Kwantitatief meten In situ Stromen met behulp van een self-contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)
October 31st, 2011
Dit protocol bevat instructies over hoe je een self-contained onder water velocimetry apparaten (SCUVA), die is ontworpen voor de kwantificering van de in situ dieren gegenereerde stroom te gebruiken. Daarnaast, dit protocol adressen uitdagingen van de veldomstandigheden, en omvat operator beweging, voorspellen positie van het dier, en oriëntatie van SCUVA.
Het algemene doel van het volgende experiment is om de beweging van vloeistoffen te meten die wordt veroorzaakt door bewegende of stationaire lichamen in een natuurlijke omgeving. Dit wordt bereikt door het gebruik van scuba, die door een scubaduiker binnen veilige duiklimieten wordt ingezet. Eerst identificeert de duiker een doelwit en zwemt ernaartoe.
Na het uitlijnen van de apparaat ten opzichte van het doelwit en het positioneren van de lasersheet, verlicht de duiker en begint met video-opnames om opeenvolgende deeltjesvelden in de tijd vast te leggen na voltooiing van de duik, om snelheidsvelden rond een doelwit te verkrijgen. De video's worden gedownload en verwerkt. Resultaten van de analyse worden verkregen. Die tonen stromingen in de natuurlijke omgeving na vloeistoftransport door zwemmende dieren.
Het belangrijkste voordeel van het gebruik van scuba boven laboratoriummeettechnieken zoals digitale deeltjesbeeldvorming, FLOS symmetrie of DPIV, is dat je nu de bewegingen van vloeistoffen in een natuurlijke omgeving kunt meten. En wat dit doet, is ons in staat stellen om belangrijke vragen te beantwoorden op het gebied van oceanografie en biologie met betrekking tot de zwemprestaties van dieren, predator-, prooidiereninteracties en ecologie. Deze methode kan worden gebruikt om de stroming rond zwemmende dieren of koraalpulps of benthische interacties te meten.
Het kan ook worden gebruikt om stromingen rond door de mens gemaakte structuren te meten. Visuele demonstratie van deze methode is van cruciaal belang, omdat de veldmetingen moeilijk te leren zijn en kennis van meettechnieken en comfort met nachtduiken met scuba vereisen. Om deze procedure te starten, verkrijg een opnameband van hoge definitie of HD.
Zorg ervoor dat alle S scuba-componenten voldoende batterijvermogen hebben en goed functioneren. Bereid de laser- en camerabehuizingen voor op gebruik door de O-ringsleuven en O-ringen te reinigen met de schone handdoek of veeg de fabrikant verspreide O-ringsmeervet gelijkmatig op de O-ringen en plaats ze terug in de behuizingsleuven. Reinig bovendien de laser- en camerabehuizingsopeningen om vervorming van de lasersheet en merken op de lens van de camerabehuizing te voorkomen.
Bereid vervolgens een druktest voor door wegwerppapieren vochstrips in de behuizingen te plaatsen. Controleer de O-ringverbindingen door de lege behuizingen in een volle bak met water te plaatsen. Er moeten gewogen objecten op de behuizingen worden geplaatst om ze onder te dompelen.
Omdat de behuizingen leeg blijven drijven na vijf tot 10 minuten, verwijder de behuizingen uit de bak en het handdoek. Droog de buitenkant. Controleer of er vocht in de behuizingen aanwezig is door de vochtrips te inspecteren.
Zodra de behuizingen de druktest doorstaan, plaatst u de scuba-componenten in de behuizingen. Bevestig hoge intensiteits ontladingslichtunits aan de camerabehuizing. Zorg ervoor dat de lichten zo zijn georiënteerd dat ze het gebied direct voor de camera en de operator verlichten, maar geen invloed hebben op het handhaven van de grip op handvatten en de bediening van camerabedieningen.
In een omgeving met weinig licht kan een temperatuurgevoelige papieren sheet worden gebruikt om de oriëntatie van de lasersheet te bepalen. Wanneer de laserstraal correct is uitgelijnd ten opzichte van de optische lens die in de laserbehuizing is geïnstalleerd, zal de laserlenscombinatie een verticale lichtsheet creëren die loodrecht staat op de camerabehuizing. Gebruik scuba-aansluitingen en de stijve of uitbreidbare arm om de laserbehuizing en de camerabehuizing met elkaar te verbinden. Zorg ervoor dat de behuizingen stevig zijn bevestigd en dat de behuizingen niet ten opzichte van elkaar kunnen draaien.
Het is van cruciaal belang dat de lasersheet loodrecht blijft staan ten opzichte van het gezichtsveld van de camera. Vanwege de huidige mogelijkheden van scuba-meting, kunnen duiken alleen worden uitgevoerd op locaties met weinig licht of 's nachts om interferentie van natuurlijk licht met laserlicht te voorkomen. Daarom wordt aanbevolen om het schemeruur of later te zijn voordat u het water in gaat.
Zet de camerabehuizing aan voordat u het water ingaat. De camerabehuizing heeft een ingebouwde elektronische vochtsensor die visuele waarschuwingen geeft in geval van vocht in de camerabehuizing. De sensor werkt alleen wanneer de camerabehuizing is ingeschakeld.
De volgende stap is om het water in te gaan en de apparatuur en het experiment op te zetten zoals beschreven in het schriftelijke protocol. Nadat de apparatuur is ingesteld, kalibreert u scuba door een object met bekende afmetingen in de lasersheet op te nemen. Na de duik kan een kalibratieconstante worden geëxtraheerd om de grootte van het gezichtsveld om te zetten van eenheden pixels naar centimeters bij het vinden van een doelwit.
De bulkstroomeigenschappen van de omgeving moeten worden bepaald. Als deze aanwezig is, zal de huidige richting de positionering van het apparaat en de duiker ten opzichte van het doelwit bepalen. Tijdens metingen kan de richting van de bulkstroom rond het doelwit worden afgeleid door bubbels die door de duiker worden uitgeademd te observeren en hun laterale beweging op te merken.
Een kleine hoeveelheid fluorescerende kleurstof kan ook worden vrijgelaten om de huidige richting te bepalen. Omdat door de duiker gegenereerde stroming een bron van DPIV-meetfouten kan zijn, mag de duiker niet stroomopwaarts van de doelwitpositie worden geplaatst. De lasersheet moet evenwijdig zijn aan de richting van de stroom om de residentietijd van deeltjes in de lasersheet te maximaliseren en daarmee DPIV-fouten te minimaliseren.
Positieer vervolgens S scuba om de vloeistoffen te verlichten en de vloeistofbewegingen rond een doelwit op te nemen. Begin met opnemen terwijl het doelwit door het gezichtsveld van de camera beweegt, vermijd rotatie en buiten het vlak zijnde bewegingen tijdens het opnemen van video. Nadat alle componenten van scuba zijn uitgeschakeld en de laserarm in zijn ingetrokken positie is teruggedraaid, verwijdert u scuba uit het water, koppelt u de camera en laserbehuizingen los van de arm.
Spoel of week het apparaat in zoet water voor het drogen om roestvorming van het apparaat te voorkomen. Nadat de behuizingen zijn gedroogd, verwijdert u de
Overzicht
Dit protocol geeft instructies voor het gebruik van een zelfstandig onderwater velocimetrie-apparaat (SCUVA) voor het kwantificeren van in situ door dieren gegenereerde stromingen. Het gaat in op uitdagingen die worden gesteld door veldcondities en omvat beweging van de operator, het voorspellen van dierposities en SCUVA-oriëntatie.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Oceanografie
- Biologie
- Vloeistofdynamica
Achtergrond
- Het experiment meet vloeistofbeweging veroorzaakt door bewegende of stationaire lichamen in natuurlijke omgevingen.
- Scubaduikers zetten de SCUVA in om vloeistofdynamica rond aquatische dieren vast te leggen.
- Deze methode maakt real-time analyse van predator-prooi interacties en ecologische dynamica mogelijk.
- Veldmetingen zijn uitdagend en vereisen specifieke technieken en comfort met nachtduiken.
Doel van het onderzoek
- Om vloeistofstroming rond zwemmende dieren en koraalpoliepen te meten.
- Om ecologische interacties in natuurlijke omgevingen te beoordelen.
- Om het begrip van zwemcapaciteit van dieren te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van SCUVA-componenten en druktesten.
- Calibratie van het apparaat in laaglichtcondities.
- Opnemen van vloeistofbewegingen met behulp van high-definition video.
- Na-duikanalyse van opgenomen video's voor extractie van het snelheidsveld.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle vastlegging van vloeistofdynamica in een natuurlijke veldomgeving.
- Analyse toont interacties tussen zwemmende dieren en hun omgeving.
- Aangetoonde voordelen van SCUVA boven traditionele laboratoriumtechnieken.
Conclusies
- SCUVA biedt een betrouwbare methode voor het bestuderen van vloeistofdynamica in situ.
- Veldmetingen verhogen het begrip van ecologische en biologische processen.
- Toekomstige toepassingen kunnen studies rond door mensen gemaakte structuren omvatten.
Veelgestelde vragen
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.
