Micropipette force sensor measurements on swimming Artemia

No Thumbnail Available
Files
Saastamoinen_Aaro_2024.pdf (19.26 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-07-05
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
26
Series
Abstract
The physics of systems of self-propelling objects, also known as active matter physics, provides a wide array of system sizes with interesting properties for examination. One highly interesting subset of these systems are flocks or swarms of individual organisms, often referred to as living matter. In these experiments, the focus was on waterlogged swimmers and in particular, the larvae of the genus Artemia. These mesoscale animals are particularly interesting due to their size during their life cycle spanning several orders of magnitude within the intermediate Reynolds numbers. Due to the properties of the fluid-governing Navier-Stokes equations, the intermediate Reynolds numbers give complicated solutions which are neither laminar nor turbulent and thus direct measurement is preferred. Fortunately, the Micropipette Force Sensor technique (MFS) provides an affordable and convenient method for force magnitude measurements at this scale. The MFS technique utilizes very thin-pulled glass capillaries and their spring-like properties. An Artemia is caught on a micropipette using suction from a syringe. The subject is then filmed for several swimming cycles and then released. The video is then analyzed. Due to high viscous forces, Artemia larvae exert considerable amounts of force in the opposite direction to their intended propulsion direction. As a force measurement starts with the subject already attached and frantically moving, there is no obvious way to determine how much force is exerted in each direction, other than measuring the zero position of the pipette when the Artemia is released. Since the swimming of Artemia is cyclic, it was thought that a pattern of their swimming appendages, their antennae, would give rise to a consistently detectable pattern at the zero force position. Two patterns were found, and the analysis showed potential clustering when comparing the zero force to the measured angle. The zero force angle didn't appear to change with the length of the Artemia. Supplementary angle measurements at maximum and minimum forces were done where especially the latter seemed to go down as the length of the Artemia increased. During the release experiments, it was found that an increase in propulsive force seemed to roughly correlate with the square of the length of the Artemia. Temperature was also monitored and at high external temperatures the Artemia were more likely to contract disease and fungus. This resulted in growth batches where the motor skills of the specimens would gradually diminish and ones where the hatching was unsuccessful.

Itseliikkuvista kappaleista koostuvat järjestelmät ovat mittakaavoiltaan ja ominaisuuksiltaan moninainen joukko, jota nimitetään aktiivisen aineen fysiikaksi (engl. active matter physics). Erityisen mielenkiintoisia ovat järjestelmät, jotka koostuvat yksittäisten eliöiden parvista. Näiden järjestelmien fysikaalista tarkastelua nimitetään usein elävän aineen fysiikaksi (engl. living matter physics). Tämän kandidaatintutkielman käsittelemissä tutkimuksissa tarkasteltiin vedenalaisten uivien eliöiden liikettä. Tarkastellut eliöt olivat Artemia-suvun kidusjalkaisten toukkia. Artemia-suvun eläinten elinkaari tarjoaa kattavan katsauksen ns. mesoskooppisen mittakaavan liikkeeseen. Mesoskooppisella skaalalla viitataan keskitasoisiin Reynoldsin numeroihin. Keskitason Reynolds-numeroiden tapauksissa fluidien virtausta kuvaavien Navier-Stokes-yhtälöiden ratkaisut ovat monimutkaisia, sillä virtaukset eivät ole puhtaasti laminaarisia tai turbulentteja. Siksi tutkimuksessa suosittiin suoria voimamittauksia, joita varten mikropipettivoima-anturitekniikka (engl. micropipette force sensor technique, MFS) tarjosi edullisen ja käytännöllisen vaihtoehdon. MFS-tekniikka hyödyntää erittäin ohuiksi venytettyjä lasiputkia ja niiden jousimaisia ominaisuuksia. Tutkimuksissa Artemia-toukkaan tartuttiin mikropipetillä hyödyntäen tavallisen injektioruiskun imutehoa. Kohdetta kuvattiin sen jälkeen usean uintisyklin ajan, jonka jälkeen se vapautettiin, ja kuvattu kuvasarja analysoitiin. Korkeiden viskoosisten voimien vuoksi Artemia-toukat aiheuttavat merkittävän voiman kulkusuuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan. Koska mittaukset alkavat tilanteesta, jossa kohde on jo kiinni pipetissä ja jatkuvassa edestakaisessa liikkeessä, on propulsiovoiman (engl. propulsion force) selvittämiseksi määritettävä nollavoima (engl. zero force) vapauttamalla kohde. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella Artemia-toukkien uintisykliä ja niiden uintiraajojen muotoja mahdollisen nollavoimaindikaattorin löytämiseksi. Tutkimuksissa löydettiin kaksi nollavoimaa vastaavaa muotoa, ja analyysi osoitti mahdollisia pisteryhmittymiä, kun mitattuja voimia ja uintiraajan kulmaa verrattiin toisiinsa. Nollavoimaa vastaava kulma ei muuttunut toukkien kasvaessa. Lisätutkimuksissa havaittiin, että maksimi- ja minimivoimista erityisesti minimivoiman suuruus vaikutti heikkenevän toukkien pituuden kasvaessa. Vapautustutkimuksissa havaittiin, että Artemia-toukkien propulsiovoiman kasvu ja toukkien pituuden neliö korreloivat. Myös kasvatuslämpötilaa tarkkailtiin ja havaittiin, että korkeat lämpötilat johtivat Artemia-toukkien mikrobi- ja sieni-infektioille. Tartunnan saaneiden kasvuerien yksilöiden motoriset taidot olivat heikommat, ja suurella osalla oli ongelmia kuoriutumisessa.
Description
Supervisor
Backholm, Matilda
Thesis advisor
Ayala Lara, Rafael
Keywords
Artemia, micropipette force sensor, living matter physics, mesoscopic scale
Other note
Citation