[发明专利]粘附动物粘/脱附微观行为及力学数据的采集方法和装置

说明书

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。