定量测量原位流动，使用一个自包含的水下测速仪（SCUVA）
2011年10月31日
此协议提供了有关如何使用一个自包含水下测速仪（SCUVA），这是量化原位动物产生的流动设计的说明。此外，这个协议解决了野战条件所带来的挑战，包括运营商的议案，预测动物的位置，方向和SCUVA。
以下实验的总体目标是测量自然场环境中由移动或静止物体引起的流体运动。这是通过使用水肺潜水来实现的，水肺潜水员在安全潜水范围内部署水肺。首先，潜水员识别并游向目标。
在将设备相对于目标对准并定位激光片后，潜水员照明并开始视频录制，以在潜水完成后随着时间的推移捕获连续的粒子场，以产生目标周围的速度场，下载并处理视频。获得分析结果。这显示了游泳动物运输液体后自然场环境中的流动。
与数字粒子图像、FLOS 对称性或 DPIV 等实验室测量技术相比，使用 scuba 的主要优势在于，您现在可以在自然场环境中测量流体的运动。它的作用是使我们能够回答海洋学和生物学领域中与动物游泳性能、捕食者、猎物相互作用和生态学有关的关键问题。该方法可用于测量游泳动物或珊瑚浆或底栖生物相互作用周围的流动。
它还可用于测量人造结构周围的流动。这种方法的视觉演示至关重要，因为现场测量很难学习，需要测量技术知识和夜间水肺潜水的舒适度。要开始此过程，请获取高清或 HD 录制磁带。
确保所有 S 潜水组件都有足够的电池电量并且运行正常。使用制造商提供的干净毛巾清洁 O 形圈凹槽和 O 形圈，将 O 形圈润滑脂均匀地涂抹在 O 形圈上，然后将它们更换到外壳凹槽中，以备使用。此外，清洁激光器和相机外壳孔，以防止激光片变形和相机外壳镜头上的痕迹。
接下来，将一次性纸质防潮条放入外壳中，准备进行压力测试。将空外壳放入装满水的浴缸中，检查 O 形圈密封件。应将加重物体放置在外壳顶部以将其浸入水中。
由于外壳在 5 到 10 分钟后排空时会漂浮，因此请从浴缸和毛巾中取出外壳。晾干外面。通过检查防潮条，检查外壳内部是否有水分。
外壳通过压力测试后，将潜水组件放入外壳内。将高强度放电灯罩安装到相机外壳上。确保灯的方向能够照亮摄像机和作员正前方的区域，但不要干扰保持对手柄的抓握和摄像机控件的作。
在弱光环境中，可以使用温度敏感的纸张来确定激光片的方向。当激光束相对于安装在激光外壳中的光学镜头正确对准时，激光镜头组合将产生垂直于相机外壳的垂直光片，使用潜水附件和刚性或可伸缩臂将激光外壳和相机外壳相互连接。确保外壳连接牢固，并且外壳不能相互旋转。
激光片保持垂直于相机视野的方向至关重要。由于当前水肺测量的能力，潜水只能在光线不足的地方或夜间进行，以防止自然光干扰激光。因此，建议在黄昏或更晚的时候下水。
入水前打开相机外壳。相机外壳具有内置电子湿度传感器，可在相机外壳受潮时提供视觉警告。传感器仅在相机防护罩开启时工作。
下一步是进入水中，按照书面方案中的说明开始设置设备和实验。设置设备后，通过在激光片中记录具有已知尺寸的物体来校准水肺潜水。潜水后，可以提取校准常数，以便在找到目标时将视场大小从像素单位转换为厘米。
需要确定环境整体流特性。如果存在，电流方向将决定设备和潜水员相对于目标的位置。在测量过程中，可以通过观察潜水员呼出的气泡并注意它们的横向运动来推断目标周围的整体流动方向。
也可以释放少量荧光染料来确定电流方向。由于潜水员产生的流量可能是 DPIV 测量误差的来源，因此潜水员不应位于目标位置的上游。激光片平行于电流方向，从而最大限度地延长粒子在激光片内的停留时间，从而最大限度地减少 DPIV 误差。
然后定位 S scuba 以照亮并记录目标周围的流体运动。当目标穿过摄像机的视野时开始录制，在视频录制期间避免旋转和平面外运动。关闭 scuba 的所有组件并将激光臂恢复到缩回位置后，将 scuba 从水中取出，将相机和激光外壳从臂上拆下。
干燥前，请用淡水冲洗或浸泡设备，以防止设备生锈。外壳干燥后，从外壳中取出组件，必要时充电并更换电池。对于另一次潜水，将摄像机连接到计算机并使用 HD 视频软件包从 HD 磁带中提取视频。
在视频提取之后，确定要转换为一系列图像以进行 DPIV 分析的视频范围。确保像素长宽比和提取的图像大小与 HD 视频设置相匹配。将这些图像从潜水前水肺校准导入 A-D-P-I-V 处理程序。
输入校准常数选择图像捕获参数，DPIV 软件包中会提示这些参数。然后从连续的粒子图像生成速度场。正确执行成像时，还可以应用其他后处理步骤，具体取决于测量的质量和类型。
目标周围的粒子图像应清晰易辨，如本 aurelia 周围的原位粒子场所示，结合 A-D-P-I-V 处理软件包，这里揭示了目标周围的流速场。速度场中的黄色矢量表示局部流速的大小和方向。如果收集到足够的视频来提供图像的时间序列，则还可以确定速度场的时间序列。
成像不当会导致 cju 粒子场不清晰。此处显示的是围绕 missi 的粒子场。红色箭头表示高反射率区域，这会导致图像饱和，从而难以区分粒子和目标。
另一个成像不当的例子是在这个粒子场中显而易见的，所以这里没有，红色箭头表示当流速没有以足够高的频率采样时产生的条纹区域。掌握此程序后，测量可以在一到两个小时内完成，具体取决于在执行此测量技术时的潜水持续时间，但是，保持适当的中性浮力并在入水前对当地潜水条件有足够的了解非常重要。不要忘记，使用激光是极其危险的，因此在使用此程序时应始终遵循适当的预防措施，例如激光的对准。
按照此过程，MATLAB 后处理可用于回答其他问题，例如能量性能和流速。
概述
本协议提供了使用自包含水下测速仪器（SCUVA）定量测量现场动物产生的流动的说明。它解决了现场条件带来的挑战，包括操作者的移动、预测动物位置和SCUVA的定位。
关键研究组成部分
科学领域
- 海洋学
- 生物学
- 流体动力学
背景
- 实验测量自然环境中由移动或静止物体引起的流体运动。
- 潜水员使用SCUVA捕捉水生动物周围的流体动力学。
- 该方法允许对捕食者-猎物互动和生态动态进行实时分析。
- 现场测量具有挑战性，需要特定的技术和对夜间潜水的熟悉度。
研究目的
- 测量游泳动物和珊瑚息肉周围的流体流动。
- 评估自然环境中的生态互动。
- 提高对动物游泳性能的理解。
使用的方法
- SCUVA组件的准备和压力测试。
- 在低光条件下校准仪器。
- 使用高清视频记录流体运动。
- 潜水后分析记录的视频以提取速度场。
主要结果
- 成功捕捉自然环境中的流体动力学。
- 分析揭示了游泳动物与周围环境之间的相互作用。
- 展示了SCUVA相对于传统实验室技术的优势。
结论
- SCUVA为研究现场流体动力学提供了可靠的方法。
- 现场测量增强了对生态和生物过程的理解。
- 未来的应用可能包括围绕人造结构的研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative in situ flow measurement addresses a critical gap in preclinical model validation by enabling direct observation of biomechanical interactions in native environments. This capability supports mechanistic de-risking of therapeutic hypotheses involving fluid dynamics, such as drug delivery in vascular or mucosal systems. The method enhances predictive confidence by bridging reductionist assays with physiologically relevant context.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving fluid-mediated target engagement in physiologically relevant contexts.
- Operational Value: Provides empirical data to clarify pathway mechanics under natural flow conditions, reducing reliance on surrogate endpoints.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, spatially resolved velocity fields for benchmarking in vitro flow-based assays.
- Operational Value: Supports assay standardization by defining physiologically relevant shear stress ranges for compound screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links in vitro findings to in vivo-like fluid dynamics, improving translational continuity for targets in luminal or vascular compartments.
- Operational Value: Informs preclinical model selection by identifying systems that recapitulate key biomechanical features of human physiology.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by providing biomechanical context early in target validation, informing assay design for screening, and supporting preclinical model selection through physiologically relevant flow characterization.
- Discovery Biology: Clarifies how fluid forces influence target accessibility and binding kinetics under native conditions.
- Screening: Defines biomechanical parameters for designing flow-based assays that mimic in vivo shear environments.
- Analytics: Delivers quantitative vector fields enabling statistical comparison of flow perturbations across experimental conditions.
- Translational Research: Supports continuity by aligning preclinical models with human-relevant fluid dynamics in target tissues.
- Enterprise Reuse: Represents a portable, diver-operated capability applicable across aquatic and fluidic model systems for repeated use in discovery campaigns.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in fluid-dependent biological processes through direct, quantitative flow visualization.
- Operational Value: Enables reproducible, field-deployable measurements with standardized calibration and post-processing workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by validating target engagement hypotheses under physiologically relevant mechanical conditions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of therapeutics targeting mechanosensitive pathways or fluid-dependent delivery systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in underwater videography, laser sheet alignment, and particle image velocimetry principles.
- Dependent on high-definition recording systems, laser optics, and synchronized imaging hardware for field deployment.
- Necessitates standardized protocols for diver positioning, environmental flow assessment, and apparatus orientation to minimize measurement artifacts.
- Adaptation to turbid or low-particulate environments may require supplemental seeding for reliable velocimetry.
- Limited to optically accessible, neutrally buoyant targets in aquatic or fluidic environments with sufficient suspended particles for tracking.
