Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Искусственная боковая линия (ALL) является биомиметической боковой линией системы. Боковая линия - это система органов чувств у водных животных, таких как рыбы, которая служит для обнаружения движения, вибрации и градиентов давления в окружающей их среде. Искусственная боковая линия представляет собой искусственный биомиметический массив различных механосенсорных преобразователей, который аналогичным образом позволяет формировать пространственно-временное изображение источников в непосредственной близости на основе гидродинамических сигнатур; цель состоит в том, чтобы помочь в уклонении от препятствий и отслеживании объектов .... [1]Система биомиметических боковых линий может улучшить навигацию в подводных транспортных средствах, когда зрение частично или полностью нарушено. Подводная навигация является сложной задачей из-за быстрого ослабления радиочастот и сигналов глобальной системы позиционирования . [2] Кроме того, система ALL может преодолеть некоторые недостатки традиционных методов локализации, таких как SONAR и оптическое отображение.

Основным компонентом естественной или искусственной боковой линии является невромаст, механорецептивный орган, который позволяет обнаруживать механические изменения в воде. Волосковая клетка служит основной единицей измерения потока и акустики. Некоторые виды, такие как членистоногие, используют одну волосковую клетку для этой функции, а другие существа, такие как рыбы, используют пучок волосковых клеток для достижения точечного восприятия. [3] Боковая линия рыб состоит из тысяч волосковых клеток. [3] В рыбах невромаст представляет собой тонкую структуру, похожую на волосы, которая использует преобразование кодирования скорости для передачи направленности сигнала. [4] Каждый невромаст имеет направление максимальной чувствительности, обеспечивающее направленность. [5]

Биомиметические характеристики [ править ]

Нейромачта [ править ]

В искусственной боковой линии функция невромаста осуществляется с помощью датчиков. Эти крошечные структуры используют различные системы , такие как горячая проволоку анемометрия , [6] оптоэлектроника [7] или пьезоэлектрические кантилеверы [7] для обнаружения механических изменений в воде. Нейромасты в основном делятся на два типа в зависимости от их местоположения. Поверхностный невромаст, расположенный на коже, используется для измерения скорости, чтобы определить местонахождение определенных движущихся целей, тогда как нейромасты каналов, расположенные ниже эпидермиса, заключенные в канал, используют градиент давления между входом и выходом для обнаружения объектов и предотвращения их попадания. Рыбы используют поверхностный невромаст также для реотаксиса и удержания станции. [8]

Упрощенный датчик горячего провода

Из всех используемых методов зондирования только термоанемометрия является ненаправленной. Этот метод позволяет точно измерить движение частиц в среде, но не направление потока. Однако анемометра с горячей проволокой и собранных данных достаточно для определения движения частиц размером до сотен нанометров, и в результате он сопоставим с невромастом в аналогичном потоке. [9] На рисунке изображен упрощенный датчик с горячей проволокой. Токоведущие проводники подвергаются повышению температуры из-за джоулева нагрева.. Обтекание токоведущего провода вызывает его охлаждение, и на выходе возникает изменение тока, необходимое для восстановления исходной температуры. В другом варианте на выходе используется изменение удельного сопротивления материала по отношению к изменению температуры горячей проволоки.

изображение Thomas.haslwanter; https: //creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en
Рисунок 2: Вид в разрезе боковой линии у рыбы и ее компонентов.

Разделение труда [ править ]

В этих системах используется метод разделения труда, при котором поверхностные невромасты, расположенные на эпидермисе, воспринимают низкие частоты, а также постоянный ток (поток), в то время как нейромаст канала, расположенный под эпидермисом, заключенный в каналы, обнаруживает переменный ток с помощью градиентов давления. [10] В этих системах поверхностные невромасты, расположенные на эпидермисе, воспринимают низкие частоты, а также постоянный ток, в то время как невромасты каналов, расположенные под эпидермисом, заключенные в каналы, обнаруживают переменный ток, используя градиенты давления [10]

Купула [ править ]

Купула - это студенистый мешок, покрывающий волосы, как невромаст, выступающий из кожи. Купула, образовавшаяся над невромастом, - еще одна особенность, которая развивалась со временем и которая обеспечивает лучший ответ на поле потока. [4] Купулярные фибриллы отходят от волосовидного невромаста. Cupula помогает ослаблять низкочастотные сигналы в силу своей инерции и усиливать более высокочастотные сигналы за счет рычага. [10] Кроме того, эти расширенные структуры обеспечивают лучшую чувствительность, когда невромаст погружен в пограничный слой. [10]В недавних исследованиях используется капельное литье, при котором раствор HA-MA капает на электропряденые леса для создания вытянутого сфероидального купулы, вызванного действием силы тяжести. Экспериментальное сравнение обнаженного датчика и недавно разработанного датчика показало положительные результаты [10]

Каналы [ править ]

Канал Нейромасты заключены в каналы, которые проходят через тело. Эти каналы отфильтровывают низкочастотный поток, который может вызвать насыщение системы. [9] Определенная закономерность обнаруживается в концентрации невромастов вдоль тела у водных видов. Система каналов проходит вдоль тела одной линией, которая имеет тенденцию разветвляться около головы. У рыб расположение канала наводит на мысль о гидродинамической информации, доступной во время плавания. Точное расположение каналов варьируется у разных видов животных, что указывает на функциональную роль, а не на ограничение развития [1]

Распределение каналов по телу [ править ]

Как правило, концентрация в канале достигает пика около носа и значительно снижается по всему телу. Эта тенденция наблюдается у рыб разных размеров, которые обитают в разных средах обитания и у разных видов. Некоторые исследования выдвигают гипотезу о тесной связи между расположением канала и развитием костей и тем, как они морфологически ограничены. Точное расположение каналов варьируется у разных видов и может указывать на функциональную роль, а не на ограничение развития. [1]

Гибкость канала [ править ]

Гибкость системы каналов существенно влияет на ослабление низкочастотного сигнала. Гибкость чувствительного элемента, помещенного в систему канала, может повысить чувствительность системы искусственной линии канала (CALL). Экспериментальные данные подтверждают, что этот фактор приводит к значительному скачку чувствительности системы. Геометрические улучшения в системе каналов и оптимизация сенсорного оборудования для достижения лучших результатов. [7]

Сужения каналов возле невромаста [ править ]

При более высоких градиентах давления выходное напряжение устройств с сужениями стенок возле датчиков на боковой линии канала (CALL) было намного более чувствительным, и, согласно Y Jiang, Z Ma, J Fu и др., Их система могла воспринимать градиент давления как низкий - 3,2 E − 3 Па / 5 мм, сравнимый с таковым у Cottus bairdii, встречающегося в природе. Кроме того, эта функция ослабляет низкочастотные гидродинамические сигналы. [8]

Приложения [ править ]

Навигация по мелководным водоемам представляет собой сложную задачу, особенно для подводных аппаратов. Колебания потока могут отрицательно повлиять на траекторию движения аппарата, что делает обнаружение в реальном времени и реакцию в реальном времени абсолютной необходимостью для адаптации. [5]

Прогресс в области создания искусственной боковой линии принес пользу не только подводной навигации, но и другим областям. Ярким примером является область построения сейсмических изображений. Идея избирательного частотного отклика в поверхностном невромасте [11] побудила ученых разработать новые методы для создания сейсмических изображений объектов под океаном, используя половину данных для создания изображений с более высоким разрешением по сравнению с традиционными методами в дополнение к экономии времени, необходимого для обработки. [12]

Подобные системы [ править ]

Электросенсорная боковая линия (ELL) использует пассивную электролокацию, за исключением некоторых групп пресноводных рыб, которые используют активную электролокацию для излучения и приема электрических полей. Его можно отличить от LLS по резкому различию в их работе, помимо схожих ролей [13]

Покровные сенсорные органы (ИСО) - это другие сенсорные куполообразные органы, обнаруженные в черепной области крокодилов. Это совокупность органов чувств, которые могут обнаруживать механические, ph и термические изменения. Эти механорецепторы делятся на два. Первый из них - это рецепторы с медленной адаптацией (SA), которые воспринимают устойчивый поток. Второй - это рецепторы быстрой адаптации (РА), которые воспринимают колебательные стимулы. ISO потенциально может определять направление возмущения с высокой точностью в трехмерном пространстве. [14] Усы морского тюленя - еще один пример. [14] Кроме того, некоторые микроорганизмы используют гидродинамическую визуализацию, чтобы существовать раньше.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c К.Лейф Ристроф, Джеймс К. Ляо и Цзюнь Чжан (январь 2015 г.). «Расположение боковой линии коррелирует с дифференциальным гидродинамическим давлением на плавающую рыбу» . Письма с физическим обзором . 114 (1): 018102. Bibcode : 2015PhRvL.114a8102R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.114.018102 .
  2. ^ Полл, Лиам Саиди, Саяд Сето, Мэй Ли, Говард (2014). «Навигация и локализация АПА: обзор». IEEE Journal of Oceanic Engineering . 39 (1): 131–149. Bibcode : 2014IJOE ... 39..131P . doi : 10.1109 / JOE.2013.2278891 - через IEEE.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ a b Ян Инчэн, Наннан Чен, Крэйг Такер, Джонантан Энгель, Саунвит Пандья, Чанг Лю (январь 2007 г.). «ОТ ИСКУССТВЕННОГО КЛЕТОЧНОГО ДАТЧИКА ВОЛОС ДО ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ Боковых линий: РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ Лаборатория микро- и нанотехнологий, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн». Нанотехнологии : 577–580.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ a b «Боковая линия» , Википедия , 4 октября 2019 г. , данные получены 26 октября 2019 г.; 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). «Перспектива рыбы: обнаружение особенностей потока во время движения с использованием искусственной боковой линии в устойчивом и неустойчивом потоке». Журнал Интерфейса Королевского общества . 11 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ↑ Ян, Инчен Чен, Джек Энгель, Джонатан Пандья, Сонвит Чен, Наннан Такер, Крейг Кумбс, Шерил Джонс, Дуглас Л. Лю, Чанг (2006). «Дистанционное гидродинамическое отображение с искусственной боковой линией» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (50): 18891–18895. Bibcode : 2006PNAS..10318891Y . DOI : 10.1073 / pnas.0609274103 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ a b c Цзян, Юнган Ма, Чжицян Фу, Цзяньчао Чжан, Дэюань (2017). «Разработка гибкой системы искусственных каналов боковой линии для определения гидродинамического давления». Датчики (Швейцария) . 17 (6) - через MDPI.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ а б А. Юнган Цзян, Пэн Ву, Юаньхан Сюй, Сяохэ Ху, Чжэн Гун, Дэюань Чжан (2019). «Система искусственной боковой линии при помощи суженного канала для улучшенного определения гидродинамического давления». Биоинспирация и биомиметика . 14 (6): 066004. DOI : 10,1088 / 1748-3190 / ab3d5a . PMID 31434068 - через публикацию IOP. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ a b Чен, Дж. Энгель, Дж. Чен, Н. Пандья, С. Кумбс, С. Линь, К. (январь 2006 г.). «Искусственная боковая линия и гидродинамическое сопровождение объекта». Труды Международной конференции IEEE по микроэлектромеханическим системам (MEMS) . 2006 : 694–697.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ a b c d e Коттапалли, Аджай Гири Пракаш Бора, Мегали Асадния, Мохсен Мяо, Цзяньминь Венкатраман, Суббу С. Триантафиллу, Майкл (январь 2016 г.). «Каркас из нанофибрилл помогал невромастам из искусственного гидрогеля MEMS для повышения чувствительности измерения потока» . Научные отчеты . 6 : 19336. Bibcode : 2016NatSR ... 619336K . DOI : 10.1038 / srep19336 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Weeg, Мэтью С. Басс, Эндрю Х. (2002). «Амплитудно-частотные характеристики поверхностных невромастов боковой линии голосовой рыбы с доказательствами акустической чувствительности». Журнал нейрофизиологии . 88 (3): 1252–1262. DOI : 10,1152 / jn.2002.88.3.1252 . PMID 12205146 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ де Фрейтас Силва, Франсиско Вильтон да Силва, Сержиу Луис Эдуардо Феррейра Энрикес, Маркос Винисиус Кандидо Корсо, Жилберто (2019). «Использование измерения боковой линии рыбы для улучшения сбора и обработки сейсмических данных» . PLoS ONE . 14 (4): e0213847. Bibcode : 2019PLoSO..1413847F . DOI : 10.1371 / journal.pone.0213847 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Bouffanais, Роланд Weymouth, Габриэль Д. Юэ, Дик КП (2011). «Распознавание гидродинамических объектов по давлению» . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 467 (2125): 19–38. Bibcode : 2011RSPSA.467 ... 19B . DOI : 10,1098 / rspa.2010.0095 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ а б Элгар Канхере, Нан Ван, Аджай Гири Пракаш Коттапалл, Мохсен Асадния, Виньеш Субраманиам, Цзяньминь Мяо и Майкл Триантафиллу (2016). «Куполообразные рецепторы давления в виде крокодила для пассивного гидродинамического зондирования». Биоинспирация и биомиметика . 11 (5): 056007. Bibcode : 2016BiBi ... 11e6007K . doi : 10.1088 / 1748-3190 / 11/5/056007 - через публикацию IOP.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )