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 buscando 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 los insectos. Hemos estado induciendo un paro cardíaco usando electrodos aplicados al exterior de la mosca de la fruta. Esto tiene muchos problemas, la conexión de los electrodos requiere mucho trabajo, el caparazón es un buen aislante eléctrico, 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 la mosca. Se me ocurrió la idea de poner a las moscas dentro de un solenoide e inducir a las corrientes de Eddy a sorprenderlas.

Tengo una experiencia muy limitada en la construcción de dispositivos electrónicos, aunque tengo un nivel de pregrado decente en 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 fruta en un tubo de plástico. Pegándolo en el núcleo de la bobina después de que la bobina ya esté funcionando corriente desde la batería de un automóvil. Y luego, de repente, desconecta los terminales de la batería y deja que el campo magnético se colapse para ver qué pasa con la fruta.

Consideraría una victoria en este punto 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 utilizando voltajes más bajos a través de la bobina hasta que obtengamos cuál es nuestro objetivo, un nivel de choque que crea una tasa de supervivencia de aproximadamente el 50%.

Agradecería cualquier consejo sobre cómo abordar esto o incluso las críticas sobre si funcionaría o no. Soy 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

Las funciones electrocardíacas 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 cierta constante dieléctrica, resistencia en serie efectiva (ESR), tiempo constante dieléctrico que 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.

Por lo tanto, el objetivo debe ser minimizar el ESR, que toma quizás 1000 veces (estimar) la energía en el pecho de un 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 en los insectos y será mucho más difícil por la pequeña superficie.

La inmersión en el dieléctrico ayudaría enormemente pero posiblemente ahogaría al insecto. La sobretensión es una gran amplitud, decadencia muy rápida debido a la baja ESR de la ionización interfacial y ESR * Ceq. para la capacitancia equiv de la unidad de descarga y el objetivo combinados en paralelo.

La solución deseada es usar capacitancia de almacenamiento y voltaje de tamaño adecuado, incluidos cables a 50pf / m típ. Para par trenzado, pero use 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 300pF, es E = 1 / 2CV ^ 2 en julios, faradios y voltios. Por lo tanto, un dedo a 10kV de una alfombra de nylon con zapatas de neopreno se arqueará a 10 mm de un cable delgado con 300 pF o más, es E = 1/2 300e-12 * 1e4 ^ 2 = 15 mJ

Es posible que solo necesite 1kV con 1mJ para superar el BDV, desencadenar una función cardíaca o falla, y no producir proteínas fritas.

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 suficiente BDV alto. Aunque el horno de microondas de 1kW puede generar 10kV, es demasiada energía.

Sospecho que el insecto BDV es quizás de 1 a 10 kV / mm (estimación aproximada) como la madera húmeda (no seca) pero no la mica o 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.

Por lo tanto, obtenga un generador de carga de fricción y haga una pequeña tapa de película o un rango 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, observe la respuesta y ajuste C o V para ajustar con precisión las fuerzas de un palillo de dientes y las puntas 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 sensores de corriente R se pueden usar en serie con una sonda 10: 1 en 1kV con clasificación R con 0.1 ohmios, pero la tierra y la punta de la sonda se deben quitar y conectar directamente a la punta de la sonda y al barril. De lo contrario, sonará mal.

Ahora eso es lo que haría. El proceso de carga podría hacerse de forma segura con algún asesor técnico.

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

Me imagino algo así para el "generador de RF":

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Lo hice con un interruptor controlado por voltaje en lugar de la chispa, por lo que sería simulable en CircuitLab para usted. Si abre el circuito, haga clic en [Simulación], luego [Dominio del tiempo]. Establezca el Tiempo de inicio en 113.2n, el Tiempo de finalización en 113.7n y el Paso de tiempo en 3p, le mostrará una estimación de la forma de onda de salida ... muchos picos espaciados desigualmente (dando lugar a toneladas de armónicos), seguido de un amortiguador onda sinusoidal de alrededor de 8 GHz.

Si conecta una alimentación desde la antena ilustrada a un punto de alimentación de la guía de onda, entonces cualquier mosca de la fruta (o probablemente cualquier pequeño insecto) colocada dentro de cualquier parte de la guía de onda 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 tendría que ajustar los devanados en el transformador de retorno adecuadamente.
• D3 y R1 son ambos para la protección de la fuente del reloj (simulaba algunos comentarios poco amigables allí sin ellos).
• D1 y D2 convierten el transformador en un tipo de "retorno", que me pareció el método más apropiado para este tipo de aumento de voltaje para este circuito.

Dudo que pueda crear directamente un "ataque cardíaco" en esa estructura por un par de razones:

1. La estructura es probablemente demasiado pequeña para soportar una arritmia, suponiendo que las células sean vagamente como el músculo cardíaco de los mamíferos. La fibrilación ventricular depende de que el músculo cardíaco recircula 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 causa 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 'ataque cardíaco' para el proceso actual? Sería muy útil saber si está creando una arritmia o cauterizando los músculos.

Dicho esto, es posible que tenga 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 se cauteriza.

En un corazón humano, el nodo sinoauricular es un pequeño grupo de células que inicia cada latido cardíaco. 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 a otros tejidos. (Los mamíferos en realidad tienen una jerarquía de células marcapasos que progresivamente tomarán el control si las células 'arriba de la cadena' fallan. Supongo que las moscas de la fruta no tienen ese tipo de sofisticación).

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