黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法与流程

本发明属于微观行为学、生物力学研究中的数据采集技术领域，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方法。

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。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明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方法，解决了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。

本发明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方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，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，将第一显微高速摄像机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与第一显微高速摄像机成直角放置，调节光焦，从侧向以记录脚趾刚毛的微观行为；

步骤2，调节力学采集系统，进行空采集、初始化后准备采集；

步骤3，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确认实验开始后，力采集程序控制计算机通过网口向同步触发模块发送开始信号，同步触发模块在接收到开始信号后，将同时向力采集部件、第一显微高速摄像机、微电刺激控制计算机及第二显微高速摄像机发送触发指令，其中，第一显微高速摄像机和第二显微高速摄像机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；力采集部件在接收到触发信号后，将开始从力学传感器接收力学信号，力采集部件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传输处理后的力学数据；微电刺激控制计算机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来使能刺激电极，最终输出微电刺激信号诱发粘附动物完成粘/脱附动作。

本发明的特征还在于，

所述刺激电极为双钩式排列，所述刺激电极刺激输出端为用间距调节片固定的平行端，所述刺激电极的刺激输入端为具有1/2～2/3圆弧长的弯折端，所述刺激电极的刺激输入端焊接有铜导线。

所述力学采集系统采样频率为4000Hz。

所述力学传感器为毫牛级三维力学传感器，其分辨率为1mN，固有频率为491Hz。

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6000Lux冷光源补光，采集频率为1000Hz。

所述刺激电极的微电刺激参数为波宽1ms，频率80Hz，强度30～80μA，每次刺激时间不超过5s，两次刺激的时间间隔＞3min。

本发明的有益效果是，

(1)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同步采集；

(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发明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发明的一些实施例，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是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的原理框图；

图2是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的采集流程示意图；

图3是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的粘附动物神经干刺激电极示意图；

图4是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的粘附动物神经干的手术分离示意图；

图5是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的脚趾外翻脱附过程中的行为与受力状态图；

图6是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的力采集部件主控芯片电路图；

图7是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的力采集部件供电模块电路图；

图8是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的力采集部件力学信号前端处理电路图；

图9是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的力采集部件网口电路图；

图10是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的同步触发模块网口部分电路图；

图11是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法的同步触发模块主控芯片部分电路图；

图12是本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明黏附动物黏-脱附过程微观行为和力学数据同步采集方法，如图1-图4所示，具体按照以下步骤进行：

步骤1，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；

步骤2，调节力学采集系统，进行空采集、初始化后准备采集；

步骤3，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。

所述刺激电极9为双钩式排列，所述刺激电极9刺激输出端为用间距调节片固定的平行端，所述刺激电极9的刺激输入端为具有1/2～2/3圆弧长的弯折端，所述刺激电极9的刺激输入端焊接有铜导线。

所述力学采集系统采样频率为4000Hz。

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1mN，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6000Lux冷光源补光，采集频率为1000Hz。

所述刺激电极9的微电刺激参数为波宽1ms，频率80Hz，强度30～80μA，每次刺激时间不超过5s，两次刺激的时间间隔＞3min。

所述力学采集系统采样频率为4000Hz。

同步触发模块1包括供电模块、主控芯片、网口三部分。

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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；

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。

本发明的刺激电极制作过程为：1)采用双钩式排列，用针体直径100μm、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2mm；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。

实施例下面结合图1-图4，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方法，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100μm、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1mm；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3mm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20mg/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0.1ml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一6～10mm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1ms，频率80Hz，强度30～80μA，每次刺激时间不超过5s，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1000Hz，整个显微高速摄像机拍摄区域采用6000Lux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20ms，显微高速摄像机采用每秒1000fps记录。

9)实验结束，大壁虎俯卧位至少休息3min，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，本方法中设定的力学采集系统采样频率为4000Hz。

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α＝arctan(FN/FS)α∈(0°,90°)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ta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tc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(△FN)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。

基于同理，上述采集过程中也可以通过刺激大壁虎的黏附神经干实现黏附过程的微观行为和力学数据的同步采集，在此不作详细说明。该方法可以同步、准确地获得了动物黏-脱附过程中接触单元的微观行为变化与力学时变数据。

该方法也同样适用于树蛙等其它黏附动物的黏/脱附微观行为及力学数据的采集。

关于壁虎外翻脱附时的力学性能和微观行为测试，由于壁虎的快速运动，无法在实际运动过程中，真实同步测试到微观行为以及力学规律的变化，只有单一的，如脱附行为的测试，或者脱附力学的测试，两者不能实时对应，导致对于壁虎外翻脱附机制研究的阻碍。本发明中通过活体神经干刺激的方法，模拟动物运动中脚趾的黏-脱附行为，通过同步采集系统，同时控制力学采集系统和行为记录系统，以实现对脱附过程中微观行为和力学时变规律的同步测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。