Electrocutar una mosca de la fruta mediante inducción magnética

Estamos induciendo eléctricamente ataques cardíacos en moscas de la fruta para probar los efectos de varios tratamientos en la supervivencia. Estamos apuntando a una tasa de recuperación de supervivencia de aproximadamente el 50% en nuestro grupo de control.

Trabajo con un laboratorio que estudia la función cardíaca en insectos. Hemos estado induciendo un paro cardíaco utilizando electrodos aplicados en el exterior de la mosca de la fruta. Esto tiene muchos problemas, la fijación de los electrodos requiere mucha mano de obra, el caparazón es un aislante eléctrico bastante bueno, etc.

Soy nuevo en el laboratorio y me pidieron que revisara la situación para ver si tenía alguna idea sobre cómo podrían mejorar el manejo y el rendimiento de las moscas. Se me ocurrió la idea de poner las moscas dentro de un solenoide e inducir corrientes de Foucault para electrocutarlas.

Tengo una experiencia muy limitada en la construcción de dispositivos electrónicos, aunque tengo una comprensión de grado decente de la física, incluido el electromagnetismo.

Realmente no sé por dónde empezar aquí. Pensé en buscar solenoides en línea o tal vez solo una bobina automotriz. Poner la mosca de la fruta dentro de un pequeño tubo de plástico. Pegarlo en el núcleo de la bobina después de que la bobina ya esté funcionando con la corriente de una batería de automóvil. Y luego desconectar repentinamente los terminales de la batería y dejar que el campo magnético colapse para ver qué le sucede a la mosca de la fruta.

En este punto, lo consideraría una victoria si pudiera demostrar que podemos hacer que la mosca de la fruta muera sin cocinarla. Podemos reducir sistemáticamente la intensidad del campo magnético que colapsamos usando voltajes más bajos a través de la bobina hasta que obtengamos nuestro objetivo, un nivel de choque que crea una tasa de supervivencia del 50%.

Agradecería cualquier consejo sobre cómo abordar esto o incluso críticas sobre si funcionaría o no. Soy un aficionado a la electrónica, pero realmente no he hecho tanto tiempo, solo algunas cosas básicas.

Este es un ejemplo del principio físico del que estoy hablando, aunque nuestro problema es más simple ya que queremos un solo choque disruptivo y no tenemos problemas de portabilidad.

https://www.google.com/patents/US5170784

No estoy seguro sobre el acoplamiento de inducción a las moscas de la fruta, pero si pudiera generar un pulso de RF en un rango de frecuencia en el que la longitud promedio del cuerpo de una mosca de la fruta estuviera cerca de la mitad de la longitud de onda, podría eliminarlos con voltaje inducido por RF. Personalmente, he estado jugando con diseños (todavía no he construido ningún prototipo... todavía estoy trabajando en la parte de seguimiento) para disparar mosquitos desde el aire usando una configuración de RF de reflector parabólico a aproximadamente 18 Ghz. Sin embargo, el problema es generar la frecuencia ultra alta para tales aplicaciones... especialmente cuando la longitud de una mosca de la fruta es varias veces más corta. :S
Creo que tengo un problema algo diferente al tuyo. Me explico en el siguiente comentario.
Después de una búsqueda rápida y algunos cálculos, podría inducir corrientes eléctricas letales y específicas en el cuerpo de una mosca de la fruta a alrededor de 60 GHz. No estoy seguro de a qué equipo tienen acceso, pero si pudieran generar esa frecuencia incluso a un fer milivatios, podrían construir fácilmente un "microondas de mosca de la fruta" colocando las moscas en una cámara reflectante y canalizando la RF con ellas.
No creo que necesite acoplarme a la longitud del cuerpo de la antena. Solo necesito enviar una sola onda de flujo magnético a través de la mosca, lo suficientemente rápido como para inducir una fuerte corriente de Foucault dentro de la mosca, dentro de la bobina. Tienes que cocinar tus mosquitos en un ambiente abierto donde necesitas una frecuencia mucho más selectiva para que no solo descargues energía en el ambiente.
Entiendo que nuestros "escenarios de muerte" son bastante diferentes, ya que estoy tratando de matar sujetos "libres", y los tuyos ya están contenidos. Sin embargo, el mecanismo de destrucción (descarga eléctrica sin colocar electrodos) es el mismo... por lo que usar métodos similares para lograrlo aún podría ser útil.
Simplemente estaba sugiriendo el uso de RF en lugar del acoplamiento magnético para lograr su objetivo. En pocas palabras, no espero que una mosca de la fruta sea muy fácil de acoplar magnéticamente. -- Además, tendría que usar un "inductor con núcleo de aire" de su plan para inducir cualquier flujo no despreciable a las moscas de la fruta, ya que un inductor con cualquier otro material central guiará el flujo lejos de sus moscas de la fruta, en lugar de a través de ellos.
¿Las moscas de la fruta tienen función cardíaca?
Acoplamiento de transformadores. Si considera que su mosca es una sola vuelta, entonces el voltaje que puede inducir alrededor del perímetro de su cuerpo estará dado por la tasa de cambio de flujo que puede persuadir para que pase al flujo que puede pasar a través de su área de sección transversal. . El área es bastante pequeña, por lo que necesitará mucho flujo de cambio rápido. Esto requerirá voltajes muy altos en lo que sea que impulse su solenoide. Puede probar con una bobina pequeña y un condensador de kV conmutado por vía de chispa, estilo bobina de Tesla. Muy fácil de hacer, las descargas de chispas son rápidas y robustas, no hay que preocuparse por los semiconductores que mueren.
@Trevor Técnicamente, sí , tienen un vaso dorsal que funciona de manera similar y, a menudo, se llama corazón.
Estoy de acuerdo. He estado tratando de imaginar cómo se generaría la corriente de Foucault. Creo que necesitaría confiar en la capacitancia de las moscas o colocar la mosca en un campo no uniforme para que la fem inducida varíe a lo largo de la mosca.
Sí, acabo de investigar @ RobhercKV5ROB, interesante. No estoy seguro de cómo podría hacer esto de manera efectiva "sin cocinarlo". Aunque un solo "EMP" de alta frecuencia podría funcionar.
En cierto modo, supongo que su sugerencia de RF es lo que estoy siguiendo, pero en lugar de usar un tren de ondas, estoy usando un solo pulso esperando que los armónicos de mayor frecuencia generen suficiente corriente en la geometría de The Fly.
@ user146252 Pensando en ello, como sus moscas se pueden contener fácilmente dentro de una jaula de Faraday, no tendría que preocuparse por los problemas legales de usar un transmisor de chispa, ya que todas las EMI generadas podrían estar contenidas dentro de la "caja de muerte". .. Creo que una bujía de automóvil probablemente también funcionaría muy bien para un espacio ajustado para ese propósito... hace que su trabajo sea MUCHO más fácil que el mío;)
Simplemente muéstreles la factura de toda esta investigación... eso debería bastar...
Ok déjame ver si tengo este derecho. Haga una bobina simple o doble de algún cable grueso de alta conductancia. Póngalo en un circuito paralelo con un espacio de chispa, una bobina automotriz y una fuente de energía como una batería de automóvil. Coloque la mosca en un tubo no conductor en el centro aproximado del bucle único. Cargue la coma de la bobina con la batería. Desconecte la bobina de la alimentación, deje que el campo colapse y cree una chispa a través del espacio de chispa para inducir un pulso magnético que convertirá la mosca en la bobina secundaria de un transformador. ¿Es eso más o menos correcto? Lo siento, un diagrama ayudaría aquí.
Creo que debería llamar a SPCFF. Edite su pregunta y agregue su diagrama.
@StainlessSteelRat SPCFF? Lo siento, eso es nuevo incluso para mí;)
Este es el tipo de pregunta que simplemente me asombra de las cosas que la gente está investigando.
Esto no funcionará. Ni la RF ni la inducción magnética producirán el efecto fisiológico consistente con la estimulación eléctrica transtorácica. Con suficiente potencia puedes matar el organismo haciendo lo que quieras, pero no será por un paro cardíaco contráctil.
@DrFriedParts, ¿puede explicar por qué cree que las cargas eléctricas inducidas por RF no causarán la muerte por paro cardíaco contráctil? Parece que se está basando en al menos cierto grado de experiencia/conocimiento del mundo real (si no profesional), por lo que me pregunto si hay algo que aún no sé, que podría indicarme en mi camino hacia aprendizaje.
Déjame agregar aquí. No hay duda de que un campo magnético pulsado puede causar una descarga electroquímica profunda en el tejido vivo. Inhumanos Durante décadas, una tecnología médica llamada estimulación cerebral magnética transcraneal se ha utilizado para la investigación experimental y la depresión resistente al tratamiento. Entonces, no hay duda de que un campo magnético fluctuante puede estimular las células musculares o nerviosas para que se despolaricen. El problema principal aquí es encontrar un sistema barato que funcione para el tamaño y la geometría de una mosca de la fruta. Se puede hacer en un sistema biológico, el problema es solo moscas de la fruta y costo.
Para su información, el choque actual que usamos con una supervivencia de alrededor del 50% según el grupo de tratamiento es pulso de onda cuadrada, 15 ms de duración, 60 mv.
@StainlessSteelRat, ¿qué es spcff?
S ociedad para la P revenci ó n de la C rueldad con las M escas de la F ruta ...
@brhans lol, no manches tal cosa. Los pequeños invertebrados literalmente no tienen derechos en nuestra sociedad y, francamente, es muy dudoso que puedan sufrir en el mismo sentido que los mamíferos o las aves, y mucho menos los mamíferos conscientes de sí mismos.
... dice el tipo que quiere construir una diminuta silla eléctrica sin contacto... ;)
¿Tienes un asistente llamado Igor? :)
La gente hace esto todo el tiempo, se llama microondas. No se puede construir un microondas abierto, va en contra de las reglas de la FCC
Esto ha sido estudiado (DOI 10.1002/mus.880171007). Cuando estimulas con campos magnéticos estás despolarizando ramas nerviosas motoras terminales. Las descargas eléctricas pueden despolarizar el propio tejido muscular. No se puede inducir un paro cardíaco/muerte de la misma manera magnéticamente debido a las defensas de los nervios (tiempo de relajación). La fisiología de la mosca de la fruta es diferente, por supuesto, y tal vez pueda encontrar una frecuencia que resulte en fibrilación. Mi punto era simplemente que el mecanismo será diferente y, por lo tanto, se verá afectada una comparación de resultados antes/después del cambio en la metodología.
@DrFriedParts muchas gracias por la referencia, lo revisaré. Ya estamos usando una descarga de cuerpo completo muy rudimentaria por razones logísticas, simplemente no podemos tomarnos el tiempo de aislar físicamente el corazón de Flies y aplicarle estimulación eléctrica directamente. Esto sigue siendo lo suficientemente bueno para nuestros propósitos coma porque podemos ver bajo un microscopio que hemos enviado el corazón de las moscas al coma de fibrilación y estamos buscando medicamentos que puedan corregir esto y conducir a la recuperación de la fibrilación. En realidad, no importa mucho si la fibrilación comienza en el nervio o en el músculo.
Bien impresionante! Buena suerte y manténganos actualizados a medida que encuentre/pruebe cosas agregando a su pregunta. Creo que has encontrado una buena comunidad (incluido yo mismo) que está muy fascinada e interesada en lo que descubres. ¡Salud!
@DrFriedParts IDK, principalmente estoy interesado en el ángulo del "nuevo eliminador de errores de alta tecnología" aquí;)

Respuestas (3)

Las funciones electrocardiacas son actividad potencial química pura sin campo magnético. Esto se debe a que el material es principalmente un aislante que describe todos los dieléctricos, con alguna constante dieléctrica, resistencia en serie efectiva (ESR), constante dieléctrica en el tiempo y, por lo tanto, requiere una cierta energía. nivel para activar sin daño.

El ESR es responsable de todo el calor en los condensadores, así como de las quemaduras en la piel del ESR entre los electrodos y la función cardíaca.

Entonces, el objetivo debe ser minimizar la ESR, que requiere quizás 1000 veces (estimación aproximada) la energía en el tórax de un ser humano en comparación directamente con el músculo cardíaco en la cirugía. Por lo tanto, la atenuación es inevitable en humanos, incluso con paletas grandes y grasa dieléctrica de alto k. Existirá un problema similar para usted con los insectos y será mucho más difícil debido a la pequeña área de superficie.

La inmersión en el dieléctrico sería de gran ayuda, pero posiblemente ahogaría al insecto. La oleada es una amplitud alta, una caída muy rápida debido a la baja ESR de la ionización interfacial y ESR*Ceq. para la capacitancia equivalente de la unidad de descarga y el objetivo combinados en paralelo.

La solución deseada es usar una capacitancia y un voltaje de almacenamiento del tamaño adecuado, incluidos cables de 50 pf/m típicos para par trenzado, pero usar un voltaje más alto que exceda el voltaje de ruptura (BDV) del caparazón .

La energía en cualquier capacitancia, incluido el modelo de dedo humano de 300 pF, es E = 1/2 CV ^ 2 en julios, faradios y voltios. Por lo tanto, un dedo a 10 kV de una alfombra de nailon con zapatos de neopreno formará un arco de 10 mm a partir de un cable delgado con 300 pF más o menos es E = 1/2 300e-12 * 1e4 ^ 2 = 15 mJ

Es posible que solo necesite 1 kV con 1 mJ para exceder el BDV, desencadenar una función o insuficiencia cardíaca y no producir proteína frita.

Los pulsos de microondas no son lo mismo que una descarga de capacitancia, ya que la capacitancia de almacenamiento tiende a ser demasiado alta para obtener un BDV suficientemente alto. Aunque un horno de microondas de 1kW puede generar 10kV, es demasiada energía.

Sospecho que el BDV del insecto es quizás de 1 a 10 kV/mm (estimado) como la madera húmeda (no seca) pero no la mica o el kapton, que tiene un kV/mm mucho más alto. Creo que el nivel de pH determinará muy probablemente las propiedades del material del caparazón de BDV/mm, ya que esto promueve la descarga parcial, un precursor temprano de BDV.

Así que obtenga un generador de carga de fricción y haga una tapa de película pequeña o una gama de mica de tapas pequeñas xxx pF para cargar hasta 1kV y luego pruebe en madera húmeda del mismo tamaño que el cuerpo de la mosca. Si el arco funciona ~1 mm, entonces observe la respuesta y ajuste C o V para ajustar con precisión las fuerzas de un palillo y las cabezas de las agujas de los electrodos para aplicar a un lado para ver si intenta girar con la corriente de impulso en 1 us. Los detectores de corriente R se pueden usar en serie con una sonda 10:1 a través de 1 kV nominal R con 0,1 ohmios, pero la conexión a tierra y la punta de la sonda se deben quitar y conectar directamente a la punta y el cilindro de la sonda. De lo contrario, sonará mal.

Ahora eso es lo que yo haría. El proceso de carga podría realizarse de manera segura con algún asesor técnico.

De lo contrario, obtenga una alfombra de nailon que no sea a prueba de ESD y zapatos de neopreno y hágalo a la antigua usanza. jajaja. No olvide las cabezas de las agujas y la grasa adecuada.

Si estoy leyendo correctamente, esta respuesta describe una forma más eficiente de matar las moscas de la fruta individualmente, la forma en que el OP declaró que están tratando de evitar (tener que aplicar descargas eléctricas a cada insecto individualmente). De acuerdo con la publicación de Question, ya han estado logrando esta parte con éxito, pero están intentando un enfoque más al estilo de Adalf Hitler de eliminar grandes cantidades de ellos en "duchas grupales", mientras siguen usando la muerte por paro cardíaco inducida eléctricamente. mecanismo.
no estás leyendo correctamente. La energía no tiene nada que ver solo con el voltaje que es necesario para atravesar el caparazón. La energía se puede controlar mediante un control preciso del límite de almacenamiento de pF y, por lo tanto, 1/2 CV ^ 2 y se puede ajustar a V justo por encima del umbral para BDV, mientras que la corriente puede limitarse con una Serie R.
Más o menos correcto. Probablemente aún estaríamos electrocutándolos individualmente, pero sería bueno no tener que noquearlos con anestesia, montarlos y atacar las sondas individualmente. Si pudiéramos tomarlos. Póngalos en un pequeño tubo de polietileno. Coloque el tubo en una cámara, active un interruptor y luego cuente a los sobrevivientes y controle el tiempo de recuperación; sería 3 veces más rápido.
Además, no me sorprendería si los lastimamos físicamente en el proceso de montaje y les damos quemaduras en sus caparazones de alta resistencia cuando les hacemos pasar corriente. Estos son confusos. No nos fijamos en la resistencia a las lesiones térmicas, las propiedades de aislamiento, la infección del exoesqueleto dañado o la resistencia física al manejo.
Si tuviera una serie R de 1M Ohm conectada a una tapa de 100pF cargada a 10kV, sería un arco invisible y luego limitaría la corriente a 10uA. ¿Cómo daña esto al sujeto? Luego ajuste C,V,R con el área de electrodo adecuada y grasa para reducir mA/mm2 para que sea ideal. La mayor parte de la energía a través de una R excesivamente grande se descargaría en la R y no en el caparazón. Ahora Get'er'dun.!
Por cierto, el corazón abierto solo necesita alrededor de 1 mA, según recuerdo, mientras que las paletas externas son> 1A
Por cierto, la inducción magnética no funciona.
@ user146252 Ajá, parece que se necesita una ligera edición en la publicación original de la Pregunta. Tenía la impresión de que a las moscas de la fruta se les estaban dando ataques cardíacos inducidos eléctricamente para sacrificarlas antes de la disección para estudiar algo más en lo que estabas experimentando. Si el objetivo es un estudio LD50 sobre la tolerancia a la carga eléctrica en moscas de la fruta, entonces ese es un criterio muy diferente para el experimento (y apuesto a que afectaría las sugerencias que recibirá).
LD50 se aplica a los animales y dudo que los insectos tan bajos en la cadena alimentaria se apliquen a esta métrica. Creo que estudiar la función cardíaca significa detenerla y luego iniciarla como en una cirugía a corazón abierto en humanos sin daño. es decir. energía de excitación V,I,C,W, W/mm2,E[uJ] Esto se puede regular fácilmente como lo describí. Del mismo modo que pulsar un semiconductor con Ipk/Idc_max puede regularse con el ciclo de trabajo. Excepto aquí t=ESR*C y E=1/2CV² [julios] o uJ aquí
@ TonyStewart.EEsince'75 ¿por qué no funciona la inducción magnética?
Cada célula de una mosca de la fruta (excepto posiblemente el exoesqueleto) o humana contiene fluido conductor y está bañada en fluido conductor. Como saben, no existe tal cosa como la corriente sin implicaciones para el campo magnético. Busque magnetoencefalografía, por ejemplo.
... y estimulación magnética transcraneal, de hecho.
seguro si tiene un laboratorio y un amplificador Rf de alta potencia con campo magnético resonante. Pruebe una mosca en un horno de microondas y observe cómo hace puf. Esta absorción dieléctrica y calor en todo el cuerpo de una mosca de la fruta no es el camino a seguir.
No es inducción magnética como se infiere de la pregunta con corrientes de Foucault. No hay materiales magnéticos ni conductores, solo dieléctricos aislantes con pulsos de electropotencial.
es observando la naturaleza y luego simulando su estímulo, que aprendemos. la transferencia de carga puede regularse como un marcapasos si así es como funciona, no por una gran exposición a EMI o una alta densidad de corriente. esta es la mejor manera.
es posible que deba implantar quirúrgicamente cables de 64 AWG con cianoacrilato
o ponerlos dentro del material nuclear en un detector de humo durante un período prolongado y hacer que mueran de insuficiencia cardíaca, pero ¿cómo sabrán qué más les sucede a las enzimas?
o pintar cianoacrilato cargado de óxido de hierro en el tórax?? y simular la microgravedad con un campo magnético que los obliga a alejarse de un anillo anual hacia el centro durante cinco semanas, donde pueden comer y aparearse en una gravedad cercana a cero o en un túnel de flujo laminar vertical con velocidad para compensar la gravedad, luego estudiar los efectos de la insuficiencia cardíaca de micro-g que también afecta a los humanos.
o usar gas como CO2 y hielo seco para causar asfixia y muerte por frío sin quemaduras si se tiene cuidado.
los humanos han sido revividos en la exposición invernal de entre los muertos hasta 30 minutos después, mi cuñado lo hizo una vez en cuidados intensivos en winnipeg a un niño.

Me imagino algo como esto para el "generador de RF":

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Lo hice con un interruptor controlado por voltaje en lugar del espacio de chispas, por lo que sería simulable en CircuitLab para usted. Si abre el circuito, haga clic en [Simulación], luego en [Dominio del tiempo]. Establezca el tiempo de inicio en 113,2 n, el tiempo de finalización en 113,7 n y el paso de tiempo en 3p, le mostrará una estimación de la forma de onda de salida... muchos picos espaciados de manera desigual (que dan lugar a toneladas de armónicos), seguidos de un amortiguado onda sinusoidal de alrededor de 8GHz.

Si conecta una alimentación desde la antena ilustrada a un punto de alimentación de guía de ondas, cualquier mosca de la fruta (o probablemente cualquier insecto pequeño) colocada dentro de cualquier parte de la guía qave debería ser bastante fácil de dosificar con una cantidad letal de exposición a RF, ¡en mi humilde opinión!

NOTAS:

  • La señal de reloj de 5MHz se eligió de manera bastante arbitraria, se podrían usar otras frecuencias, solo necesitaría ajustar los devanados en el transformador flyback de manera adecuada.
  • D3 y R1 son ambos para proteger la fuente del reloj (estaba simulando una retroalimentación bastante hostil sin ellos).
  • D1 y D2 convierten el transformador en un tipo "flyback", que me pareció el método más apropiado para este tipo de aumento de voltaje para este circuito.
Comente si cree que una respuesta merece un voto negativo. No hay nada de malo en votar negativamente si no está de acuerdo con una respuesta, pero solo es constructivo si comenta para dar una razón por la que cree que es una mala respuesta (bueno, al menos para las respuestas que obviamente no violan las políticas del sitio). ... De lo contrario, supongo que tendremos que asumir que el votante negativo era un ávido miembro de SPCFF;)

Dudo que puedas crear directamente un 'ataque al corazón' en esa estructura por un par de razones:

  1. La estructura es probablemente demasiado pequeña para soportar una arritmia, suponiendo que las células se parezcan vagamente al músculo cardíaco de los mamíferos. La fibrilación ventricular depende de que el músculo cardíaco recircule la onda de despolarización. Esa estructura es tan pequeña que es poco probable que pueda crear una ola reentrante.
  2. El tejido responde a la densidad de corriente. Eso es lo que provoca la despolarización muscular y el calentamiento de los tejidos. Sería muy difícil obtener un gradiente alto en el músculo cardíaco para causar la despolarización sin obtener un gradiente alto en todas partes y cocinar la mosca. Es decir, será difícil obtener una gran diferencia en los gradientes para preservar la mosca y afectar el corazón.

¿Sabes cuál es el mecanismo específico de 'infarto' para el proceso actual? Sería muy útil saber si está creando una arritmia o cauterizando los músculos.

Dicho esto, podría tener éxito aplicando un microelectrodo muy cerca de las células responsables de iniciar la contracción, si eso es lo que tienen las moscas de la fruta. El electrodo de retorno debe tener un área de superficie alta para que la densidad de corriente disminuya rápidamente con la distancia desde el electrodo pequeño. Un líquido conductor podría ser una buena opción. En ese tipo de configuración, podría restringir la zona que está cauterizada.

En un corazón humano, el nódulo sinoauricular es un pequeño grupo de células que inicia cada latido del corazón. Si la mosca de la fruta tiene una estructura similar, una corriente aplicada muy cerca de ella para cauterizar esas células podría detener la acción del corazón sin dañar demasiado otros tejidos. (Los mamíferos en realidad tienen una jerarquía de células marcapasos que tomarán progresivamente el control si fallan las células 'arriba de la cadena'. Supongo que las moscas de la fruta no tienen ese tipo de sofisticación).

En cualquier caso, debe planear bastantes moscas cocinadas mientras trabaja en los detalles. ¡Buena suerte!

Ya lo hacemos con corriente eléctrica directamente aplicar de cabeza a cola. Causa fibrilación que dura hasta minutos. que podemos detectar La inducción magnética ya se ha utilizado en la estimulación cerebral, muscular, nerviosa y cardíaca de humanos y mamíferos.
Electrocutar una mosca de la fruta mediante inducción magnética
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