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MBARI: レーザライトシートで深海の生物を撮影

課題

完全な暗闇、極端な圧力、低温という組み合わせにより、深海は独特の環境となっていますが、驚くべきことに、非常に活発で複雑な生態系が存在します。 ここには、科学者たちが理解を深めたいと思っている、驚くべき多様な生物が生息しています。 MBARI(モントレーベイ水族館研究所)の多くの専門分野にわたる研究チーム(Bioinspiration Lab)は、バイオメカニクスや流体環境との相互作用など、これらの生物の形態と機能の研究に注力しています。 繊細で半透明な被写体は、物理的な接触や海面に持ち出されることで簡単に傷んでしまうため、この作業には多くの課題があります。 チームは穏やかに標本を採取して実験室の環境で素早く研究することには成功していますが、これらの生物を本来の深海の住処で画像化して分析することが必要です。

ソリューション

研究チームのリサーチエンジニアであるジュースト・ダニエル氏は、「私たちは、研究室で画像を撮影するための実験用回路板の光学セットアップを開発しました。これには、泳ぎなどの動きによる水流の詳細を見ることができる粒子画像流速測定法(PIV)法が含まれます。 そこで私たちは、水深4 kmまでの遠隔操作艇(ROV)に搭載可能な、コンパクトで頑丈な装置でこの現象を再現することにしました」。この装置(DeepPIV)は、レーザ光の薄いシート(1 mm)内でサンプルを照らし、デジタルカメラで2D画像を撮影します。 3Dスキャンは、対象となる生物に対して潜水艇や機器全体を相対的に動かし、画像再構成を行うことで生成されます。 チームは、いくつかの理由から、639 nmで2ワットの低ノイズ出力を持つCWレーザ(Coherent Genesis)を選択しました。 ダニエルズ氏は、次のように説明しています。「深海の生物に届くわずかな光は青や緑で、彼らは赤い光に遭遇したことがなく、ほとんどの生物は赤い光にまったく反応しません。 このため、私たちの技術は、彼らの自然な行動を一切妨げません」。また、55 cm × 30 cmの画像を最大毎秒60フレームで照らすには、最低でも2ワットの出力が必要だったと付け加えています。 また、予期しないダウンタイムが発生しないように、このレーザは堅牢で信頼性の高いものでなければなりませんでした。 また、保護用の防水ハウジングからROVの多関節アームの先端まで、効率よくファイバーを結合するためには、ビーム位置安定性とTEM00のビームプロファイルが必要であると述べています。

成果

深海の最も繊細な構造体の中には、幼虫などの生物が餌の捕獲や捕食者の回避のために分泌する粘液構造があります。 MBARIチームがDeepPIVシステムを使って成功させた研究の1つに、これらの粘液形態の高解像度3D画像があり、その構造と機能の詳細が明らかになっています(参考)。 このシステムは、主に深いモントレーキャニオンに設置され、水深4,000メートルに対応しています。 約6,000 psiは、まさに高圧の研究環境と言えるでしょう。

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「2ワット、639 nmのCWレーザ光を使用して、繊細な生物の構造と動きを画像化し、数千メートルの深さでシステムを運用しています」。

— ジュースト・ダニエル、リサーチエンジニア、モントレーベイ水族館研究所、カリフォルニア州モスランディング

 
High-Resolution 3D Images Produced by DeepPIV Laser System

図1: DeepPIVのレーザシートで照らされた、粘液ハウス内の巨大幼生、オタマボヤ。 Copyright Kakani Katija / MBARI.

            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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