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挑戰(zhàn)

完全黑暗、極端壓力和低溫的特點使深海成為一個獨特的環(huán)境，但令人驚訝的是，它擁有一個非常繁忙和復雜的生態(tài)系統(tǒng)。它是科學家想要更好地了解的驚人而多樣化的生命領域。MBARI（蒙特利灣水族館研究所）的一個多學科研究團隊（生物靈感實驗室）專注于研究這些生物的形態(tài)和功能，包括生物力學和與其流體環(huán)境的相互作用。這項工作存在許多挑戰(zhàn)，因為這些通常是精致、半透明的物體，很容易因物理接觸或造成損壞。雖然該團隊在溫和地收集標本并在實驗室環(huán)境中快速研究它們方面取得了一些成功，但能夠在它們原生的深海家園中對這些生物進行成像和分析是必要的。

解決方案

該團隊的研究工程師 Joost Daniels 表示：“我們在實驗室中開發(fā)了一種用于捕獲圖像的面包板光學裝置，包括標準粒子成像測速 (PIV) 方法，以查看由于游泳和其他運動引起的水流細節(jié)。然后，我們開始在一個緊湊、堅固的儀器中復制這一點，該儀器可以安裝在深度達4公里的遙控潛水器 (ROV) 上?！痹搩x器 DeepPIV 在薄 (1 mm) 的激光片內(nèi)照亮樣品，并使用數(shù)碼相機捕獲2D圖像。通過相對于目標動物移動整個車輛和儀器，然后使用圖像重建來生成3D掃描。出于多種原因，該團隊選擇了在639 nm處具有2瓦低噪聲輸出的CW激光器（Coherent Genesis）。丹尼爾斯解釋說：“到達深海生物的微弱光是藍色或綠色的——它們從未遇到過紅光，而且它們中的大多數(shù)對它完全不敏感。所以我們的技術不會以任何方式干擾它們的自然行為?！彼a充說，他們需要至少2瓦的功率才能以高達每秒60幀的速度照亮55厘米x30厘米的圖像。激光器還必須堅固可靠，不會出現(xiàn)意外停機。他還列舉了指向穩(wěn)定性、TEM00光束輪廓作為其他要素，以實現(xiàn)從保護性防水外殼到ROV關節(jié)臂末端的有效光纖耦合。

“我們使用2瓦639nm的CW激光對脆弱生物的結構和運動進行成像，在數(shù)千米的海洋深度運行我們的系統(tǒng)?！薄?Joost Daniels，加州莫斯蘭丁蒙特利灣水族館研究所研究工程師

結果

深海中一些最脆弱的結構包括由幼蟲等動物分泌的粘液結構，用于捕獲食物和避免捕食者。MBARI團隊使用他們的 DeepPIV 系統(tǒng)成功進行的一項研究產(chǎn)生了其中一些粘液形式的高分辨率3D圖像，揭示了它們的結構和功能的細節(jié)（參考）。該系統(tǒng)主要部署在蒙特雷峽谷深處，額定深度為4000米。在接近6000 psi的壓力下，這絕對可以稱為高壓研究環(huán)境！

圖 1：Bathochordaeus stygius，一個巨大的幼蟲，在它的粘液房中，被 DeepPIV 激光片照亮。版權所有 Kakani Katija / MBARI。