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도전

완전한 암흑, 극한의 압력, 저온의 결합으로 인해 심해는 독특한 환경이 되었지만 놀랍게도 매우 분주하고 복잡한 생태계를 보유하고 있습니다. 이곳은 과학자들이 더 잘 이해하고 싶어하는 놀랍고 다양한 삶의 터전입니다. MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)의 다학제적 연구 팀(Bioinspiration Lab)은 생체 역학 및 유체 환경과의 상호 작용을 포함하여 이러한 유기체의 형태와 기능을 연구하는 데 중점을 두고 있습니다. 이 작업에는 일반적으로 섬세하고 반투명한 피사체가 물리적 접촉이나 표면으로 쉽게 손상되기 때문에 많은 어려움이 있습니다. 팀은 표본을 조심스럽게 수집한 다음 실험실 환경에서 신속하게 연구하는 데 어느 정도 성공했지만, 이러한 유기체가 원래 존재하는 심해 서식지에서 이미지를 생성하고 분석할 수 있는 능력이 필요합니다.

해결책

팀의 연구 엔지니어인 Joost Daniels는 "우리는 수영 및 기타 움직임으로 인한 물 흐름의 세부 사항을 확인하기 위한 표준 입자 이미징 속도계(PIV) 접근 방식을 포함하여 이미지 캡처를 위해 연구실에서 브레드보드 광학 설정을 개발했습니다. 그런 다음 최대 4km 깊이의 원격 작동 차량(ROV)에 장착할 수 있는 작고 견고한 장비로 이를 복제하기 시작했습니다." 이 장비인 DeepPIV는 얇은(1mm) 레이저 광 시트 내의 샘플을 조명하고 디지털 카메라로 2D 이미지를 캡처합니다. 3D 스캔은 대상 동물을 기준으로 전체 차량과 장비를 이동한 다음 이미지 재구성을 사용하여 생성됩니다. 팀은 다음을 선택했습니다.CW 레이저 (일관된 창세기)는 여러 가지 이유로 639nm에서 2W의 저잡음 출력을 제공합니다. Daniels는 "심해의 유기체에 도달하는 작은 빛은 파란색이나 녹색입니다. 그들은 붉은 빛을 본 적이 없으며 대부분은 그것에 완전히 둔감합니다. 따라서 우리 기술은 어떤 식으로든 그들의 자연스러운 행동을 교란시키지 않습니다." 그는 초당 최대 60프레임으로 55cm x 30cm 이미지를 조명하기 위해 최소 2와트의 전력이 필요하다고 덧붙였습니다. 또한 레이저는 예상치 못한 가동 중단 없이 견고하고 안정적이어야 했습니다. 그는 보호 방수 하우징에서 ROV의 관절식 암 끝까지 효율적인 광섬유 결합을 가능하게 하는 기타 필수 요소로 포인팅 안정성과 TEM00 빔 프로필을 언급합니다.

결과

심해에서 가장 섬세한 구조 중 일부는 먹이 포획과 포식자 회피를 위해 유충과 같은 동물이 분비하는 점액 구조를 포함합니다. MBARI 팀이 DeepPIV 시스템을 사용하여 성공적으로 수행한 연구 중 하나는 이러한 점액 형태 중 일부에 대한 고해상도 3D 이미지를 생성하여 구조와 기능에 대한 세부 정보를 보여줍니다(참조). 주로 깊은 몬터레이 캐니언에 배치된 이 시스템의 깊이는 4000미터입니다. 거의 6000psi에 달하는 고압 연구 환경이라고 할 수 있습니다!

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