레이저 광 시트로 심해의 동물 이미지화

과제

완전한 어둠, 극한의 압력, 낮은 온도의 독특한 환경을 가지고 있는 심해에는 매우 바쁘고 복잡한 생태계를 이루고 있습니다. 놀랍고 다양한 생명체가 서식하고 있어 과학자들이 더 잘 이해하고 싶어하는 장소입니다. 몬터레이만 수족관 연구소(MBARI)의 다학문 연구팀(Bioinspiration Lab)은 생체역학 및 유체 환경과의 상호 작용 등 이곳 유기체들의 형태와 기능을 연구하고 있습니다. 이곳 생명체는 일반적으로 신체 접촉을 하거나 해수면으로 옮겨질 경우 쉽게 손상될 수 있는 섬세하고 반투명한 대상들이기 때문에 연구에 많은 어려움이 있습니다. 연구팀은 표본을 조심스럽게 수집한 다음 실험실 환경에서 빠르게 연구하는 데 어느 정도 성공했지만, 원 심해 환경에서 이러한 유기체를 이미지화하고 분석할 필요가 있었습니다.

솔루션

이 팀의 연구원인 Joost Daniels는 다음과 같이 얘기했습니다. "우리는 이들의 유영 및 기타 움직임으로 인한 물의 흐름을 자세히 보기 위해 실험실에 기본적인 입자영상유속계(PIV) 접근 등 이미지 캡처용 실험모형 광학 기구를 개발했습니다. 그런 다음 최대 4km 깊이에서도 작동할 수 있는 작고 견고한 장비로 만들어 원격 조종 차량(ROV)에 장착할 수 있게 했습니다." 이 장치가 바로 DeepPIV로, 얇은 레이저 광 시트(1mm)에서 샘플을 밝힐 수 있으며 디지털 카메라로 2D 이미지를 캡처합니다. 3D 스캔은 대상 동물에 따라서 전체 차량과 장비를 이동시킨 후 이미지를 재구성해 완성합니다. 연구팀은 여러 가지 이유로 639nm에서 2W의 저잡음 출력 기능을 탑재한 CW 레이저(Coherent Genesis)를 선택했습니다. Daniels는 다음과 같이 설명합니다. "심해의 유기체에 도달하는 적은 양의 빛은 파란색이나 녹색입니다. 그들은 빨간색의 빛을 본 적이 없어 대부분 어떻게 반응해야 할 지 모릅니다. 그래서 우리의 기술이 그들의 자연 행동을 방해하지 않아야 합니다." 그는 초당 최대 60 프레임으로 55cm x 30cm 이미지를 비추는 데 최소 2 와트의 전력을 가진 제품이 필요했다고 덧붙였습니다. 또한 레이저는 예기치 않은 가동 중지 시간 없는 견고하고 안정적인 장치여야 했습니다. 그는 보호용 방수 하우징부터 ROV 접이식 암의 끝까지 효율적인 파이버의 결합을 가능하게 하는 필수 요소로 포인팅 안정성과 TEM00 빔 프로파일을 언급했습니다.

결과

심해의 섬세한 구조 중 일부에는 라바신(larvaceans)과 같은 동물이 먹이를 포획하고 포식자를 회피하기 위해 분비하는 점액성 형태가 포함되어 있습니다. 몬터레이만 수족관 연구소팀이 DeepPIV 시스템을 사용하여 수행한 연구 중 하나에서는 이러한 점액 형태 일부를 고해상도 3D 이미지로 생성하여 구조와 기능의 세부 사항을 볼 수 있도록 했습니다. 깊은 몬터레이 해곡에 주로 배치된 이 시스템은 4000미터 깊이에서 평가되었습니다. 6000psi에 가까운 고압의 연구 환경이라고 할 수 있습니다!

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