新型激光系统可对深海动物和粘液过滤器进行3D重建

生活在基本为零重力的环境中，许多深海动物已经进化出柔软的凝胶状体，并使用精心制作的粘液过滤器收集食物。到目前为止，研究这些微妙的结构实际上是不可能的。发表在《自然》杂志上的一项新研究描述了一种独特的基于激光的系统，该系统可用于构建透明的海洋动物及其分泌的粘液结构的3D模型。

根据MBARI首席工程师，新论文的主要作者Kakani Katija所说：“粘液在海洋中无处不在，动物制作了复杂的粘液结构以喂养，保护健康和保护动物。现在，我们有了一种可视化的方法我们终于可以了解它们在海底深处的结构以及它们在海洋中扮演的角色。”

在这项研究中，研究人员关注的是最多产的黏液建筑师之一，一种叫做幼虫的深海动物。Larvaceans在全世界的海洋盆地中都很丰富，长度范围从不到1厘米到大约10厘米。所谓的“巨人”幼虫会形成长达一米的气球状粘液网。在这些外部过滤器内部，有一个较小的，拳头大小的内部过滤器，它们用来喂养微小的颗粒和生物，大小从不到一微米到几毫米不等。

尽管幼虫身体不大，但它们还是从周围的水中去除了大量富含碳的食物。当它们的粘液过滤器被堵塞时，动物释放出粘液，粘液迅速沉入海底。这有助于海洋从大气中清除二氧化碳，并从水柱中将微塑料带到海底。

像MBARI高级科学家和合著者布鲁斯·罗宾逊(Bruce Robison)这样的研究人员一直对幼虫如何在处理大量水(每小时80升)时如何过滤各种各样的颗粒感兴趣。先前的研究已经在实验室中研究了较小的幼虫过滤器，但这是第一项提供有关海洋中这些粘液结构定量数据的研究。

为了收集这些数据，MBARI生物启发实验室负责人Katija与工程师，科学家和潜水飞行员团队合作开发了一种名为DeepPIV的仪器(PIV代表粒子成像测速)。DeepPIV仪器安装在遥控车辆(ROV)上，投射出一层激光，照亮水中的颗粒，就像光束中的尘埃一样。通过在视频中记录这些颗粒的运动，研究人员可以量化海洋动物周围的微小电流以及流过其过滤器和透明物体的水。

在DeepPIV系统的现场部署期间，Katija和她的同事发现，当ROV来回移动时，一束激光揭示了一系列穿过透明，胶状体和巨型幼虫的粘液过滤器的横截面。通过组装一系列此类横截面图像，该团队能够对单个幼虫及其过滤器进行三维重建，就像放射线医生对人体进行CAT扫描后所做的一样。

收集高保真视频图像需要MBARI ROV的熟练驾驶。ROV Doc Ricketts首席飞行员Knute Brekke说：“使用DeepPIV收集这些3D横截面可能是我用ROV做过的最难的事情。”“我们使用的是一个重达12,000磅的机器人，通过一个幼虫及其拳头大小的粘液过滤器来回移动一毫米厚的激光薄片，该过滤器在海面以下数百米处漂移。”

Katija和她的合作者将幼虫过滤器的三维模型与通过过滤器的流动模式相结合，首次能够确定幼虫内部过滤器不同部分的形状和功能。使用3D渲染软件，他们实际上可以“飞过”内部过滤器并研究流体和颗粒通过过滤器不同部分的流动。

Katija解释说：“现在，我们有了一种了解这些复杂结构的形式以及它们如何起作用的技术。”“以前没有人像这样对粘液形式进行原位3D重建。”

她继续说：“除其他事项外，我们希望了解幼虫如何建立和膨胀这些结构。”“这可以帮助我们设计更好的3D打印机或建造可以在多种环境中使用的复杂的充气结构，包括水下和外太空。”

作为这项工作的扩展，生物灵感实验室的成员正在试验新的3D全光成像系统，该系统可以捕获有关场景中光的强度，颜色和方向的高精度信息。他们还在合作开发新的水下机器人，该机器人将能够一次或几个小时地在水中跟踪胶状动物。

Katija说：“在本文中，我们展示了一种新系统，该系统可以与各种水下航行器和水下生物一起很好地运行。”“现在，我们有了研究整个海洋中发现的粘液过滤系统的工具，我们终于可以揭露自然界中最复杂的结构。”

Robison说：“ DeepPIV在这些复杂而复杂的过滤网的结构中揭示了自然工程的奇迹。”“在DeepPIV中，人类工程学已经开发出了一种强大的新工具，可用于研究深海的这些和其他奥秘。”

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！