ולמדוד באופן כמותי באתרו תזרימי באמצעות מנגנון עצמאי velocimetry תת (SCUVA)
31 באוקטובר 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 הכללית של הניסוי הבא היא למדוד את תנועת הנוזל המושרה על ידי גופים נעים או נייחים בסביבת שדה טבעית. דבר זה מושג באמצעות שימוש בציוד צלילה, המופעל על ידי צוללן בתוך גבולות צלילה בטוחים. ראשית, הצולל מזהה מטרה ושוחה אליה.
לאחר יישור המכשיר ביחס למטרה ומיקום דף הלייזר, הצולל מאיר את האזור ומתחיל בהקלטת וידאו כדי ללכוד שדות חלקיקים עוקבים לאורך זמן לאחר השלמת הצלילה. כדי להפיק שדות מהירות המקיפות מטרה, הסרטונים מורדים ומעובדים. תוצאות הניתוח המתקבלות מראות זרימות בסביבת שדה טבעית לאחר הובלת נוזלים על ידי בעלי חיים שוחים.
היתרון המרכזי בשימוש בצלילה (scuba) על פני טכניקות מדידה במעבדה, כגון דימות דיגיטלי של חלקיקים (digital particle image), סימטריה של FLOS או DPIV, הוא שניתן כעת למדוד תנועות של נוזלים בסביבת שטח טבעית. הדבר מאפשר לנו להשיב על שאלות מפתח בתחומי האוקיינוגרפיה והביולוגיה הנוגעות לביצועי שחייה של בעלי חיים, אינטראקציות בין טורפים לטרף ואקולוגיה. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי למדוד זרימה סביב בעלי חיים שוחים, פוליים של אלמוגים או אינטראקציות בבנטית.
ניתן להשתמש בשיטה זו גם למדידת זרימות סביב מבנים מעשה ידי אדם. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, שכן קשה ללמוד את המדידות בשטח, והן דורשות ידע בטכניקות מדידה ומיומנות בצלילה עם מיכל חמצן (scuba) בשעות הלילה. כדי להתחיל בהליך זה, השג סרט הקלטה ברזולוציית גבוהה (HD).
יש לוודא שכל רכיבי ה-S scuba בעלי הספק סוללה מספיק ושהם פועלים כראוי. הכינו את מארזי הלייזר והמצלמה לשימוש על ידי ניקוי חריצי אטמי ה-O-ring ואטמי ה-O-ring עצמם בעזרת מגבת נקייה או מטלית, מרחו באופן אחיד את גריז ה-O-ring המסופק על ידי היצרן על האטמים, והחזירו אותם לחריצי המארז. בנוסף, נקו את פתחי מארזי הלייזר והמצלמה כדי למנוע עיוות של דף הלייזר וסימנים על עדשת מארז המצלמה.
בשלב הבא, הכינו את הבדיקה לבדיקת לחץ על ידי הנחת רצועות נייר חד-פעמיות לבדיקת לחות בתוך התאים. בדקו את אטמי ה-O-ring על ידי הנחת התאים הריקים בתוך גיגית מלאה במים. יש להניח חפצים כבדים מעל התאים כדי לשקוע אותם במים.
מכיוון שהמארזים צפים כאשר הם ריקים לאחר חמש עד 10 דקות, הוציאו את המארזים מהגיגית וייבשו אותם במגבת. ייבשו את החלק החיצוני. בדקו אם נותרה לחות בתוך המארזים על ידי בדיקת פסי הלחות.
לאחר שמעטפות ההגנה עוברות את בדיקת הלחץ, הכניסו את רכיבי הצלילה לתוכן. חברו תאורת HID (פריקה בעוצמה גבוהה) למעטפת המצלמה. ודאו שהפנסי התאורה מכוונים כך שיאירו את האזור שמימין ומול המצלמה והמפעיל, אך לא יעכבו את האחיזה בידיות ואת התפעול של בקרת המצלמה.
בסביבה בעלת תאורה חלשה, ניתן להשתמש בדף נייר רגיש לטמפרטורה כדי לקבוע את כיוון לוח הלייזר. כאשר קרן הלייזר מיושרת כראוי ביחס לעדשה האופטית המותקנת במארז הלייזר, שילוב עדשת הלייזר ייצור לוח אור אנכי המכוון בניצב למארז המצלמה. באמצעות אביזרי צלילה וזרוע קשיחה או נשלחת, חברו את מארז הלייזר למארז המצלמה. ודאו שהמארזים מחוברים בחוזקה ושהם אינם יכולים להסתובב זה ביחס לזה.
קריטי שמישור הלייזר יישאר מכוון בניצב לשדה הראייה של המצלמה. בשל היכולות הנוכחיות של מדידות צלילה, ניתן לבצע צלילות רק באתרים עם תאורה נמוכה או בשעות הלילה, כדי למנוע הפרעה של אור טבעי לאור הלייזר. לכן, מומלץ להיכנס למים בשעת הדמדומים או מאוחר יותר.
הפעילו את מארז המצלמה לפני הכניסה למים. למארז המצלמה יש חיישן לחות אלקטרוני מובנה המספק התראות ויזואליות במקרה של חדירת לחות למארז המצלמה. החיישן פועל רק כאשר מארז המצלמה דולק.
השלב הבא הוא הכניסה למים ותחילת הגדרת הציוד והניסוי כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר הגדרת הציוד, יש לכייל את ה-scuba על ידי הקלטה של אובייקט בעל מימדים ידועים בתוך מישור הלייזר. לאחר הצלילה, ניתן להוציא קבוע כיול כדי להמיר את גודל שדה הראייה מיחידות של פיקסלים לסנטימטרים עם מציאת המטרה.
יש לקבוע את תכונות זרימת המסה הסביבתיות. במידה וקיים זרם, כיוונו יכתיב את מיקום המכשור והצולל ביחס למטרה. במהלך המדידות, ניתן להסיק את כיוון זרימת המסה סביב המטרה על ידי תצפית בבועות הנשלפות מהצולל והערכת תנועתן הצידית.
ניתן לשחרר כמות קטנה של צבע פלואורסצנטי כדי לקבוע את כיוון הזרם הנוכחי. מכיוון שזרימה הנובעת מהצולל עלולה להוות מקור לשגיאה במדידת DPIV, אין למקם את הצולל במעלה הזרם מהמיקום המיועד. יש להמקם את דף הלייזר במקביל לכיוון הזרם כדי למקסם את זמן השהייה של החלקיקים בתוך דף הלייזר, ובכך למזער שגיאות DPIV.
לאחר מכן, מקמו את ה-S scuba כדי להאיר ולהקליט את תנועות הנוזלים סביב מטרה. התחילו בהקלטה כאשר המטרה נעה בשדה הראייה של המצלמה; הימנעו מתנועות סיבוביות או תנועות מחוץ למישור במהלך הקלטת הווידאו. לאחר כיבוי כל רכיבי ה-scuba והחזרת זרוע הלייזר למצבה הגבוי, הוציאו את ה-scuba מהמים וניתקו את מארזי המצלמה והלייזר מהזרוע.
שטפו או השרו את המכשיר במים נקיים לפני הייבוש כדי למנוע חלודה. לאחר שייבוש המארזים, הוציאו את הרכיבים מהמארזים, טענו מחדש והחליפו סוללות במידת הצורך. לצורך צלילה נוספת, חברו את מצלמת הווידאו למחשב וחלצו את הסרטון מסרט ה-HD באמצעות חבילת תוכנה לווידאו HD.
לאחר חילוץ הווידאו, קבע את טווח הווידאו שיש להמיר לסדרת תמונות לצורך ניתוח DPIV. ודא כי יחסי ההיבט של הפיקסלים וגדלי התמונות שחולצו תואמים להגדרות וידאו HD. ייבא תמונות אלו לתוכנת העיבוד של A-D-P-I-V מכיול הצלילה המקדים.
הזינו את קבוע הכיול ובחרו את פרמטרי לכידת התמונה, כפי שנדרש על ידי חבילת התוכנה של ה-DPIV. לאחר מכן, צרו את שדות המהירות מתמונות רצופות של חלקיקים. ניתן להחיל שלבי עיבוד נתונים נוספים, בהתאם לאיכות ולסוגי המדידות, כאשר הצילום בוצע בצורה נכונה.
תמונות החלקיקים המקיפות את המטרה צריכות להיות חדות וקלות להבחנה, כפי שמוצג כאן בשדה חלקיקים in situ המקיף את aurelia בשילוב עם חבילת תוכנת העיבוד A-D-P-I-V, שבאמצעותה נחשפים כאן שדות המהירות של הזרימה המקיפה את המטרה. וקטורים צהובים בשדה המהירות מצביעים על הגודל והכיוון של מהירות הזרימה המקומית. אם נאסף וידאו מספיק כדי לספק סדרת תמונות של סדרת זמן, ניתן לקבוע גם סדרת זמן של שדות מהירות.
דימוי לא נכון עלול להוביל לשדות חלקיקים לא ברורים ב-cju. מוצג כאן שדה חלקיקים המקיף את missi. החץ האדום מצביע על אזור בעל רפלקטיביות גבוהה, הגורם לרוויה של התמונה, ובכך מקשה על ההבחנה בין החלקיקים לבין המטרה.
דוגמה נוספת לדימוי לקוי ניכרת בשדה חלקיקים זה; החץ האדום מצביע על אזור של מריחה (streaking) שנוצרת כאשר קצב הדגימה של קצב הזרימה אינו גבוה מספיק. לאחר השליטה בפרוצדורה זו, ניתן להשלים את המדידות תוך שעה עד שעתיים, תלוי במשך הצלילה בעת ביצוע טכניקת מדידה זו; עם זאת, חשוב מאוד לשמור על ציפה ניטרלית תקינה וכן להחזיק בידע מספיק על תנאי הצלילה המקומיים לפני הכניסה למים. זכרו שעבודה עם לייזרים היא מסוכנת ביותר, לכן יש להקפיד תמיד על אמצעי הזהירות המתאימים, כגון כיול הדיוק (alignment) של הלייזר, בעת עבודה לפי פרוצדורה זו.
בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בעיבוד נתונים לאחר הבדיקה ב-MATLAB כדי לענות על שאלות נוספות, כגון ביצועי אנרגיה וספיקות זרימה.
סקירה כללית
פרוטוקול זה מספק הנחיות לשימוש במכשיר מדידת מהירות זרימה תת-מימי עצמאי (SCUVA) לצורך כימות זרימות הנוצרות על ידי בעלי חיים במצבם הטבעי (in situ). הפרוטוקול עוסק באתגרים המוצבים על ידי תנאי השטח, כולל תנועת המפעיל, חיזוי מיקומי בעלי החיים והכוונת ה-SCUVA.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- אוקיינוגרפיה
- ביולוגיה
- דינמיקה של נוזלים
רקע
- הניסוי מודד תנועת נוזלים המושרית על ידי גופים נעים או נייחים בסביבות טבעיות.
- צוללנים פורסים את ה-SCUVA כדי ללכוד את הדינמיקה של הנוזלים סביב בעלי חיים מימיים.
- שיטה זו מאפשרת ניתוח בזמן אמת של אינטראקציות בין טורף לטרף ושל דינמיקה אקולוגית.
- מדידות שטח הן מאתגרות ודורשות טכניקות ספציפיות ומיומנות בצלילה לילית.
מטרת המחקר
- למדידת זרימת נוזלים סביב בעלי חיים שוחים ופוליפים של אלמוגים.
- להערכת אינטראקציות אקולוגיות בסביבות טבעיות.
- לשיפור ההבנה של ביצועי השחייה של בעלי חיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנה של רכיבי ה-SCUVA ובדיקת לחצים.
- כיול של המכשיר בתנאי תאורה נמוכים.
- הקלטה של תנועות נוזלים באמצעות וידאו ברזולוציה גבוהה.
- ניתוח של הסרטונים שהוקלטו לאחר הצלילה להפקת שדה מהירויות.
תוצאות עיקריות
- לכידה מוצלחת של דינמיקת נוזלים בסביבת שטח טבעית.
- הניתוח חושף אינטראקציות בין בעלי חיים שוחים לבין סביבתם.
- הדגמת יתרונות של SCUVA על פני טכניקות מעבדה מסורתיות.
מסקנות
- SCUVA מספקת שיטה מהימנה לחקר דינמיקה של נוזלים in situ.
- מדידות שטח משפרות את ההבנה של תהליכים אקולוגיים וביולוגיים.
- יישומים עתידיים עשויים לכלול מחקרים סביב מבנים מעשה ידי אדם.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידת זרימה כמותית in situ נותנת מענה לפער קריטי בתיקוף של מודלים פרה-קליניים, על ידי כך שהיא מאפשרת תצפית ישירה על אינטראקציות ביו-מכניות בסביבות טבעיות. יכולת זו תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים של היפותזות טיפוליות הכוללות דינמיקה של נוזלים, כגון הובלת תרופות במערכות וסקולריות או ריריות. השיטה מגבירה את רמת הביטחון החזויה על ידי גישור בין בדיקות רדוקציוניסטיות להקשר רלוונטי פיזיולוגית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הכוללות מעורבות של מטרה המתווכת על ידי נוזלים בהקשרים רלוונטיים פיזיולוגית.
- ערך תפעולי: מספק נתונים אמפיריים להבהרת מכניקת המסלול בתנאי זרימה טבעיים, ובכך מפחית את ההסתמכות על מדדי קצה חלופיים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: יוצר שדות מהירות כמותיים בעלי רזולוציה מרחבית לצורך ביסוס (benchmarking) של בדיקות מבוססות זרימה in vitro.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של בדיקות על ידי הגדרת טווחים של מאמץ גזירה רלוונטיים פיזיולוגית לסריקת תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר ממצאים in vitro לדינמיקה של זרימה דמוית in vivo, ובכך משפר את הרציפות התרגומית עבור מטרות במדורים לומנליים או וסקולריים.
- ערך תפעולי: מסייע בבחירת מודלים פרה-קליניים על ידי זיהוי מערכות המשחזרות מאפיינים ביו-מכניים מרכזיים של הפיזיולוגיה האנושית.
שילוב של תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי אספקת הקשר ביו-מכני בשלב מוקדם של תיקוף המטרה, מתן מידע לתכנון בדיקות לסריקה, ותמיכה בבחירת מודלים פרה-קליניים באמצעות אפיון זרימה רלוונטי פיזיולוגית.
- ביולוגיה של גילוי: מבהירה כיצד כוחות נוזליים משפיעים על נגישות המטרה וקינטיקת קישור בתנאים טבעיים.
- סריקה: מגדירה פרמטרים ביו-מכניים לתכנון בדיקות מבוססות זרימה המדמות סביבות גזירה in vivo.
- אנליטיקה: מספקת שדות וקטורים כמותיים המאפשרים השוואה סטטיסטית של הפרעות זרימה בין תנאים ניסיוניים.
- מחקר תרגומי: תומכת בהמשכיות על ידי התאמת מודלים פרה-קליניים לדינמיקה של נוזלים הרלוונטית לבני אדם ברקמות המטרה.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצגת יכולת ניידת, המופעלת על ידי צולל, שניתן להחיל על מערכות מודל מימיות ונוזליות לשימוש חוזר בקמפיינים של גילוי.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בתהליכים ביולוגיים התלויים בזרימה באמצעות ויזואליזציה ישירה וכמותית של הזרימה.
- ערך תפעולי: מאפשר מדידות הניתנות לשחזור ופריסה בשטח עם תהליכי כיול ועיבוד נתונים סטנדרטיים.
- ערך אסטרטגי: משפר קבלת החלטות מסוג go/no-go באמצעות תיקוף היפותזות של מעורבות מטרה (target engagement) תחת תנאים מכניים רלוונטיים פיזיולוגית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים של טיפולים המכוונים למסלולים רגישים למכניקה או למערכות הולכה התלויות בזרימה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בצילום וידאו תת-מימי, יישור גיליון לייזר ועקרונות של ולוצימטריה של תמונות חלקיקים (particle image velocimetry).
- תלוי במערכות הקלטה ברזולוציה גבוהה, אופטיקת לייזר וחומרת הדמיה מסונכרנת לפריסה בשטח.
- מחייב פרוטוקולים סטנדרטיים למיקום הצולל, הערכת זרימה סביבתית וכיוון המכשיר כדי לצמצם ארטיפקטים של מדידה.
- הסתגלות לסביבות עכורות או לסביבות עם ריכוז נמוך של חלקיקים עשויה לדרוש זריעה משלימה לצורך ולוצימטריה מהימנה.
- מוגבל למטרות עם נראות אופטית וציפה ניטרלית בסביבות מימיות או נוזליות עם מספיק חלקיקים תלויים למעקב.
