当激光遇上美食——光学应用让大家更有口福

长春理工光学测量2019-07-04 04:35:53

各位光学人在休闲时也比较喜欢美食吧?三文鱼营养丰富,且蛋白质含量明显高于其他鱼类 。为了让更多的人能够吃上这种食物,养殖户已经用上了激光器。请各位朋友们看看这篇文章!

激光养鱼

激光养鱼是一种使用激光照射鱼类或者鱼类的生活环境来改变鱼类的生活习性活生活环境并以此改变鱼类的发育成长的养鱼方法。

在深海养鱼,不让鱼逃掉是一个大问题。解决这一问题的奥妙关系到一项重要而有趣的科学发现,根据科学实验,每隔12小时往深海发射一束激光脉冲,在激光束照射过的水域内就可以围住65%的黄鲷鱼。于是,科学家对这种方法进行不断改进后,激光束就可以在深海里划一个圈,把大部分的鱼都圈住。

深海激光渔场的构想来自海洋中的生物链。鱼的食品是多种微生物和水生藻类,水下的氧气也是由藻类产生的。科学家通过光纤将激光束输送到海洋深处,以促进深海藻类的光合作用使其生长繁殖,这样就可以为鱼创造一个更加有利的生活环境,使鱼留连其间。

激光渔场不仅可以养鱼,而且可以把鱼养得又多又大。因为激光除了可以围住鱼类和促进藻类繁殖之外还是鱼儿的“助产士”和“医生”。实验表明,鱼卵受到激光照射后可提高孵化率;鱼儿受到激光照射后则能加快生长速度。同时,激光还是预防海洋污染的“哨兵”。海洋鱼类的大敌----赤潮是由海洋浮游生物中个别种类突发性大量增殖的结果,而激光的应用能使渔场主掌握浮游生物异常增殖情况以便及时采取防治措施,消除可能发生的赤潮。

海虱的威胁

海洋水产养殖存在许多威胁。一场关于水母的瘟疫可以吧一网箱三文鱼全部消灭;过多的海藻可能会导致鱼类缺氧;网箱的破裂会导致鱼类大量逃逸。而奥斯科格面临的问题更糟,而且几乎察觉不到。潜伏在三文鱼身体中的是一只个头很小的敌人:Lepeophtheirus salmonis,也就是俗称的海虱。

成年海虱是灰色的、扁豆大小的甲壳动物,是一种体外寄生虫,看起来就像是带有尖牙的小蝌蚪。海虱会消耗鱼类的血液和肉,大约十几只海虱就可以杀死一条鱼。 

几千年来,海虱和野生三文鱼一直处于共存状态。虽然海虱对三文鱼有害,但它们对自由游动的鱼类或小群养殖鱼类来说并不是一个严重的问题。每只雌虱可以生产两串卵,每串中都有多达1000个卵,这意味着海虱会在集中养殖的高密度鱼群中迅速蔓延。海虱的爆发式增长会像风暴云一样席卷彼此相邻的三文鱼养殖场,并威胁通过附近水域迁徙的野生鱼类。由于它们的繁殖速度是如此之快,海虱对化学物质和其他控制海虱的措施都具有强大的抗药性也擅长开发对化学品和其他虱子控制处理的抗性。这种 “超级虱子”几乎可以无视一切。

养殖场

奥斯科格是世界上最大的三文鱼渔业公司Marine Harvest的首席执行官,在挪威,智利,苏格兰,爱尔兰,法罗群岛和加拿大等地拥有220个养殖场。 奥斯科格在挪威海岸的一个绵羊农场长大, 6岁时,他就会把绵羊赶到高山牧场。 8岁时,他的父亲教他如何自己宰杀羊。奥斯科格将他的鱼——其中三分之一被水产养殖管理委员会认证为“可持续养殖”产品——供应给包括全食超市Whole Foods和沃尔玛Walmart等连锁超市以及全球酒店和餐馆。据悉,全球三文鱼市场每年价值达到140亿美元,而他掌管的Marine Harvest每年出产的三文鱼占到其中的四分之一。但最近,一些邪恶的东西一直在蚕食他的利润。

自从14岁来到三文鱼养殖场,奥斯科格一直在与海虱作战。当时三文鱼养殖业还处于起步阶段,他的老板让奥斯科格把成千上万的洋葱和蒜瓣切碎扔进笼子。这种方法并未起效,但当时海虱对三文鱼的影响有限。因为相比于现在网箱中养殖的200,000条三文鱼而言,当时的养殖密度和规模相当之低。

今天的三文鱼养殖仅仅是全球水产养殖业的一小部分。比如罗非鱼,鲤鱼和鲶鱼等鱼类的产量更大,但主要面向亚洲市场。而三文鱼养殖则是其中增长最快的领域,而且是迄今为止盈利最高的市场。饲养白热带鱼的高盛表示,“这里正是大型研发投资和创新正在发生的地方,”其也从三文鱼养殖业的技术进步中受益。 “使用高能量的鱼类饲料以及设置水下摄像机——我们应该将这一点归功于三文鱼养殖产业。从技术的角度来看,很多其他种类的水产养殖都是如此。“

奥斯科格清楚,如果他不首先解决这些吸血敌人的话,根本不能维持公司的运营,更不用说保持公司的增长势头了。因此他和其他行业领袖已经展开了一场针对“超级虱子”的技术军备竞赛,投资数十亿美元去寻找可行的解决方案,其中一些与虱子本身一样奇怪且不可思议。

机器人和激光器的应用

现在养鱼可是在搞大事情!一年的产量达到一亿吨,而且随着三文鱼价格飙升,养殖户鸟枪换炮连激光、自动化设备和人工智能这些高科技都整上了,只为进一步的开源节流。

我们站在Marine Harvest公司一个养殖场的网箱边缘,其位于一个村庄。这里是莫德尔海岸,成千上万的鱼在网箱顶部盘旋,不断跳跃和潜水,其间的鱼饲料颗粒像悬挂在塑料软管上的五彩纸屑一样不断落下。这条鱼看起来并没有被打扰,似乎并不介意海面零下五度的低温,或者放置在它们中间的新奇玩意:这是一个像R2D2的机器人,向各个方向射出绿色的激光束。

(图示:这种被称为Stingray的装置用激光来对付三文鱼身上的海虱。)

这种被称为Stingray的装置,是奥斯科格对抗海虱的战争中测试的古怪武器之一,由深海石油工业的工程师专门为消灭海虱而制造。Stingray通过实时视频馈送来“观察”养殖的三文鱼,并使用类似于iPhone上面部识别软件背后的人工智能程序辨别海虱。其可以识别出鱼鳞上的颜色和纹理异常。当检测到有海虱存在时,机器人会用一个手术二极管向海虱发射激光束,这种激光束常常用于眼科手术和脱毛。由于镜子般的鳞片会反射反射光束,所以鱼不会受到干扰;但是海虱是凝胶状的,大致上和蛋清一样粘稠,所以激光束会让它们炸开漂走。尽管通常来讲激光束在水下比在空气中传播的速度慢,但是某些颜色和波长的光束在水中的传输精度很高。

(图示:Stingray通过实时视频馈送来“观察”养殖的三文鱼,并使用类似于iPhone上面部识别软件背后的人工智能程序辨别海虱。)

奥斯科格与挪威三文鱼养殖业的另外两家巨头Ler?y Seafood Group和SalMar合作,为该项目提供了150万美元的资金。早在2014年,这些公司就开始测试机器人,现在大约有200台设备分布在挪威和苏格兰的养殖场。

尽管如此,奥斯科格对这项技术只是略知一二。 “这是去除海虱传统方法的现代机器人版,”他说。Stingray模仿了所谓的“清洁鱼”,就像野生隆头鱼和圆鳍鱼所做的那样,将虱子一个一个地从鱼鳞上咬下来。多年来,奥斯科格一直在网箱中投放这些清洁鱼类,以此作为控制海虱的一种方法,但它们无法消除大规模暴发。

(图示:当检测到有海虱存在时,机器人会用一个手术二极管向海虱发射激光束,这种激光束常常用于眼科手术和脱毛。)

Stingray公司总经理约翰·布雷维克(John Breivik)表示,机器人技术从根本上提升了传统控制海虱方法的效果。 “对于每10万条三文鱼而言,你可能需要1万条清洁鱼才能控制住海虱的数量,但只需要一到两个机器人激光器便可达到同样的效果。”尽管如此,机器人还是有一定的局限性:他们很难对付那些隐藏在鳃下和鳍后面的海虱。它们被设计用来作为一种预防性技术,从而在养殖场控制疫情的爆发,而不是作为一种反应性技术,可以消除已经爆发的疫情。布雷维克还强调,清洁鱼和机器人可以协同工作。

尽管清洁鱼更善于捕捉藏在三文鱼鳃下的海虱,但机器人的优势在于可以将清洁鱼看不到的无色幼虱作为目标清楚。 “这是新旧方法合作的结果,”他说。Stingray使得养殖场的海虱数量减少了大约50%,而机器背后的人工智能系统随着时间的推移更加聪明,能够更有效地瞄准虱子。 “这种效果就像增长的复利一样,”布雷维克说。奥斯科格凝视着网箱中冰冷的海水,并没有那么乐观。 “我们会看到结果的,”他平静地说。

奥斯科格的谨慎可以理解:他曾经花费数年时间测试新方法,但没有成功。大约十年前,当海虱问题首次失控时,他和其他行业领导者使用含有甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的鱼饲料,这种称为切片的化学物质能够穿过鱼的肠道内壁并进入其组织,从而让海虱吸收并致其死亡。这种化学物质在一定时间内起到了效果,但海虱随即产生了抗性。 奥斯科格和其他人又尝试使用过氧化氢,每隔几周用这种化学物质对鱼类进行清洗,海虱再次产生抗性。他们还用一种特殊的方法对被寄生的鱼进行深度清洗,但这对于养殖的三文鱼来说过于昂贵并且痛苦,影响到鱼类的发育。

除Stingray之外,现在奥斯科格正在测试其他机械方法。一个是贝克笼,其足够容纳150,000条鱼,但是可移动的。如果三文鱼受到海虱爆发的威胁,贝克笼可以放入更冷的水层中,这样海虱就无法生存。奥斯科格还在摸索一种能够包裹水下网箱的围挡,其孔洞小得让海虱也无法穿透。此外还有性能更好的水下摄像头和数字传感器,从而可以更快捕捉到鱼类疾病的爆发。

如果一切都失败了,奥斯科格也准备隔离他的鱼。他投入了数千万美元开发一种用固体聚合物墙制成的球形网箱。这些被称为蛋的网箱目前还只是原型,正在大学实验室里进行测试。现实版的球形网箱将有150英尺深,100英尺宽,能够容纳20万条鲑鱼,并且不会收到任何寄生虫的影响。在计算机渲染图中,当这些球形网箱部分没入水中后,看起来就像白色塑料材质的不明飞行物,与原始峡湾形成鲜明对比,但这些蛋和其他“封闭”网箱系统得到了环境组织和沿海社区的支持,因为它们承诺完全限制养殖废物和鱼类疾病,并防止鱼类逃逸。

但是,这项技术成本高昂且复杂。球形网箱中的水必须从更深层的海洋中泵入,不断换新,并需要过滤掉微小的污染物;容器内的风扇产生水流供鱼来回游动(三文鱼不能在静止的水中长出高质量的肌肉);需要通过浮标系统来吸收球形网箱外波浪的冲击,因为不断冲击网箱的水流可能会使鱼发生眩晕;必须要收集和处理网箱中大量的废物,而彻底清洁和保持良好的卫生习惯是让养殖鱼清洁无病所必需的。

这种封闭系统类似于食品生产前沿行业中垂直农场控制的超工程环境系统。奥斯科格最近获得政府许可,可以在公开水域投放五个球形网箱,其计划在明年启用,但这些网箱代价高昂:每个球形网箱需要花费数百万才能完工和运行。他还在研究类似于甜甜圈一样外形的封闭网箱,其功能与球形网箱非常相似,但其设计目的是为三文鱼产生更强大,更受控制的水流,从而让鱼类得到更充分的锻炼。

尽管有很大的风险和复杂性,世界自然基金会成员、挪威的英格尔德·洛梅德(Ingrid Lomelde)对这一努力表示赞赏:“迄今为止,我们所看到的用于解决海虱问题的最有前途的技术是封闭式网箱。”花这种钱来解决水产养殖中的这个问题似乎是荒谬的,她说,“即便全球需求没有飙升,但渔业捕捞没有迅速下降的话,那么水产养殖此举也没错。在过去的40年里,海洋动物几乎消失了一半,而现在有30亿人依靠鱼类来获得蛋白质。我们的确需要可持续的水产养殖来保证供应量。”