Sztuczna linia boczna

Sztuczna linia boczna (ALL) to biomimetyczny system linii bocznej . Linia boczna to system zmysłów u zwierząt wodnych, takich jak ryby, który służy do wykrywania ruchu, wibracji i gradientów ciśnienia w ich środowisku. Sztuczna linia boczna to sztuczny biomimetyczny układ odrębnych przetworników mechanosensorycznych, który podobnie umożliwia tworzenie przestrzenno-czasowego obrazu źródeł w bezpośrednim sąsiedztwie na podstawie sygnatur hydrodynamicznych; celem jest pomoc w unikaniu przeszkód i śledzeniu obiektów. Biomimetyczny system linii bocznych może poprawić nawigację w pojazdach podwodnych, gdy wzrok jest częściowo lub całkowicie ograniczony. Nawigacja podwodna jest trudna ze względu na szybkie tłumienie częstotliwości radiowych i sygnałów Global Positioning System . Ponadto systemy WSZYSTKIE mogą przezwyciężyć niektóre wady tradycyjnych technik lokalizacji, takich jak SONAR i obrazowanie optyczne.

Podstawowym elementem naturalnej lub sztucznej linii bocznej jest neuromast, narząd mechanoreceptywny , który umożliwia wyczuwanie mechanicznych zmian w wodzie. Komórki rzęsate służą jako podstawowa jednostka w wykrywaniu przepływu i akustycznym. Niektóre gatunki (takie jak stawonogi ) wykorzystują do tej funkcji pojedynczą komórkę włoskowatą, a inne stworzenia, takie jak ryby, wykorzystują wiązkę komórek rzęsatych do wykrywania punktowego. Linia boczna ryb składa się z tysięcy komórek rzęsatych. U ryb neuromast to cienka struktura przypominająca włosy, która wykorzystuje transdukcję kodowania szybkości do przesyłania kierunkowości sygnału. Każdy neuromast ma kierunek o maksymalnej czułości zapewniający kierunkowość.

Cechy biomimetyczne

Neuromast

W sztucznej linii bocznej funkcja neuromastu realizowana jest za pomocą przetworników. Te maleńkie struktury wykorzystują różne systemy, takie jak anemometria z gorącym drutem , optoelektronika lub wsporniki piezoelektryczne do wykrywania mechanicznych zmian w wodzie. Neuromasty dzielą się przede wszystkim na dwa typy w zależności od ich lokalizacji. Powierzchowny neuromast znajdujący się na skórze służy do wykrywania prędkości w celu zlokalizowania określonych ruchomych celów, podczas gdy neuromasty kanałowe umieszczone poniżej naskórka zamkniętego w kanale wykorzystują gradient ciśnienia między wlotem a wylotem do wykrywania i unikania obiektów. Ryby używają powierzchownego neuromastu również do reotaksji i utrzymywania stacji.

Uproszczony czujnik gorącego drutu

Spośród wszystkich stosowanych technik wykrywania, tylko anemometria z gorącym drutem jest bezkierunkowa. Ta technika może dokładnie mierzyć 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 jest porównywalny z neuromastem przy podobnym przepływie. Rysunek przedstawia uproszczony czujnik z gorącym drutem. Przewody przewodzące prąd podlegają wzrostowi temperatury w wyniku ogrzewania Joule'a . Przepływ wokół przewodu z prądem powoduje jego ochłodzenie, a zmiana prądu wymagana do przywrócenia pierwotnej temperatury jest wyjściem. W innym wariancie na wyjściu wykorzystywana jest zmiana rezystywności materiału w stosunku do zmiany temperatury gorącego drutu.

image by Thomas.haslwanter;https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en
Ryc. 2: Przekrój linii bocznej u ryb i jej składników

Podział pracy

W systemach tych stosuje się technikę podziału pracy, w której powierzchowne neuromasty zlokalizowane na naskórku wyczuwają niskie częstotliwości oraz prąd stały (przepływ), podczas gdy neuromast kanałowy znajdujący się pod naskórkiem zamknięty w kanałach wykrywa prąd przemienny za pomocą gradientów ciśnienia. W tych systemach, w których neuromast powierzchowny zlokalizowany na naskórku wyczuwa zarówno niskie częstotliwości, jak i prąd stały, podczas gdy neuromast kanałowy znajdujący się pod naskórkiem zamknięty w kanałach wykrywa prąd przemienny za pomocą gradientów ciśnienia

kopuła

Cupula to galaretowaty worek pokrywający włosy jak neuromast wystający ze skóry. Kopuła utworzona nad neuromastem to kolejna cecha, która rozwinęła się w czasie i zapewnia lepszą reakcję na pole przepływu. Fibryle kielichowe rozciągają się od przypominającego włosy neuromastu. Cupula pomaga tłumić sygnały o niskiej częstotliwości dzięki swojej bezwładności i wzmacniać sygnały o wyższej częstotliwości dzięki dźwigni. Ponadto te rozszerzone struktury zapewniają lepszą czułość, gdy neuromast jest zanurzony w warstwie granicznej. Ostatnie badania wykorzystują odlewanie kropelkowe, w którym kapanie roztworu HA-MA na rusztowanie elektroprzędzone w celu wytworzenia napędzanej grawitacyjnie wydłużonej sferoidalnej formacji kopuły. Eksperymentalne porównanie nagiego czujnika z 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. Wśród gatunków wodnych występuje pewien wzorzec w koncentracji neuromastów wzdłuż ciała. Stwierdzono, że system kanałów biegnie wzdłuż ciała w jednej linii, która ma tendencję do rozgałęziania się w pobliżu głowy. U ryb położenie kanału sugeruje informacje hydrodynamiczne dostępne podczas pływania. Dokładne rozmieszczenie kanałów różni się w zależności od gatunku, co sugeruje raczej rolę funkcjonalną niż ograniczenie rozwojowe

Dystrybucja kanałów wzdłuż ciała

Zwykle stężenie w kanale osiąga szczyt w pobliżu nosa i znacznie spada w pozostałej części ciała. Tendencję tę obserwuje się u ryb różnej wielkości, które zajmują różne siedliska i u różnych gatunków. Niektóre badania stawiają hipotezę o ścisłym związku między lokalizacją kanału a rozwojem kości oraz tym, w jaki sposób są one morfologicznie . Dokładne rozmieszczenie kanałów różni się w zależności od gatunku i może być sugestywną oznaką roli funkcjonalnej, a nie ograniczenia rozwojowego.

Elastyczność kanałów

Elastyczność systemu kanałów 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 znaczny skok czułości systemu. Ulepszenia geometryczne w systemie kanałów i optymalizacja sprzętu wykrywającego w celu uzyskania lepszych wyników.

Zwężenia w kanałach w pobliżu neuromastu

Przy wyższych gradientach ciśnienia napięcie wyjściowe urządzeń ze zwężeniami ścianek 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 postrzegać gradient ciśnienia jako niskie, jak 3,2 E-3 Pa / 5 mm, porównywalne z Cottus bairdii występującym w naturze. Dodatkowo 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 jednostki, co sprawia, że ​​wykrywanie w trybie on-line i reakcja w czasie rzeczywistym są absolutną koniecznością w zakresie zdolności adaptacyjnych.

Postęp w dziedzinie sztucznej linii bocznej przyniósł korzyści różnym dziedzinom poza nawigacją podwodną. Głównym przykładem jest dziedzina obrazowania sejsmicznego. Pomysł selektywnej odpowiedzi częstotliwościowej w powierzchniowych neuromastach zachęcił naukowców do opracowania nowych metod tworzenia obrazów sejsmicznych obiektów pod oceanem przy użyciu połowy danych do generowania obrazów o wyższej rozdzielczości w porównaniu z tradycyjnymi metodami, oprócz oszczędności czasu potrzebnego na przetwarzanie

Podobne systemy

Elektrosensoryczna linia boczna (ELL) wykorzystuje pasywną elektrolokację, z wyjątkiem niektórych grup ryb słodkowodnych, które wykorzystują aktywną elektrolokację do emitowania i odbierania pól elektrycznych. Można go odróżnić od LLS na podstawie ostrej różnicy w ich działaniu oprócz podobnych ról

Powłokowe narządy czuciowe (ISO) to inne czuciowe narządy w kształcie kopuły, które można znaleźć w okolicy czaszki 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 wyczuwają stały przepływ. Drugi to receptory szybko adaptujące się (RA), które wyczuwają bodźce oscylacyjne. ISO może potencjalnie wykryć kierunek zakłócenia z dużą dokładnością w przestrzeni 3D. Innym przykładem są wąsy foki pospolitej. Ponadto niektóre mikroorganizmy wykorzystują obrazowanie hydrodynamiczne do drapieżnictwa.

  1. ^ abc Ristroph ,   C. Leif; Liao, James C.; Zhang, czerwiec (styczeń 2015). „Układ linii bocznej koreluje z różnicą ciśnienia hydrodynamicznego na pływających rybach” . Fizyczne listy przeglądowe . 114 (1): 018102. Bibcode : 2015PhRvL.114a8102R . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.018102 . PMC 6324575 .
  2. ^ Paul, 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. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  3. ^ ab Yingchen , Yang; Chen, Nannan; Tucker, Craig; Engel, Jonantan; Pandya, Saunvit; Liu, Chang (styczeń 2007). „Od czujnika sztucznych komórek włosowych do systemu sztucznej linii bocznej: rozwój i zastosowanie”. Nanotechnologia : 577–580.
  4. ^ a b „Linia boczna” , Wikipedia , 04.10.2019 , pobrano 26.10.2019 ; https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
  5. ^ a b Izby, LD; Akanyeti, O.; Venturelli, R.; Jezǒv, J.; Brązowy, J.; Kruusmaa, M.; Fiorini, P.; Megill, WM (2014). „Perspektywa ryby: wykrywanie cech przepływu podczas ruchu za pomocą sztucznej linii bocznej w przepływie stałym i nieustalonym”. Interfejs Journal of Royal Society . 11 .
  6. ^   Yang, Yingchen Chen, Jack Engel, Jonathan Pandya, Saunvit Chen, Nannan Tucker, Craig Coombs, Sheryl Jones, Douglas L. Liu, Chang (2006). „Obrazowanie hydrodynamiczne z odległym dotykiem ze sztuczną linią boczną” . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 103 (50): 18891–18895. Bibcode : 2006PNAS..10318891Y . doi : 10.1073/pnas.0609274103 . PMC 1748147 . {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  7. ^ abc Jiang, Yonggang Ma, Zhiqiang Fu, Jianchao Zhang , Deyuan (2017). „Opracowanie elastycznego systemu kanałów sztucznej linii bocznej do wykrywania ciśnienia hydrodynamicznego”. Czujniki (Szwajcaria) . 17 ust. 6 – za pośrednictwem MDPI. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  8. ^ a b   Jiang, A. Yonggang; Wu, Peng; Xu, Yuanhang; Hu, Xiaohe; Gong, Zheng; Zhang, Deyuan (2019). „System sztucznej linii bocznej wspomagany kanałem zwężającym dla ulepszonego wykrywania ciśnienia hydrodynamicznego”. Bioinspiracja i biomimetyka . 14 (6): 066004. doi : 10.1088/1748-3190/ab3d5a . PMID 31434068 – za pośrednictwem IOP Publishing.
  9. ^ ab Chen, J. Engel, J. Chen, N. Pandya, S. Coombs, S. Lin, C. (styczeń 2006). „Sztuczna linia boczna i śledzenie obiektów hydrodynamicznych”. Materiały z Międzynarodowej Konferencji IEEE na temat mikrosystemów elektromechanicznych (MEMS) . 2006 : 694–697. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: 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 hydrożelowe neuromasty MEMS wspomagane rusztowaniem nanofibrylowym dla zwiększonej czułości wykrywania przepływu” . Raporty naukowe . 6 : 19336. Bibcode : 2016NatSR...619336K . doi : 10.1038/srep19336 . {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  11. ^   Weeg, Matthew S. Bass, Andrew H. (2002). „Właściwości odpowiedzi częstotliwościowej powierzchownych nerwiaków linii bocznej u ryby wokalnej, z dowodami na wrażliwość akustyczną”. Dziennik neurofizjologii . 88 (3): 1252–1262. doi : 10.1152/jn.2002.88.3.1252 . PMID 12205146 . {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  12. ^   de Freitas Silva, Franscisco Wilton da Silva, Sérgio Luiz Eduardo Ferreira Henriques, Marcos Vinícius Cândido Corso, Gilberto (2019). „Wykorzystanie wykrywania linii bocznej ryb w celu poprawy akwizycji i przetwarzania danych sejsmicznych” . PLoS JEDEN . 14 (4): e0213847. Bibcode : 2019PLoSO..1413847F . doi : 10.1371/journal.pone.0213847 . PMC 6467369 . {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  13. ^ Bouffanais, Roland Weymouth, Gabriel D. Yue, Dick KP (2011). „Rozpoznawanie obiektów hydrodynamicznych za pomocą wykrywania ciśnienia” . Proceedings of Royal Society A: Nauki matematyczne, fizyczne i inżynierskie . 467 (2125): 19–38. Bibcode : 2011RSPSA.467...19B . doi : 10.1098/rspa.2010.0095 . {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  14. ^ ab . Elgar Kanhere, Nan Wang, Ajay Giri Prakash Kottapall, Mohsen Asadnia, Vignesh Subramaniam, Jianmin Miao i Michael Triantafyllou (2016) „Receptory ciśnienia w kształcie kopuły inspirowane krokodylami do pasywnego wykrywania hydrodynamicznego”. Bioinspiracja i biomimetyka . 11 (5): 056007. Bibcode : 2016BiBi...11e6007K . doi : 10.1088/1748-3190/11/5/056007 – za pośrednictwem wydawnictwa IOP. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Artificial_lateral_line&oldid=1138981925 ”