive. It was caused by applying a pulse train with alternating potential and negative potential (FIGS. 16A and 16B). The reaction time was less than 1 second (N = 9) and was determined by analyzing a 30 fps video frame by frame as shown in FIGS. The beetle responded to the flight start command in 270 ms. Flight arrest was caused by a single 4V, 1 second pulse applied during the optic lobe.

自由飛行時の方向転換は、左又は右基翅節片飛行筋のどちらか(作用電極)に後側前胸背板(対向電極)に対して2V、100Hzの正電位パルス(図16C及び図16D)を印加することによって、誘発することができた。甲虫は、刺激された側とは反対の方向に方向転換し、例えば、左方向転換は、右基翅節片飛行筋を刺激することによって誘発された。代表的な方向転換制御が、図18に示されており、甲虫は最初、オペレータに向かって飛行していた。T(0.00秒)は、撮影の開始時間である。T(0.6秒)において、オペレータは、基地局から左方向転換の信号(右基翅節片筋刺激)を送信した。T(1.6秒)において、オペレータが、刺激する側を右側から左基翅節片飛行筋に切り替えると、甲虫は、右に方向転換した。T(3.1秒)において、右基翅節片飛行筋が刺激された(左方向転換)。T(4.2秒)において、左基翅節片飛行筋が刺激されると、再び右に方向転換した。T(4.8秒)において、甲虫は、カーテンに接触し、飛行を停止した。 The direction change during free flight is a positive potential pulse of 2 V, 100 Hz with respect to the posterior anterior chest back plate (opposite electrode) on either the left or right proximal segmental flight muscle (working electrode) (FIG. 16C and FIG. 16D) could be induced. The beetle turned in the opposite direction to the stimulated side, for example, a left turn was triggered by stimulating the right proximal segmental flight muscle. A typical turn control is shown in FIG. 18, where the beetle was initially flying towards the operator. T 0 (0.00 seconds) is a shooting start time. At T 1 (0.6 seconds), the operator sent a left turn signal (right proximal segmental muscle stimulation) from the base station. At T 2 (1.6 s), the beetle turned to the right when the operator switched the stimulating side from the right side to the left proximal nodal flight muscle. At T 3 (3.1 seconds), the right proximal segmental muscle was stimulated (turning left). At T 4 (4.2 seconds), when the left proximal segmental muscle was stimulated, it turned to the right again. At T 5 (4.8 seconds), the beetle touched the curtain and stopped flying.

D)結論
本教示の原理によれば、生きた昆虫に搭載された小型RF受信機と基地局から操作されるRF送信機とを使用する、初めての無線飛行制御マイクロシステムが提供される。飛行開始及び停止は、両方の視葉の神経刺激によって達成され、自由飛行時の方向転換は、左右どちらかの基翅節片飛行筋の筋肉刺激によって誘発された。
D) Conclusion According to the principles of the present teachings, the first wireless flight control microsystem is provided that uses a small RF receiver mounted on a living insect and an RF transmitter operated from a base station. Flight start and stop was achieved by neural stimulation of both optic lobes, and free flight direction change was induced by muscle stimulation of either the left or right proximal segmental flight muscle.

実施例の上記の説明は、例示及び説明の目的で提供された。上記の説明は、網羅的であること、又は本発明を限定することを意図していない。特定の実施例の個々の要素又は特徴は一般に、その特定の実施例に限定されないが、適用可能な場合は、具体的に示され、又は説明されていない場合でも、交換可能であり、選択された実施例において使用することができる。同じことを多くの方法で多様化することができる。そのような変形は、本発明からの逸脱とは見なされず、そのような変更のすべては、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。   The foregoing description of the examples has been provided for purposes of illustration and description. The above description is not intended to be exhaustive or to limit the present invention. Individual elements or features of a particular embodiment are generally not limited to that particular embodiment, but can be interchanged and selected where applicable, even if not specifically shown or described. Can be used in other embodiments. The same can be diversified in many ways. Such variations are not to be regarded as a departure from the invention, and all such modifications are intended to be included within the scope of the invention.

Claims (16)

昆虫の飛行を制御するための制御システムであって、
前記昆虫に埋め込み可能な複数の刺激器と、
電源と、
制御入力に応答して制御信号を前記複数の刺激器に出力し、前記昆虫の制御された飛行を誘発するための、前記電源及び前記複数の刺激器に動作可能に結合されたコントローラと
を備える制御システム。
A control system for controlling the flight of insects,
A plurality of stimulators implantable in the insect;
Power supply,
A controller operatively coupled to the power source and the plurality of stimulators for outputting a control signal to the plurality of stimulators in response to a control input to induce a controlled flight of the insects. Control system.
前記複数の刺激器が、前記昆虫の脳に埋め込み可能な神経プローブを含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the plurality of stimulators include neural probes that are implantable in the insect brain. 前記神経プローブを通して出力される前記制御信号が、前記昆虫の迎え角を変化させるように作用可能である、請求項2に記載の制御システム。   The control system of claim 2, wherein the control signal output through the neural probe is operable to change the angle of attack of the insect. 前記複数の刺激器が、前記昆虫の対向する飛行筋に埋め込み可能な1対の飛行筋刺激器を含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the plurality of stimulators includes a pair of flight muscle stimulators that are implantable in opposing flight muscles of the insect. 前記1対の飛行筋刺激器を通して出力される前記制御信号が、前記昆虫の飛行の水平方向を変化させるように作用可能である、請求項4に記載の制御システム。   The control system of claim 4, wherein the control signal output through the pair of flight muscle stimulators is operable to change a horizontal direction of the insect flight. 前記コントローラが、前記1対の複数の飛行筋刺激器のうちの一方のみに前記制御信号を出力するように動作可能である、請求項4に記載の制御システム。   The control system of claim 4, wherein the controller is operable to output the control signal to only one of the pair of flight muscle stimulators. 前記複数の刺激器が、前記昆虫の視葉に動作可能に接続可能な刺激器を含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the plurality of stimulators include stimulators operably connectable to the insect visual lobe. 前記複数の刺激器が、前記昆虫の前胸背板に埋め込み可能な刺激器を含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the plurality of stimulators comprises stimulators that are implantable in the insect's front chest back plate. 前記コントローラが、実質的に前記昆虫の体構造内に配置される、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the controller is disposed substantially within the insect body structure. 前記昆虫が見ることのできる視覚刺激器であって、前記昆虫に視覚的合図を出力するために前記コントローラに結合される視覚刺激器
をさらに備える、請求項1に記載の制御システム。
The control system of claim 1, further comprising a visual stimulator visible to the insect, the visual stimulator coupled to the controller for outputting a visual cue to the insect.
前記複数の刺激器が、長手方向に沿って配置された複数の刺激サイトを有する神経プローブを含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the plurality of stimulators includes a neural probe having a plurality of stimulation sites disposed along a longitudinal direction. 前記コントローラに動作可能に結合された受信機と、
前記受信機に無線で結合された遠隔コントローラであって、前記受信機が前記制御入力を前記コントローラに伝達するように、前記制御入力を前記受信機に送信するように動作可能な遠隔コントローラと
をさらに備える、請求項1に記載の制御システム。
A receiver operably coupled to the controller;
A remote controller wirelessly coupled to the receiver, the remote controller operable to transmit the control input to the receiver such that the receiver communicates the control input to the controller; The control system according to claim 1, further comprising:
前記コントローラに結合されたメモリ・デバイスであって、事前ロードされる制御シーケンスの形式で前記制御入力を含むメモリ・デバイス
をさらに備える、請求項1に記載の制御システム。
The control system of claim 1, further comprising a memory device coupled to the controller, the memory device including the control input in the form of a preloaded control sequence.
前記制御信号の周波数が、昆虫の筋反応に十分な時間が後続の制御信号の前に割り当てられるように選択される、請求項1に記載の制御システム。   The control system of claim 1, wherein the frequency of the control signal is selected such that sufficient time for an insect muscle response is allocated before a subsequent control signal. 前記制御信号が、前記昆虫の対向する飛行筋に印加される正電位と負電位が交替するパルス列を含む、請求項1に記載の制御システム。   The control system according to claim 1, wherein the control signal includes a pulse train in which a positive potential and a negative potential applied to the flying muscles facing the insect are alternated. 前記制御信号が、前記昆虫の対向する視葉に印加される正電位と負電位が交替するパルス列を含む、請求項1に記載の制御システム。   2. The control system according to claim 1, wherein the control signal includes a pulse train in which a positive potential and a negative potential applied to an opposing visual lobe of the insect alternate.
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