Experiment: Der kabellose Kakerlakenroboter

Hintergrund

Die RoboRoach ist ein Kakerlakencyborgkit, dass als Lehrmittel dient. Es enthält eine Leiterplatte (engl.: PCB oder Printed Circuit Board) a.k.a. "der Kakerlakenrucksack", der den kabellosen Bluetooth Empfänger/Transmitter trägt, ein paar LEDs und andere Schaltkreiskomponenten (Widerstände und Kondensatoren). Eine kleine Knopfzellbatterie ist ebenfalls dabei um die Leiterplattenkomponenten mit Strom zu versorgen. Zu guter Letzt: im Kit sind ebenfalls 3 Elektrodeimplantatsätze enthalten. An einem Ende jeder dieser Elektroden ist ein Verbindungsstück für den "Kakerlakenrucksack", das andere Ende ist ein 0.003mm dünner Silberdraht (dünner als ein menschliches Haar), der als Leitelement die sensorisches Nerven der Kakerlake innerviert. Pro Set haben wir 3 Elektroden: eine für die linke Antenne, eine für die rechte und eine als Erde. Jeder Schaltkreis muss geschlossen werden, damit Strom fließen kann. Wir brauchen die Erde als Leiter für den Stimulationsstrom. Die Elektrode für die Erde kannst du überall anbringen, sie sollte nur nicht zu nah an deinen anderen Elektroden liegen. Wir benutzen den oberen seitlichen Teil des Kakerlakenkörpers, da dort dem Insekt am wenigsten Schaden zugefügt wird.

Das Wort "Cyborg" ist eine Abkürzung von "cybernetic organism", also kybernetischer Organismus. Die ursprüngliche Definition ist, dass ein Cyborg ein lebendiges, aus organischem Material aufgebautes Lebewesen mit künstlichen, anorganischen "Teilen" ist. Geprägt durch den Neurowissenschaftler Manfred Clynes in den 60ern, wurde der Cyborg als neue Grenze zwischen Geist und Materie bezeichnet "(1). Danach hat der rapide technologische Fortschritt viele unterschiedliche Definitionen von Cyborgs aufgebracht. Direkte, neuronale Schnittstellen wie die RoboRoach werden schon seit den frühen 70ern (2) entwickelt. Gehirn-Computer Schnittstellen (kurz BCI/BMI für engl. "Brain-Computer/Machine Interface) werden von Wissenschaftlern und Doktoren weltweit benutzt und weiterentwickelt um unser Nervensystem besser zu verstehen und um Menschen zu helfen, die mit Einschränkungen ihrer Mobilität oder ihrer Sinneswahrnemungen leben. Neuroprothesen können das Sehen, Hören und die Bewegung von Gliedmaßen verbessern. Das Cochlea-Implantat, zum Beispiel, hat über 220,000(3) Menschen weltweit zum Hören verholfen.

Übrigens, wir sind nicht die Einzigen, die wirbellose Cyborgs entwickelt haben um etwas über Neurowissenschaften zu lernen und um die Neurotechnologie voranzutreiben. In den späten 90ern haben zwei Wissenschaftsgruppen der University of Tokyo(4) und der University of Michigan(5) es geschafft Kakerlakenbewegungen zu kontrollieren. Die Idee war "Hybridroboter" zu bauen, die in Katastrophengebiete eingesetzt werden sollten, da Insekten energieeffizienter funktionieren als kleine Roboter. Ihre Arbeit wurde in kleinen Magazinen veröffentlicht, erfuhr jedoch nie große, öffentliche Aufmerksamkeit.

Aktueller hingegen sind die Forschungsergebnisse einer Gruppe der Cornell University(6). Den Wissenschaftlern war es möglich die Signale zu finden, die die Flügel der Motte steuern und an der University of Arizona(7) wurde ein Roboter entwickelt, der vom Nervensystem einer Motte kontrolliert wird [Video hier]. In Berkeley(8) hat man es geschafft den Flug eines Käfers zu kontrollieren [Video hier] und Forscher der North Carolina State University(9) sind dabei das Nervensystem der Kakerlake zu "Mikrostimulieren", um ein System zur automonen Steuerung von Insekten-Biobots zu entwickeln. [Video hier].

Wow! ...aber warum Kakerlaken?

Backyard Brains' Lieblingswirbelloser kommt aus dem Reich der Animalia; Stamm Arthropoda; Klasse Insecta; Familie Blaberidae; Gattung Blaberus; Art Discoidalis. Um einen Organismus exakt zu benennen, so dass jeder Wissenschaftler auf der Welt weiß um was es sich handelt benutzt man die Gattung und Art nacheinander. Bei uns wäre das Blaberus Discoidalis, eine Kakerlakenart aus Südamerika. Da die genaue Bezeichnung relativ schwierig auszusprechen ist und es diese Art nicht so oft in Deutschland gibt, vergnügnen wir uns mit "Schabe" oder "Kakerlake". Backyard Brains hat sich die Schabe für die RoboRoach aus mehreren Gründen ausgesucht. Man kommt leicht an sie ran, da sie in Kleintierhandlungen als Amphibien- und Reptilienfutter gezüchtet werden. Man kann sich leicht um sie kümmern und sind nicht so schnell auf den Beinen wie andere Insekten. Sie sind sehr wiederstandsfähig und stark genug um unseren Rucksack zu tragen. In vielen Teilen der Welt werden sie als Plage angesehen, doch das unterstreicht nur, was für eine gute Arbeit die Evolution bei diesen Tierchen geleistet hat. Wir wollen hier jedoch erneut unterstreichen, dass wir euch bitten verantwortungsbewusst mit jedem Lebewesen umzugehen und dass in diesem Experiment der Lernerfolg im Mittelpunkt steht. Damit dieses Experiment ein Erfolg wird, raten wir euch Kakerlaken auszuwählen, die so groß wie möglich sind. Sehr gut geeignet ist deswegen die Blaberus discoidalis.

Beeindruckende adulte/ausgewachsene Blaberus discoidalis, ihr natürliches Aussehen (links) und als RoboRoach (rechts).

Die Nervenzellen der Kakerlaken ähneln den unsrigen sehr, sie haben nur viel weniger davon als wir. An der Zahl sind es um die 1 Million Neurone, wir hingegen besitzen über 100 Milliarden! Deswegen können wir so viele "verrückte" Sachen. Zum Beispiel Sprachen reden/verstehen oder unser eigenes Gehirn erforschen. Dazu entwickeln Neurowissenschaftler Stimulationsschaltkreise, um herauszufinden welcher Teil des Gehirns welche Rolle übernimmt. Eine Kakerlake hat ein dezentralisiertes Nervensystem. Ganglien (kleine Hirne) sitzen wie Kugeln einer Perlenkette auf einem Nervenstrang der sich durch den Körper zieht. Das größte Ganglion sitzt im Kopf und wird oft als Gehirn bezeichnet. Auch wenn sich das Schaben-Nervensystem stark vom menschlichen unterscheidet, ähneln sich vor allem einzelne Nervenzellen. Das erlaubt es uns etwas über die Funktionsweise unseres Gehirns zu lernen indem wir uns das der Kakerlake anschauen.

Solange du nicht Gregor Samsa heißt, sollte dein zentrales Nervensystem der linken Illustration ähneln.

Aber wie funktionierts'??!

Kakerlaken haben 2 Antennen am vorderen Ende. Die Antennen dienen der Kakerlake als Sensor um sich in ihrer Umwelt zurechtzufinden. Die Sensoren reagieren auf taktile und olfaktorische Stimuli (Berührung und Geruch). Diese "haardünnen" Strukturen sind direkt mit Nervenzellen verbunden, die Signale an das Gehirn weiterleiten.

Ihre Nervenzellen kommunizieren auf die gleiche Weise wie die unsrigen. Information, in der Form von Elektrizität, wird entlang des neuronalen Pfades gesendet. Diese elektrische Aktivität wird Aktionspotential oder unter uns Neurowissenschaftlern "Spike" genannt.

Am hinteren Ende der Kakerlake befinden sich sogenannte Cerci (Einzahl=Cercus). Das sind ähnliche Sensoren, nur dass diese auf Wind und Vibrationen spezialisiert sind. Ihre Spikes werden zum hintersten Ganglion geschickt und dort verarbeitet. Meist endet das in der sofortigen und schnellen Flucht sobald etwas in ihre Nähe kommt, weswegen man oft nur ein Huschen im Augenwinkel erkennt wenn man die Türe zu einem Zimmer mit einer Kakerlake darin öffnet.

Man kann eine neuronale Schnittstelle schaffen indem man winzige Elektroden in die Spitzen der Kakerlakenantennen implantiert. Da Elektrodendraht elektrisch leitfähig ist, kannst du ein elektrischen Signal auslösen, das dem Originalsignal sehr ähnlich ist. Das Resultat: Neurone in der Antenne werden so stimuliert, dass sie neuronale Nachrichten an den Rest des Körpers verschicken (Spikes!).

Die Spikes kommen bei den Ganglien an, welche wiederum natürliche Reaktionen in Gang setzen. Somit kannst du die Bewegungen der Kakerlake fernsteuern. Weiter vereinfacht: wenn wir die Nervenzellen der rechten Antenne stimulieren, wird die Kakerlaken darauf mit einer Linksbewegung reagieren. Falls wir die Nervenzellen der linken Antenne stimulieren, nach rechts!

Was du heute über neuronale Interfaces (Schnittstellen) lernen wirst, ist die Basis der Methoden, die in Krankenhäusern und Universitäten praktiziert werden. Du kannst zum Beispiel versuchen auf der gleichen Frequenz (55Hz) zu stimulieren, die auch Neurochirurgen bei der subthalamischen Stimulation benutzen, um Parkinsonerkrankten zu helfen.

Vorbereitungen für das RoboRoach Experiment

Bist du bereit zum Kakerlakenhirnchirurg zu werden um für kurze Zeit einen Cyborg steuern zu können?

Die Operation selber dauert ungefähr 30-45 Minuten. Wichtig bei einer solchen Präparation ist gründliche Vorbereitung, gewissenhaftes Dokumentieren und verantwortungbewusster Umgang mit dem Versuchsobjekt. Deswegen solltest du dir für Aufbau, Operation und Aufräumen mindestens eine Stunde Zeit nehmen. Jeder kann das RoboRoach Experiment durchführen, doch wie bei Allem im Leben braucht es Geduld und Übung um erfolgreich zu sein! Unser Kit beinhaltet deshalb 3 Elektrodensets, damit du 3 RoboRoach Experimente machen kannst. Von Versuch zu Versuch wirst du dich verbessern. Zusätzliche RoboRoach Elektroden gibts in unserem Store oder du machst sie dir einfach selber. Wir empfehlen dir die gesamte Anleitung genau durchzulesen bevor du mit der Operation beginnst. Dann kannst du sicher sein, dass dein eigenes Gehirn gut vorbereitet ist!

Uns liegt es sehr am Herzen, dass die RoboRoach als Lehrmittel eingesetzt wird, um etwas über neuronale Schnittstellen zu lernen. Bitte respektiert die Tierversuchsregularien eures Landes (in Deutschland fallen zum Beispiel Experimente an Wirbellosen nicht in die Tierversuchskategorie). Gerade deswegen ist es wichtig, dass sich jeder selber Gedanken über den Lehrwert dieses Experiments macht. Falls du ethische Konflikte oder Fragen zu dem Experiment hast, besuche bitte unsere ethische Grundsatz- und Diskussionssektion .

Was du brauchst:

• Den Ablauf der "RoboRoach Operation" gibt es in mehreren Varianten veranschaulicht (s. unten):
1. PDF zum Downloaden.
2. Video zum Anschauen.
• Arbeitsblatt als Anleitung
• Dein Gehirn, Geduld und eine ruhige Hand
• Ungefähr 1 Stunde deiner Zeit
• 1 "RoboRoach Operationskit"
1. feines Sandpapier
2. starken Sekunden- oder 2 Komponentenkleber
3. Wattebollen
4. Knete
5. 1 feine Nadel
6. Zahnstocher
7. 1 feine Schere
8. Pinzette
9. 1 Vergrößerungsglas (oder hol' dir das Upgrade und beeindruck' deine Kumpels mit dem RoachScope)
10. 1 Heißklebepistole mit Kleberstäben
11. 1 Eisstiel
12. Ein wenig Mehl
• Becher mit Eiswasser (wichtig hier ist die Mischung: genug Eis, dass das Wasser kühl genug ist, aber nicht zuviel, weil du dann die Kakerlake nicht untertauchen kannst). Eiswasser wird immer 0 Grad haben, solange Eis im Wasser ist.
• Papiertücher
• Uhr mit Minutenanzeige
• Arbeitslampe: Niemals in Dunkelheit arbeiten!
• 1 RoboRoach Elektrodenset/array
• ...und natürlich: 1 große, gesunde und adulte Kakerlake. WICHTIG: Bei der Art Blaberus discoidalis können adulte Tiere durch ihren schwarzen Fleck auf ihrem Pronotum (das Außenskelett, das wie eine Haube über ihrem Kopf ragt) erkannnt werden. Und sie haben Flügel. Sie werden sich nicht mehr Häuten. Deswegen können wir das Verbindungsstück permament am Kopf befestigen. AUFGEPASST: wenn du den Rucksack auf eine juvenile Kakerlake (keine Flügel) klebst, wird sie ihr Exoskelett bei der nächsten Häutung nicht ablegen können und sterben. Verwende für dieses Experiment KEINE juvenilen Kakerlaken.

Ablauf

Schritt 1: Vorbereiten. Kakerlake aussuchen. Dokumentieren!

Sortiere dein Operationswerkezeug und alle für das Experiment benötigten Gegenstände. Steck' die Heißklebepistole in die Steckdose und wenn sie einen Temperaturregler besitzt, setz' diesen auf einen geringen Wert. Fülle dein Arbeitsblatt mit ersten wichtigen Informationen aus. Auf Seite 1 deines RoboRoach Surgery Worksheets.

Schritt 2: Befestige das Elektrodenset an der Kakerlake

2.1) Betäube die Kakerlake, indem du sie in Eiswasser legst. Notiere dir die Anfangszeit auf deinem Surgery Worksheet - Procedure Record (Arbeitsblatt). Wir werden dir ab jetzt keine weiteren Erinnerungen dafür geben, damit du im Lesefluß bleibst. Aber vergiss' nicht dein Arbeitblatt sorgfältig auszufüllen! Jeder Schritt und jede Erkenntnis sollte gut dokumentiert zu finden sein. Also sei' ein guter Wissenschaftler und schreib alles nieder!

Die Kakerlake ist ein wechelwarmes Tier (ektotherm, d.h. dass sie nicht Hitze durch ihren Stoffwechsel produziert). Deswegen führt ein Abfall der Temperatur zur Abnahme der Nerven- und Stoffwechselaktivität, was in einer Betäubung resultiert (10). Nach 2-5 Minuten wechselt die Kakerlake in den "Ruhemodus". Beobachte am besten die Kakerlake. Wenn sie aufhört sich zu bewegen, kannst du ihre Körperfunktionen testen, indem du zum Beispiel ihr Bein berührst.

2.2) Einmal betäubt, nimmst du die Schabe mit einer Pinzette aus dem Eiswasser und platzierst sie auf deinem Tisch. Im Zentrum des Pronotums benutzt du nun das Sandpapier und rauhst die Oberfläche auf. Nicht zu fest aufdrücken, wir wollen unsere Schabe nicht verletzen. Klemmen eignen sich besonders gut um das Pronotum (Exoskelett, die "Haube") festzuhalten. Dieser Vorgang ähnelt dem Fingernägelfeilen, da unsere Fingernägel ebenfalls aus Chitin bestehen.

Feile mit dem Sandpapier, bis sich das Pronotum rauh anfühlt. Dann sollte auch der Sekunden-/Zweikomponentenkleber für einen guten Halt sorgen.

2.3) Wisch' das Pronotum mit einem nassen Tuch ab und entferne somit abgefeilte Gewebeteile, danach trocknest du das Pronotum mit einem trockenen Taschentuch. Jetzt platzierst du einen Tropfen Sekundenkleber auf die angerauhte Stelle. Pass' auf, dass du keinen Kleber auf deine Finger bekommst, wir wollen schließlich der Kakerlake den Rucksack aufschnallen, nicht dir!

2.4) Das schwarze Verbindungsstück setzt du jetzt vorsichtig auf den Klebertropfen, so dass die Elektroden (dünne Kabel) in Kopfrichtung zeigen (dort, wo die Antennen sind). Achte darauf, dass das Verbindungsstück parallel zum Körper steht. Nach 1-2 Minuten sollte der Kleber erhärtet sein.

2.5) Danach kommt die Schabe nochmal ins Eis, um sicher zu gehen, dass sie weiterhin betäubt bleibt (1-2 Minuten bzw. bis sie offensichtlich wieder bewegungsunfähig ist).

Schritt 3: Implantieren der Erdungselektrode in den Thorax

3.1) Nimm' die Kakerlake wieder aus dem Wasser und setze sie auf den Tisch mit dem Bauch nach unten. Spreize einen Flügel ab und fixiere das Tier mit Knete. So, dass sie stabil und fest an einem Ort bleibt. Jetzt trocknest du den Thorax der Kakerlake und rauhst die Körperseite mit Sandpapier vorsichtig auf.

3.2) Nimm' deine Nadel und steche ein kleines Loch in das Exoskelett des Thorax der Kakerlake. Direkt hinter dem Kopf. Versuch die Mittellinie zu vermeiden, da dort der Oesophagus der Kakerlake liegt.

Die Flugmuskeln an der Seite halten einen kleinen Stich/Schnitt aus (diese Kakerlakenart ist flugunfähig und benutzt diese Muskulatur nicht oft). Sei' vorsichtig, achte darauf, dass du den harten Chitinpanzer durchdringst, dabei aber nicht zu tief einstichst. Ein hilfreicher Tipp: manchmal kann man kleine Flecken am Exoskelett auf dem Rücken sehen, die man als Markierungen benutzen kann. Auf ihrer Höhe befindet sich ein guter Einstechpunkt für die Erdungselektrode.

3.3) Jetzt brauchst du die feine Pinzette. Mit ihr ist es am einfachsten die zentrale Elektrode 1mm in das Loch, das du gerade gestochen hast, zu stecken. Es hilft wenn du die Elektrode/den Draht vorher gerade biegst.

3.4) Mit einem Zahnstocher kannst du nun einen Tropfen Sekundenkleber zwischen Gewebe und Elektrode direkt am Einstichpunkt applizieren/anbringen.

Mit der Pinzette schiebst du den Draht nun ein bisschen weiter in den Kakerlakenthorax (1-3mm). Der Sekundenkleber soll mit in das Einstichsloch eindringen, denn sobald er mit der Körperflüßigkeit der Schabe in Kontakt kommt erhärtet er schneller. Wusstest du, dass Sekundenkleber (Cyanacrylat) im Vietnamkrieg benutzt wurde um die Wunden der Soldaten zu verschließen? Achte darauf, dass der Kleber nicht mit dir in Kontakt kommt, da man ihn nicht so einfach von der Haut bekommt.

Um dir ganz sicher zu gehen, dass die Elektrode hält, kannst du einen weiteren Tropfen Sekundenkleber auf die Elektrode setzen. Danach bringst du den Flügel wieder in seine ursprüngliche Position und du kannst mit einem ganz leichten Ziehen an der Elektrode testen, ob deine Operation geglückt ist.

3.5) Setz' die Kakerlake wieder in ihr Eisbad für 1-2 Minuten um sicher zu gehen, dass sie weiterhin betäubt bleibt.

Schritt 4: Implantieren der rechten Antennenelektrode

4.1) Nimm' sie wieder raus und leg' sie auf den Rücken. Mit der Pinzette kannst du vorsichtig die Antennen bewegen. Dann schneidest du ein Stück der rechten Antenne ab, so dass sie noch ungefähr 3 - 6 mm lang ist.

4.2) Nun schiebst du die rechte Elektrode 1mm in die rechte Antenne (nicht komplett reinstecken!).

Genauso wie vorher applizierst du einen Tropfen Sekundenkleber direkt überhalb der Stelle an der die Elektrode in die Antenne eintritt.

4.3) Mit der Pinzette schiebst du erneut die Elektrode ein bisschen tiefer in die Antenne, ca. 2 - 4 mm. Falls nötig, füge ein bisschen mehr Kleber an die Antennenspitze, aber vermeide zu viel Kleber. Sobald der Kleber ins Innere der Antenne kommt erhärtet er sehr schnell. Die Elektrode sollte mit einer kleinen Schicht Sekundenkleber an der Innenseite der Antenne befestigt sein; Sonst kann es sein, dass sie wieder raus kommt.

4.4) Jetzt kommt die Schabe wieder für 1-2 Minuten ins Eiswasser.

Step 5: Implantieren der linken Antennenelektrode

Wiederhole Schritt 4, nur dass du "rechts" mit "links" vertauschst.

Schritt 6: Drähte richten

6.1) Es ist sehr wichtig, dass die Drähte kein "Spiel" haben. D.h. jeder Draht darf nicht zu weit abstehen, da die Schabe sie sonst mit ihren Beinen herauszieht. Mit deinen Fingern oder der Pinzette kannst du den Draht nach hinten auf das schwarze Verbindungsstück biegen. Achte hier darauf, dass du die Elektrode nicht aus der Antenne rausziehst und gleichzeitig für so wenig "Spiel" wie möglich sorgst. Ebenfalls wichtig ist, dass offene Silberdrahtstellen sich nicht berühren.

6.2) Jetzt brauchen wir eine kleine, flache Oberfläche (Eisstiel, kleines Lineal, hinteres Ende der Pinzette). Befeuchte die Oberfläche und steck' sie in Mehl.

6.3) Damit der überflüßige Draht aufgeräumt wird, platziere einen Tropfen Kleber aus deiner Heißklebepistole auf die Drähte.

6.4) Direkt danach nimmst du deine "eingemehlte" Oberfläche und drückst den heißen Kleber nach unten. Das Mehl sorgt dafür, dass der Kleber nicht auf deinem Werkzeug stecken bleibt.

Schau' dass alle Drähte nun gut ausgerichtet sind und benutze Sekundenkleber, falls du noch die ein oder andere Korrektur vornehmen musst. Es ist noch kein Meister vom Himmel gefallen!

Schritt 7: Die Operation ist gelungen! Jetzt wird aufgeräumt

7.1) Setz' deine Schabe zurück in ihr Terrarium und versorge sie mit Essen und Wasser. Die Erholungsphase kann 2-4 Stunden dauern. Wenn wir eine Demonstration vorbereiten, führen wir die Preparation am Tag zuvor durch. Somit hat die Kakerlake eine ganze Nacht um sich zu erholen und geht gestärkt in das Experiment.

7.2) Räum' g'scheid auf! Werkzeuge und Arbeitsplatz säubern! Trink' nicht das Wasser! Ein guter Wissenschaftler arbeitet immer sorgfältig!

7.3) Fülle nun dein Post-Op Review Record (Nachbericht) aus, Seite 3 deines RoboRoach Surgery Worksheets.

Schritt 8: Testen der RoboRoach

Um die Mikrostimulation der Antennen zu testen, verbinde den männlichen Stecker des RoboRoach PCBs (Leiterplatte) mit dem weiblichen Verbindungsstück des Kakerlakenrucksacks. Falls du das noch nicht gemacht hast, musst du dir noch unsere kostenlose App runterladen und installieren. Du musst nicht einmal in den App Store und kommst hier zum direkten Download. Bei allen Fragen schickt einfach eine Email an hallo@backyardbrains.de). Als nächstes drücke den schwarzen Knopf auf der linken Seite des PCBs, womit der Mikrokontroller aktiviert wird. Dadurch kannst du den Mikrokontroller mit deinem Bluetooth Smart kompatiblen Gerät paaren (durch die App). Probier' die Stimulation gleich mal aus indem du nach links und nach rechts über deinen Bildschirm wischst ("swipen"). Siehst du schon irgendwelche Verhaltensveränderungen der Schabe? Wenn die Kakerlake sich in die Richtung bewegt, in die du geswiped hast, war die Operation erfolgreich. Ausgeszeichnet! Deine RoboRoach ist bereit für das nächste Experiment. Falls du keine Verhaltensveränderung sehen kannst, schau' nochmal durch deine Aufzeichnungen. Hast du jeden Schritt richtig durchgeführt und nichts vergessen? Manchmal läuft nicht alles gleich rund beim ersten Anlauf. Du lernst etwas aus dieser Erfahrung und probiers' einfach noch einmal sobald du dich bereit fühlst. Lass' dich nicht unterkriegen, denn Misserfolg hat auch seine positiven Seiten. Durch sie hat man die Möglichkeit das Protokoll oder die Methode zu verbessern und negative Ergebnisse sind wichtiger Bestandteil im wissenschaftlichen Arbeiten. Albert Einstein (vielleicht wars auch Thomas A. Edison) hat es mal sehr gut beschrieben, "Ich habe nicht versagt, ich hab nur 10000 Wege gefunden wie's nicht funktioniert."

Experimentieren, Lernen & Teilen

Schau' dir auch noch die anderen RoboRoach Experimente an!

• Lerne wie man seine eigenen RoboRoach Elektroden herstellt.

Teile deine Präparationserfahrung mit uns.

• Sende deine Resultate und die Aufschriften auf dem Surgery Worksheet an info@backyardbrains.com
• Berichte uns welche weiteren Tricks und/oder Tipps du hilfreich gefunden hättest als du das erste Mal das Experiment gemacht hast.
• Bei allen Schwierigkeiten sollst du nicht zurückschrecken uns zu kontaktieren. Wir helfen dir gerne!

Zeige und teile dein neues Neuro-Wissen mit deinen Freunden und deiner Familie!


 


Tipps & Tricks

• Mit einem zweiten Papiertaschentuch kannst du die Kakerlake nach jedem Eisbad kurz abtrocknen.
• Achte darauf, dass dein Sekundenkleberloch nicht verstopft/verklebt.

 


Fehlerquellen & wie man sie behebt:

Fehlerquelle: Erdungselektrode lockert sich

• Lösung: Sei' dir sicher, dass deine Schabe weiterhin betäubt ist. Schneide das verklebte Ende ab, damit du wieder "sauberen" Draht hast. Als nächstes verbrennst du mit einem Feuerzeug ca. 1-2mm der Isolierung (das braucht eine ruhige Hand und ein gutes Auge). Dann schneidest du noch die kleine Silberkugel ab, die sich am Ende der Elektrode formt. Jetzt steche ein neues Loch, am Besten auf der anderen Seite des Thorax oder weit weg vom ersten Einstich, und wiederhole Schritt 3.

Fehlerquelle: Antennenelektrode ist rausgekommen

• Lösung: Sei' dir sicher, dass deine Schabe weiterhin betäubt ist. Schneide das verklebte Ende ab, damit du wieder "sauberen" Draht hast. Als Nächstes verbrennst du mit einem Feuerzeug ca. 1-2mm der Isolierung (das braucht eine ruhige Hand und ein gutes Auge). Dann schneidest du noch die kleine Silberkugel ab, die sich am Ende der Elektrode formt. Jetzt schneidest du den Kleber auf der Antenne weg und probierst es noch einmal.

Fehlerquelle: Das Verbindungstück/der Rücksack hat sich vom Pronotum gelöst

• Lösung: Wenn die Drähte nicht beschädigt wurden, sollte man das schnell mit einem Tropfen Sekundenkleber beheben können. Falls schon, musst du noch einmal von vorne anfangen. Damit das nicht noch einmal passiert, kannst du das Verbindungsstück/den Rucksack mit dem Sandpapier anrauhen. Schau', dass kein Staub oder Wasser die Klebkraft verringern.

Fehlerquelle: Der Heißkleber ist vom Rucksack abgebrochen

• Lösung: Wenn die Drähte nicht beschädigt wurden, sollte man das schnell mit einem Tropfen Sekundenkleber beheben können. Falls schon, musst du noch einmal von vorne anfangen. Damit das nicht noch einmal passiert, kannst du das Verbindungsstück/den Rucksack mit dem Sandpapier anrauhen. Schau', dass kein Staub oder Wasser die Klebkraft verringern. Und weil der Heißkleber so schnell trocknet, achte darauf, dass du ihn so schnell wie möglich mit dem Eisstiel (mit Mehl) nach unten drückst.

Fehlerquelle: Die Kakerlake bewegt sich!

• Lösung: Füge deinem Wasser mehr Eis hinzu und lass' die Kakerlake für ein paar Minuten im Eisbad, damit sie komplett betäubt wird. Ebenfalls wichtig ist, dass du immer alle Werkzeuge für den nächsten Schritt zurecht legst, damit du so schnell und effektiv wie möglich arbeiten kannst.

 


Häufige Fragen

Woher bekomme ich mehr Batterien?

RoboRoach Batterien gibts in unserem Online Store.

Woher bekomme ich mehr Elektroden?

RoboRoach Elektroden gibts in unserem Online Store. Oder mach dir deine RoboRoach Elektroden selber.

Welche Smartphones sind Bluetooth Low Energy kompatibel?

Bei iOS Geräten: iPhone 4s+, iPod 5th generation+, iPad mini, iPad 4th Generation+. Android Geräte: Motorola Droid Razr M; Nexus 4, 5, 7; Samsung Galaxy S3+ uvm.

Wie komm ich an die RoboRoach App? Ist die kostenlos?

Du kannst sie kostenfrei runterladen. Zur Zeit wird sie für iOS verbessert. Es gibt sie nun für Android 4.3+ Geräte.

Wo gibts Kakerlaken?

In Kleintierhandlungen und Zoogeschäften in deiner Nähe. Oft haben sie nur Waldschaben (große Exemplare sind ebenfalls geeignet), aber vielleicht können sie dir helfen an eine Blaberus discoidalis zu kommen. In unserem Online Store kann man auch Kakerlaken bestellen, die Frage ist nur ob sie lebendig aus den USA ankommen, also versucht am Besten lokal an die Tiere zu kommen.

Warum das Ganze?

25% der Weltbevölkerung erkranken an einer neurologischen Fehlfunktion (11). Mit kostengünstigen Lehrmitteln und Experimenten wie der RoboRoach wird das Bewusstsein und Wissen über neurologische Krankheiten erhöht. Somit erhöhen wir die Motivation sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen und geben einen guten Einblick in die Funktionsweise wissenschaftlichen Arbeitens. Sobald man jeden inspiriert und begeistert sich mit seinem Nervensystem zu beschäftigen erhöhen wir die Wahrscheinlichkeit, dass sich junge Leute dafür entscheiden an der Problemlösung teilzunehmen.

Was kann man durch das RoboRoach Experiment lernen?

• Neuronale Kontrolle des Verhaltens: Als Erstes wirst du in Echtzeit sehen wie das Gehirn auf Reize reagiert.
• Lernen und Gedächtnis: Nach ein paar Minuten wir die Schabe nicht mehr auf die Mikrostimulation reagieren. Warum? Das Gehirn lernt und passt sich an. Dazu sind Gehirne spezialisiert. Du kannst die Adaptationszeit für unterschiedliche Stimulationsfrequenzen messen.
• Adaptation und Habituation: Wenn die Schabe wieder zurück in ihr Terrarium gesetzt wird, wie lange dauert es bis sie wieder eine Reaktion auf den Stimulus zeigt? Adaptiert sie beim zweiten Mal schneller?
• Auswahl des Stimulus: Welche Frequenz ist am besten geeignet Nervenzellen zum feuern zu bringen? Mit diesem Werkzeug findest du das passende Stimulationsfenster. Es kann sein, dass dies von Preparation zu Preparation unterschieldich ist. Werden genauso menschliche Nervenzellen von ärzten stimuliert? Find's heraus!
• Der Effekt von Zufällen: Mit einem neuen "random" Modus bei unseren Stimulationsmustern, kannst du mit nicht-periodischen Stimulationen experimentieren. Wir, als Menschen, können uns schnell an periodische Rauschen adaptieren (wir ignorieren zum Beispiel schnell einen brummenden Kühlschrank). Also könnte es ja an der Periodizität liegen, dass wir Adaption sehen. Also: wähl' den random Modus aus und schau' ob die RoboRoach genauso schnell adaptiert... oder ob sie überhaupt adaptiert!

Empfinden Kakerlaken Schmerz?

Wissenschaftler beschäftigen sich schon seit einiger Zeit mit dieser Frage und sind noch auf keinen eindeutigen Schluss gekommen. Wenn wir uns also nicht ganz sicher sein können, müssen wir so vorsichtig wie möglich mit dem Tier umgehen. Im Experiment schicken wir kleine Ströme in die Antennen (Mikrostimulation), was zum Feuern (Aktionspotentiale/Spikes) der benachbarten Nervenzellen führt. Dabei handelt es sich nicht um einen elektrischen Schock und verursacht auch keine Schmerzen. Beweisen können wir das durch die Adaptation der Schabe auf den Reiz. Nach wenigen Minuten löst die Mikrostimulation keine Reaktion mehr aus, wird sozusagen von der Schabe ignoriert. Dies ist mit schmerzauslösenden Reizen nicht möglich.

Kann ich die RoboRoach an Bruder/Schwester/Eltern/Katze/Hund/Hamster ausprobieren und sie so zum Cybort machen?

Nein. Es gibt strenge Regularien für neuronale Mikrostimulation an Wirbeltieren. Den Laufweg der Kakerlake so zu steuern erreichen wir durch die Stimulation der Nerven in den Antennen. Die Antennen sind direkt an der Navigation beteiligt und die Schnittstelle mit der Antenne ist um einiges simpler und einfacher herzustellen verglichen mit den Navigationssystemen anderer Tiere.

Was sind die technischen Details der RoboRoach?

• Gesamtgewicht: <4.5g
• Stimulationsfrequenzen: 1Hz-150Hz
• Stimulationpulsweite: 1ms-500ms (die maximale Pulsweite hängt von der Frequenz ab)
• Stimulationsverstärkung: 0 bis 100%
• Stimulationsdauer: 10ms bis 1000ms.
• Kommunikationsprotokoll: Bluetooth Smart (Low Energy)
• Elektroden: 0.003" nackt, 0.0055" isoliert, Silberdraht
• Batterie: 16mm 1632 Münzbatterie
• Gebrauchsdauer: 12 Stunden pro Batterie

 


Du hast noch nicht genug?

• Wie beeinflusst der Gain (Stimulationsverstärkung) das Verhalten der Kakerlake? Wie schnell oder langsam adaptiert sie auf diesen Stimulus? Schau' dir die anderen veränderbaren Variablen an (Frequenz, Pulsweite, Dauer) und was sie für einen Effekt haben.
• Warum hört die Kakerlake auf zu reagieren? Wie könnte man das herauszögern?
• Nach wie vielen Tage reagieren die Kakerlaken gar nicht mehr? Was ist der Grund, dass das passiert oder was könnte dies beeinflussen.
• Wieso weißt die Kakerlake dieses Verhalten auf? Was sind die Experimente, die du durchführen könntest um zu zeigen, dass das Verhalten, das wir auslösen, dem natürlichen gleicht?
• Gibt es noch weitere Verhalten, die man auslösen kann? Vielleicht durch einen anderen Stimulationsort?

Quellen

1. D. S. Halacy, Cyborg: Evolution of the Superman (New York: Harper and Row Publishers, 1965), 7.
2. Vidal, JJ (1973). "Toward direct brain-computer communication". Annual review of biophysics and bioengineering 2: 157. 80.doi:10.1146/annurev.bb.02.060173.001105.PMID 4583653.
3. NIH Publication No. 11-4798 (1 March 2011). "Cochlear Implants". National Institute on Deafness and Other Communication Disorders.
4. R. Holzer and I. Shimoyama, "Locomotion Control of a Bio-Robotic System via Electric Stimulation", IROS 97, 1997
5. T.E. Moore, S.E. Crary, D.E. Koditschek, and T.A. Conklin, "Directed Locomotion in Cockroaches: Biobots", Acta Entomologica Slovenica, vol.6, no.2, 71-78 December 1998
6. A. Bozkurt, A. Lal, and R. Gilmour, "Aerial and terrestrial locomotion control of life assisted insect biobots", in 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, September 2009
7. Tsang W. M., Stone A. L., Aldworth Z. N., Otten D., Akinwande A. I., Daniel T. L., Hildebrand J. G., Levine R., Voldman J. (2010b). "Remote control of a cyborg moth using carbon nanotube-enhanced flexible neuroprosthetic probe", in Proceedings of IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical System (MEMS 2010), Hong Kong.
8. Sato H., Peeri Y., Baghoomian E., Berry C. W., Maharbiz M. M. (2009a). "Radio-controlled cyborg beetles: a radio-frequency system for insect neural flight control", in Proceedings of IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical System (MEMS 2009), Sorrento, 216. 219.10.1109/MEMSYS.2009.4805357
9. A. Bozkurt, E. Whitmire, T. Latif, (2013) "Kinect-based System for Automated Control of Terrestrial Insect Biobots". 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.
10. Wigglesworth, V.B. 1980. Do insects feel pain. Antenna 4, 8-9.
11. World Health Organization (2006) Neurological disorders: public health challenges. World Health Press. http://www.who.int/mental_health/neurology/neurodiso/en/