ולמדוד באופן כמותי באתרו תזרימי באמצעות מנגנון עצמאי velocimetry תת (SCUVA)
October 31st, 2011
פרוטוקול זה מספק הוראות על אופן השימוש מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), אשר מיועד כימות של בעלי חיים שנוצר זורם באתרה. בנוסף, פרוטוקול זה כתובות האתגרים שמציב בתנאי שדה, וכולל תנועה המפעיל, עמדה בחיזוי של בעלי חיים, והכיוון של SCUVA.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא למדוד את תנועת הנוזל הנגרמת על ידי תנועה או על ידי גופים נייחים בסביבת שדה טבעי. זה מושג על ידי שימוש בצלילה, שנפרסת על ידי צולל בגבולות צלילה בטוחים. ראשית, הצולל מזהה ושוחה למטרה.
לאחר יישור המנגנון ביחס למטרה ומיקום יריעת הלייזר, הצולל מאיר ומתחיל להקליט וידאו כדי ללכוד שדות חלקיקים עוקבים לאורך זמן לאחר השלמת הצלילה, על מנת להניב שדות מהירות המקיפים את המטרה, הסרטונים מורידים ומעובדים. תוצאות הניתוח מתקבלות. המופע הזה זורם בסביבת השדה הטבעי לאחר הובלת נוזלים על ידי בעלי חיים שוחים.
היתרון העיקרי של שימוש בצלילה על פני טכניקות מדידה במעבדה כמו תמונת חלקיקים דיגיטלית, סימטריית FLOS או DPIV, הוא שכעת ניתן למדוד תנועות של נוזל בסביבת שדה טבעי. ומה שזה עושה זה מאפשר לנו לענות על שאלות מפתח בתחומי האוקיינוגרפיה והביולוגיה שקשורות לביצועי שחייה של בעלי חיים, טורפים, אינטראקציות עם טרף ואקולוגיה. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי למדוד זרימה סביב חיות שוחות או עיסת אלמוגים או אינטראקציות בנטיות.
זה יכול לשמש גם למדידת זרימות סביב מבנים מעשה ידי אדם. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שמדידות השטח קשות ללמידה, ודורשות ידע בטכניקות מדידה ונוחות בצלילה לילית. כדי להתחיל בהליך זה, השג קלטת הקלטה בחדות גבוהה או HD.
ודא שלכל רכיבי ה-S scuba יש מספיק כוח סוללה והם מתפקדים כראוי. הכן את בתי הלייזר והמצלמה לשימוש על ידי ניקוי חריצי טבעת ה-O וטבעות ה-O עם המגבת הנקייה או לנגב את יצרן ה-O-rings שסיפק שומן טבעות O באופן שווה על טבעות ה-O והחלף אותם בחריצי הדיור. בנוסף, נקה את פתחי הלייזר ובית המצלמה כדי למנוע עיוות יריעות לייזר וסימנים על עדשת בית המצלמה.
לאחר מכן, התכוננו לבדיקת לחץ על ידי הנחת רצועות לחות נייר חד פעמיות לתוך הבתים. בדוק את אטמי טבעת ה-O על ידי הנחת המארזים הריקים באמבטיה מלאה במים. יש להניח חפצים משוקללים על גבי הבתים כדי להטביע אותם.
מכיוון שהבתים צפים כשהם ריקים לאחר חמש עד 10 דקות, הסר את הבתים מהאמבטיה והמגבת. יבש את החלק החיצוני. בדוק אם יש לחות בתוך הבתים על ידי בדיקת רצועות הלחות.
לאחר שהבתים עוברים את מבחן הלחץ, הנח רכיבי צלילה בתוך הבתים. חבר תרמילי אור פריקה בעוצמה גבוהה לבית המצלמה. ודא שהאורות מכוונים בצורה כזו שהם מאירים את האזור ישירות לפני המצלמה והמפעיל, אך אינם מפריעים לשמירה על אחיזה בידיות ולתפעול פקדי המצלמה.
בסביבה עם תאורה חלשה, ניתן להשתמש בגיליון נייר רגיש לטמפרטורה כדי לקבוע את כיוון גיליון הלייזר. כאשר קרן הלייזר מיושרת כראוי ביחס לעדשה האופטית המותקנת בבית הלייזר, שילוב עדשות הלייזר ייצור יריעת אור אנכית המכוונת בניצב לבית המצלמה, באמצעות חיבורי צלילה והזרוע הנוקשה או הניתנת להרחבה, לחבר את בית הלייזר ואת בית המצלמה זה לזה. ודא שהבתים מחוברים היטב ושהבתים אינם יכולים להסתובב זה ביחס לזה.
זה קריטי שיריעת הלייזר תישאר מכוונת בניצב לשדה הראייה של המצלמה. בשל היכולות הנוכחיות של מדידת צלילה, ניתן לבצע צלילות רק במקומות עם תאורה חלשה או בשעות הלילה כדי למנוע הפרעה של אור טבעי לאור הלייזר. לכן, מומלץ להיות בין ערביים או מאוחר יותר לפני הכניסה למים.
הפעל את בית המצלמה לפני הכניסה למים. לבית המצלמה חיישן לחות אלקטרוני מובנה המספק אזהרות חזותיות במקרה של לחות בבית המצלמה. החיישן פועל רק כאשר בית המצלמה פועל.
השלב הבא הוא להיכנס למים ולהתחיל בהקמת הציוד והניסוי כמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר הגדרת הציוד, כייל את הצלילה על ידי רישום אובייקט בעל ממדים ידועים ביריעת הלייזר. לאחר הצלילה, ניתן לחלץ קבוע כיול כדי להמיר את גודל שדה הראייה מיחידות פיקסלים לסנטימטרים עם מציאת מטרה.
יש לקבוע את מאפייני הזרימה בתפזורת הסביבתית. אם קיים, הכיוון הנוכחי יכתיב את מיקום המנגנון והצוללן ביחס למטרה. במהלך המדידות, ניתן להסיק את כיוון זרימת התפזורת המקיפה את המטרה על ידי התבוננות בבועות הנפלטות מהצולל וציון תנועתן לרוחב.
ניתןגם לשחרר כמות קטנה של צבע פלואורסצנטי כדי לקבוע את כיוון הזרם. מכיוון שזרימה שנוצרה על ידי צוללן יכולה להוות מקור לשגיאת מדידת DPIV, אין למקם את הצולל במעלה הזרם של מיקום היעד. יריעת הלייזר מקבילה לכיוון הזרם כדי למקסם את זמן השהייה של החלקיקים בתוך יריעת הלייזר, ובכך למזער שגיאות DPIV.
לאחר מכן מקם את S scuba כדי להאיר ולהקליט את תנועות הנוזל המקיפות את המטרה. התחל להקליט כאשר המטרה נעה בשדה הראייה של המצלמה, הימנע מתנועות סיבוביות ומחוץ למישור במהלך הקלטת וידאו. לאחר כיבוי כל מרכיבי הצלילה והחזרת זרוע הלייזר למקומה הנסוג, הסר את הצלילה מהמים, נתק את המצלמה ובתי הלייזר מהזרוע.
שטפו או השרו את המכשיר במים מתוקים לפני הייבוש כדי למנוע חלודה של המכשיר. לאחר ייבוש הבתים, הסר רכיבים מהבתים, טען והחלף סוללות במידת הצורך. לצלילה נוספת, חבר את מצלמת הווידאו למחשב וחלץ וידאו מקלטת ה- HD באמצעות חבילת תוכנת וידאו HD.
לאחר חילוץ הווידאו, קבע את טווח הווידאו שיש להמיר לסדרת תמונות לניתוח DPIV. ודאו שיחסי הגודל של הפיקסלים וגדלי התמונה שחולצו תואמים לקביעות הווידאו באיכות HD. ייבא תמונות אלה לתוכנית העיבוד A-D-P-I-V מכיול הצלילה לפני הצלילה.
הזן את קבוע הכיול בחר פרמטרים ללכידת תמונה, המתבקשים מחבילת התוכנה DPIV. לאחר מכן צור את שדות המהירות מתמונות חלקיקים עוקבות. ניתן ליישם שלבי עיבוד נוספים, בהתאם לאיכות וסוגי המדידות, כאשר ההדמיה מתבצעת כהלכה.
תמונות החלקיקים המקיפות את המטרה צריכות להיות חדות וקלות להבחנה כפי שמוצג בשדה החלקיקים המקיף את האאורליה בשילוב עם חבילת תוכנת העיבוד A-D-P-I-V, שדות הזרימה המקיפים את המטרה נחשפים כאן. וקטורים צהובים בשדה המהירות מציינים את הגודל והכיוון של מהירות הזרימה המקומית. אם נאסף מספיק וידאו כדי לספק סדרת זמן של תמונות, ניתן לקבוע גם סדרת זמן של שדות מהירות.
הדמיה לא נכונה עלולה לגרום לאי בהירות בשדות חלקיקי cju. מוצג כאן שדה חלקיקים המקיף את מיסי. החץ האדום מציין אזור של רפלקטיביות גבוהה, מה שמביא לרוויה של התמונה, מה שמקשה על ההבחנה בין חלקיקים למטרה.
דוגמה נוספת להדמיה לא נכונה ניכרת בשדה החלקיקים הזה המקיף את החץ האדום כך שהחץ האדום מציין אזור של פסים שנוצר כאשר קצב הזרימה אינו נדגם בתדירות גבוהה מספיק. עם שליטה בהליך זה, ניתן להשלים את המדידות בין שעה לשעתיים, תלוי במשך הצלילה בזמן ביצוע טכניקת מדידה זו, עם זאת, חשוב מאוד לשמור על ציפה ניטרלית תקינה וגם להיות בעל ידע מספיק על תנאי הצלילה המקומיים לפני הכניסה למים. אל תשכח שעבודה עם לייזרים היא מסוכנת ביותר, ולכן יש להקפיד תמיד על אמצעי הזהירות המתאימים, כגון יישור הלייזר בעת עבודה עם הליך זה.
בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בעיבוד לאחר MATLAB כדי לענות על שאלות נוספות כגון ביצועי אנרגטיקה וקצבי זרימה.
סקירה
פרוטוקול זה מספק הוראות לשימוש במנגנון מדידת מהירות תת-מימי עצמאי (SCUVA) להערכת זרימת נוזלים הנוצרת על-ידי בעלי חיים בסביבתם הטבעית. הוא מתייחס לאתגרים המוצבים על ידי תנאי שטח וכולל תנועת מפעיל, חיזוי מיקומי בעלי חיים, וכיוון של SCUVA.
מרכיבי המחקר העיקריים
תחום המדע
- אוקיינגרפיה
- ביולוגיה
- דינמיקת זורמים
רקע
- הניסוי מודד את תנועת הנוזלים הנגרמת על-ידי גופים נעים או נייחים בסביבות טבעיות.
- צוללני סקובה מפרסים את SCUVA כדי ללכוד את דינמיקת הזורמים סביב בעלי חיים ימיים.
- שיטה זו מאפשרת ניתוח בזמן אמת של אינטראקציות טורף-טרף ודינמיקה אקולוגית.
- מדידות שטח מאתגרות ודורשות טכניקות ספציפיות ונוחות בצלילה בשעות הלילה.
מטרת המחקר
- למדוד את זרימת הנוזלים סביב בעלי חיים שחיינים ופוליפים של אלמוגים.
- להעריך אינטראקציות אקולוגיות בסביבות טבעיות.
- לשפר את ההבנה של ביצועי השחייה של בעלי חיים.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הכנת רכיבי SCUVA ובדיקת לחץ.
- כיול המנגנון בתנאי תאורה נמוכה.
- הקלטת תנועות נוזלים באמצעות וידאו בהפרדה גבוהה.
- ניתוח לאחר הצלילה של הסרטונים שהוקלטו להפקת שדה מהירות.
תוצאות עיקריות
- לכידה מוצלחת של דינמיקת זורמים בסביבת שדה טבעית.
- ניתוח חושף אינטראקציות בין בעלי חיים שחיינים לבין סביבתם.
- הוכחת היתרונות של SCUVA על פני טכניקות מעבדה מסורתיות.
מסקנות
- SCUVA מספק שיטה אמינה לחקר דינמיקת זורמים באתר.
- מדידות שטח משפרות את ההבנה של תהליכים אקולוגיים וביולוגיים.
- יישומים עתידיים עשויים לכלול מחקרים סביב מבנים מעשה ידי אדם.
שאלות נפוצות
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.
