Eletrocutando uma mosca da fruta usando indução magnética

Estamos induzindo eletricamente ataques cardíacos em moscas da fruta para testar os efeitos de vários tratamentos na sobrevivência. Estamos buscando uma taxa de recuperação de sobrevivência de aproximadamente 50% em nosso grupo de controle.

Eu trabalho com um laboratório que estuda a função cardíaca em insetos. Temos induzido parada cardíaca usando eletrodos aplicados na parte externa da mosca da fruta. Isso tem muitos problemas, a conexão dos eletrodos exige muito trabalho, a carapaça é um bom isolante elétrico, etc.

Sou novo no laboratório e fui solicitado a examinar a situação para ver se eu tinha alguma idéia de como eles poderiam melhorar o manuseio e a produtividade das moscas. Tive a ideia de talvez colocar as moscas dentro de um solenóide e induzir correntes de Eddy a chocá-las.

Eu tenho uma experiência muito limitada na construção de dispositivos eletrônicos, embora eu tenha uma compreensão decente da física, incluindo o eletromagnetismo.

Eu realmente não sei por onde começar aqui. Pensei em procurar solenóides online ou talvez apenas uma bobina automotiva. Colocando a mosca da fruta dentro de um pequeno tubo de plástico. Colando-o no núcleo da bobina depois que a bobina já está funcionando com uma bateria de carro. E então, de repente, desconecte os terminais da bateria e deixe o campo magnético entrar em colapso para ver o que acontece com a mosca da fruta.

Eu consideraria uma vitória neste momento se eu pudesse mostrar que podemos fazer com que a mosca da fruta morra sem realmente cozinhá-la. Podemos sistematicamente diminuir a intensidade do campo magnético que colapsamos usando tensões mais baixas através da bobina até obtermos o que nosso alvo é, um nível de choque que cria uma taxa de sobrevivência de cerca de 50%.

Agradeço qualquer conselho sobre como abordar isso ou mesmo críticas sobre se funcionaria ou não. Eu sou apaixonado por eletrônicos, mas realmente não fiz esse período apenas algumas coisas básicas.

Este é um exemplo do princípio físico de que estou falando, embora o problema seja mais simples, pois queremos um único choque disruptivo e não temos problemas de portabilidade.

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

As funções eletrocárdicas são atividade potencial química pura, sem campo magnético. Isso ocorre porque o material é principalmente um isolador que descreve todos os dielétricos, com alguma constante dielétrica, resistência série efetiva (ESR), tempo dielétrico constante que exige uma certa energia nível para ativar sem danos.

A VHS é responsável por todo o calor nos capacitores, além de queimaduras na pele da VHS entre os eletrodos e a função cardíaca.

Portanto, o objetivo deve ser o de minimizar a VHS, que leva talvez 1000 vezes (estimativa) a energia no peito de um ser humano em comparação diretamente com o músculo cardíaco na cirurgia. Assim, a atenuação é inevitável em humanos, mesmo com pás grandes e graxa dielétrica de alto k. Um problema semelhante existirá para você em insetos e dificultado muito pela pequena área de superfície.

A imersão no dielétrico ajudaria bastante, mas possivelmente afogaria o inseto. O aumento é de alta amplitude, decaimento muito rápido devido à baixa VHS da ionização interfacial e VHS * Ceq. para a capacitância equivalente da unidade de descarga e do alvo combinados em paralelo.

A solução desejada é usar capacitância e voltagem de armazenamento de tamanho adequado, incluindo cabos a 50pf / m para par trançado, mas usar uma voltagem mais alta que exceda a tensão de ruptura (BDV) do carapaça .

A energia em qualquer capacitância, incluindo o modelo de dedo humano de 300pF, é E = 1 / 2CV ^ 2 em Joules, Farads e Volts. Assim, um dedo a 10kV de um tapete de nylon com sapatos de neoprene terá um arco de 10 mm a partir de um fio fino com 300pF ou menos E = 1/2 300e-12 * 1e4 ^ 2 = 15 mJ

Você pode precisar apenas de 1kV com 1mJ para exceder o BDV, desencadear uma função ou falha cardíaca e não produzir proteína frita.

Os pulsos de microondas não são iguais a uma descarga de capacitância, pois a capacitância de armazenamento tende a ser muito alta para obter BDV alto o suficiente. Embora o forno de microondas de 1kW possa gerar 10kV, é muita energia.

Eu suspeito que o BDV do inseto seja talvez de 1 a 10 kV / mm (estimativa estimada) como madeira úmida (não seca) mas não mica ou kapton, que tem um kV / mm muito maior. Acredito que o nível de pH determinará provavelmente as propriedades do material da carapaça BDV / mm, pois isso promove descarga parcial, um precursor precoce do BDV.

Então pegue um gerador de carga de fricção e faça uma pequena tampa de filme ou mica de pequenas tampas xxx pF para carregar até 1kV e depois teste em madeira úmida do mesmo tamanho que o corpo da mosca. Se o arco funcionar ~ 1 mm, observe a resposta e ajuste C ou V para ajustar as forças de um palito de dente e da cabeça da agulha do eletrodo para aplicar ao lado para ver se ele tenta girar com a corrente de impulso em 1 nós. Os sensores de corrente R podem ser usados ​​em série com sonda 10: 1 em 1kV classificado R com 0,1 ohm, mas o terra e a ponta da sonda devem ser removidos e conectados diretamente à ponta e ao barril da sonda. Caso contrário, ele tocará mal.

Agora é isso que eu faria. O processo de cobrança pode ser feito com segurança com algum consultor técnico.

Caso contrário, adquira um tapete de Nylon e sapatos de neoprene que não sejam à prova de ESD e faça-o da maneira antiga. hahaha. Não esqueça as cabeças da agulha e a graxa adequada.

Eu imaginaria algo assim para o "gerador de RF":

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Fiz isso com um interruptor controlado por voltagem no lugar do centelhador, para que fosse simulado no CircuitLab para você. Se você abrir o circuito, clique em [Simulação] e depois em [Domínio do Tempo]. Defina o Horário de início para 113.2n, Horário de término para 113.7n e Etapa de tempo para 3p, ele mostrará algumas estimativas da forma de onda de saída ... muitos picos com espaçamento desigual (dando origem a toneladas de harmônicos), seguidos por um amortecimento onda senoidal de cerca de 8GHz.

Se você anexar um feed da antena ilustrada a um ponto de alimentação do guia de ondas, qualquer mosca da fruta (ou provavelmente qualquer pequeno inseto) colocada dentro de qualquer parte do guia de q deve ser bem fácil de dosar com uma quantidade letal de exposição à RF, IMHO!

NOTAS:

• O sinal do relógio de 5MHz foi escolhido arbitrariamente; outras frequências podem ser usadas; você só precisa ajustar os enrolamentos no transformador flyback adequadamente.
• D3 e R1 são ambos para proteção da fonte do relógio (estava simulando algum feedback bastante hostil lá sem eles).
• D1 e D2 transformam o transformador em um tipo "flyback", que parecia o método mais apropriado para esse tipo de aumento de tensão para mim neste circuito.

Duvido que você possa criar diretamente um 'ataque cardíaco' nessa estrutura por alguns motivos:

1. A estrutura é provavelmente muito pequena para sustentar uma arritmia, assumindo que as células sejam vagamente como o músculo cardíaco de mamíferos. A fibrilação ventricular depende da recirculação do músculo cardíaco da onda de despolarização. Essa estrutura é tão pequena que é improvável que seja possível criar uma onda reentrante.
2. O tecido responde à densidade atual. É isso que causa despolarização muscular, bem como aquecimento do tecido. Seria muito difícil obter um alto gradiente no músculo cardíaco para causar despolarização sem obter um alto gradiente em todos os lugares e cozinhar a mosca. Ou seja, será difícil obter uma grande diferença de gradiente para preservar a mosca e afetar o coração.

Você sabe qual é o mecanismo específico de 'ataque cardíaco' para o processo atual? Seria muito útil saber se você está criando uma arritmia ou cauterizando os músculos.

Dito isto, você pode ter sucesso aplicando um microeletrodo muito próximo das células responsáveis ​​pelo início da contração, se é isso que as moscas da fruta têm. O eletrodo de retorno precisa ter uma área de superfície alta, de modo que a densidade da corrente diminua rapidamente com a distância do eletrodo pequeno. Um líquido condutor pode ser uma boa escolha. Nesse tipo de configuração, você pode restringir a zona cauterizada.

No coração humano, o nó sinoatrial é um pequeno grupo de células que inicia cada batimento cardíaco. Se a mosca da fruta tiver uma estrutura semelhante, uma corrente aplicada muito próxima a ela para cauterizar essas células poderá interromper a ação do coração sem causar muitos danos a outros tecidos. (Na verdade, os mamíferos têm uma hierarquia de células marcapasso que assumirá o controle progressivamente se as células 'acima da cadeia' falharem. Eu acho que as moscas da fruta não têm esse tipo de sofisticação.)

De qualquer forma, você deve planejar algumas moscas cozidas enquanto trabalha nos detalhes. Boa sorte!