Konstgjord sidolinje

En artificiell lateral linje (ALL) är ett biomimetiskt lateralt linjesystem. En lateral linje är ett system av känselorgan hos vattenlevande djur som fiskar, som tjänar till att upptäcka rörelser, vibrationer och tryckgradienter i deras miljö. En artificiell sidolinje är en artificiell biomimetisk uppsättning distinkta mekanosensoriska omvandlare som på liknande sätt tillåter bildandet av en rums-temporal bild av källorna i omedelbar närhet baserad på hydrodynamiska signaturer; syftet är att hjälpa till att undvika hinder och spåra föremål. Det biomimetiska sidolinjesystemet har potential att förbättra navigeringen i undervattensfarkoster när sikten är delvis eller helt försämrad. Undervattensnavigering är utmanande på grund av den snabba dämpningen av radiofrekvens- och Global Positioning System- signaler. Dessutom kan ALLA system övervinna några av nackdelarna med traditionella lokaliseringstekniker som SONAR och optisk bildbehandling.

Den grundläggande komponenten i antingen en naturlig eller artificiell sidolinje är en neuromast, ett mekanoreceptivt organ som tillåter avkänning av mekaniska förändringar i vatten. Hårceller fungerar som grundenheten i flödes- och akustisk avkänning. Vissa arter (som leddjur ) använder en enda hårcell för denna funktion och andra varelser som fiskar använder ett knippe hårceller för att uppnå punktvis avkänning. Fiskens laterala linje består av tusentals hårceller. Hos fisk är en neuromast en fin hårliknande struktur som använder transduktion av hastighetskodning för att överföra signalens riktning. Varje neuromast har en riktning med maximal känslighet som ger riktning.

Biomimetiska egenskaper

Neuromast

I den konstgjorda laterala linjen utförs neuromastens funktion med hjälp av transduktorer. Dessa små strukturer använder olika system som hot-wire anemometri , optoelektronik eller piezoelektriska konsoler för att upptäcka mekaniska förändringar i vatten. Neuromaster klassificeras primärt i två typer baserat på deras plats. Den ytliga neuromasten som är placerad på huden används för hastighetsavkänning för att lokalisera vissa rörliga mål, medan kanalneuromaster belägna under epidermis innesluten i kanalen använder tryckgradient mellan inlopp och utlopp för att detektera och undvika föremål. Fiskar använder ytlig neuromast för reotaxi och stationshållning också.

Förenklad Hot-wire sensor

Av alla avkänningstekniker som används är endast hot-wire anemometri icke riktad. Denna teknik kan noggrant mäta partikelrörelsen i mediet men inte flödesriktningen. Men hettråds-anemometern och de insamlade data är tillräckliga för att bestämma partikelrörelser upp till hundratals nanometer och är som ett resultat jämförbara med en neuromast i liknande flöde. Figuren är en bild av en förenklad hettrådssensor. Strömförande ledare genomgår temperaturökningar på grund av Joule-uppvärmning . Flödet runt den strömförande tråden får den att svalna och förändringen i ström som krävs för att återställa den ursprungliga temperaturen är resultatet. I en annan variant används förändringen i resistivitet hos materialet med avseende på temperaturförändringen hos den heta tråden vid utgången.

Figur 2: Sektionsvy av sidolinje hos fisk och dess komponenter

Arbetsfördelning

Det finns en arbetsdelningsteknik som används i dessa system där ytliga neuromaster belägna på epidermis känner av låga frekvenser såväl som likström (flöde) medan kanalneuromasten som är belägen under epidermis innesluten i kanaler detekterar växelström med hjälp av tryckgradienter. I dessa system där ytliga neuromaster placerade på epidermis känner av låga frekvenser såväl som likström medan kanalneuromasten som är belägen under epidermis innesluten i kanaler detekterar växelström med hjälp av tryckgradienter

Cupula

Cupula är en gelatinös säck som täcker hår som neuromast som sticker ut från huden. Cupula bildad över neuromast är en annan egenskap som utvecklats över tiden som ger ett bättre svar på flödesfältet. Kupformade fibriller sträcker sig från den hårliknande neuromasten. Cupula hjälper till att dämpa lågfrekventa signaler på grund av sin tröghet och förstärker högre frekvenssignaler på grund av hävstångseffekten. Dessutom ger dessa utökade strukturer bättre känslighet när neuromasten är nedsänkt i gränsskiktet. Nyligen genomförda studier använder droppgjutning, där droppning av HA-MA-lösning över den elektrospunnen byggnadsställningen för att skapa en gravitationsdriven prolat sfäroidformad kupolformation. Experimentell jämförelse mellan den nakna sensorn och den nyutvecklade sensorn visar positiva resultat

Kanaler

Kanalneuromaster är inneslutna i kanaler som löper tvärs över kroppen. Dessa kanaler filtrerar bort lågfrekvent flöde som kan mätta systemet. Ett visst mönster återfinns i koncentrationen av neuromaster längs kroppen bland vattenlevande arter. Kanalsystemet visar sig löpa längs kroppen i en enda linje som tenderar att förgrena sig nära huvudet. Hos fiskar tyder kanalläget på den hydrodynamiska information som finns tillgänglig under simning. Den exakta placeringen av kanaler varierar mellan arter, ett tydande tecken på funktionell roll snarare än utvecklingsbegränsning

Kanalfördelning längs kroppen

Vanligtvis når kanalkoncentrationen en topp nära näsan och sjunker avsevärt över resten av kroppen. Denna trend finns hos fiskar av varierande storlek som upptar olika livsmiljöer och över en mängd olika arter. Vissa studier har en hypotes om det nära sambandet mellan kanalplacering och benutveckling och hur de är morfologiskt begränsade. Den exakta placeringen av kanaler varierar mellan arter och kan vara ett tecken på funktionell roll snarare än utvecklingsbegränsning.

Kanalflexibilitet

Kanalsystemets flexibilitet har en betydande effekt på lågfrekvent signaldämpning. Flexibiliteten hos avkänningselementet placerat i kanalsystemet kan öka känsligheten hos Canal Artificial Line (CALL)-systemet. Experimentella data visar att denna faktor skapar ett betydande hopp i systemets känslighet. Geometriska förbättringar i kanalsystemet och optimering av avkänningsutrustningen för bättre resultat.

Förträngningar i kanaler nära neuromast

Vid högre tryckgradienter var spänningsutgången från enheter med väggförträngningar nära sensorerna i kanalens laterala linje (CALL) mycket känsligare och enligt Y Jiang, Z Ma, J Fu, et al kunde deras system uppfatta en tryckgradient som låg som 3,2 E−3 Pa/5 mm, jämförbar med den för Cottus bairdii som finns i naturen. Dessutom dämpar denna funktion lågfrekventa hydrodynamiska signaler.

Ansökningar

Navigering i grunda vatten är en utmaning särskilt för undervattensfarkoster. Flödesfluktuationer kan negativt påverka farkostens bana vilket gör onlinedetektering och realtidsreaktion till en absolut nödvändighet för anpassningsförmåga.

Framsteg inom området konstgjord sidolinje har gynnat andra områden än undervattensnavigering. Ett viktigt exempel är området seismisk avbildning. Idén med selektiv frekvensrespons i ytlig neuromast har uppmuntrat forskare att designa nya metoder för att utveckla seismiska bilder av särdrag under havet med hjälp av hälften av datan för att generera bilder med högre upplösning jämfört med traditionella metoder, förutom att spara tid som krävs för bearbetning

Liknande system

Elektrosensorisk lateral linje (ELL) använder passiv elektrolokalisering förutom vissa grupper av sötvattensfiskar som använder aktiv elektrolokalisering för att sända ut och ta emot elektriska fält. Det kan särskiljas från LLS baserat på den akuta skillnaden i deras verksamhet förutom liknande roller

Integumentary Sensory Organs (ISO) är andra sensoriska kupolformade organ som finns i kranialregionen hos krokodiler. Det är en samling sensoriska organ som kan upptäcka mekaniska, ph- och termiska förändringar. Dessa mekanoreceptorer är klassificerade i två. Den första är långsamma anpassningsreceptorer (SA) som känner av ett stadigt flöde. Den andra är Rapid Adapting receptors (RA) som känner av oscillerande stimuli. ISO kan potentiellt upptäcka störningsriktning med hög noggrannhet i 3D-rymden. Morrhår hos knubbsäl är ett annat exempel. Dessutom använder vissa mikroorganismer hydrodynamisk avbildning för att föregå.