挑戰

完全黑暗、極端壓力和低溫的特點使深海成為(wei) 一個(ge) 獨特的環境，但令人驚訝的是，它擁有一個(ge) 非常繁忙和複雜的生態係統。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(ge) 多學科研究團隊（生物靈感實驗室）專(zhuan) 注於(yu) 研究這些生物的形態和功能，包括生物力學和與(yu) 其流體(ti) 環境的相互作用。這項工作存在許多挑戰，因為(wei) 這些通常是精致、半透明的物體(ti) ，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並在實驗室環境中快速研究它們(men) 方麵取得了一些成功，但能夠在它們(men) 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(jue) 方案

該團隊的研究工程師 Joost Daniels 表示：“我們(men) 在實驗室中開發了一種用於(yu) 捕獲圖像的麵包板光學裝置，包括標準粒子成像測速 (PIV) 方法，以查看由於(yu) 遊泳和其他運動引起的水流細節。然後，我們(men) 開始在一個(ge) 緊湊、堅固的儀(yi) 器中複製這一點，該儀(yi) 器可以安裝在深度達4公裏的遙控潛水器 (ROV) 上。”該儀(yi) 器 DeepPIV 在薄 (1 mm) 的激光片內(nei) 照亮樣品，並使用數碼相機捕獲2D圖像。通過相對於(yu) 目標動物移動整個(ge) 車輛和儀(yi) 器，然後使用圖像重建來生成3D掃描。出於(yu) 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(men) 從(cong) 未遇到過紅光，而且它們(men) 中的大多數對它完全不敏感。所以我們(men) 的技術不會(hui) 以任何方式幹擾它們(men) 的自然行為(wei) 。”他補充說，他們(men) 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(hui) 出現意外停機。他還列舉(ju) 了指向穩定性、TEM00光束輪廓作為(wei) 其他要素，以實現從(cong) 保護性防水外殼到ROV關(guan) 節臂末端的有效光纖耦合。

“我們(men) 使用2瓦639nm的CW激光對脆弱生物的結構和運動進行成像，在數千米的海洋深度運行我們(men) 的係統。”— Joost Daniels，加州莫斯蘭(lan) 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，用於(yu) 捕獲食物和避免捕食者。MBARI團隊使用他們(men) 的 DeepPIV 係統成功進行的一項研究產(chan) 生了其中一些粘液形式的高分辨率3D圖像，揭示了它們(men) 的結構和功能的細節（參考）。該係統主要部署在蒙特雷峽穀深處，額定深度為(wei) 4000米。在接近6000 psi的壓力下，這絕對可以稱為(wei) 高壓研究環境！

圖 1：Bathochordaeus stygius，一個(ge) 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。