我们描述了一种用于昆虫飞行偏向控制的柔性多位点微电极，通过神经刺激实现。该电极采用分环式几何结构，由两层聚酰亚胺（PI）夹着金层制成。分环设计与聚酰亚胺的柔韧性相结合，使得插入过程简便，并能实现电极与昆虫腹神经索的良好贴合。
刺激点位分布于分环结构内部呈环形排列的突出尖端上，这些尖端可穿透神经索周围的结缔组织。研究人员已成功在烟草天蛾（Manduca sexta）成虫羽化前7天将其电极插入蛹体内，并利用该多位点电极施加电刺激，在蛹和成虫中均能诱发多方向、分级的腹部运动。
最后，在松散固定的飞行实验中，研究人员通过柔性微电极刺激改变腹部角度，从而使飞行中的天蛾偏离预定路径，实现向左或向右的偏转。
一、介绍
目前，开发基于昆虫的微型飞行器（i-MAV）引起了广泛关注。这类系统旨在结合昆虫的优势（如体型小、高效能量存储和导航能力）与微机电系统（MEMS）及电子技术的优势（如传感、驱动和信息处理）。如图1所示，i-MAV主要由两部分构成：遥测系统和刺激系统。遥测系统负责建立昆虫与基站之间的通信链路，而刺激系统则通过与昆虫神经系统的交互来调控其飞行路径。
图1. (a) 昆虫基微型飞行器(i-MAV)概念示意图。i-MAV需要建立通信链路来收发数据，以及生物电子接口（本文研究重点）。(b) 柔性分环电极(FSE)植入过程示意图，展示分环结构如何展开以适配神经索。
已有多个研究团队开发出可粘贴在昆虫体表的遥测装置。本研究团队此前曾开发了一套适用于i-MAV的无线刺激系统，其重量足以由飞蛾承载，并能通过钨丝电极产生多种电压脉冲以实现神经刺激。
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i-MAV的另一核心组件是刺激系统。目前已提出多种调控昆虫飞行的刺激方案，例如光刺激、肌肉加热、药物注射以及对肌肉和神经系统的电刺激。其中，电刺激因功耗低、易于与电子设备集成且响应速度快而更具应用潜力。在电刺激方案中，直接作用于昆虫中枢神经系统（CNS）的方法在实际应用中比肌肉刺激更具鲁棒性——因为CNS刺激能利用昆虫自身的飞行控制回路处理输入信号，从而最小化对飞行系统的干扰，并保留昆虫躲避障碍等自然能力。
尽管通过紧密的神经-电极接口直接刺激CNS更为理想，但现有神经探针（如插入式电极或袖带电极）主要针对神经系统远大于昆虫的哺乳动物设计。昆虫神经索直径仅数百微米，且体腔内操作空间有限，导致这些设计无法直接应用。
传统上，研究人员采用尖端裸露的绝缘细金属丝或手工制作的夹式电极来研究自由活动或半固定昆虫的神经活动。尽管这些电极取得了重要成果，但其刺激位点数量、生产效率和一致性受手工制备方式限制。MEMS技术的发展为小型神经系统提供了多位点、可批量制备的神经探针解决方案。例如形状记忆合金3D微电极以及硅基或聚合物柔性植入电极已被用于昆虫实验，但这些电极均针对神经信号记录而非刺激设计。此外，由于昆虫神经索尺寸微小（直径约数百微米）且体壁内操作空间狭窄，这些电极的植入和固定仍面临挑战。
本文提出了一种用于昆虫飞行偏向控制的柔性分环电极（FSE），该电极采用辐条状排布设计，可实现对昆虫腹神经索的环向电刺激。该电极通过标准MEMS工艺制造，具备大规模高效生产优势。研究表明，该电极能对烟草天蛾（Manduca sexta）的中枢神经系统进行多位点电刺激，且仅需约20分钟的植入手术即可在成虫羽化前7天成功植入蛹体内，不会引发排异反应或造成昆虫损伤。
研究人员通过体外生理盐水实验表征了FSE的电学特性，并在蛹和成虫体内验证了其刺激效果。实验证实，FSE刺激可诱发蛹和成虫产生多方向分级腹部运动，这些运动能通过"舵效"作用改变成虫的飞行轨迹。
本研究选择天蛾（Manduca sexta）作为实验对象主要基于以下优势：该蛾种在本实验室已持续培育20余年，其手术及电极植入方法成熟稳定；作为常用模式生物，其神经生物学特性、生理机制及飞行控制系统已有深入研究基础。
二、方法
01.电极制备与封装
柔性分环电极（FSE）由两层聚酰亚胺（PI）中间夹金层构成[见图1(b)]。图2详细展示了FSE的尺寸参数，主要制备步骤如图3所示。首先，采用物理气相沉积法在经过食人鱼溶液清洗的150毫米硅晶圆上蒸镀1.0微米厚的铝牺牲层[见图3(a)]。随后旋涂PI基底层（HD 4110），形成约15微米厚的薄膜，并在320℃氮气环境中部分固化0.5小时，为后续工艺提供化学和物理稳定性表面，同时保留部分未终止键以增强顶层PI附着力[见图3(b)]。
图2. FSE尺寸示意图：(a)整体器件；(b)分环区域；(c)尖端区域。
图3. 电极制备工艺流程：(a)沉积铝牺牲层；(b)涂覆并固化PI基底层；(c)沉积并图形化Ti/Au/Ti导电层；(d)涂覆并固化PI顶层；(e)沉积并图形化铝干法刻蚀硬掩模；(f)通过O₂/CF₄等离子体刻蚀形成FSE结构；(g)用HF溶液溶解铝牺牲层释放FSE。
接着在PI包覆的晶圆上旋涂1.5微米厚的光刻胶（AZ 5214），通过图像反转光刻技术形成电极线路的负像。采用电子束蒸发依次沉积10纳米厚的钛黏附层、250纳米厚的金导电层和20纳米厚的钛保护层，最后通过丙酮剥离完成图形化[见图3(c)]。顶层PI采用与基底层相同的工艺旋涂，随后在360℃氮气环境中完全固化1小时完成亚胺化过程，最终结构厚度约16微米，这是由于固化过程中PI层的垂直收缩所致[见图3(d)]。
接下来沉积0.5微米厚的铝层作为硬掩模，分别通过电子束和正性光刻结合湿法刻蚀进行图形化[见图3(e)]。采用O2/CF4等离子体刻蚀定义电极形状并打开刺激位点窗口，在此过程中，多余的PI材料被等离子体去除，而金刺激位点和PI结构分别受到顶部钛保护层和铝层的保护。等离子刻蚀工艺采用电子回旋共振增强反应离子刻蚀机（O2流量70 sccm，CF4流量15 sccm，源功率300 W，射频偏压功率50 W，腔室基础压力50 mTorr，PI刻蚀速率约0.67微米/分钟）[见图3(e)]。最后将电极结构浸入0.5%氢氟酸溶液中溶解铝层（硬掩模和牺牲层），实现与晶圆基底的分离[见图3(f)]。
为连接测试设备，研究人员手动将1.5米长的超细不锈钢导线（直径50微米，特氟龙包覆，AM Systems）用导电银胶（CW2400）固定在电极焊盘上。连接区域进一步用绝缘环氧树脂密封，以增强电极与导线之间的机械连接强度。
02.电极植入FSE电极植入主要在成虫羽化前两天的16期蛹阶段进行。实验对象在冰上麻醉1-2小时后，研究人员去除蛹壳，并在第四腹节腹侧位置（位于发育中翅膀褶皱后方）切开成虫表皮（见图4）。使用玻璃探针分离腹神经索并定位，以便FSE植入。将FSE移至神经索上方，使胶合片分离，神经组织束滑入分环结构之间。随后涂抹医用粘合剂（Loctite 3211）于胶合片并固化。FSE最终定位为：连接的胶合片延伸至神经索下方，PI基体穿过切口。切口两侧放置少量可吸收明胶海绵（Gelfoam），使用3M Vetbond胶封闭切口，外层再涂覆Loctite 4013粘合剂。实验对象置于24℃、80%湿度的培养箱中恢复过夜后，方可进行刺激实验。
图4. 电极植入手术全流程：(a)蛹体植入位点；(b)蛹壳开窗；(c)切开内层成虫表皮；(d)玻璃探针分离神经索；(e-f)将电极分环部位置于神经索上；(g)胶合片涂胶固化；(h)电极植入切口并用外科胶密封。
03.电学特性表征通过电化学阻抗谱（EIS）在磷酸盐缓冲液（PBS）中研究FSE的电荷传输特性。测试采用电化学工作站（VersaSTAT3）配套微电解池（Model K0264）完成，使用铂丝作为对电极构成双电极系统。测量频率范围为1Hz-100kHz，交流信号振幅10mV，测试数据通过等效电路模型（Zview软件）进行拟合分析。
04.电刺激实验电刺激实验在即将羽化的18期蛹（羽化前1天）和成虫上进行。研究人员使用隔离脉冲刺激器（Model 2100，AM Systems）对15对刺激位点施加双极性电压脉冲序列，单个脉冲宽度固定为1毫秒，脉冲序列持续时间为500毫秒。电压脉冲频率在50-333赫兹范围内调节，幅度在1-10伏之间变化。实验采用的1.5米长不锈钢导线（共6根）重量极轻，不会影响飞蛾的飞行行为，这使得我们能够顺利开展飞蛾半自由状态下的飞行控制实验。
三、结果与讨论
01.电极设计与植入
昆虫飞行调控机制研究表明，其不仅通过快速调节扑翼运动，还通过动态控制重心位置实现机动飞行。腹部弯曲可引发重心偏移从而改变飞行姿态。前期研究证实，采用钨丝电极刺激飞蛾腹神经索能诱发腹部运动，推测是通过激活运动神经元或节间中间神经元实现的，但这些神经元的具体特征尚不明确。
为实现神经轴突的局部激活，我们设计的FSE电极可在神经索周围形成多位点环状刺激。图1和图4展示了电极植入流程，图2详细标注了电极尺寸参数。FSE尺寸根据16期蛹第四腹节神经连接处解剖数据（直径约450微米）确定。我们先后开发了4、6、8刺激位点的FSE原型，发现4位点设计难以实现多方向腹部运动调控，而8位点设计因突出尖端过小（25微米×175微米）导致植入操作困难，最终选择6位点设计进行实验（见图5）。
图5. (a) 带彩色编码导线连接的FSE实物图；(b) FSE分环区域特写图；(c) 植入FSE的蛹体实物图；(d) 蛹期植入FSE的羽化成虫图；(e) 成虫解剖图显示FSE周围结缔组织生长情况。
选用聚酰亚胺（PI）作为基底材料基于其优异特性：柔性（杨氏模量3.5GPa，延伸率45%）、生物相容性及热稳定性（加工过程中）。虽然PI具有吸湿性，但实验未观察到性能变化[图6(b)]，且不影响制备工艺。FSE的分环结构允许在植入时展开环体[图1(b)]，其突出尖端可穿透神经索周围结缔组织，使末端刺激位点直接作用于神经索。电极头部的两个胶合片既作为操作手柄，又可在植入后通过粘合固定位置。
图6. (a) 典型FSE在PBS溶液中的电化学阻抗谱(EIS)测量数据(圆圈)及电荷传导等效电路模型的拟合曲线(实线)；(b) FSE在PBS溶液中浸泡一周期间，生物相关频率1kHz下的阻抗变化。
尽管金的电荷注入能力不如铱氧化物等材料（导致刺激电压较高），我们仍选择其作为电极金属，主要考虑生物相容性和工艺简化。后续通过电镀工艺可便捷地引入铂黑、铱氧化物或碳纳米管等高性能涂层以提升电荷注入能力。
FSE电极已成功植入成虫及12-17期蛹（羽化前7-2天），其中16期蛹的植入成功率最高（图5c-d）。植入手术耗时约20分钟，具体结果见表I。植入后蛹的羽化成功率随发育阶段不同在75%-94%之间。虽然胶合片可提供初步固定，但在蛹期植入的优势在于组织可在PI表面生长从而增强电极稳定性。解剖图像显示，在16期蛹植入的成虫体内，FSE周围及分环内部均有结缔组织增生（图5），这些新生组织可能来源于附着在神经索上的背侧结缔组织带。
02.电学特性表征通过生理盐水中的电化学阻抗谱（EIS）验证了FSE与手工组装导线的电气连接性能。电极的电荷注入能力与离子传导性能与其界面电容成正比，可通过等效电路模型从EIS谱中估算。典型FSE的EIS谱及标准等效电路模型见图6，其中电极-溶液界面用常相位元件（CPE，阻抗Zdl=1/Cdl(jω)^n）与法拉第阻抗Rf并联表示，Rs为溶液扩展电阻。拟合参数显示：Rs=4.3kΩ，Rf=5.5GΩ，Cdl=68μF·s^(n-1)/cm²，n=0.92（接近理想电容值1）。该Cdl值与金丝电极文献值（72μF·s^(n-1)/cm²）相当，表明FSE-溶液界面可等效为电极-电解质界面的极化电荷双层，且电荷转移主要源自刺激位点的电荷注入而非PI层间漏电流。
03.电刺激功能验证为验证FSE的刺激功能，研究人员首先在固定状态的蛹和成虫上进行了腹部运动诱发实验。实验共使用10只蛹和10只成虫，其中包含4个在不同发育阶段重复测试的个体。通过将腹部响应分为8个方向进行统计分析，结果显示六位点FSE的15种刺激位点组合中，所有实验个体至少对2种（最多6种）组合产生特异性腹部运动。值得注意的是，蛹期的腹部运动以背外侧为主，而成虫期则主要表现为腹侧运动。
图7. 全固定状态腹部刺激实验：(a) 沿腹-胸轴线拍摄的蛹体在电刺激前后对比图，显示腹部尖端(圆点)相对于躯体(圆圈)的位置变化导致腹部角度改变；(b) 成虫的类似刺激实验。
研究发现，虽然单个个体在同一发育阶段对刺激的响应具有高度可重复性，但在不同个体间以及从蛹期到成虫期的发育过程中存在显著差异。典型表现为：刺激位点对(5,6)在蛹期诱发右侧腹部弯曲，而在同一个体发育为成虫后，相同刺激却引起左侧弯曲。这种发育相关的响应差异可能源于多个因素：电极与神经索相对位置的变化、植入后的机械位移、个体间解剖结构差异，以及发育过程中神经轴突定位和腹部力学结构的重塑。特别值得关注的是，实验证实单个个体在连续刺激（超过10次）以及同发育阶段不同时间点（如成虫第1天与第4天）的响应均表现出良好的可重复性，这表明FSE刺激具有可靠的短期稳定性。
图8. 刺激响应随发育阶段的变化：(a)蛹体和(b)成虫在FSE刺激下腹部响应方向的统计分布(图示飞蛾头部方位)。外环表示腹部弯曲的最终方向，颜色梯度显示使用任意电极组合刺激后产生指定方向运动的个体百分比。例如：80%的蛹体至少存在一种电极组合能诱发左侧运动，而70%的成虫至少存在一种电极组合能诱发腹侧运动。(c)和(d)展示同一个体在蛹期和成虫期对四组特定刺激位点对的腹部响应。内环显示刺激位点(数字标记)相对于虫体轴线(图示飞蛾头部)的分布。例如：刺激位点对(5,6)在蛹期诱发左侧腹部弯曲，而在成虫期相同刺激却诱发右侧弯曲。
实验结果显示，随着刺激信号电压幅值或脉冲频率的增加，蛹和成虫的腹部运动幅度呈现递增趋势（图9）。这种分级调控的腹部运动对于实现飞蛾飞行路径的平滑偏转至关重要。研究人员通过定量分析成虫腹部弯曲角度与刺激参数的关系发现，当对FSE位点对(1,2)施加刺激时（为便于观察已移除翅膀），引发腹背平面的弯曲运动。特定个体的运动阈值电压约为2.5V，且弯曲角度随电压幅值或频率增加而增大。结合FSE的阻抗特性分析（图6），这种响应增强现象可解释为：在电压控制系统中，阻抗随频率下降导致刺激电流增大，更高电流可能激活更多神经轴突，从而募集更多腹部肌纤维产生更强运动——尽管该机制仍需直接验证。
图9. 腹部弯曲幅度与刺激信号参数的关系：(a) 蛹体在无刺激和FSE刺激下的对比图。腹部尖端分别用(•)、()、()和()标记，对应使用FSE位点(3,5)施加(0V)、(3V,250Hz)、(5V,250Hz)和(5V,350Hz)刺激信号时的位置。(b) 成虫在无刺激和FSE刺激下的对比图。(c) 腹部弯曲角度随刺激信号幅值和频率的变化关系；插图显示腹部弯曲角度定义。
在飞行控制实验中，FSE刺激成功诱导半自由飞行状态的飞蛾通过腹部"舵效"改变航向。如图10所示，七只测试飞蛾中超过70%（5/7）在重复刺激下表现出稳定的左右转向行为，证实了飞行轨迹与FSE刺激的良好相关性。这些初步结果表明，蛹期植入的FSE具备调控成虫飞行路径的能力，为i-MAV应用迈出重要一步。本研究建立的植入技术和多位点刺激方法，不仅实现了对自由活动昆虫神经系统的可靠刺激，未来结合记录功能将有助于在更自然环境下揭示昆虫神经生理机制。
图10. 半自由状态飞蛾在FSE刺激下的转向行为：(a) 使用位点(4,6)刺激诱发左转；(b) 使用位点(5,6)刺激诱发右转。
四、结论
面向昆虫应用的神经探针研发长期面临两大技术瓶颈：现有哺乳动物微电极的微型化改造困难，以及昆虫神经系统的微小尺寸限制。本研究首次报道了基于微加工技术的昆虫中枢神经电刺激探针——柔性分环电极（FSE），成功实现对烟草天蛾（Manduca sexta）腹神经索的多位点环向刺激。实验证实，FSE具有双重调控能力：通过选择不同刺激位点可诱发多方向腹部运动，调节电压或频率则可实现运动幅度的分级控制。基于腹部弯曲产生的"舵效作用"，我们首次实现了飞蛾飞行过程中的左右转向操控。
未来研究将聚焦于三个方向的优化：改进FSE设计以提高个体间响应一致性；通过新型刺激位点材料（如铂黑、铱氧化物等）和几何结构优化电刺激特性；开发兼具神经信号记录功能的集成化探针。这些突破将推动昆虫-机器混合系统（i-MAV）向实际应用迈出关键一步，同时为自由活动状态下的昆虫神经机制研究开辟新途径。
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