Summary
Il protocollo qui è dedicato all'investigazione il gratuito e veloce manovra di strider acqua sulla superficie dell'acqua. Il protocollo comprende osservando la microstruttura delle gambe e misurando la forza di adesione quando in partenza dalla superficie dell'acqua a velocità diverse.
Abstract
Questo studio ha mirato a fare una spiegazione per il fenomeno in natura che strider acqua solitamente salta o scivola sulla superficie dell'acqua, facilmente, ma rapidamente, con la sua locomozione picco velocità raggiungendo 150 cm/s. Prima di tutto, abbiamo osservato la microstruttura e la gerarchia delle gambe strider acqua usando il microscopio elettronico a scansione. In base alla morfologia osservata delle gambe, è stato stabilito un modello teorico del distacco dalla superficie dell'acqua, che ha spiegato la capacità degli acqua striders a scivolare sulla superficie dell'acqua senza sforzo in termini di riduzione di energia. In secondo luogo, un sistema di misura di forza dinamica è stato ideato utilizzando il sensore di pellicola PVDF con eccellente sensibilità, che potevano rilevare il processo intero di interazione. Successivamente, una sola gamba a contatto con acqua è stata tirata verso l'alto a velocità diverse, e la forza di adesione è stata misurata allo stesso tempo. I risultati dell'esperimento in partenza ha suggerito una profonda comprensione del salto veloce di acqua striders.
Introduction
In natura, acqua striders possiedono notevoli capacità di saltare o scivolare facilmente e velocemente sulla superficie dell'acqua con l'aiuto del gambe snelle e nonwetting1,2,3,4,5, ma raramente si muovono lentamente, che è diverso dagli insetti terrestri. La struttura gerarchica di strider acqua stabilizza lo stato superidrofobiche, che rende la drastica riduzione nella forza di adesione e area di contatto tra acqua e la gamba6,7,8, 9. Tuttavia, i vantaggi idrodinamici del ritiro rapido dell'acqua striders dalla superficie dell'acqua rimangono mal interpretato10,11,12.
Il processo di salto dalla superficie dell'acqua è principalmente diviso in tre fasi13,14,15,16. In un primo momento, acqua striders spingere la superficie dell'acqua verso il basso con le gambe centrali e posteriori per convertire l'energia biologica in energia della superficie dell'acqua fino ad affondare per la profondità massima, che consentono l'insetto inizializzare la direzione salta e determinare la velocità di scollegamento. Seguita dalla fase ascendente, l'insetto è spinto verso l'alto tramite la forza capillare della superficie dell'acqua curvo fino a raggiungere la velocità massima. Nella fase finale di disimpegno, il strider acqua continua a salire per inerzia fino alla rottura con la superficie dell'acqua, ma la velocità è ridotta in gran parte a causa della forza di adesione con l'acqua, che ha la principale influenza sul consumo di energia del acqua strider. Quindi, questo protocollo si propone di misurare la forza di adesione a diverse velocità di decollo in fase di disimpegno e spiegare la caratteristica distinta di rapido movimento.
Ci sono stati molti studi per esplorare la forza di adesione di acqua striders quando propulsione dalla superficie dell'acqua. Lee & Kim teoricamente e sperimentalmente confermato che la forza di adesione e l'energia necessari sollevamento gambe di strider di acqua è diminuito drasticamente quando l'angolo di contatto aumentata a 160 gradi17. Pan Jen Wei progettato un esperimento idrostatico per misurare la forza di adesione dal sistema TriboScope, che è stato trovato per essere 1/5 del suo peso 18. Kehchih Hwang analizzato il processo quasi statico delle gambe lo scollegamento dall'acqua con un modello 2D e trovato che il superhydrophobicity delle gambe ha giocato un ruolo significativo nel ridurre l'adesione forza ed energia dissipazione19. Tuttavia, la misurazione della forza di adesione negli studi precedenti era solo a condizione di un processo quasi statico, che è stato in grado di monitorare i cambiamenti di forza di adesione durante il salto veloce.
In questo studio, abbiamo progettato un sistema di misura di forza dinamica mediante sensore di polivinilidene fluoruro (PVDF) film e l'altro strumento di adiuvante. Rispetto ad altri materiali piezoelettrici, PVDF è più adatto per misurare la dinamica microforce con maggiore sensibilità20,21,22. Integrando il sensore di pellicola PVDF nel sistema, la forza di adesione in tempo reale potrebbe essere rilevata ed elaborata quando la gamba era tirando da acqua superficiale23,24,25.
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Protocol
1. osservazione della struttura superficiale sulla gamba Water Strider
- Raccogliere acqua striders da locali stagni d'acqua dolce utilizzando guadino di pesca.
- Tagliare almeno 5 paia di gambe centrali come campioni sperimentali utilizzando le forbici. Toccare la parte inferiore delle gambe con attenzione, per evitare la contaminazione della superficie e l'interruzione della microstruttura nella parte anteriore le gambe.
- Asciugare le gambe all'aria.
- Osservare la microstruttura superficiale delle gambe utilizzando un microscopio elettronico a scansione con risoluzione di micro-livello, come mostrato in Figura 1un.
- Osservare la microsetae delle gambe utilizzando un microscopio elettrico con risoluzione di nano-livello come mostrato inFigura 1b.
2. preparare il componente del sistema di misura di forza dinamica
- Acquistare un sensore di pellicola PVDF con una dimensione di 14,9 X 10.2 mm2 X 28 μm, che produce più di 10 mV per micro-ceppo.
Nota: Il sensore di pellicola PVDF viene utilizzato per rilevare la forza di contatto dinamica con l'alta sensibilità. - Acquistare un amplificatore di carica con massima 1000 mV/pC carica guadagno e basso rumore μV meno di 5.
Nota: L'amplificatore di carica viene utilizzato per ingrandire il segnale dal sensore di pellicola di PVDF, in cui l'uscita di carica dal trasduttore viene convertito in tensione. - Acquistare un dispositivo di acquisizione dati, in cui l'ingresso analogico ha le frequenze di campionamento in un range da 1 s a 102,4 kS/s.
Nota: Il dispositivo di acquisizione dati è utilizzato per leggere i dati di tensione dell'amplificatore di carica e li invia al computer per l'ulteriore elaborazione e visualizzazione. - Acquistare un servomotore e diverse fasi di spostamento ad alta precisione.
Nota: Le gambe partono da acqua a velocità diversa, mossi dal servomotore. - Acquisto una fotocamera CCD, cui lunghezza di messa a fuoco è in un range da 5 mm a 30 mm e il frame rate è di 30 fps.
Nota: Questa fotocamera è utilizzata per registrare e monitorare la deformazione della superficie dell'acqua e la distanza tra le gambe e la superficie dell'acqua. - Preparare un computer ad alte prestazioni.
3. montaggio di tutte le parti del sistema di misura di forza dinamica
- Assemblare il sistema di misurazione della forza dinamica secondo l'illustrazione schematica mostrata in Figura 2una e lo strumento vero e proprio esperimento mostrato in Figura 2b.
- Fissare un lato del sensore pellicola PVDF con gli elettrodi per la fase di spostamento ad alta precisione, che è posto sul telaio orizzontale, come l'altro lato è appeso. Questo metodo di installazione del sensore PVDF film aiuta a migliorare la risoluzione della misurazione per la forza di micro dinamica.
- Collegare il sensore di pellicola PVDF per l'amplificatore di carica, l'amplificatore di carica al dispositivo di acquisizione dati e il dispositivo di acquisizione dati al computer.
- Fissare la telecamera alla fase di spostamento ad alta precisione, che è posto sul lato sinistro del sensore della pellicola di PVDF.
- Per più o meno regolare la distanza tra le gambe e l'acqua rapidamente, difficoltà di una fase di spostamento ad alta precisione per il telaio sopra il sensore di pellicola PVDF, cui separazione dal sensore di pellicola di PVDF è circa 10 cm.
- Per sollevare la gamba dalla superficie dell'acqua ad una velocità precisa, difficoltà il servomotore sotto il palcoscenico di spostamento ad alta precisione.
4. taratura del sistema di misura di forza dinamica
- Utilizzare la forza elettrostatica sistema26 per generare una forza costante di micro ha agita sull'estremità libera del sensore a film PVDF, cui grandezza dovrebbe essere inferiore a 0,5 µN. la forza elettrostatica del sistema di controllo di una tensione applicata agli elettrodi interni ed esterni del condensatore cilindrico parallelo.
Attenzione: La forza dovrebbe agire in direzione normale alla superficie della pellicola PVDF e il punto di applicazione dovrebbe per essere più vicino possibile alla punta del sensore pellicola PVDF per aumentare la sensibilità. - Rilasciare la forza in tempi brevi per generare un input di passaggio.
- Leggere il segnale di tensione-tempo di passo 4.2 nel computer utilizzando il software LabVIEW, che aiuta a leggere i segnali di tensione di uscita del sensore di pellicola PVDF.
- Scarica il software LabVIEW e il driver di hardware NI-DAQmx nel sito web ufficiale di National Instruments.
- Aprire la demo della misurazione continua tensione analogica utilizzando LabVIEW, come illustrato nella figura 3.
- Selezionare il canale fisico del dispositivo di acquisizione dati collegato con l'amplificatore di carica nel modulo delle Impostazioni di canale.
- Impostare la frequenza di campionamento a 100000 e il numero di campioni da 100000 nel modulo delle Impostazioni di sincronizzazione.
- Selezionare il registro e leggere come la modalità di registrazione e scrivere il percorso del file per memorizzare i dati di tensione nel modulo delle Impostazioni di registrazione.
- Non selezionare alcun trigger nel modulo delle Impostazioni di Trigger.
- Fare clic sul pulsante freccia-forma nella barra degli strumenti per campionare il segnale di tensione.
- Analizzare la curva di tensione, in cui la tensione di picco è corrispondente per forzare ha agito sul sensore.
- Ripetere i passaggi 4.1-4.4 all'ingresso di forza diversa, in cui possono essere ottenuti una serie di punti di forza di tensione.
- Determinare la relazione circa la tensione di uscita di picco e la forza standard nel risultato della calibrazione.
5. misurazione della forza di adesione a una certa velocità
- Mettere una goccia di acqua (5 µ l) sulla estremità libera del sensore pellicola PVDF utilizzando una micropipetta meccanica.
Nota: La posizione della goccia dovrebbe essere vicino alla punta del sensore di pellicola PVDF. - Attaccare una sola gamba al servomotore sotto il palcoscenico di spostamento ad alta precisione.
- Spostare il palco di alta-preciso spostamento verso il basso fino a quando i contatti di gamba con la superficie dell'acqua, come mostrato nella Figura 4un. Monitorare la distanza tra la superficie di gamba e acqua dal sistema di telecamera montata sul lato sinistro del sensore.
- Sollevare la gamba dalla superficie dell'acqua ad una velocità costante attraverso il servomotore.
- Calcolare la forza corrispondente a ciascun punto della curva di tensione del processo in partenza utilizzando il modello stabilito al punto 4.6 e quindi disegnare la curva forza-tempo di partenza del processo, come mostrato nella Figura 4b.
- Registrare l'adesione di picco del processo in partenza ad una certa velocità.
6. misurazione della forza di adesione a diverse velocità.
- Modificare la velocità di sollevamento delle gambe del servomotore e misurare la forza di adesione secondo passaggio 5.
- Tracciare la forza di adesione contro sollevamento curva di velocità utilizzando i dati ottenuti al punto 6.1.
- Analizzare il rapporto tra la forza di adesione e la velocità di sollevamento attraverso la curva.
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Representative Results
Il rapporto tra forza di adesione e velocità di sollevamento è mostrato nella tabella 1. Quando la velocità di sollevamento aumenta da 0,01 m/s a 0,3 m/s, l'adesione della forza tra l'acqua superficie e gamba diminuisce drammaticamente da 0,10 a 0,03. I risultati dell'esperimento in partenza ha mostrato che la forza di adesione di picco diminuirebbe drasticamente come l'aumento di Velocità sollevamento, che ha indicato che l'acqua striders può stare tranquillo se si muovono rapidamente sulla superficie dell'acqua.
In questa carta, è stabilito un modello delle gambe in partenza dalla superficie dell'acqua basato sulla microstruttura delle gambe e la forma delle setole, che potrebbe delucidare il meccanismo di facile saltare dalla superficie dell'acqua con riduzione di bassa energia. La seta di gambe era un rastremato con la sottile parte anteriore e parte posteriore estremamente spessa, come illustrato nella Figura 1, che ha provocato la rigidità della parte anteriore molto più bassa rispetto alla posteriore. Così, la parte anteriore della seta tendeva a piegare facilmente, mentre la parte posteriore ha fatto non a causa della rigidità eccellente. Quando la gamba è stata tirata lontano dall'acqua, le setole sulla gamba sarebbero essere piegati come risultato della forza di adesione e infine essere verticale alla superficie dell'acqua, come mostrato nella Figura 5. Acqua sarebbe caduta lungo le setole naturalmente con dissipazione di energia bassa, che potrebbe essere trascurato. La flessione della seta sarebbe ridurre in modo significativo la linea di contatto in un cerchio con diametro di 0,2 m e la riduzione di energia può essere espresso come:
dove, y era coefficiente di tensione superficiale, 72 mJ/m2 e D è il diametro della punta di seta, rispettivamente. Quindi, l'acqua striders può saltare in acqua facilmente.
Il rapporto tra la forza di adesione e velocità di sollevamento è stato interpretato accuratamente attraverso il precedente modello in partenza. Secondo la conservazione dell'energia, l'energia totale dell'acqua sollevata a causa della forza di adesione era approssimativamente uguale alla riduzione di energia della gamba Ediss. In questo modello, Ediss è stato costante a diverse velocità di sollevamento. Così, l'energia dell'acqua tirato su, tra cui l'energia potenziale Ep e l'energia cinetica Ek, era immutabile. L'alta velocità di sollevamento porterà alla piccola energia potenziale Ep e grande energia cinetica Ek. Pertanto, come aumentare la velocità di sollevamento, la forza di adesione, proporzionale all'energia potenziale Ep, diminuirebbe drasticamente.
Figura 1: il strider acqua nonwettinggambe. (a) le setole sulla gamba superidrofobiche. (b) le scanalature su scala nanometrica sulle setae. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: il sistema di misurazione della forza dinamica. (a) l'illustrazione schematica del sistema di misura di forza dinamica è composto da un sensore di pellicola PVDF, una telecamera CCD, un amplificatore di carica, un dispositivo di acquisizione dati e un computer. (b) lo strumento vero e proprio esperimento del sistema di misura di forza dinamica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Il pannello frontale del demo della misurazione tensione analogica continua. La demo di LabVIEW è usato per i segnali di tensione campione del sensore di pellicola PVDF. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : L'esperimento in partenza delle gambe a una certa velocità. (a) il distacco delle gambe dalla superficie dell'acqua. forza (b) l'adesione in tempo reale misurata dal sensore di pellicola di PVDF. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: modello teorico della gamba di strider di acqua in partenza dalla superficie dell'acqua. Questo modello viene illustrato che la seta si piega peeling lontano dalla superficie dell'acqua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: la forza di adesione di picco misurata a diverse velocità di sollevamento. La forza di adesione diminuisce drammaticamente da μp 0,10 a μp 0,03 con un aumento di velocità da 0.01 m/s a 0,3 m/s di sollevamento.
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Discussion
In questo protocollo, un sistema di misura di forza dinamica basato sul sensore di pellicola PVDF con successo era ideato, assemblato, tarato per misurare la forza di adesione dalla superficie dell'acqua. Tra i passaggi interi, era cruciale che la forza di adesione è stata misurata a diverse velocità sollevando la gamba dalla superficie dell'acqua come questo studio incentrato sulla caratteristica notevole della manovra veloce sull'acqua. I risultati di partenza esperimento ha mostrato che la forza di adesione è diminuito quando la velocità di sollevamento aumentata. Questi ha chiarito che l'acqua striders sentirei rilassato se si trasferirono ad alta velocità sull'acqua.
Il metodo di misurazione della forza dinamica basata su PVDF è un importante complemento al metodo tradizionale. In oltre gli studi, solitamente è stata misurata la forza di adesione di acqua striders nel processo di distacco dal microscopio a forza atomica (AFM) in una modalità quasi-statica. Rispetto al metodo AFM, nonostante che la precisione di misura è leggermente inferiore, il sensore di pellicola PVDF è in grado di misurare la forza di più grandi oggetti macroscopici. Inoltre, grazie alle sue caratteristiche di risposta di frequenza di grandi dimensioni, il sensore di pellicola PVDF può misurare l'interazione dinamica tra le gambe e la superficie dell'acqua mentre l'AFM potrebbe essere usato soltanto nella condizione di quasi-statica al contrario.
Il metodo proposto per misurare forza dinamica è stato limitato che solo la micro-forza potrebbe essere misurata. Se abbiamo applicato una grande forza al sensore penzoloni, causerebbe una deformazione considerevole del sensore pellicola PVDF, che porterebbe a risultati imprecisi. Inoltre, l'area sensibile del sensore pellicola PVDF era piccola, che ha limitato le dimensioni dell'oggetto misurato. Tuttavia, in contrasto con il metodo convenzionale, il metodo proposto è stato in grado di misurare la forza dinamica, piuttosto che semplicemente la misura della forza statica, in grado di esibire il processo intero di interazione.
Questo metodo basato su sensore film PVDF ha vaste applicazioni in molti campi dovuto la relativa alta sensibilità nella flessibilità di telerilevamento e notevole forza dinamica. Ad esempio, è stato disegnato molta attenzione all'applicazione nel monitoraggio strutturale monitorando la risposta degli edifici sotto la vibrazione o grandi movimenti27,28. Inoltre, i sensori di pellicola PVDF sono utilizzati per misurare direttamente l'interazione tra due goccioline inviscido nel processo di coalescenza, in cui la meccanica dei fluidi non sono stati completamente compresi. Inoltre, il sensore di pellicola PVDF inoltre svolge un ruolo importante in sensori tattili nel robot29. Il sensore è integrato a portata di mano del robot per misurare la forza di contatto così come la temperatura a contatto di un oggetto. Nel campo della ricerca biologica, sensori di forza base di PVDF contribuire a migliorare il tasso di successo della manipolazione unicellulare, come DNA iniezione e la terapia genica, attraverso il controllo di precise risposte meccaniche con alta sensibilità.
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Disclosures
L'autore non ha nulla di divulgare.
Acknowledgments
Gli autori ringraziano la National Key Technology Research e programma di sviluppo del Ministero della scienza e tecnologia della Cina (n. 2011BAK15B06) per il loro sostegno. Grazie Shuya Zhuang che è uno studente master dal nostro laboratorio per aiutarci a completare le riprese video.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
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