Électrocuter une mouche des fruits par induction magnétique

Nous provoquons électriquement des crises cardiaques chez les mouches des fruits pour tester les effets de divers traitements sur la survie. Nous visons un taux de récupération de survie d'environ 50% dans notre groupe témoin.

Je travaille avec un laboratoire qui étudie la fonction cardiaque chez les insectes. Nous avons provoqué un arrêt cardiaque à l'aide d'électrodes appliquées à l'extérieur de la mouche des fruits. Cela a beaucoup de problèmes, la fixation des électrodes demande beaucoup de travail, la carapace est un très bon isolant électrique, etc.

Je suis nouveau dans le laboratoire et on m'a demandé d'examiner la situation pour voir si j'avais des idées sur la façon d'améliorer la manipulation et le débit des mouches. J'ai eu l'idée de peut-être mettre les mouches à l'intérieur d'un solénoïde et induire des courants de Foucault pour les choquer.

J'ai une expérience très limitée dans la construction d'appareils électroniques bien que j'ai une compréhension décente de premier cycle de la physique, y compris l'électromagnétisme.

Je ne sais pas vraiment par où commencer ici. J'ai pensé à chercher des solénoïdes en ligne ou peut-être juste une bobine automobile. Mettre la mouche des fruits dans un petit tube en plastique. Le coller dans le noyau de la bobine après que la bobine fonctionne déjà à partir d'une batterie de voiture. Et puis il suffit de déconnecter soudainement les bornes de la batterie et de laisser le champ magnétique s'effondrer pour voir ce qui arrive à la mouche des fruits.

Je considérerais cela comme une victoire à ce stade si je pouvais simplement montrer que nous pouvions faire mourir la mouche des fruits sans vraiment la faire cuire. Nous pouvons systématiquement abaisser l'intensité du champ magnétique que nous effondrons en utilisant des tensions plus faibles à travers la bobine jusqu'à ce que nous obtenions ce qu'est notre cible, un niveau de choc qui crée un taux de survie d'environ 50%.

J'apprécierais tout conseil sur la façon d'aborder cela ou même les critiques quant à savoir si cela fonctionnerait ou non. Je suis amateur d'électronique, mais je n'ai pas vraiment fait autant de temps, juste quelques trucs de base.

Ceci est un exemple du principe physique dont je parle, bien que notre problème soit plus simple car nous voulons un seul choc perturbateur et n'avons aucun problème de portabilité.

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

Les fonctions électrocardiaques sont une activité potentielle chimique pure sans champ magnétique, car le matériau est principalement un isolant qui décrit tous les diélectriques, avec une certaine constante diélectrique, une résistance série efficace (ESR), un temps constant diélectrique celui de et nécessite donc une certaine énergie niveau à activer sans dommage.

L'ESR est responsable de toute la chaleur dans les condensateurs ainsi que des brûlures cutanées de l'ESR entre les électrodes et la fonction cardiaque.

L'objectif doit donc être de minimiser l'ESR qui prend peut-être 1000 fois (estimation approximative) l'énergie sur la poitrine d'un humain par rapport directement au muscle cardiaque en chirurgie. Ainsi, l'atténuation est inévitable chez l'homme, même avec de grandes pales et de la graisse diélectrique k élevée. Un problème similaire existera pour vous sur les insectes et rendu beaucoup plus difficile par la petite surface.

L'immersion dans le diélectrique aiderait grandement mais pourrait éventuellement noyer l'insecte. La montée subite est une décroissance d'amplitude élevée et très rapide due au bas ESR de l'ionisation interfaciale et ESR * Ceq. pour la capacité équivalente de l'unité de décharge et de la cible combinés en parallèle.

La solution souhaitée consiste à utiliser une capacité et une tension de stockage correctement dimensionnées, y compris des câbles à 50pf / m typ pour une paire torsadée, mais à utiliser une tension plus élevée qui dépassera la tension de claquage (BDV) de la carapace .

L'énergie dans n'importe quelle capacité, y compris le modèle de doigt humain de 300pF, est E = 1 / 2CV ^ 2 en Joules, Farads et Volts. Ainsi, un doigt à 10 kV à partir d'un tapis en nylon avec des chaussures en néoprène se courbera à 10 mm d'un fil mince avec 300pF ou environ E = 1/2 300e-12 * 1e4 ^ 2 = 15 mJ

Il se peut que vous n'ayez besoin que de 1 kV avec 1 mJ pour dépasser le BDV, déclencher une fonction cardiaque ou une défaillance et ne pas produire de protéines frites.

Les impulsions micro-ondes ne sont pas la même chose qu'une décharge de capacité, car la capacité de stockage a tendance à être trop élevée pour obtenir un BDV suffisamment élevé. Bien qu'un four à micro-ondes de 1 kW puisse générer 10 kV, c'est trop d'énergie.

Je soupçonne que l'insecte BDV est peut-être de 1 à 10 kV / mm (estimation) comme le bois humide (pas sec) mais pas le mica ou le kapton qui a un kV / mm beaucoup plus élevé. Je crois que le niveau de pH déterminera très probablement les propriétés du matériau de carapace BDV / mm, car cela favorise une décharge partielle, un précurseur précoce du BDV.

Alors, procurez-vous un générateur de charge de friction et faites un petit capuchon de film ou une gamme de petits capuchons en mica xxx pF pour charger jusqu'à 1 kV, puis testez sur du bois humide de la même taille que le corps de la mouche. Si l'arc fonctionne ~ 1mm alors observez la réponse et ajustez C ou V pour affiner les forces d'un cure-dent et des têtes d'aiguille d'électrode à appliquer de côté pour voir s'il essaie de tourner avec le courant d'impulsion en 1 us. Les R de détection de courant peuvent être utilisés en série avec une sonde 10: 1 sur un R nominal de 1 kV avec 0,1 ohm mais la masse et la pointe de la sonde doivent être retirées et câblées directement à la pointe et au canon de la sonde. Sinon, cela sonnera mal.

Voilà ce que je ferais. Le processus de charge peut être effectué en toute sécurité avec un conseiller technique.

Sinon, procurez-vous un tapis en nylon non ESD et des chaussures en néoprène et faites-le à l'ancienne. hahaha. N'oubliez pas les têtes d'aiguille et la graisse appropriée.

J'imagine quelque chose comme ça pour le "générateur RF":

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Je l'ai fait avec un interrupteur commandé en tension à la place de l'éclateur, il serait donc simulable dans CircuitLab pour vous. Si vous ouvrez le circuit, cliquez sur [Simulation], puis sur [Time-Domain]. Réglez l'heure de début sur 113,2n, l'heure de fin sur 113,7n et le pas de temps sur 3p, cela vous montrera une estimation de la forme d'onde de sortie ... beaucoup de pointes inégalement espacées (donnant lieu à des tonnes d'harmoniques), suivies d'une atténuation onde sinusoïdale d'environ 8 GHz.

Si vous attachez un flux de l'antenne illustrée à un point d'alimentation du guide d'ondes, alors toute mouche des fruits (ou probablement de petits insectes) placée à l'intérieur de n'importe quelle partie du guide qave devrait être assez facile à doser avec une quantité mortelle d'exposition aux RF, à mon humble avis!

REMARQUES:

• Le signal d'horloge de 5 MHz a été choisi de manière plutôt arbitraire, d'autres fréquences pourraient être utilisées, il vous suffirait de régler les enroulements du transformateur de retour de manière appropriée.
• D3 et R1 sont tous deux destinés à la protection de la source d'horloge (simulait sans eux certains commentaires plutôt hostiles).
• D1 et D2 transforment le transformateur en un type "flyback", ce qui m'a semblé la méthode la plus appropriée pour ce type d'augmentation de tension pour ce circuit.

Je doute que vous puissiez directement créer une «crise cardiaque» dans cette structure pour deux raisons:

1. La structure est probablement trop petite pour supporter une arythmie, en supposant que les cellules ressemblent vaguement au muscle cardiaque d'un mammifère. La fibrillation ventriculaire dépend du fait que le muscle cardiaque recircule l'onde de dépolarisation. Cette structure est si petite qu'il est peu probable qu'elle puisse créer une vague rentrante.
2. Le tissu répond à la densité actuelle. C'est ce qui provoque la dépolarisation musculaire ainsi que le réchauffement des tissus. Il serait très difficile d'obtenir un gradient élevé dans le muscle cardiaque pour provoquer une dépolarisation sans obtenir un gradient élevé partout et sans cuire la mouche. Autrement dit, il sera difficile d'obtenir une grande différence de dégradés pour préserver la mouche et affecter le cœur.

Savez-vous quel est le mécanisme spécifique de la «crise cardiaque» pour le processus actuel? Il serait très utile de savoir si vous créez une arythmie ou cautérisez les muscles.

Cela dit, vous pourriez réussir à appliquer une micro-électrode très près des cellules responsables de l'initiation de la contraction, si c'est ce que les mouches des fruits ont. L'électrode de retour doit avoir une surface élevée afin que la densité de courant diminue rapidement avec la distance de la petite électrode. Un liquide conducteur pourrait être un bon choix. Dans ce type de configuration, vous pouvez restreindre la zone cautérisée.

Dans un cœur humain, le nœud sino-auriculaire est un petit amas de cellules qui déclenche chaque battement de cœur. Si la mouche des fruits a une structure similaire, un courant appliqué très près d'elle pour cautériser ces cellules pourrait arrêter l'action cardiaque sans trop endommager les autres tissus. (Les mammifères ont en fait une hiérarchie de cellules de stimulateur cardiaque qui prendront progressivement le relais si les cellules échouent dans la chaîne. Je suppose que les mouches des fruits n'ont pas ce genre de sophistication.)

Dans tous les cas, vous devez prévoir quelques mouches cuites pendant que vous travaillez sur les détails. Bonne chance!