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挑戰(zhàn)

完全黑暗、極端壓力和低溫的特點(diǎn)使深海成為一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境，但令人驚訝的是，它擁有一個(gè)非常繁忙和復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。它是科學(xué)家想要更好地了解的驚人而多樣化的生命領(lǐng)域。MBARI（蒙特利灣水族館研究所）的一個(gè)多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)（生物靈感實(shí)驗(yàn)室）專注于研究這些生物的形態(tài)和功能，包括生物力學(xué)和與其流體環(huán)境的相互作用。這項(xiàng)工作存在許多挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@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(tuán)隊(duì)在溫和地收集標(biāo)本并在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行成像和分析是必要的。

解決方案

該團(tuán)隊(duì)的研究工程師 Joost Daniels 表示：“我們在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)了一種用于捕獲圖像的面包板光學(xué)裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)粒子成像測速 (PIV) 方法，以查看由于游泳和其他運(yùn)動(dòng)引起的水流細(xì)節(jié)。然后，我們開始在一個(gè)緊湊、堅(jiān)固的儀器中復(fù)制這一點(diǎn)，該儀器可以安裝在深度達(dá)4公里的遙控潛水器 (ROV) 上。”該儀器 DeepPIV 在薄 (1 mm) 的激光片內(nèi)照亮樣品，并使用數(shù)碼相機(jī)捕獲2D圖像。通過相對于目標(biāo)動(dòng)物移動(dòng)整個(gè)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(tuán)隊(duì)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(dá)深海生物的微弱光是藍(lán)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(shù)不會以任何方式干擾它們的自然行為。”他補(bǔ)充說，他們需要至少2瓦的功率才能以高達(dá)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(jiān)固可靠，不會出現(xiàn)意外停機(jī)。他還列舉了指向穩(wěn)定性、TEM00光束輪廓作為其他要素，以實(shí)現(xiàn)從保護(hù)性防水外殼到ROV關(guān)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(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像，在數(shù)千米的海洋深度運(yùn)行我們的系統(tǒng)。”— Joost Daniels，加州莫斯蘭丁蒙特利灣水族館研究所研究工程師

結(jié)果

深海中一些最脆弱的結(jié)構(gòu)包括由幼蟲等動(dòng)物分泌的粘液結(jié)構(gòu)，用于捕獲食物和避免捕食者。MBARI團(tuán)隊(duì)使用他們的 DeepPIV 系統(tǒng)成功進(jìn)行的一項(xiàng)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(jié)構(gòu)和功能的細(xì)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(gè)巨大的幼蟲，在它的粘液房中，被 DeepPIV 激光片照亮。版權(quán)所有 Kakani Katija / MBARI。