昆虫飛行制御システム

专利摘要:
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。
公开号:JP2011509216A
申请号:JP2010542231
申请日:2008-12-09
公开日:2011-03-24
发明作者:ケーシー、ブレンダン、イー．；ベリー、クリストファー、ダブリュー．；マハービズ、マイケル、エム．；ラベラ、ガブリエル；裕崇 佐藤
申请人:ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティー オブ ミシガン；
IPC主号:B64C19-00

专利说明:

[0001] 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。]
[0002] 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。]
[0003] 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。]
先行技術

[0004] 米国仮出願第６１／０２０，４９９号]
課題を解決するための手段

[0005] 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。]
[0006] 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。]
[0007] 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。]
図面の簡単な説明

[0008] 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ミシガン神経プローブの断面図である。
図９Ａのミシガン神経プローブの写真である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
神経刺激波形を示す図である。
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。
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。
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。
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。
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。
本教示の原理による、制御システムの写真である。
本教示の原理による、制御システムの写真である。
脳及び視葉（ｏｐｔｉｃ ｌｏｂｅ）の埋め込み部位を示す写真である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
立ち止まった位置の写真である。
刺激の開始を示すＬＥＤが点灯している写真である。
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。
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、Ｔ０（０．００秒）は、撮影の開始時間であり、Ｔ１（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、Ｔ２（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、Ｔ３（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）、Ｔ４（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、Ｔ５（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。] 図１１Ａ 図１６Ａ 図１６Ｃ 図２ 図９Ａ
実施例

[0009] 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。]
[0010] 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。]
[0011] 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。]
[0012] 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。]
[0013] 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。]
[0014] 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。] 図１
[0015] 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。] 図２
[0016] 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）。] 図２
[0017] 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。]
[0018] 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。]
[0019] 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。]
[0020] 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。]
[0021] 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。]
[0022] 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。] 図２ 図５
[0023] 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。] 図６
[0024] 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。] 図６
[0025] 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。]
[0026] 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。]
[0027] ]
[0028] 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ＳＭＴＬＥＤ 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。] 図１０ 図１１Ａ 図１１Ｂ 図１２ 図１４ 図１５Ａ 図１５Ｂ 図１５Ｃ 図１６Ａ 図１６Ｃ
[0029] 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。] 図１１Ａ 図１１Ｂ 図６
[0030] 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。]
[0031] 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。] 図８Ｂ 図８Ｃ
[0032] 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。] 図１２
[0033] 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ＳＭＴＬＥＤ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。]
[0034] 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。]
[0035] 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。]
[0036] 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。] 図１４Ａ 図１４Ｂ 図１４Ｃ
[0037] 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）。] 図１５Ａ 図１５Ｂ 図１５Ｃ
[0038] 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 ＧＨｚＩＥＥＥ 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。]
[0039] 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。] 図１６Ａ 図１６Ｃ 図１７Ｂ
[0040] 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。] 図１５Ａ 図１５Ｃ 図１６Ａ 図１６Ｂ 図１７Ａ 図１７Ｃ
[0041] 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。Ｔ０（０．００秒）は、撮影の開始時間である。Ｔ１（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。Ｔ２（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。Ｔ３（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）。Ｔ４（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。Ｔ５（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。] 図１６Ｃ 図１６Ｄ 図１８
[0042] 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。]
[0043] 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。]

权利要求:

請求項1
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。
請求項2
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。
請求項3
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。
請求項4
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。
請求項5
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。
請求項6
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。
請求項7
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。
請求項8
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。
請求項9
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。
請求項10
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。
請求項11
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。
請求項12
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。
請求項13
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。
請求項14
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。
請求項15
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。
請求項16
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。