定量的に測定その場で自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を使用してフロー
October 31st, 2011
このプロトコルは、その場動物によって生成されたフローでの定量化のために設計されている自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を、使用する方法について説明します。さらに、このプロトコルは、フィールドの条件によってもたらされる課題に対処し、そして動物の位置、およびSCUVAの方向を予測する、演算子の動きが含まれています。
次の実験の全体的な目標は、自然界の環境において、移動体または静止体によって誘発される流体の運動を測定することです。これは、スキューバダイビングが安全なダイビング制限内でスキューバダイバーによって展開されることによって達成されます。まず、ダイバーはターゲットを特定し、泳いで行きます。
装置をターゲットに対して位置合わせし、レーザーシートを配置した後、ダイバーは照らしてビデオ録画を開始し、潜水完了後に連続した粒子フィールドをキャプチャします。ターゲットを囲む速度フィールドを生成するために、ビデオがダウンロードされ、処理されます。解析結果が得られます。それは、遊泳動物による流体輸送後の自然野外環境の流れを示しています。
デジタル粒子画像、FLOS対称性、DPIVなどの実験室での測定技術よりもスキューバダイビングを使用する主な利点は、自然フィールド環境で流体の動きを測定できるようになったことです。これにより、動物の遊泳パフォーマンス、捕食者、被食者の相互作用、生態学に関連する海洋学と生物学の分野における重要な質問に答えることができます。この方法は、泳いでいる動物やサンゴの果肉、または底生生物の相互作用の周りの流れを測定するために使用できます。
また、人工構造物の周りの流れを測定するためにも使用できます。フィールド測定は習得が難しく、測定技術の知識と夜間のスキューバダイビングの快適さが必要なため、この方法を視覚的にデモンストレーションすることが重要です。この手順を開始するには、高解像度またはHD記録テープを入手してください。
すべてのSスキューバコンポーネントに十分なバッテリー電力があり、正しく機能していることを確認します。レーザーとカメラのハウジングを準備するには、Oリングの溝とOリングを清潔なタオルで清掃するか、メーカーが提供するワイプスプレッドのOリンググリースをOリングに均等に塗り、ハウジングの溝に交換します。また、レーザーシートの変形やカメラハウジングレンズの跡を防ぐために、レーザーとカメラハウジングの開口部を清掃してください。
次に、使い捨ての紙製水分ストリップをハウジングに配置して、圧力テストの準備をします。空のハウジングを水で満たされた浴槽に置いて、Oリングシールを確認します。ウェイト付きのオブジェクトは、ハウジングを水没させるためにハウジングの上に置く必要があります。
5〜10分後に空になるとハウジングが浮くので、浴槽とタオルからハウジングを取り外します。外側を乾かします。モイスチャーストリップを点検して、ハウジング内に湿気がないか確認してください。
ハウジングが圧力試験に合格したら、ハウジング内にスキューバ部品を配置します。高輝度放電ライトポッドをカメラハウジングに取り付けます。ライトがカメラとオペレーターの真正面の領域を照らすように向きを変え、ハンドルのグリップの維持とカメラコントロールの操作を妨げないようにしてください。
暗い環境では、温度に敏感な紙を使用してレーザーシートの向きを決定できます。レーザービームがレーザーハウジングに取り付けられた光学レンズに対して適切に位置合わせされている場合、レーザーレンズの組み合わせは、スキューバアタッチメントと剛性または拡張可能なアームを使用して、カメラハウジングに対して垂直に向き合った垂直の光シートを作成し、レーザーハウジングとカメラハウジングを相互に接続します。ハウジングがしっかりと取り付けられていること、およびハウジングが互いに回転しないようにします。
レーザーシートは、カメラの視野に対して垂直に向きを保つことが重要です。現在のスキューバダイビング測定の能力により、ダイビングはレーザー光との自然光の干渉を防ぐために、暗い場所または夜間にのみ行うことができます。したがって、水に入る前に夕暮れ以降になることをお勧めします。
水に入る前にカメラのハウジングの電源を入れてください。カメラハウジングには、カメラハウジングに湿気がある場合に視覚的な警告を提供する電子水分センサーが組み込まれています。センサーは、カメラハウジングがオンの場合にのみ機能します。
次のステップは、水に入り、書面によるプロトコルに記載されているように、機器のセットアップと実験を開始することです。機器をセットアップしたら、レーザーシートに既知の寸法のオブジェクトを記録してスキューバダイビングを校正します。潜水後、キャリブレーション定数を抽出して、ターゲットを見つけたときに視野サイズをピクセル単位からセンチメートルに変換できます。
環境バルクフロー特性を決定する必要があります。存在する場合、現在の方向によって、ターゲットに対する装置とダイバーの相対的な位置が決まります。測定中、ダイバーから吐き出される泡を観察し、その横方向の動きに注意することで、ターゲットを取り巻くバルクフローの方向を推測できます。
また、電流の方向を決定するために、少量の蛍光色素を放出することもできます。ダイバーが生成した流れはDPIV測定誤差の原因となる可能性があるため、ダイバーを目標位置の上流に配置しないでください。レーザーシートを電流の方向に平行にすることで、レーザーシート内の粒子の滞留時間を最大化し、DPIVエラーを最小限に抑えます。
次に、Sスキューバ弾を配置して、ターゲットの周囲の流体の動きを照らして記録します。ターゲットがカメラの視野内を移動すると録画を開始し、ビデオ録画中は回転や平面外の動きを控えます。スキューバのすべてのコンポーネントをオフにし、レーザーアームを格納位置に戻した後、スキューバを水から取り外し、カメラとレーザーハウジングをアームから取り外します。
装置の錆びを防ぐために、乾燥する前に装置をすすぐか真水に浸してください。ハウジングが乾いたら、ハウジングからコンポーネントを取り外し、必要に応じてバッテリーを再充電して交換します。別のダイビングでは、ビデオカメラをコンピューターに接続し、HDビデオソフトウェアパッケージを使用してHDテープからビデオを抽出します。
ビデオ抽出に続いて、DPIV 分析のために一連の画像に変換するビデオの範囲を決定します。ピクセルのアスペクト比と抽出された画像サイズがHDビデオの設定と一致していることを確認します。これらの画像をダイビング前のスキューバキャリブレーションからA-D-P-I-V処理プログラムにインポートします。
キャリブレーション定数を入力して、DPIVソフトウェアパッケージからプロンプトが表示される画像キャプチャパラメータを選択します。次に、連続するパーティクル画像から速度フィールドを生成します。測定の品質と種類に応じて、イメージングが正しく実行されている場合、追加の後処理ステップも適用できます。
ターゲットを取り巻く粒子画像は、A-D-P-I-V処理ソフトウェアパッケージと組み合わせてアウレリアを囲むこのin situ粒子フィールドに示すように、シャープで区別しやすいはずです。速度フィールドの黄色のベクトルは、ローカル流速の大きさと方向を示します。画像の時系列を提供するのに十分なビデオが収集される場合、速度場の時系列も決定できます。
不適切なイメージングは、cju粒子場で不鮮明になる可能性があります。ここに示されているのは、missiを囲む粒子フィールドです。赤い矢印は反射率の高い領域を示しており、その結果、画像が飽和状態になり、粒子とターゲットの区別が難しくなります。
不適切なイメージングの別の例は、この粒子フィールドの周囲に明らかなので、ここでは見逃していますが、赤い矢印は、流量が十分に高い周波数でサンプリングされていない場合に生じるストリーキングの領域を示しています。この手順をマスターすると、この測定技術を行っている間、ダイビング時間にもよりますが、測定は1時間から2時間で完了することができますが、適切な中性浮力を維持し、水に入る前に地元のダイビング条件について十分な知識を持つことが非常に重要です。レーザーでの作業は非常に危険であるため、この手順で作業するときは、レーザーの位置合わせなどの適切な予防措置を常に守る必要があることを忘れないでください。
この手順に従うと、MATLAB の後処理を使用して、エネルギー性能や流量などの追加の質問に答えることができます。
概要
このプロトコルは、自立型水中測速装置（SCUVA）を使用して、生物の生成する流れを現場で定量化するための指示を提供します。フィールド条件による課題に対処し、操作者の動き、動物の位置の予測、SCUVAの向きが含まれています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 海洋学
- 生物学
- 流体力学
背景
- この実験は、自然環境で動くまたは静止する物体によって引き起こされる流体の動きを測定します。
- スキューバダイバーは、水生動物の周りの流体力学を捉えるためにSCUVAを展開します。
- この方法により、捕食者と獲物の相互作用や生態学的ダイナミクスのリアルタイム分析が可能になります。
- フィールド測定は困難で、特定の技術と夜間ダイビングに慣れることが必要です。
研究の目的
- 泳ぐ動物やサンゴのポリプの周りの流れを測定すること。
- 自然環境における生態学的相互作用を評価すること。
- 動物の泳ぐ性能の理解を向上させること。
使用される方法
- SCUVA構成要素の準備と圧力テスト。
- 低光条件下での装置の校正。
- 高解像度ビデオを使用した流体の動きの記録。
- 流速場の抽出のための記録されたビデオのダイブ後の分析。
主な結果
- 自然なフィールド環境での流体力学の成功的な捉え。
- 分析により、泳ぐ動物とその環境との相互作用が明らかになりました。
- 従来の実験室技術に比べてSCUVAの利点が実証されました。
結論
- SCUVAは、現場で流体力学を研究するための信頼できる方法を提供します。
- フィールド測定は、生態学的および生物学的プロセスの理解を深めます。
- 将来の応用には、人工構造物周辺の研究が含まれる可能性があります。
よくある質問
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.
