基本信息
- 项目名称：
- 环形数字鱼类视觉实验装置的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 采用现代光电物理应用技术与传统鱼类行为学研究手段有机结合的方法，自主设计制作了一个环形数字鱼类视觉实验装置，较好地解决了其它各种运动性视觉实验装置的不足，如刺激物带来的噪声、震动和水流波动等干扰影响。该装置具有很好的可控制性能，可以方便地进行多种鱼类行为学实验，包括视觉、条件反射等，在渔业工程和水下工程等方面具有一定的开发潜力。
- 详细介绍：
- 鱼类的视觉特性是渔具设计的重要参考之一。对鱼类的视觉能力和行为的研究内容涉及鱼类能看到什么，是否能分辨颜色和物体形状，视觉反应的最低光强，视觉距离，以及因视觉刺激引起的对不同物体的行为反应，例如保标性等。本项目拟设计并研制一种环形数字鱼类视觉试验装置，来探索鱼类的部分视觉特性。主要采用现代光电物理应用和电子微控技术与传统鱼类行为研究手段有机结合的方法来实现。 在对各种传统实验设计进行详细对比和分析后，认为传统实验设计的主要问题在于不能有效隔离外界因素的干扰，从而影响实验精确性。为了使对鱼类视觉产生的刺激变量单一化，我们通过设计，有效改进了原先实验装置和设计的繁重、噪声、可控性差等不足，并拓宽了原先实验装置功能单一的局限性，可用于测定鱼类视觉能力的多个项目。例如，我们设计的装置除了能实现亮暗条纹转动使得与跟着游动这一效果外，还可以探究在渐变，甚至复杂的光亮变化，光亮程度，光亮形式，光亮颜色等条件下鱼的反应。还可以在鱼缸里安装各种不同的传感器，比如温度传感器，PH传感器等，测出更为系统的鱼类行为实验参数。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计：鱼类的视觉特性是渔具设计的重要参考之一。在鱼类视觉行为反应研究中，常用的几种实验设计有：圆筒式条纹实验、传送带式条纹实验、旋转带子水槽实验、双水槽实验和均匀光场条纹实验等，这些都只是用来测试鱼类视觉的保标性的。其它实验设计还有：鱼类对各种颜色的行为反应实验、鱼类辨别颜色能力实验和鱼类视觉残留和反差临界值测试实验等。通过对各种实验设计进行综合分析，认为以上各种实验各有优点，但也存在某些缺陷，主要有：①功能单一，每个实验设计只能测试一个鱼类视觉指标；②结构复杂、操作不方便；③会产生水流、噪声等干扰；④实验精度有限；⑤功耗大。 本项目拟设计并研制一种环形数字鱼类视觉试验装置，来探索鱼类的部分视觉特性。主要采用现代光电物理应用技术与传统鱼类行为研究手段有机结合的方法来实现。 发明目的：我们希望通过本项目的实施，使各个成员在“发现问题，分析问题，解决问题”这一过程中，培养和锻炼自身的科研探索能力。 创新点：本项目的主要创新点在于将现代光电物理应用和电子微控制技术，有机地融合在传统的鱼类行为研究中，并且拓宽了原先实验装置功能单一的局限性，可用于测定鱼类视觉能力的多个项目。 技术关键和主要技术指标：在于电路设计、程序控制以及材料选择等。最终要实现亮暗条纹转动使得鱼跟着游动，以及在渐变，甚至复杂的光亮变化，光亮程度，光亮形式，光亮颜色等条件下，观察和测定不同鱼类的视觉反应性能。
科学性、先进性
- 在鱼类视觉测试方面，有一个典型的实验——黑白条纹实验。即根据有些鱼具有跟随目标运动的习性，即保标性，通过实验可以观察和了解哪些鱼类具有这种习性；如果鱼具有跟随目标运动的习性，则证明鱼的视觉发挥作用，应该是看见目标的；因此可以通过鱼类对移动目标的反应来判断鱼类的视觉能力。但这种传统的条纹实验在操作过程中会产生噪声和水流的波动等，影响观察结果，且可控制性差、操作不方便。 本装置采用电子微控制技术，在静态的背光板上显示动态的彩色条纹，代替转动的皮带或条纹轮，有效的解决了噪声和水流波动等带来的干扰，通过PC机远程控制装置，避免了在近距离实验过程中人和操作动作对鱼类行为的干扰。在对第一代装置进行初步试验观测后表明，装置的设计思路和可操作性得到较好的验证。通过斑马鱼鱼游试验，证实本装置不仅可控性好、操作方便，而且能在短时间内进行多次重复试验，这为教学示范和科学研究带来极大的方便。另外，本装置还具有测试鱼类对各种颜色的行为反应实验、鱼类辨别颜色能力实验、鱼类视觉残留和反差临界值测试实验等功能。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年4月，获校级大学生优秀科研创新项目 2009年5月，在上海科技馆进行为期一周的科普作品展示 2009年5月，首届上海大学生创新活动论坛优秀案例
作品所处阶段
- 第1代产品已制作完成，并应用于具体鱼类行为实验。 第2代产品制作方案已确定，硬件设备正在完善中。
技术转让方式
- 希望能以合作开发的形式进行。
作品可展示的形式
- 实验装置的实物；实验装置有关图片；实验装置的现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 简单说明：将128条数码管均匀布置在环形缸的内壁上，用8个按键控制不同的循环转动方式及速率，使条状明暗光源循环转动，并显示当前速率等。 技术特点和优势：较好地解决了运动性视觉刺激物带来的噪声、震动和水流波动等干扰影响。具有很好的可控制性能，可以方便地进行多种行为学实验，包括视觉、条件反射等。 应用前景简析：本装置的设计为鱼类行为的视觉研究提供一种新的研究手段和方法，具有较宽的适用范围，可以用于助渔设备，提供诱集效率或引导作用，提高捕捞、养殖等生产效率，还可以用于水下信号指示标牌等场合，具有潜在的推广应用前景。
同类课题研究水平概述
- 对大部分鱼类来说，视觉是最重要的感觉功能，对鱼类视觉的刺激是影响鱼类行为的重要因素。在渔业生产作业中，我们需要了解鱼类能看到什么，能否区分颜色，在渔具的作业水深处，在光线照度很低的情况下，鱼类的视觉灵敏度和对物体的分辨能力，以及鱼类是否具有视觉的记忆能力，视觉对鱼类集群的影响等等。这些都是渔具渔法的设计依据，是提高捕捞效率或进行选择性捕捞的重要依据。有关鱼类的视觉能力的研究成果对渔业科学的发展、生产率的提高、以及保护生态环境和资源都具有重要意义。所以国内外学者对于鱼类的视觉能力测量都作了大量的工作。 SHAW设计了圆筒式条纹实验：在一个高30.5cm、直径77.5cm的圆筒内，设置一个同样高度、直径30.5cm的透明小圆筒。小圆筒内放置观察仪器。试验鱼放在两圆筒之间。外筒可以旋转，外筒内壁涂有黑白相间的垂直条纹。对试验鱼的视觉刺激强度将取决于外筒旋转转速的高低和条纹宽度。通过调节圆筒旋转速度和黑白条纹的宽度即可改变对鱼类视觉的刺激量。但是，外筒的旋转，将带动水体运动，还会产生噪声，会影响鱼类的行为。 前苏联苏LYON设计了传送带式条纹实验：沿天然河岸设置一条长传送带，带平面垂直于水面，并绘有黑白条纹。当传送带运转时，观察鱼类对传送带上黑白条纹的反应。显然，在天然水域中进行实验的优点是实验鱼的体质和体能都处于自然状态，但实验将受到水质、天气、光照、流速、环境噪声等因素的影响。观察结果具有不确定性。 此外，还有双水槽实验：两个环状圆筒套置在一起，外筒内壁和内筒外壁是透明的。“实验鱼”放置在内筒中，“刺激鱼”置在外筒中。通过改变外筒中的“刺激鱼”的数量和运动状态，观察“实验鱼”的行为反应。该装置排除了气味、游泳引起的震动和水流的影响，唯一的刺激是通过视觉引起。但该装置结构上较复杂，操作也不太方便。 我国国内在20世纪70年代末期，通过“电生理方法、组织学方法”，对鱼类的视网膜结构和超微结构进行过解剖描述等。而使用视觉行为反应来分析研究的则较少，主要有厦门大学何大仁教授、浙江海洋学院蔡厚才教授，曾利用旋转条纹屏幕的方法对部分淡水鱼类进行研究。该试验方法的不足在于：易受外部条件影响，尤其是人为观测及设备噪音的影响。 综上，先前的试验手段曾有较多不足，但在一定的历史条件下是可以被接受的，而随着现代科技的逐步发展，应更加拓宽视野，创制更为高效、精良的试验装置。
