深海多细胞生物保压捕获及长期培养装置的制作方法

1.本发明涉及深海生物捕获培养技术，特别涉及一种深海多细胞生物保压捕获及长期培养装置。


背景技术：

2.深海生物圈是地球上最大、但开发最少的生物栖息地之一，这主要受限于采样、培养手段的欠缺。在深海条件下进行生物保压取样、在回收后进行保压转移以及长期培养是研究深海生物的重要技术手段。
3.在深海多细胞生物(相对于微生物而言)保压取样技术手段方面，按布放方式来讲，主要分为两类。一是基于着陆器的取样技术，该技术通过将设备布放在带有浮力材料的着陆器上，并在着陆器上布放配重。到达海底后，取样装置自带的驱动装置启动，完成取样动作。取样结束后，着陆器抛载，取样设备随着着陆器回到海面。第二种是在rov的帮助下完成取样工作。rov的机械手帮助取样器完成取样动作。这样的方式不需要取样装置本身带有动力源。按密封方式来讲，基本分为硬密封和填料密封。硬密封主要是指利用球阀及类似的部件通过金属表面的挤压完成密封。填料密封主要指利用橡胶密封圈与密封界面的挤压力形成的密封。通常来说，金属硬密封的可靠性较高，但重量很大，给深海布放带来了很大的不便利性。
4.此外，对于深海保压取样所获生物样本，为了对其进行长期观察、测试，需要由保压采样装置中转移至保养培养装置。在此过程中，经常会由于转接操作而发生设备压力损失、生物体机械损伤、转移时间长等问题，长期困扰研究工作人员。
5.因此，提供能够实现深海取样和长期保存培养的设备，对于研究人员而言是十分迫切的需求，而目前尚无公开文献对此类技术的报道。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种深海多细胞生物保压捕获及长期培养装置。
7.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
8.提供一种深海多细胞生物保压捕获及长期培养装置，包括保压腔体、弹簧套筒机构、蓄能器系统、阻尼释放机构和辅助培养机构；其中，
9.所述保压腔体的主体为耐压筒体，呈两端开口的筒状结构；其开口端分别设置中央开孔的固定端盖，开孔的尺寸能使生物活体样本自由通过；在固定端盖的内侧设有活动端盖，能够从保压腔体的内部封闭所述固定端盖的开孔；在耐压筒体的侧壁上设有多个转接头；
10.所述弹簧套筒机构平行布置在保压腔体中，包括外套筒、弹簧和内套筒；外套筒套装在内套筒外侧且两者为同轴过盈配合，外套筒和内套筒的外侧端部分别固定在两个活动端盖的内侧表面上；所述弹簧设于内套筒内腔中，其两端分别固定在两个活动端盖的内侧
表面上；
11.所述蓄能器系统包括蓄能器和不锈钢管，蓄能器内部设活塞，两端设接头；不锈钢管的两端分别连接设于耐压筒体和蓄能器端部的接头，用于连通保压腔体和蓄能器内腔以保持压力一致；
12.所述阻尼释放机构包括两套阻尼连杆-阻尼支架组合，其阻尼连杆与所述弹簧套筒机构同轴布置；阻尼连杆的其中一端分别固定在两个活动端盖的外侧表面上，另一端穿过各自对应的阻尼支架由其实现位移约束，阻尼支架固定在外部机架上；阻尼连杆和阻尼支架通过插接部件实现锁定；
13.所述辅助培养机构包括新鲜海水输送系统和食物投喂系统，分别通过不锈钢管与耐压筒体侧壁上的转接头相连。
14.作为本发明的优选方案，所述固定端盖由螺钉固定在耐压筒体的端部，两者之间设o型密封圈；在所述固定端盖或活动端盖的相对表面上设有环形凹槽，凹槽内设置o型密封圈。
15.作为本发明的优选方案，所述活动端盖上设有透明玻璃材质的观察窗；所述外套筒和内套筒的外侧端部黏结固定在观察窗的内侧表面上，或者固定在观察窗外沿的端盖表面上。
16.作为本发明的优选方案，所述耐压筒体侧壁上的转接头通过螺纹连接方式安装在耐压筒体上，两者之间设置o型密封圈以实现径向密封。
17.作为本发明的优选方案，所述蓄能器的内腔被活塞分隔为两部分，其中与不锈钢管连通的一侧为液体腔室，另一侧为气体腔室。
18.作为本发明的优选方案，所述蓄能器固定在耐压筒体的侧壁上。
19.作为本发明的优选方案，在阻尼连杆和/或阻尼支架上设置插孔、插槽或锁孔；所述插接部件是插销或活动锁扣，用于锁定阻尼连杆和阻尼支架的相对位置。
20.作为本发明的优选方案，所述新鲜海水输送系统包括不锈钢管、增压泵和单向阀，增压泵的入口接至水源；不锈钢管的一端依次连接单向阀和增压泵出口，另一端接至耐压筒体侧壁上的转接头。
21.作为本发明的优选方案，所述食物投喂系统包括投食进口、投食球阀、进水球阀、进食球阀、增压泵和食物混合舱，增压泵的入口接至水源；食物混合仓通过不锈钢管分别连接投食进口、增压泵出口和耐压筒体侧壁上的转接头，在不锈钢管上分别设投食球阀、进水球阀和进食球阀。
22.作为本发明的优选方案，所述耐压筒体侧壁上的转接头中包括溢流转接头，通过不锈钢管连接溢流阀。
23.发明原理描述：
24.本发明是一种深海多细胞生物保压捕获及长期培养的装置，该装置可以安装在水下rov上并借助其机械手完成多细胞生物捕获后水下的关闭密封。本发明专利是一种原位封装、保压取样器，在维持海底原位环境的情况下利用rov机械手将捕获装置的端盖关闭机构启动，从而使得活动端盖在弹簧机构下关闭并在内压的作用下与筒体形成封闭腔体。该机构能够最大限度地降低捕获深海多细胞生物时产生的二次伤害，并且捕获装置腔体外接的气液活塞蓄能器能够补偿因为密封不足及封闭耐压腔体受压形变导致的压力降低。此
外，该装置上设置有观察窗及多个接口，可用于多细胞生物的长期培养监测。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.(1)本发明的装置安装在水下rov上，并借助其机械手完成取样动作。回收到海面后，可以直接用作长期培养的设备。回收至陆地后，连接新鲜海水输送系统和食物投喂系统，可以直接对其进行实验室长期培养研究。
27.(2)本发明采用了新型的密封触发结构，简化了生物保压采样设备的结构，减轻其重量，操作简便。
28.(3)原有的多细胞捕获装置通常通过机械抓手抓取且不能够实现保压获取，而此发明不仅可以完成多细胞生物的无外力二次伤害的获取，还能够提供一个封闭的腔体来实现多细胞生物的保压取样。
29.(4)保压舱体两端端盖局部由蓝宝石玻璃构成，相比于传统的金属培养釜该设计可以方便科学家对多细胞生物生命状态的直接观察及监测。
30.(5)保压舱体两端由活动端盖进行封闭且活动端盖由弹簧套筒提供动力，节省了可能增加的电机、油缸以及传动结构的设计，简化了整体结构以及节省了成本。
31.(6)设计配套的培养系统，能够给多细胞生物提供海水的循环更新、氧气的供给以及实物营养的补给，该系统可以给科学家提供一个多细胞生物长期培养的环境。
32.(7)本发明提供了集采集和长期培养于一身的新的设计思路，在深海多细胞生物保压采样、长期培养领域具有广泛的应用前景。
附图说明
33.图1是本发明的捕获装置开启时结构剖面示意图；
34.图2是本发明的捕获装置关闭时结构剖面示意图；
35.图3是本发明的捕获装置外接培养系统是结构剖面示意图。
36.图中：1-耐压筒体；2-固定端盖；3-阻尼支架；4-插销；5-阻尼连杆；6-活动端盖；7-溢流阀接口；8-观察窗；9-外套筒；10-弹簧；11-内套筒；12-进水接口；13-蓄能器接口；14-蓄能器端盖；15-蓄能器；16-活塞；17-针阀；18-进食接口；19-投食进口；20-投食球阀；21-进水球阀；22-增压泵；23-水源；24-进食球阀；25-溢流阀；26-水源；27-增压泵；28-单向阀；29-食物混合舱。
具体实施方式
37.以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
38.本技术中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.如附图1-3所示，本发明所述深海多细胞生物保压捕获及长期培养装置，包括保压腔体、弹簧套筒机构、蓄能器系统、阻尼释放机构和辅助培养机构；其中，
41.所述保压腔体的主体为耐压筒体1，呈两端开口的筒状结构；其开口端分别设置中央开孔的固定端盖2，开孔的尺寸能使生物活体样本自由通过；在固定端盖2的内侧设有活动端盖6，能够从保压腔体的内部封闭固定端盖2上的开孔；在耐压筒体1的侧壁上设有多个转接头。转接头通过螺纹连接方式安装在耐压筒体1上，两者之间设置o型密封圈以实现径向密封。固定端盖2由螺钉固定在耐压筒体1的端部，两者之间设o型密封圈；在活动端盖6上设有透明玻璃材质的观察窗8；在固定端盖2或活动端盖6的相对表面上设有环形凹槽，凹槽内设置o型密封圈。
42.所述弹簧套筒机构平行布置在保压腔体中，包括外套筒9、弹簧10和内套筒11；外套筒9套装在内套筒11的外侧，且两者为同轴过盈配合。外套筒9和内套筒11的外侧端部分别固定在两个活动端盖的内侧表面上：根据观察窗8的大小，外套筒9和内套筒11的端部可以通过黏结方式固定在观察窗8的内侧表面上，或者固定在观察窗8外沿的活动端盖9的内侧表面上。弹簧10设于内套筒11的内腔中，其两端分别固定在两个活动端盖9(或观察窗8)的内侧表面上。
43.所述蓄能器系统包括蓄能器15和不锈钢管，蓄能器15内部设活塞16，两端设接头；不锈钢管的两端分别连接设于耐压筒体1和蓄能器7端部的接头，用于连通保压腔体和蓄能器内腔以保持压力一致；蓄能器7的内腔被活塞16分隔为两部分，其中与不锈钢管连通的一侧为液体腔室，另一侧为气体腔室。蓄能器7可选固定在耐压筒体1的侧壁上。
44.所述阻尼释放机构包括两套阻尼连杆-阻尼支架组合，其阻尼连杆5与所述弹簧套筒机构同轴布置；阻尼连杆5的其中一端分别固定在两个活动端盖6的外侧表面上(观察窗或观察窗外沿的活动端盖上)，另一端穿过各自对应的阻尼支架3由其实现位移约束，阻尼支架3固定在外部机架上；阻尼连杆5和阻尼支架3通过插接部件实现锁定。在阻尼连杆5和/或阻尼支架3上设置插孔、插槽或锁孔；插接部件可选是插销4或活动锁扣，用于锁定阻尼连杆5和阻尼支架3的相对位置。
45.所述辅助培养机构包括新鲜海水输送系统和食物投喂系统，分别通过不锈钢管与耐压筒体1侧壁上的转接头相连。新鲜海水输送系统包括不锈钢管、增压泵27和单向阀28，增压泵27的入口接至水源26；不锈钢管的一端依次连接单向阀28和增压泵27出口，另一端接至耐压筒体1侧壁上的转接头。食物投喂系统包括投食进口19、投食球阀20、进水球阀21、进食球阀24、增压泵22和食物混合舱29，增压泵22的入口接至水源23；食物混合仓29通过不锈钢管分别连接投食进口19、增压泵22出口和耐压筒体1侧壁上的转接头，在不锈钢管上分别设投食球阀20、进水球阀21和进食球阀24。
46.耐压筒体1侧壁上的转接头中包括溢流转接头，通过不锈钢管连接溢流阀25。
47.多连杆结构可选由尼龙材料制作，不锈钢管、钢丝绳、弹簧、扭簧以及o型密封圈均
可采用市售产品。捕获装置耐压筒体、固定端盖、活动端盖、蓄能器系统等则按照实际需要进行加工即可。
48.由于装置本身不设抓手，可以保证在对深海捕获的过程中不会产生外力的二次伤害。固定端盖2设置大开口配合活动端盖6的密封，可以保证较大体积的生物进入保压舱体。蓄能器系统，能够补偿由于金属舱体形变以及密封不足导致内部腔室压力下降，此外还可以补偿培养过程中的压力损失。固定端盖2局部设置蓝宝石玻璃的观察窗8，可以方便科学家对多细胞生物生命状态的直接观察及监测。新鲜海水输送系统和食物投喂系统可用于在实验室对多细胞生物进行原位压力下的长期培养。通过食物投喂系统向高压舱中投放食物，以保证生物的长期培养；通过新鲜海水输送机构实现水体循环带出生物的代谢产物，以便科学家进行研究。
49.更为详细的描述如下所示：
50.捕获保压腔体包括耐压筒体1、耐压的固定端盖2和活动端盖6，以及蓝宝石玻璃材质的观察窗8。耐压捕获装置呈左右对称，固定端盖2与耐压筒体1之间通过o型密封圈实现径向密封，且通过螺钉实现两者之间的固定连接；固定端盖6与观察窗8通过o型密封圈径向密封，且通过斜面粘接连接；耐压筒体1上开有蓄能器接口13、进水接口12、溢流阀接口7以及进食接口18，各个接口中设置转接头，转接头与筒体之间通过o型密封圈径向密封通过螺纹连接。
51.弹簧套筒机构包括弹簧10、内套筒11以及外套筒9，外套筒9的端部与右侧观察窗8粘接；内套筒11的端部与左侧观察窗粘接。两个套筒由于直径差异可以实现同轴过盈配合；弹簧10放在两个套筒内部且其左右两端也与两处观察窗粘接；套筒的过盈同轴配合可以使得弹簧10只能做限定方向上的直线往复运动。
52.蓄能器系统包括蓄能器端盖14、蓄能器筒体15、活塞16、针阀17，蓄能器端盖14通过o型密封圈与蓄能器筒体15之间实现径向密封，并通过螺纹实现连接；活塞16通过o型密封圈与蓄能器筒体15之间实现径向密封；蓄能器端部的转接头通过o型密封圈与蓄能器之间实现径向密封，并通过螺纹实现连接；蓄能器活塞16右边腔室为氮气腔室，腔室外部连接用于充气及密封的针阀；蓄能器活塞16左边腔室为海水腔室。
53.阻尼释放机构包括阻尼连杆5、阻尼支架3、插销4，阻尼连杆5左端与观察窗8粘接；阻尼支架3固定在外部的机架上；阻尼支架3可以约束阻尼连杆5在一条直线上往复运动，且能够提供一定的阻力来防止观察窗8在弹簧10的作用下突然地运动撞击到固定端盖2上；插销4插在阻尼支架3的插孔中用于阻挡住阻尼连杆5的端部，通过水下rov的机械臂来完成插销4的插拔动作。
54.如图3所示为外接培养系统后的多细胞生物捕获装置，该系统包括新鲜海水输送系统和食物投喂系统。新鲜海水输送系统包括单向阀28、增压泵27、水源26以及溢流阀25，单向阀28在装置下水前通过转接头与耐压筒体1连接，另一端在装置回收后与增压泵27出口连接；增压泵27进口与水源26连接；溢流阀25在装置下水前与耐压筒体1通过转接头密封连接。
55.食物投喂系统包括投食进口19、投食球阀20、进食舱体29、进水球阀21、进食增压泵22、进食球阀24、水源23，进食球阀24在装置下水前与耐压筒体1通过转接头密封连接，其另一端与进食舱体29连接；食物混合舱29与投食进口19之间通过投食球阀20连接；食物混
合舱29与增压泵22出口之间通过进水球阀21连接；增压泵22进口与水源23连接。
56.本发明的工作过程如下：
57.在捕获装置下水前，同时推动左右两边的阻尼连杆5带动活动端盖6相近运动，使左右两端的活动端盖6(观察窗8)带动外套筒9及内套筒11相近运动并挤压弹簧10。待左右阻尼连杆5的端部运动到合适位置处，将插销4插入阻尼支架3中来限制阻尼连杆5，此时左右两端固定端盖2的开孔呈开放状态。在蓄能器活塞16的右侧气体腔室中预充一定压力的氮气，使活塞16被推到蓄能器腔室最左侧。将单向阀28、进食球阀24以及溢流阀25接入到耐压筒体1上。
58.下水过程中，由于装置的深度不断增加，装置所承受的海水压力不断增大。保压腔体内的海水在压力的作用下，通过耐压的不锈钢管进入蓄能器活塞16左侧的液体腔室，并推动活塞16的移动来实现气液腔室压力的平衡。
59.装置到达指定水深后，通过同时下水的rov上的摄像机来观察装置状态以及是否有深海多细胞生物(相对于微生物而言)进入舱体。当有深海多细胞生物进入保压腔体时，通过rov上的机械手将插销4从阻尼支架3中拔出并释放，此时弹簧套筒机构失去了轴线方向上的运动约束。在弹簧10自身蓄积能量的作用下，左右两端的观察窗8带动套筒及阻尼连杆5向两端做远离运动。左右两端活动端盖6与固定端盖2之间通过o型密封圈轴向密封，且阻尼连杆5与阻尼支架3之间的摩擦力能够防止观察窗8在弹簧10的作用下产生瞬间加速度而突然运动导致撞击固定端盖2。
60.在装置回收的过程中，由于舱体处于密封状态，外部压力随着装置上升而不断减小。该过程中舱体内部压力小于外部压力，故活动端盖6会在压差的作用下与固定端盖2紧密密封连接。由于回收过程中耐压金属舱体的受压形变以及微弱的密封不足会导致舱体内部压力的较小下降，故此时蓄能器活塞16在气体腔室压力的作用下向右运动来补偿捕获装置舱体内部的压力下降。
61.装置回收后，将增压泵27及水源26连接到单向阀28上，将食物投喂系统连接到进食球阀24上。将增压泵27打开，当压力大于腔室内部压力时，外部新鲜海水从水源26被泵入到腔室内部，且内部腔室此时的压力会增加。当捕获装置腔室内部压力大于溢流阀25设定的阈值时，腔室内海水从溢流阀25流出。将溢流阀25的出口接至水源26，就能形成一个动态平衡的循环水系统。对于食物投喂系统，在投食前保持进食球阀24的关闭，打开投食球阀20，将食物通过投食进口19投到食物混合舱29中，关闭投食球阀20。打开进水球阀21、增压泵22，从水源23引入新鲜海水给食物混合舱29增压。待食物混合舱29压力与装置内部压力相等时，关闭进食增压泵22和进水球阀21。打开进食球阀24，食物混合舱29内的食物在无压差的环境中，基于自重的作用通过进食球阀24进入捕获装置舱体内部。至此，在新鲜海水输送系统和食物投喂系统的支持下，可以直接对海底生物进行实验室长期培养研究。
62.最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。