Introduction
随着全球肥胖的兴起在20 世纪后期，有再度上下层饲养1，2，3，4机制的关注。通常，食物摄入量是手动称量5，或用市售的馈送系统。商业系统都很出色，但在修改其设计或代码提供有限的灵活性。在这里，我们描述了实验饲养设备（FED）：用于测量食物的摄入量以优良的时间分辨率和最小的人为干扰6的开源料系统。 FED是电池供电，可以容纳标准的殖民地齿条笼或其他科学仪器内部的3D打印的情况下，在完全包含。
在稳态下，FED在低功耗模式下工作，在其FO食物丸安息OD好。粒料的存在通过红外光束进行监测。当鼠标移除粒料，一个光断续传感器将信号发送到微控制器和时间标记被记录板载安全数字（SD）卡上。同时，晶体管 - 晶体管逻辑（TTL）输出提供粒料检索的实时输出。紧接这种情况下，马达旋转以分配另一个粒料，并且系统返回到其低功率模式。由于它的开源本质，美联储可以进行修改和完善，以适应特定的研究需求。例如，代码可以容易地改变，以进料限制在每天的特定时间，或停止分配时已经达到一个数量的颗粒，而不需要人为干预。
在这里，我们概括为建筑，验证和使用FED的一步一步的说明在小鼠体内测量食物的摄入。我们提供的所有组件的列表来构造一个系统。重要的是，没有事先恩在电子perience需要来构造的FED。
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Protocol
注：此协议是在材料的表命名的专门组件写入。虽然可以使用其他硬件来实现类似的功能，FED已编程的Arduino的专业微控制器（以下称为：微控制器）和上市附件。其它微控制器可以同样出色的工作，但会要求用户修改代码来支持它们。离线数据分析使用Python编程语言编码。
1.准备和软件安装
- 采购，构建FED（ 见表1 andFed Github上BoM.xlxs在：https://github.com/KravitzLab/FED/tree/master/doc）所需的电子元器件。
注：可替代的供应商可用于许多地方在此表中，只要它们具有同等规格。 - 打印所有的3D设计的部件（ 图1，可在：https://github.com/KravitzLab/FED/wiki/3D-Printed-Components）。用200微米的3D打印机分辨率应该是能够打印FED的。
- 下载并安装集成开发环境（IDE）平台，以单片机编程。
- 下载并安装额外的库，使电机罩和数据记录器（网址为：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）的功能。
- 购买组装所需的工具（ 如烙铁，热风枪，焊锡，剥线钳，尖嘴钳，两个平头和螺丝刀）。
2.焊接电气元件
注：使用热缩管保护所有焊点。前焊接连接，滑动片收缩包装管（〜2厘米）管导线之一左右。焊接连接之后，围绕该连接点的管道，并使用加热枪来加热收缩管。
- 制备的连接器（图2A）
- 准备4个2针连接器JST对，标签男性和女性双方“A”，“B”，“C”和“D”，分别为。从连接器对“D”两侧拆除红线。
- 准备一个3针连接器JST对和标注的男性和女性双方“E”。
- 微控制器和可堆叠盾牌（图2B）
- 焊料在微控制器的顶部插槽女堆叠头。夹在微控制器的底部伸出的头线。
- 焊料雌性可堆叠报头与在SD数据记录罩的顶侧的插座。在离开盾牌的底部伸出的电线。
- 男性焊接头到从底部伸出销电机盾。
- 放置一个纽扣电池至SD护罩的槽，以提供电源给实时时钟模块。
- 外接电源按钮（图2C）
注：锁定按钮金属公顷五个连接：电源，地，常闭（NC1），常开（NO1）和通用（C1）。- 焊接2针插头“A”到C1（用红色线）和地（用黑线）。热收缩所有连接。
- 焊接2针插头“B”至+（用红色线）和NO1（用黑线）。热收缩所有连接。
- 光电断路器（图2D）
- 焊接光电断路器（黑色部分）接口板。
- 焊接一个4.7K电阻到接口板的前面。
- 焊接男3针连接器“E”到接口板的背面：红色线为PWR，绿线到GND，白线为SGL。
- 修剪上光电断路器的背部松散的电线打破板。
- 升压板（图2E）
- 焊接2针母连接器“A”到升压板5V和接地引脚。
- 焊料马黑线乐接口“D”到升压板的附加GND引脚。
- BNC输出线（选配：图2F）
- 焊接2针连接器“C”，以BNC电缆的终端（红色线为中心销，黑色线外针）。
注：对于装配，2针连接器必须通过合适的BNC插头螺母。我们使用较小的连接器，或刮走在JST连接用刀片以使其适合。
- 焊接2针连接器“C”，以BNC电缆的终端（红色线为中心销，黑色线外针）。
- 汽车之盾（图2G）
- 扭动母连接器“B”一起和焊料的红色和黑色导线到第五 。
- 焊接母连接器“C”到接地引脚旁AREF的黑线，而这个连接器的红色线针脚3。
- 焊接母连接器“D”以接地针脚的黑线旁边V 中 。
- 焊接母连接器“E”的绿线的接地引脚旁边5V，该连接器至5V的红线，而这种连接器的白线到引脚2。
3.软件上传
- FTDI的接口板连接到单片机的编程引脚，然后通过微型USB电缆FTDI接口板连接到计算机上。
- 打开IDE（集成开发环境）计划。
- 选择正确的微控制器板，通过工具软件上传>董事会下拉菜单。
- 通过工具>处理器菜单中选择ATMEGA 328（5V，16MHz的）。
- 选择微控制器连接到通过工具的端口>端口> COM＃（将取决于哪个端口正在使用而异）。
- 点击“上传”按钮上传FED草图到板（网址为：https://github.com/KravitzLab/fed/tree/master/fed-arduino）。
4.硬件组装
- 步进电机和MOTOR罩（图1C和3A和3B）
- 固定5V步进电机到3D打印的电机用两个＃6×¼“钣金螺丝（ 图1C和3A）安装。
- 将旋转盘成电机安装并推到安全地连接到步进电机轴（ 图3B）。
- 三维打印的食品仓扭到电机安装，确保颗粒矫直机臂在电机安装孔。
- 从上面的连接件拧（步骤4.1.1 - 4.1.3）到印刷基底的顶部，与位于朝向基体的背面和位于前部的孔中的步进电机。
- 从每根电线切成末由步进电机电线条〜2毫米5针连接器。
- 连接从步进电机的电线上的马达屏蔽接线端接头：红色到地面，橙色和红色到一个马达端口（ 例如 ，M1），以及蓝色和黄色到其它MOTOR端口（ 例如 ，M2）。
- 外部电源按钮
- 移除电源按钮螺母和插入电源按钮入底座的右侧的孔。用六角螺母固定到位按钮。
- 光电断路器（图3C）
- 将光断续进入其3D打印的住房。
注意：使用热风枪加热住房，如果光断续不会一路座位。 - 字符串通过3D打印底座前端中间有孔的3针插头“E”，从光电断路器（PWR，GND和SGL）。
- 固定外壳到FED基地，2个1“的尼龙螺钉和相应的螺母。
- 将光断续进入其3D打印的住房。
- BNC输出电缆（选购）
- 将BNC连接器插入FED底座的左侧孔。安全的地方用螺母。
- 如果不使用BNC连接器，插头与3D打印的塞孔。
- 电池和升压板（ 图3D）
- 通过JST 2针连接进行连接3.7 V电池组的DC / DC升压转换器模块。如果电池充电蓝色的升压板上的LED会亮起。
- 安装板内侧壳体的（图3E）
- 微山与FTDI连接所面临的电源开关，使用＃4×¼“钢板五金螺丝基地内。
- 堆栈上的单片机的顶级汽车盾牌和数据记录的盾牌。
- 拧升压板插入使用＃2×¼“钢板金属螺丝。安装升压用的micro-SD插槽朝下的情况下，美联储可以通过该端口进行充电，无需打开的情况下。
- 连接五个连接器，“A”的男性为“A”的女性，“B”男为“B”的女性，等等
- 放置3D印刷基地内的电池，并通过滑动后盖关闭。 滑动对3D打印的面盘。
5.验证和数据采集
注：在美联储系统电源时，确保SD卡插入的SD屏蔽，否则美联储不会免除颗粒。此外，确保电机罩（只是电源块以上）电源跳线到位。
- 电力馈系统与电源按钮和测试设备的功能上。
- 上电前填充20毫克的食物颗粒的食物仓。
注：电源开关应点亮，也应在微控制器，SD盾，屏蔽电机的LED。如果在井没有沉淀，应该分配。 - 从食品10丸井和确认更换颗粒分散 - 手动删除5。
- 上电前填充20毫克的食物颗粒的食物仓。
- 取出SD卡，并验证数据是否被正确记录。数据应该在名为逗号分隔值（.csv）根据VA被收购riable FILENAME中的代码。
- 放置的FED单元实验设置，关于功率内，并确保粒料被分配到食品良好。
- 在数据采集的过程中，每天检查FED以验证它被确认电源开关上的LED灯上正常工作（这表示电池有足够的电量）和沉淀坐在食物好（指有与粒料分配没有问题）。
- 数据采集后，检索SD卡和接入.csv文件。
注：膳食和喂养方式的分析脚本可在：https://github.com/KravitzLab/fed。
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Representative Results
涉及使用动物的验证试验，审查和糖尿病研究所，消化和肾脏疾病的动物护理和使用委员会的批准。为了说明如何使用FED的用于测量家笼喂养，成年雌性C57BL / 6小鼠（n = 4）单独圈养用12/12小时光照/黑暗循环下以水和标准实验室食物随意访问（灯上05:00）。后一个星期习惯期，除去粮食料斗，并用FED置换为验证测试的五天。在测试期结束时，场发射，从笼子里喂养和删除数据从各个SD卡是用自定义的，可免费提供的脚本和电子表格程序进行分析。 如图4A所示 ，对于单个小鼠粒料检索（顶面板;栅格表示单个丸检索事件）在30分钟内箱和平均粒料检索所有小鼠（博TTOM面板;线表示平均值±SEM）显示整个验证测试期间连续进料，以清晰显示昼夜节律。量化美联储的数据记录容量的准确性，每个FED系统给定1000粒料的验证测试期，其余颗粒手工计数相比，在SD卡上记录的数据。 FED记录与分装到SD卡中（ 图4B）颗粒的95.35±1.25％。
图1：3D 设计FED组件。 （A）组装FED的测量。 （B）在组装FED 3D印刷组件的分解图。 （C）的完整粒料料斗组件（左）的分解图，步进电机的装配以旋转盘（中），和食品筒仓装配到旋转盘（R飞行）。 （D）以及与武器食物的设计，以确保为颗粒检测的光电断路器。完全组装的FED（E）照片。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2：FED 电气元件接线。接线和（A）接口（B）微控制器，数据记录/ SD盾，汽车罩，（C）电源按钮，（D）光中断，（E）升压板，（F）BNC输出线，组装（G）接线电机盾。 请点击此处查看大图这个数字。
图3：FED 硬件的组装。 （A）安装步进电机（左）到电机安装和附加颗粒盘（右）。 （B）接线步进电动机驱动盾。 （c）将光电断路器为3D打印的住房。 （D）安装电池升压板。 FED组装外壳内（E）板。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4： 通过收集FED代表食物摄入量的数据。 （ 一 ）食品的摄入量数据 通过收集FED使用开放源代码的分析脚本可视化。顶板：个人栅格表示单颗粒检索事件，含个体小鼠行。底板：行表示平均食物摄入量的±SEM跨越小鼠（n = 4）。 （ 二 ）个人FED单位记录的准确性分散颗粒。颜色对应于图3A栅格。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5：FED修改用途。 （A）外装FED在啮齿动物的笼子减少占地空间。 （B）中改变的前面配置允许增加两个鼻戳端口操作性训练。ve.com/files/ftp_upload/55098/55098fig5large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
补充文件1：硬件原理图。平面示意图，显示FED的电子连接。 请点击这里下载此文件。
补充文件2：示例输出代码。示例.csv文件显示美联储输出代码。 请点击这里下载此文件。
补充文件3-6：分析脚本。提供用于分析数据FED四分析脚本：eating_rate.py，meals.py，meal_bars.py和plotmice.py。输入参数及说明是提供d。在每个脚本的顶部的注释部分。 请点击这里下载此文件。
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Discussion
喂养实验设备（FED）是一种灵活的食物摄入量监测系统。在这里，我们描述了在制造和诊断设备，包括3D打印硬件，电子元件焊接，和素描上传的组装到微控制器的详细说明。虽然它遵循谨慎协议列出的所有步骤是很重要的，也有值得特别注意在每个部分，以确保一个成功的终端产品的关键步骤。三维印刷旋转盘应紧贴到步进电机轴，并能够以最小的阻力来自相邻部件旋转。当焊接引脚连接，确保焊点是无需多余的焊锡安全。确保安装了所有附加库必须位于正确的目录上传脚本到微控制器之前。组装的FED的过程涉及很容易实现的，即使没有事先的任务在3D打印或电子产品的经验。
没有与FED一些限制。首先，每个FED使用一个内部SD卡记录和存储数据。的SD卡可以是一个麻烦的手段来跟踪和从许多的FED存储数据。我们正在探索无线数据传输来缓解这个问题，但FED的当前迭代依赖于在SD卡上的本地存储。第二，〜时间FED的5％分注2丸粒而不是一个。而在我们的手中都没有发生拥堵的颗粒有足够的频率来算，这种可能性应该严格监测，因为我们不能排除他们彻底。用户永远留下喂养的老鼠因为没有日常检查美联储的功能，他们唯一的食物来源。尽管有这些限制，我们认为美联储的错误率是大多数研究报告可以接受的。这就是说，在今后的工作中，我们将寻求进一步减少这些错误。最后，三维打印的公差可以根据具体的三维打印机和材料的不同而不同。如我们提供了这样的三维设计文件可能需要调整有关三维打印机，或与其它材料的其它型号打印。作为一个有用的提示，我们发现一个加热枪可以打印到软化了小幅调整3D打印的部件后即可使用。
单个FED可组装大约$ 350。这个价格，我们估计为商业3D打印〜200 $出聚乳酸材料，并〜$ 150购买电子元件。 3D打印成本相差很大视质量和材料。它可以减少相当如果用户打印自己的份该费用。 FED也可以印刷或机械加工出更多的耐用的材料，如不锈钢或铝的，虽然这将是昂贵的。
我们选择与可编程电路板上的微控制器，一个开源平台打造FED。为此，我们选择了开源的微控制器（见材料表 ），因为它有一个低功耗。然而，我们的代码应具有足够的输入/输出管脚的任何板工作。更改单片机电路板可能会要求对代码小的改动。我们提供所有设计文件和代码在网上，我们的设计是开源的，以提供灵活的研究人员修改FED，以满足他们的需求，包括使用其他微控制器板。
现在，正在向开源硬件科学研究不断增长的趋势。各种团体取得了开源设备为神经科学研究，包括OpenControl，期间的行为任务7视频跟踪动物软件; ROBucket，液体输送结果8的基于Arduino的操作性室; ELOPTA，球团矿结果交付9基于的PICmicro-操作性装置;和BEEtag，大黄蜂为10的基于图像的跟踪系统。 FED凭借其独特的外形和L这些补充流动成本。对于FED的一个关键目标是使开源。开源硬件使研究人员能够进行小的调整，设计（例如修改尺寸），但特别厉害，当用户进行重大修改，扩大硬件的功能。例如，它是相当容易的修改的FED的设计用于外部安装在一个笼子里，这两个保护FED并增加了笼（ 图5A）中的地面空间。此外，我们设计的FED具有对操作性训练进给井的每一侧的空间鼻捅，并已成功地实施了这些轻微的设计变更（ 图5B）。我们将发布在我们的网站（https://github.com/KravitzLab/fed），在这里我们也期待着接待来自研究界其他类似的改进，例如发展。
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Acknowledgments
这项工作是由美国国立卫生研究院院内研究计划（NIH），国家糖尿病研究所，消化道和肾脏疾病（NIDDK）的支持。我们感谢对仪表的NIH科和美国国立卫生研究院图书馆与3D打印的援助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electronics | |||
| Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield for Arduino v2 Kit - v2.3 | Adafruit | 1438 | Use of other motor shields has not been tested and will require changes to the code |
| Adafruit Assembled Data Logging shield for Arduino | Adafruit | 1141 | Use of other data logging shields has not been tested and will require changes to the code |
| PowerBoost 500 Charger | Adafruit | 1944 | Other voltge regulator boards have not been tested, but should work if they have similar specifications |
| FTDI Friend + extras - v1.0 | Adafruit | 284 | Any FTDI-USB connection will work |
| Small Reduction Stepper Motor - 5VDC 32-Step 1/16 Gearing | Adafruit | 858 | Use of other stepper motors has not been tested |
| Arduino Pro 328 - 5V/16MHz | SparkFun | DEV-10915 | Other Arduino boards should work, although may require changes to the code |
| Photo Interrupter - GP1A57HRJ00F | SparkFun | SEN-09299 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| SparkFun Photo Interrupter Breakout Board - GP1A57HRJ00F | SparkFun | BOB-09322 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| Connectors, screws, and miscellaneous items | |||
| Shield stacking headers for Arduino (R3 Compatible) | Adafruit | 85 | Any stacking header that says Arduiono R3 compatible will work |
| Multi-Colored Heat Shrink Pack - 3/32" + 1/8" + 3/16" | Adafruit | 1649 | Any heatshrink will work |
| Hook-up Wire Spool Set - 22AWG Solid Core - 6x25ft | Adafruit | 1311 | Any wire will work |
| Lithium Ion Battery Pack - 3.7V 4400 mAh | Adafruit | 354 | Any 3.7 V Lithium battery with a JST connector will work |
| SD/MicroSD Memory Card (8GB SDHC) | Adafruit | 1294 | Any SD card will work |
| 50 Ohm BNC Bulkhead Jack (3/8" D-Hole) | L-com | BAC70A | Any BNC bulkhead will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 6 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 90184A120 | Any screws of this specification will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 2 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 91735A102 | Any screws of this specification will work |
| Nylon 100 Degree Flat Head Slotted Machine Screw, 4-40 Thread, 1" Length | McMaster-Carr | 90241A253 | Any screws of this specification will work |
| Nylon Hex Nut, 4-40 Thread Size | McMaster-Carr | 94812A200 | Any nut of this specification will work |
| 2 Pin JST M F Connector 200 mm 22AWG Wire Cable | NewEgg | 9SIA27C3FY2876 | Any 2 pin connector will work for this connection |
| Metal Pushbutton - Latching (16 mm, Red) | SparkFun | COM-11971 | Any push button or switch will work |
| Resistor Kit - 1/4 W | SparkFun | COM-10969 | Any 1/4 W resistors will work |
References
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