Sztuczna linia boczna - Artificial lateral line

Sztuczna Boczna linia (ALL) jest biomimetyczne boczna linia systemu. Linia boczna to system narządów zmysłów zwierząt wodnych, takich jak ryby, który służy do wykrywania ruchu, wibracji i gradientów ciśnienia w ich środowisku. Sztuczna linia boczna to sztuczny biomimetyczny układ różnych przetworników mechanosensorycznych, który podobnie pozwala na tworzenie przestrzenno-czasowego obrazu źródeł w bezpośrednim sąsiedztwie na podstawie sygnatur hydrodynamicznych; celem jest pomoc w omijaniu przeszkód i śledzeniu obiektów ... Biomimetyczny system linii bocznych może usprawnić nawigację w pojazdach podwodnych, gdy widoczność jest częściowo lub całkowicie ograniczona. Nawigacja pod wodą jest trudna ze względu na szybkie tłumienie częstotliwości radiowych i sygnałów Globalnego Systemu Pozycjonowania . Ponadto system ALL może przezwyciężyć niektóre wady tradycyjnych technik lokalizacji, takich jak SONAR i obrazowanie optyczne.

Podstawowym składnikiem naturalnej lub sztucznej linii bocznej jest neuromasta, narząd mechanorecepcyjny, który umożliwia wyczuwanie mechanicznych zmian w wodzie. Komórka włosa służy jako podstawowa jednostka w wykrywaniu przepływu i akustycznym. Niektóre gatunki, takie jak stawonogi, używają pojedynczej komórki rzęsatej do tej funkcji, a inne stworzenia, takie jak ryby, wykorzystują wiązkę komórek rzęsatych, aby osiągnąć punktowe wykrywanie. Boczna linia ryb składa się z tysięcy komórek rzęsatych. W rybie neuromasta jest cienką strukturą przypominającą włosy, która wykorzystuje transdukcję kodowania szybkości w celu przekazania kierunkowości sygnału. Każdy neuromast ma kierunek maksymalnej czułości zapewniający kierunkowość.

Cechy biomimetyczne

Neuromast

W sztucznej linii bocznej funkcja neuromastu jest wykonywana za pomocą przetworników. Te małe struktury wykorzystują różne systemy, takie jak anemometria z gorącym drutem , optoelektronika lub piezoelektryczne wsporniki do wykrywania zmian mechanicznych w wodzie. Neuromasty dzieli się głównie na dwa typy na podstawie ich lokalizacji. Powierzchniowy neuromast znajdujący się na skórze służy do wykrywania prędkości w celu zlokalizowania pewnych poruszających się obiektów, podczas gdy neuromasty kanałowe znajdujące się poniżej naskórka zamkniętego w kanale wykorzystują gradient ciśnienia między wlotem a wylotem do wykrywania i unikania obiektu. Ryby używają powierzchownej neuromasty do reotaksji, a także do utrzymywania stacji.

Uproszczony czujnik z gorącym drutem

Ze wszystkich zastosowanych technik wykrywania tylko anemometria z gorącym drutem jest bezkierunkowa. Ta technika może dokładnie zmierzyć ruch cząstek w ośrodku, ale nie kierunek przepływu. Jednak anemometr z gorącym drutem i zebrane dane są wystarczające do określenia ruchu cząstek do setek nanometrów, w wyniku czego są porównywalne z neuromastą o podobnym przepływie. Rysunek przedstawia uproszczony czujnik z gorącym drutem. Obecne przewodniki przewodzące ulegają wzrostowi temperatury w wyniku nagrzewania Joule'a . Przepływ wokół przewodu przewodzącego prąd powoduje jego ochłodzenie, a na wyjściu pojawia się zmiana prądu wymagana do przywrócenia pierwotnej temperatury. W innym wariancie na wyjściu wykorzystuje się zmianę rezystywności materiału względem zmiany temperatury gorącego drutu.

zdjęcie: Thomas.haslwanter; https: //creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en
Rysunek 2: Przekrój poprzeczny u ryby i jej elementów

Podział pracy

W tych układach stosuje się technikę pracy, w której powierzchowne neuromasty zlokalizowane na naskórku wyczuwają zarówno niskie częstotliwości, jak i prąd stały (przepływ), natomiast neuromasta kanałowa znajdująca się pod naskórkiem zamknięta w kanałach wykrywa prąd przemienny za pomocą gradientów ciśnienia. W tych układach, w których powierzchowne neuromasty zlokalizowane na naskórku wyczuwają niskie częstotliwości, a także prąd stały, podczas gdy neuromast kanałowy znajdujący się pod naskórkiem zamknięty w kanałach wykrywa prąd przemienny za pomocą gradientów ciśnienia

Cupula

Cupula to galaretowaty worek pokrywający włosy jak neuromast wystający ze skóry. Cupula utworzona nad neuromastem to kolejna cecha, która rozwinęła się z czasem i zapewnia lepszą odpowiedź na pole przepływu. Włókna miseczkowe rozciągają się od włosowatego neuromastu. Cupula pomaga tłumić sygnały o niskiej częstotliwości dzięki swojej bezwładności i wzmacniać sygnały o wyższych częstotliwościach dzięki dźwigni. Ponadto te rozszerzone struktury zapewniają lepszą czułość, gdy neuromast jest zanurzony w warstwie granicznej. Niedawne badania wykorzystują odlewanie kroplowe, w którym kapanie roztworu HA-MA na rusztowanie elektroprzędzone w celu wytworzenia napędzanej grawitacją formacji wydłużonej kuli o kształcie kuli. Eksperymentalne porównanie między odkrytym czujnikiem a nowo opracowanym czujnikiem daje pozytywne wyniki

Kanały

Neuromasty kanałowe są zamknięte w kanałach biegnących przez ciało. Kanały te odfiltrowują przepływ o niskiej częstotliwości, który mógłby nasycić system. Pewien wzorzec występuje w koncentracji neuromastów wzdłuż ciała u gatunków wodnych. Stwierdzono, że system kanałów biegnie wzdłuż ciała w jednej linii, która ma tendencję do rozgałęziania się w pobliżu głowy. U ryb położenie kanału sugeruje hydrodynamiczne informacje dostępne podczas pływania. Dokładne umiejscowienie kanałów różni się w zależności od gatunku, co sugeruje raczej rolę funkcjonalną niż ograniczenie rozwojowe

Dystrybucja kanałowa wzdłuż ciała

Zwykle stężenie w kanale osiąga szczyt w pobliżu nosa i znacznie spada na resztę ciała. Tendencja ta występuje u ryb o różnej wielkości, które zamieszkują różne siedliska i występują u różnych gatunków. Niektóre badania stawiają hipotezę o ścisłym związku między umiejscowieniem kanału a rozwojem kości oraz ich morfologicznym ograniczeniem. Dokładne umiejscowienie kanałów różni się w zależności od gatunku i może być raczej sugestywną oznaką roli funkcjonalnej niż ograniczeniem rozwojowym.

Elastyczność kanału

Elastyczność systemu kanałowego ma znaczący wpływ na tłumienie sygnału o niskiej częstotliwości. Elastyczność elementu czujnikowego umieszczonego w systemie kanałowym może zwiększyć czułość systemu Canal Artificial Line (CALL). Dane eksperymentalne dowodzą, że czynnik ten powoduje znaczący skok czułości systemu. Udoskonalenia geometryczne w systemie kanałów i optymalizacja sprzętu wykrywającego w celu uzyskania lepszych wyników.

Zwężenia w kanałach w pobliżu neuromasty

Przy wyższych gradientach ciśnienia napięcie wyjściowe urządzeń ze zwężeniami ścian w pobliżu czujników w bocznej linii kanału (CALL) było znacznie bardziej czułe i według Y Jiang, Z Ma, J Fu i wsp., Ich system mógł dostrzec gradient ciśnienia jako niski, jak 3,2 E − 3 Pa / 5 mm, porównywalny z występującym w naturze Cottus bairdii . Ponadto funkcja ta tłumi sygnały hydrodynamiczne o niskiej częstotliwości.

Aplikacje

Nawigacja w płytkich akwenach stanowi wyzwanie, zwłaszcza dla pojazdów podwodnych. Wahania przepływu mogą niekorzystnie wpływać na trajektorię statku, sprawiając, że wykrywanie on-line i reakcja w czasie rzeczywistym są absolutną koniecznością dla zdolności adaptacyjnych.

Postęp w dziedzinie sztucznej linii bocznej przyniósł korzyści w innych dziedzinach niż nawigacja podwodna. Głównym przykładem jest dziedzina obrazowania sejsmicznego. Pomysł selektywnej odpowiedzi częstotliwościowej w powierzchownych neuromastach zachęcił naukowców do zaprojektowania nowych metod opracowywania obrazów sejsmicznych obiektów pod oceanem przy użyciu połowy danych do generowania obrazów o wyższej rozdzielczości w porównaniu z metodami tradycyjnymi, a także do zaoszczędzenia czasu potrzebnego do przetwarzania.

Podobne systemy

Elektrosensoryczna linia boczna (ELL) wykorzystuje pasywną elektrolokację, z wyjątkiem pewnych grup ryb słodkowodnych, które wykorzystują aktywną elektrolokację do emitowania i odbierania pól elektrycznych. Można go odróżnić od LLS na podstawie wyraźnej różnicy w ich działaniu poza podobnymi rolami

Międzyskórne narządy zmysłów (ISO) to inne narządy czuciowe w kształcie kopuły, które można znaleźć w czaszce krokodyli. Jest to zbiór narządów zmysłów, które mogą wykrywać zmiany mechaniczne, pH i termiczne. Te mechanoreceptory są podzielone na dwa. Pierwszym z nich są receptory wolno adaptujące się (SA), które wykrywają stały przepływ. Drugi to szybko adaptujące się receptory (RZS), które wyczuwają bodźce oscylacyjne. ISO może potencjalnie wykryć kierunek zakłócenia z dużą dokładnością w przestrzeni 3D. Innym przykładem są wąsy u foki pospolitej. Ponadto niektóre drobnoustroje wykorzystują obrazowanie hydrodynamiczne do życia drapieżnego.

Bibliografia

  1. ^ a b c C. Leif Ristroph, James C. Liao i Jun Zhang (styczeń 2015). „Boczny układ linii koreluje z różnicą ciśnień hydrodynamicznych na pływające ryby” . Pisma przeglądu fizycznego . 114 (1): 018102. Bibcode : 2015PhRvL.114a8102R . doi : 10.1103 / PhysRevLett.114.018102 .
  2. ^ Paull, Liam Saeedi, Sajad Seto, Mae Li, Howard (2014). „Nawigacja i lokalizacja AUV: przegląd”. IEEE Journal of Oceanic Engineering . 39 (1): 131–149. Bibcode : 2014IJOE ... 39..131P . doi : 10.1109 / JOE.2013.2278891 - przez IEEE. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  3. ^ a b Yang Yingchen, Nannan Chen, Craig Tucker, Jonanthan Engel, Saunvit Pandya, Chang Liu (styczeń 2007). „OD SZTUCZNEGO CZUJNIKA KOMÓREK WŁOSÓW DO SYSTEMU SZTUCZNEJ LINII BOCZNEJ: ROZWÓJ I ZASTOSOWANIE Laboratorium mikro i nanotechnologii, Uniwersytet Illinois w Urbana-Champaign”. Nanotechnologia : 577–580. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  4. ^ a b "Linia boczna" , Wikipedia , 04.10.2019 , pobrano 26.10.2019 ; https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
  5. ^ a b Chambers, LD Akanyeti, O. Venturelli, R. Jezǒv, J. Brown, J. Kruusmaa, M. Fiorini, P. Megill, WM (2014). „Perspektywa ryby: wykrywanie cech przepływu podczas ruchu przy użyciu sztucznej linii bocznej przy stałym i niestabilnym przepływie”. Dziennik interfejsu Royal Society . 11 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  6. ^ Yang, Yingchen Chen, Jack Engel, Jonathan Pandya, Saunvit Chen, Nannan Tucker, Craig Coombs, Sheryl Jones, Douglas L. Liu, Chang (2006). „Obrazowanie hydrodynamiczne z odległością dotykową ze sztuczną linią boczną” . Materiały z National Academy of Sciences w Stanach Zjednoczonych Ameryki . 103 (50): 18891–18895. Bibcode : 2006PNAS..10318891Y . doi : 10.1073 / pnas.0609274103 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  7. ^ a b c Jiang, Yonggang Ma, Zhiqiang Fu, Jianchao Zhang, Deyuan (2017). „Opracowanie elastycznego sztucznego systemu kanałów bocznych do wykrywania ciśnienia hydrodynamicznego”. Czujniki (Szwajcaria) . 17 ust. 6 - za pośrednictwem MDPI. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  8. ^ a b A.Yonggang Jiang, Peng Wu, Yuanhang Xu, Xiaohe Hu, Zheng Gong, Deyuan Zhang (2019). "System sztucznej linii bocznej wspomagany kanałem zwężenia dla lepszego wykrywania ciśnienia hydrodynamicznego". Bioinspiracja i biomimetyka . 14 (6): 066004. doi : 10.1088 / 1748-3190 / ab3d5a . PMID   31434068 - przez IOP Publishing. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  9. ^ a b Chen, J. Engel, J. Chen, N. Pandya, S. Coombs, S. Lin, C. (styczeń 2006). „Sztuczna linia boczna i hydrodynamiczne śledzenie obiektów”. Materiały z Międzynarodowej Konferencji IEEE na temat układów mikroelektromechanicznych (MEMS) . 2006 : 694–697. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  10. ^ a b c d e Kottapalli, Ajay Giri Prakash Bora, Meghali Asadnia, Mohsen Miao, Jianmin Venkatraman, Subbu S. Triantafyllou, Michael (styczeń 2016). „Sztuczne neuromasty hydrożelowe MEMS wspomagane rusztowaniem nanofibryli w celu zwiększenia czułości wykrywania przepływu” . Raporty naukowe . 6 : 19336. Bibcode : 2016NatSR ... 619336K . doi : 10.1038 / srep19336 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  11. ^ Weeg, Matthew S. Bass, Andrew H. (2002). „Właściwości odpowiedzi częstotliwościowej neuromastów powierzchniowych linii bocznej u ryby głosowej z dowodami na wrażliwość akustyczną”. Journal of Neurophysiology . 88 (3): 1252–1262. doi : 10.1152 / jn.2002.88.3.1252 . PMID   12205146 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  12. ^ de Freitas Silva, Franscisco Wilton da Silva, Sérgio Luiz Eduardo Ferreira Henriques, Marcos Vinícius Cândido Corso, Gilberto (2019). „Korzystanie z wykrywania bocznej linii ryb w celu poprawy akwizycji i przetwarzania danych sejsmicznych” . PLoS ONE . 14 (4): e0213847. Bibcode : 2019PLoSO..1413847F . doi : 10.1371 / journal.pone.0213847 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  13. ^ Bouffanais, Roland Weymouth, Gabriel D. Yue, Dick KP (2011). „Rozpoznawanie obiektów hydrodynamicznych za pomocą wykrywania ciśnienia” . Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 467 (2125): 19–38. Bibcode : 2011RSPSA.467 ... 19B . doi : 10.1098 / rspa.2010.0095 . CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
  14. ^ a b Elgar Kanhere, Nan Wang, Ajay Giri Prakash Kottapall, Mohsen Asadnia, Vignesh Subramaniam, Jianmin Miao i Michael Triantafyllou (2016). „Inspirowane krokodylem kopułowe receptory ciśnieniowe do pasywnego wykrywania hydrodynamicznego”. Bioinspiracja i biomimetyka . 11 (5): 056007. Bibcode : 2016BiBi ... 11e6007K . doi : 10.1088 / 1748-3190 / 11/5/056007 - przez IOP Publishing. CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )