이 연구는 미국 에너지부(DOE) 수력 기술 사무소의 자금 지원을 받았습니다. 실험실 연구는 계약 DE-AC05-76RL01830에 따라 DOE를 위해 Battelle이 운영하는 Pacific Northwest National Laboratory에서 수행되었습니다.

1. 산/염기 캡슐화
<ol><li>혼합 컵에 H 2 C 2 O4 (옥살산) 및 NaHCO3 (중탄산 나트륨)의 중량으로 1 :2비율로 혼합합니다 (재료 표 참조). 산-염기 분말 혼합물이 결정화되면 모르타르와 유봉을 사용하여 분쇄합니다(그림 1A).</li>
	<li>크기 3 식물성 캡슐과 반자동 캡슐 충전 기계를 회수하여 프로세스를 시작합니다( 재료 표 참조).</li>
	<li>캡 시트를 깨끗하고 건조한 표면에 평평하게 놓습니다. 검은색 못을 사용하여 캡 시트 위에 캡슐화 시트를 정렬하여 제자리에 올바르게 고정합니다(그림 1B).</li>
	<li>미리 분리된 캡슐을 사용하지 않는 한 캡슐 상단과 하단을 분리하십시오. 크기 #3 식물성 캡슐은 닫았을 때 길이 15.9mm, 외경(OD) 5.57mm, 부피 0.30mL, 무게 47mg의 전체 치수를 갖습니다.</li>
	<li>캡슐 상판을 캡슐화 시트에 붓습니다(그림 1C). 원을 그리며 구멍에 윗부분을 부드럽게 흔듭니다. 이 작업을 수행하는 동안 캡슐화 시트 벽의 틈을 한 손이나 분말 살포기로 덮어 상단이 쏟아지지 않도록 합니다(그림 1D).<ol><li>구멍이 채워지면 여분의 캡슐 뚜껑을 깨끗한 컵에 붓습니다(그림 1E). 거꾸로 된 캡슐 상단을 확인하고 뒤집습니다(그림 1F). 모든 캡슐 상단이 캡 시트에서 올바른 방향을 향하고 있는지 확인하십시오. 잘못된 정렬로 인해 캡슐 상단이 캡슐 하단과 제대로 결합되지 않을 수 있으므로 올바른 방향을 유지하는 것이 중요합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>캡슐화 시트를 제거하고 채워진 캡 시트를 따로 보관하십시오.</li>
	<li>본체 또는 "하단" 시트를 꺼냅니다. 깨끗하고 건조하며 평평한 표면에 놓으십시오. 캡슐화 시트를 하단 시트에 고정하고 검은색 못을 사용하여 제자리에 올바르게 배치하여 적절한 정렬을 보장합니다.</li>
	<li>캡슐 바닥을 캡슐화 시트에 붓고 이전과 같이 원을 그리며 흔들어 구멍을 채웁니다. 여분의 캡슐 바닥을 붓습니다. 거꾸로 된 캡슐 바닥을 확인하고 뒤집습니다.</li>
	<li>하단 시트에서 캡슐화 시트를 제거하고 따로 보관하십시오.</li>
	<li>산성/염기 분말 혼합물을 채워진 바닥 시트에 붓습니다(그림 1G). 플라스틱 스프레더를 사용하여 캡슐 바닥을 분말로 채웁니다(그림 1H). 캡슐 바닥이 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 1I). 사용하지 않은 산/염기 분말을 제거합니다.</li>
	<li>캡 시트를 평평한 표면에 놓고 중간 시트를 그 위에 놓고 검은색 못에 맞춰 올바르게 맞도록 합니다. 모든 캡슐 상단을 중간 시트의 해당 구멍과 정렬해야 합니다.</li>
	<li>캡 시트를 부착된 중간 시트로 뒤집고 채워진 바닥 시트에 맞춥니다(그림 1J).</li>
	<li>캡 시트를 모든 면에서 균등하게 눌러 상단과 하단을 결합하고 캡슐의 양쪽을 함께 맞춥니다(그림 1K).</li>
	<li>하단 시트에서 캡 시트와 중간 시트를 제거합니다. 이 시점에서 캡슐 바닥과 상단이 제대로 결합되어야 합니다.<ol><li>각 캡슐 상단과 하단이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 캡슐 상단과 하단을 함께 수동으로 눌러 꽉 끼도록 합니다. 채워진 캡슐을 제거하고 밀폐되고 밀봉 가능한 용기에 넣습니다(그림 1L). 알림: 안전한 취급을 위해 사용자는 개인 보호 장비(PPE)와 안면 보호구를 착용해야 합니다. 적절한 환기가 보장되어야 하며 삼키기, 흡입 및 피부, 눈 또는 의복에 묻은 물질과의 접촉을 피하기 위해 예방 조치를 취해야 합니다. 또한 먼지 발생을 방지하는 것이 중요합니다. 안전에 대한 자세한 내용은 옥살산 및 중탄산나트륨에 대한 안전보건자료(SDS)를 참조하십시오. 산성/염기 캡슐의 무결성을 유지하려면 직사광선과 높은 습도를 피해 보관하는 것이 좋습니다. 사용하지 않은 캡슐은 밀봉된 밀폐 용기에 보관하십시오. 캡슐을 건조하고 습기가 없는 상태로 유지하면 최적의 기능을 보장하기 위해 효과적으로 사용할 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 실리콘 마개 제조
<ol><li>FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터( 재료 표 참조)를 사용하여 보충 파일 1에 제공된 STL 파일을 사용하여 몰드 플레이트를 인쇄합니다.</li>
	<li>각 구멍이 밀봉되도록 몰드 플레이트의 바닥면에 투명 포장 테이프를 붙입니다(그림 2A).</li>
	<li>시판되는 실리콘 몰드 재료의 중량 비율(예: 파트 A 및 파트 B 각각 50g)을 믹싱 컵에 혼합합니다( 재료 표 참조). 일회용 숟가락을 사용하여 약 5분 동안 또는 균일해질 때까지 화합물을 완전히 혼합합니다.</li>
	<li>종이 위에 포장 테이프가 있는 몰드 플레이트를 놓습니다. 종이는 몰드 플레이트에서 잠재적인 실리콘 유출을 포착합니다.</li>
	<li>실리콘 혼합물을 각 스토퍼 구멍에 붓기 시작하여 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 2B). 고무 스퀴지를 사용하여 실리콘을 각 스토퍼 구멍에 펴 바릅니다(그림 2C). 몰드 플레이트 표면에서 남은 실리콘 혼합물을 제거합니다.</li>
	<li>고무 마개를 4시간 동안 말리십시오. 스토퍼가 완전히 경화되었는지 확인한 후(예: 실리콘 혼합물이 완전히 건조되고 경화됨) 몰드 플레이트 뒷면에서 테이프를 제거한 다음(그림 2D) 몰드에서 스토퍼를 당겨 빼내기 시작합니다(그림 2E).</li>
	<li>스토퍼에 부착된 여분의 실리콘을 제거합니다(그림 2F).</li>
</ol>3. 풍선 태그 어셈블리
<ol><li>피어싱 도구(예: 직선 덴탈 픽)를 실리콘 스토퍼(그림 3A)에 조심스럽게 삽입합니다( 재료 표 참조). 피어싱 도구를 15G 주사기 바늘에 삽입한 다음 실리콘 마개에서 피어싱 도구를 제거하고 내부에 15G 바늘만 남깁니다(그림 3B). 피어싱 도구는 재료를 자르거나 제거하지 않고 실리콘 마개 내부에 슬릿을 만듭니다.</li>
	<li>50파운드 낚싯줄( 재료 표 참조)을 150mm 길이로 자릅니다. 15G 주사기 바늘을 통해 실리콘 마개에 낚싯줄을 삽입합니다(그림 3C).<ol><li>스토퍼와 낚싯줄을 조심스럽게 잡으면서 낚싯줄을 스토퍼 내부에 남겨 두고 스토퍼 본체에서 15G 주사기 바늘을 제거합니다(그림 3D). 낚싯줄 길이가 스토퍼의 양쪽에 고르게 있는지 확인하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>두 개의 산성/염기 분말로 채워진 캡슐을 라텍스 풍선에 삽입합니다(그림 3E)( 재료 표 참조). 고무 밴드 확장 도구(예: 거세 밴드 플라이어)를 사용하여 풍선 구멍을 확장한 다음 낚싯줄의 두 끝이 풍선 바깥쪽에 있도록 하나의 실리콘 마개를 풍선 구멍에 조심스럽게 삽입합니다(그림 3F).</li>
	<li>두 개의 O-링(너비 1.6mm, ID 8.1mm, 재료 표 참조)을 고무 밴드 확장 도구에 놓고 확장합니다. 두 개의 확장된 O-링을 통해 라텍스 풍선의 목을 삽입합니다(그림 3G). 고무 밴드 확장 도구에서 두 개의 O-링을 조심스럽게 당겨 빼내고 스토퍼 중앙에 있는 풍선의 목에 단단히 감겨 둡니다(그림 3H).</li>
</ol>4. Sensor Fish caps에 풍선 태그 부착
<ol><li>낚싯줄의 한쪽 끝을 Sensor Fish cap의 작은 구멍 중 하나에 넣고 ( 재료 표 참조) 캡 중앙의 큰 구멍을 통해 가져옵니다 (그림 4A).</li>
	<li>낚싯줄의 양쪽 끝을 함께 묶고 캡 상단과 풍선 바닥 사이에 약 13-26mm를 남겨 둡니다. 낚싯줄을 묶을 때 4개의 오버핸드 매듭을 서로 겹쳐서 사용하십시오.</li>
	<li>매듭에 너무 가깝게 자르면 매듭이 풀릴 수 있으므로 여분의 낚싯줄을 부착된 상태로 둡니다(그림 4B).</li>
	<li>손가락으로 매듭의 양쪽에 있는 낚싯줄을 잡고 최대한 세게 당겨 매듭을 테스트합니다. 풍선에 너무 가까이 당기면 고무 마개를 통해 낚싯줄이 의도치 않게 찢어질 수 있으므로 주의하십시오.</li>
</ol>

Balloon Tag Assembly를 최적화하여 센서 물고기와 살아있는 물고기를 복구합니다.

<ol>
	<li>Uria-Martinez, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U.S.+Hydropower+Market+Report.">U.S. Hydropower Market Report.</a> Oak Ridge National Laboratory. , (2021).</li><li>Kao, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+stream-reach+development:+a+comprehensive+assessment+of+hydropower+energy+potential+in+the+United+States.">New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States.</a> Oak Ridge National Laboratory. , (2014).</li><li>Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+characterization+of+the+biological+performance+of+a+Francis+turbine+retrofitted+with+a+modular+guide+vane.">In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane.</a> Applied Energy. 276, 115492 (2020).</li><li>&#268;ada, G. l. e. n. n. . F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+of+advanced+hydroelectric+turbines+to+improve+fish+passage+survival.">The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival.</a> Fisheries. 26, 14-23 (2001).</li><li>Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extent+of+injury+and+mortality+arising+from+entrainment+of+fish+through+a+Very+Low+Head+hydropower+turbine+in+central+Ontario,+Canada.">Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada.</a> Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).</li><li>Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+an+autonomous+sensor+to+evaluate+the+biological+performance+of+the+advanced+turbine+at+Wanapum+Dam.">Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam.</a> Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).</li><li>Martinez, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydraulic+and+biological+characterization+of+a+large+Kaplan+turbine.">Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine.</a> Renewable energy. 131, 240-249 (2019).</li><li>Zhiqun Deng, , et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Six-degree-of-freedom+sensor+fish+design+and+instrumentation.">Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation.</a> 7, 3399-3415 (2007).</li><li>Deng, Z. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+a+new+autonomous+sensor+fish+to+support+advanced+hydropower+development.">Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development.</a> Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).</li><li>Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+ionicity+and+chain+structure+on+the+physicochemical+properties+of+protic+ionic+liquids.">Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids.</a> AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).</li><li>Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+a+fish-friendly+self-cleaning+horizontal+irrigation+screen+using+autonomous+sensors.">Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors.</a> Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).</li><li>Martinez, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+characterization+of+turbine+hydraulic+environment+to+support+development+of+fish-friendly+hydropower+guidelines+in+the+lower+Mekong+River+region.">In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region.</a> Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).</li><li>Heisey, P. G., Mathur, D., D'Allesandro, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+technique+for+assessing+fish+passage+survival+at+hydro+power+stations.">A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations.</a> International Atomic Energy Agency. , (1993).</li><li>Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+reliable+tag-recapture+technique+for+estimating+turbine+passage+survival:+application+to+young-of-the-year+American+shad+(Alosa+sapidissima).">A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima).</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).</li><li>Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbine+passage+survival+estimation+for+chinook+salmon+smolts+(Oncorhynchus+tshawytscha)+at+a+large+dam+on+the+Columbia+River.">Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River.</a> Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).</li><li>Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbine-passage+mortality+of+juvenile+American+shad+at+a+low-head+hydroelectric+dam.">Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam.</a> Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).</li><li>Watson, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+passage+of+American+Eels+through+a+novel+hydropower+turbine.">Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine.</a> Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).</li><li>Al-Tabakha, M. o. a. w. i. a. . M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+capsule+shell+composition+on+the+performance+indicators+of+hypromellose+capsule+in+comparison+to+hard+gelatin+capsules.">Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules.</a> Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydropower+Vision.">Hydropower Vision.</a> U.S. Department of Energy. , (2016).</li><li>Duncan, J. o. a. n. n. e. . P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+and+ecological+evaluation+of+a+fish-friendly+surface+spillway.">Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway.</a> Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).</li><li>Trumbo, B. r. a. d. l. y. . A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+hydroturbine+pressures+to+enhance+salmon+passage+survival+and+recovery.">Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery.</a> Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).</li><li>Pohanish, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , (2017).</li><li>U.S. Food and Drug Administration. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> CFR - Code of Federal Regulations Title 21. , (1994).</li></ol>

저자는 이해 상충이 없습니다.

이 연구는 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그가 2캡슐 및 4캡슐 풍선 태그에 비해 시작 팽창 시간이 더 느리고 지속적으로 더 큰 부피를 가졌다는 결론을 내렸습니다. 풍선 태그에 12.7 °C에서 물을 주입했을 때 평균 부피가 작았고 팽창 시간이 길었습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다. 각 수온과 관련된 인플레이?...

수력 발전은 전 세계적으로 중요한 재생 에너지 자원입니다. 미국에서 수력 발전은 재생 가능한 자원에서 생산되는 전기의 약 38% 또는 274TWh를 차지하며1 연간 약 460TWh를 추가할 수 있는 잠재력이 있습니다2. 그러나 수력 발전이 증가함에 따라 수력 통과 중 물고기 부상 및 폐사에 대한 우려가 가장 중요해졌습니다3. 급속 감압(barotrauma), 전단 응력, 난류, 스트라이크, 캐비테이션 및 연삭을 포함한 다양한 메커니즘이 통과 중 물고기 부상에 기여합니다4. 이러한 부상 메커니즘은 물고기의 전반적인 상태에 즉각적인 영향을 미치지 않을 수 있지만 질병, 곰팡이 감염, 기생충 및 포식에 더 취약하게 만들 수 있습니다5. 또한 터빈 또는 기타 유압 구조물과의 충돌로 인한 직접적인 신체적 부상은 상당한 사망으로 이어질 수 있으므로 수력 발전에서 이러한 위험을 완화하는 것이 중요합니다.
물고기 통과 조건을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 유압 구조물 6,7을 통해 센서 물고기와 살아있는 물고기를 방출하는 것입니다. Sensor Fish는 터빈, 배수로 및 댐 우회 대안 8,9을 포함한 유압 구조물을 통과하는 동안 물고기가 경험하는 물리적 조건을 연구하도록 설계된 자율 장치입니다. 3D 가속도계, 3D 자이로스코프, 온도 센서 및 압력 센서9가 장착된 Sensor Fish는 물고기 통과 조건에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.
Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다. 풍선 태그는 가스 발생 화학 물질(예: 옥살산 및 중탄산나트륨)로 채워진 용해성 캡슐, 실리콘 마개 및 낚싯줄로 구성됩니다. 배치하기 전에 실리콘 마개를 통해 풍선에 물을 주입합니다. 물은 식물성 캡슐을 녹여 풍선을 팽창시키는 가스를 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 이 중화 반응에서 약염기인 중탄산나트륨과 약산인 옥살산이 반응하여 이산화탄소, 물 및 옥살산나트륨10을 형성합니다. 화학 반응은 다음과 같습니다.
2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
부풀어 오른 풍선은 센서 피쉬와 살아있는 물고기의 부력을 증가시켜 수면에 떠 더 쉽게 회복할 수 있도록 합니다.
부유선을 달성하고 샘플(예: Sensor Fish 또는 살아있는 물고기)의 회수를 용이하게 하는 데 필요한 풍선 태그의 수는 샘플의 부피 및 질량 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 풍선 태그 팽창 시간은 다른 온도에서 물을 주입하여 조정할 수 있습니다. 물이 차가우면 팽창 시간이 증가하고 따뜻한 물은 팽창 시간을 줄입니다. 풍선 태그는 오레곤 주 후드 강(Hood River)에 있는 독특한 수평 평판 물고기 및 잔해 스크린 구조물인 파머스 스크린(Farmers Screen)과 라오스 인민 민주 공화국(Lao People's Democratic Republic)의 남 응움 댐(Nam Ngum Dam)에 있는 프랜시스 터빈(Francis turbine)을 포함한 다양한 위치에서 성공적으로 사용되었습니다12. 또 다른 상업적으로 이용 가능한 풍선 태그의 예는 Hi-Z Turb'N Tag13,14이다. Hi-Z Turb'N Tag를 사용하면 주입된수온에 따라 팽창 시간을 2분에서 60분 사이로 조정할 수 있습니다. 이 기술은 컬럼비아 강의 록키 리치 댐 (Rocky Reach Dam)에서 방류 된 치누크 연어 스몰트 (Chinook salmon smolts)와 코네티컷 강 (Connecticut River)의 해들리 폴스 댐 (Hadley Falls Dam)에서 어린 미국 청어와 관련된 연구를 포함하여 많은 현장 현장의 어류 연구에 사용되었습니다15,16. 두 기술 모두 산-염기 화학 반응을 활용하여 풍선 태그를 부풀려 회수합니다.
이 방법은 풍선당 $0.50에 불과한 예상 재료 비용으로 제조의 비용 효율성과 단순성을 제공합니다. 여기에 설명된 대로 제조 공정은 따르기 쉽기 때문에 누구나 풍선 태그 생산에 액세스할 수 있습니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printed Silicone Stopper Plate</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ARC800 Sensor Fish</td>
			<td>ATS</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FDM 3D printer</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3)</td>
			<td>Capsulcn</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mold Star 15 SLOW</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-Resistant Buna-N O-Ring</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>SN: 9262K141</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4)&#160;</td>
			<td>Thermo Scientific&#160;</td>
			<td>CAS: 144-62-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber Band Expansion Tool</td>
			<td>iplusmile</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3)</td>
			<td>Capsule Connection</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smiley Face YoYo Latex balloon</td>
			<td>YoYo Balloons, Etc.</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3)&#160;</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>CAS: 144-55-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.)</td>
			<td>Power Pro</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

balloon tag manufacturing technique for sensor fish and live fish recovery

물고기는 수력 발전 댐의 유압 운송 수단을 통과 할 때 부상과 사망을 경험할 수 있으며, 이러한 운송 수단이 하류 우회 시스템, 수정 된 배수로 및 터빈과 같이 물고기 친화적으로 설계된 경우에도 마찬가지입니다. 유압 구조물의 물고기 통과 조건을 연구하는 데 사용되는 주요 방법에는 Sensor Fish 기술과 살아있는 물고기를 사용한 직접 현장 테스트가 포함됩니다. Sensor Fish 데이터는 물리적 스트레스 요인과 물고기 통로 환경에서의 위치를 식별하는 데 도움이 되며, 살아있는 물고기는 부상 및 사망률을 평가합니다. Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다.
이 기사에서는 두 가지 다른 온도에서 옥살산, 중탄산나트륨 분말 및 물의 혼합물을 포함하는 다양한 수의 용해성 식물성 캡슐이 포함된 풍선 태그의 개발에 중점을 둡니다. 우리의 연구는 18.3 °C에서 5 mL의 물을 주입한 3개의 캡슐이 있는 풍선 태그가 원하는 풍선 부피를 일관되게 달성한다는 것을 확인했습니다. 이 태그의 평균 팽창량은 114 cm3 이고 표준 편차는 1.2 cm3 입니다. 18.3°C에서 물을 주입한 풍선 태그 중 2캡슐 풍선 태그가 전체 팽창에 도달하는 데 가장 오랜 시간이 걸리는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다. 전반적으로 이 접근 방식은 새로운 기술의 성능을 검증하고, 터빈 설계를 개선하고, 어류 통로 조건을 개선하기 위한 운영 결정을 내리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 연구 및 현장 평가를 위한 귀중한 도구 역할을 하며, 유압 구조물의 설계 및 작동을 개선하는 데 도움이 됩니다.

Hydropower is a significant renewable energy resource worldwide. In the United States, hydropower contributes an estimated 38% or 274 TWh of electricity generated from renewable sources1 and has the potential to add approximately 460 TWh per year2. However, as hydropower development increases, concerns about fish injury and mortality during hydraulic passage have become paramount3. Various mechanisms contribute to fish injuries during passage, including rapid decompression (barotrauma), shear stress, turbulence, strikes, cavitation, and grinding4. Although these injury mechanisms may not have an immediate impact on the overall condition of the fish, they can render them more vulnerable to diseases, fungal infections, parasites, and predation5. Additionally, direct physical injuries resulting from collisions with turbines or other hydraulic structures can lead to significant mortality, emphasizing the importance of mitigating these risks in hydropower development.
One of the most common methods for evaluating fish passage conditions is releasing Sensor Fish and live fish through hydraulic structures6,7. The Sensor Fish is an autonomous device designed to study the physical conditions that fish experience during passage through hydraulic structures, including turbines, spillways, and dam bypass alternatives8,9. Equipped with a 3D accelerometer, 3D gyroscope, temperature sensor, and pressure sensor9, the Sensor Fish provides valuable data on fish passage conditions.
Balloon tags, which are self-inflating balloons attached externally to Sensor Fish and live fish, assist in their recovery after passing through hydraulic structures. The balloon tags consist of dissolvable capsules filled with gas-generating chemicals (e.g., oxalic acid and sodium bicarbonate), a silicone stopper, and a fishing line. Prior to deployment, water is injected through the silicone stopper into the balloon. The water dissolves the vegetable-based capsules, triggering a chemical reaction that produces gas&#160;inflating the balloon. In this neutralization reaction, sodium bicarbonate, a weak base, and oxalic acid, a weak acid, react to form carbon dioxide, water, and sodium oxalate10. The chemical reaction is provided below:
2NaHCO3+ H2C2O4 &#8594; 2CO2 + 2H2O + Na2C2O4
The inflated balloon increases the buoyancy of the Sensor Fish and live fish, enabling them to float on&#160;the water surface for easier recovery.
The number of balloon tags required to achieve flotation and facilitate the retrieval of a sample (e.g., Sensor Fish or live fish) may vary based on the volume and mass characteristics of the sample. The duration of balloon tag inflation can be adjusted by injecting water at different temperatures. Colder water will increase the inflation time, while warmer water will decrease it. Balloon tags have been successfully employed in various locations, including the Farmers Screen, a unique horizontal, flat-plate fish and debris screen structure in Hood River, Oregon11, and a Francis turbine at Nam Ngum Dam in the Lao People&#39;s Democratic Republic12. Another commercially available balloon tag example is the Hi-Z Turb&#39;N Tag13,14. The Hi-Z Turb&#39;N Tag allows inflation time to be adjusted between 2 min and 60 min, depending on the injected water temperature13. This technology has been used in fish studies at many field sites, including studies involving Chinook salmon smolts released at Rocky Reach Dam on the Columbia River and juvenile American shad at Hadley Falls Dam on the Connecticut River15,16. Both technologies utilize acid-base&#160;chemical reactions to inflate the balloon tags for recovery.
This method offers cost-effectiveness and simplicity in manufacturing, with an estimated material cost of only $0.50 per balloon. As described here, the manufacturing process is easy to follow, making balloon tag production accessible to anyone.

저자 스포트라이트: Developing Cost-Effective and Customizable Balloon Tags for Fish Passage Studies (물고기 통로 연구를 위한 비용 효율적이고 사용자 정의 가능한 풍선 태그 개발) 

센서 물고기 및 살아있는 물고기 회수를 위한 풍선 태그 제조 기술

This research focuses on developing and evaluating cost-effective balloon tags for fish passage studies and hydraulic structures. Our aim is to assess the effectiveness of different balloon tag configurations for the recovery of sensor fish and live fish after they pass through these hydraulic structures. The balloon tag protocol we developed offer a cost effectiveness, customizability, and adjustable inflation times.It is a low-cost solution for large scale studies with limited budgets. It helps to understand the impact of hydraulic structures on fish and can be tailored to different species and environments. We have developed a cost-effective balloon tag manufacturing process.This will enhance our understanding of balloon tag performances under different conditions, enabling tailored testing and facilitating environmental impact assessments for developing and operating fish-friendly hydropower systems.

풍선에 주입되는 물의 양과 온도에 초점을 맞춰 풍선 태그 제조를 위한 최적의 방법을 결정하기 위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구는 인플레이션 시작 시간, 전체 인플레이션 시간, 디플레이션 시작 시간 및 최대 인플레이션 시 풍선의 부피를 포함한 다양한 입력 매개변수를 조사했습니다. 이 연구는 주변 온도가 21°C인 책상에서 수행되었습니다.
연구를 위해 총 360개의 풍...

Watch this Scientific Journal Video about Developing Cost-Effective and Customizable Balloon Tags for Fish Passage Studies at JoVE.com

Sensor Fish 및 활어를 회수하기 위한 풍선 태그를 설계 및 제조하기 위한 프로토콜이 제시되어 유압 구조물에서 물리적 상태와 생물학적 성능을 평가할 수 있습니다. 이 방법은 풍선 부피, 팽창/수축 시간, 성분 선택 및 주입된 물의 특성과 같은 요소를 고려하여 풍선 태그 성능을 최적화합니다.

Fish may experience injuries and mortality when they pass through hydraulic conveyances at hydropower dams, even if these conveyances are designed to be ...

이 연구는 물고기 통로 연구 및 유압 구조물을 위한 비용 효율적인 풍선 태그를 개발하고 평가하는 데 중점을 둡니다. 우리의 목표는 센서 물고기와 살아있는 물고기가 이러한 유압 구조물을 통과한 후 회수하기 위한 다양한 풍선 태그 구성의 효과를 평가하는 것입니다. 우리가 개발한 풍선 태그 프로토콜은 비용 효율성, 사용자 정의 가능성 및 조정 가능한 팽창 시간을 제공합니다.제한된 예산의 대규모 연구를 위한 저비용 솔루션입니다. 유압 구조가 물고기에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 되며 다양한 종과 환경에 맞게 조정할 수 있습니다. 우리는 비용 효율적인 풍선 태그 제조 공정을 개발했습니다.이를 통해 다양한 조건에서 풍선 태그 성능에 대한 이해도를 높여 맞춤형 테스트를 가능하게 하고 물고기 친화적인 수력 발전 시스템을 개발 및 운영하기 위한 환경 영향 평가를 용이하게 할 것입니다.

balloon-tag-manufacturing-technique-for-sensor-fish-live-fish

Research

JoVE Journal

Engineering

Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish and Live Fish Recovery

1.0K 조회수.  Pacific Northwest National Laboratory. 이 연구는 물고기 통로 연구 및 유압 구조물을 위한 비용 효율적인 풍선 태그를 개발하고 평가하는 데 중점을 둡니다. 우리의 목표는 센서 물고기와 살아있는 물고기가 이러한 유압 구조물을 통과한 후 회수하기 위한 다양한 풍선 태그 구성의 효과를 평가하는 것입니다. 우리가 개발한 풍선 태그 프로토콜은 비용 효율성, 사용자 정의 가능성 및 조정 가능한 팽창 시간을 제공...

비디오: 저자 스포트라이트: Developing Cost-Effective and Customizable Balloon Tags for Fish Passage Studies (물고기 통로 연구를 위한 비용 효율적이고 사용자 정의 가능한 풍선 태그 개발) 

Fish may experience injuries and mortality when they pass through hydraulic conveyances at hydropower dams, even if these conveyances are designed to be fish-friendly, such as downstream bypass systems, modified spillways&#160;and turbines. The main methods used to study fish passage conditions in hydraulic structures involve direct, in situ testing using Sensor Fish technology and live fish. Sensor Fish data helps identify physical stressors and their locations in the fish passage environment, while live fish are assessed for injuries and mortality. Balloon tags, which are self-inflating balloons attached externally to Sensor Fish and live fish, aid in their recovery after passing through hydraulic structures.
This article focuses on the development of balloon tags with varying numbers of dissolvable, vegetable-based capsules containing a mixture of oxalic acid, sodium bicarbonate powders, and water at two different temperatures. Our research determined that balloon tags with three capsules, injected with 5 mL of water at 18.3 &#176;C, consistently achieved the desired balloon volume. These tags had a mean inflation volume of 114 cm3 with a standard deviation of 1.2 cm3. Among the balloon tags injected with water at 18.3 &#176;C, it was observed that the two-capsule balloon tags took the longest time to reach full inflation. In addition, the four-capsule balloon tags demonstrated a faster inflation start time, while the three-capsule balloon tags demonstrated a faster deflation start time. Overall, this approach proves to be effective for validating the performance of new technologies, improving turbine design, and making operational decisions to enhance fish passage conditions. It serves as a valuable tool for research and field evaluations, aiding in the refinement of both the design and operation of hydraulic structures.

A protocol is presented for designing and manufacturing balloon tags to recover Sensor Fish and live fish, allowing assessment of their physical condition and biological performance in hydraulic structures. The method optimizes balloon tag performance by considering factors such as balloon volume, inflation/deflation times, component selection, and the characteristics of the injected water.

연구

공학

Acid/Base Encapsulation for Balloon Tag Assembly

To begin, in a mixing cup, combine oxalic acid and sodium bicarbonate, maintaining a weight ratio of one to two. If the acid-based powder mix becomes crystalline, grind it into a fine powder using a mortar and pestle. To fill the capsules using a semi-automatic capsule filling machine, place the cap sheet on a clean, dry surface.Align the encapsulation sheet over the cap sheet. Separate the capsule tops and bottoms unless using pre-separated capsules. Pour the capsule tops into the encapsulation sheet and shake the sheet gently in a circular motion to fill the holes with the tops.Collect the leftover capsule tops in a clean cup. Detach the encapsulation sheet from the completely filled cap sheet and keep the cap sheet aside. Identify and flip the capsule tops that are upside down.Next, place the body or bottom sheet on a clean, dry, flat surface. Fix the encapsulation sheet to the bottom sheet and secure the alignment with the black pegs. Pour the cap bottoms onto the encapsulation sheet and shake as described previously to fill all the holes.Then pour off the excess capsule bottoms from the sheet. Remove the encapsulation sheet from the filled bottom sheet. Flip any capsule bottoms found upside down.Now, disperse the acid base powder mixture onto the filled bottom sheet. Using a plastic spreader, fill the capsule bottoms with the powder. After positioning the filled cap sheet on a flat surface, mount the middle sheet on its top.Invert the cap sheet affixed to the middle sheet on the filled bottom sheet, ensuring a proper mutual alignment. Press gently, but equally on all sides of the cap sheet to join and fit the tops and bottoms of the capsules. Then remove the cap sheet and the middle sheet from the bottom sheet, leaving the capsule tops and bottoms joined.Check each capsule to ensure its top and bottom are fitted tightly. If not, manually press and tighten the top and bottom together. Finally, transfer the filled capsules to an airtight sealable container.

Balloon Tag Assembly를 위한 산/염기 캡슐화

Manufacturing Silicone Stopper for Balloon Tag Assembly

To begin, mix both commercial silicone mold material components in a mixing cup, maintaining a one-to-one weight ratio. Stir thoroughly with a disposable spoon for about five minutes until the mixture becomes uniform in appearance. Then position the 3D-printed mold plate fitted with packing tape over a sheet of paper.Pour the silicone mixture into each stopper hole, ensuring all the holes are filled. Using a rubber squeegee, spread the silicone evenly into each stopper hole before clearing any leftover silicone. Leave the rubber stoppers to dry for four hours.Once the stoppers have fully cured as indicated by the complete drying and hardening of the silicone mixture, take off the tape from the back of the mold plate and pull the stoppers out of the mold. Finally, clean any surplus silicone attached to the stoppers.

풍선 태그 조립을 위한 실리콘 스토퍼 제조

Balloon Tag Assembly and Attachment to Sensor Fish Caps

To begin the balloon tag assembly, carefully insert the piercing tool into the silicone stopper. Then insert the piercing tool attached to the stopper into a 15 gauge syringe needle. After that, remove the piercing tool from the silicone stopper leaving only the needle embedded in the stopper.Cut a six inch piece from a 50 pound fishing line. Insert the fishing line piece into the silicone stopper through the 15 gauge needle. While holding the stopper and the fishing line together, carefully retract the needle from the stopper leaving the fishing line inside the stopper.Next, insert two acid-based powder filled capsules into a latex balloon. Using a rubber band expansion tool like a castration band plier, gently expand the balloon opening. Then carefully insert one silicone stopper into the balloon opening, making sure to keep the two ends of the fishing line outside the balloon.Place two O-rings onto the rubber band expansion tool and expand them. Push the neck of the latex balloon through the two expanded O-rings. Carefully pull the two O-rings away from the rubber band expansion tool leaving them tightly wrapped around the balloon's neck centered on the stopper.Insert one end of the fishing line through one of the small holes in the sensor fish cap and pull it through the large hole at the center. Tie both ends of the fishing line together leaving a 0.5 to one inch gap from the top of the cap to the balloon base. Keep the extra fishing line attached as cutting it too close to a knot might cause it to untie.Studying the average inflation time for balloon tags with different volumes of water at two different temperatures revealed that full inflation occurred faster when using water at 18.3 degrees Celsius as compared to 12.7 degrees Celsius. A slower dissolution of the capsules at lower temperatures caused delayed inflation. Among the tested conditions, the three capsule balloon tags injected with five milliliters of water at 18.3 degrees Celsius exhibited consistent size with a mean volume of 114 cubic centimeters.At 18.3 degrees Celsius, the four capsule balloon tags demonstrated a faster inflation start time. However, the full inflation times for the two capsule and four capsule balloon tags were nearly identical. The three capsule balloon tag began deflating first followed by the four capsule, and finally, the two capsule balloon tags.