Summary
El protocolo aquí se dedica a investigar la libre y rápida maniobra de strider del agua en la superficie del agua. El protocolo incluye la observación de la microestructura de las piernas y medir la fuerza de adherencia al salir de la superficie del agua a diferentes velocidades.
Abstract
Este estudio pretende dar una explicación para el fenómeno en la naturaleza strider del agua generalmente salta o se desliza sobre la superficie del agua con facilidad pero rápidamente, con su locomoción pico velocidad alcance 150 cm/seg. En primer lugar, observamos la microestructura y la jerarquía de las piernas agua strider mediante microscopio electrónico de barrido. Sobre la base de la morfología observada de las piernas, se estableció un modelo teórico de la separación de la superficie del agua, que explica la capacidad de agua striders se deslice sobre la superficie del agua sin esfuerzo en términos de reducción de energía. En segundo lugar, un sistema de medición de fuerza dinámica se creó utilizando el sensor de la película PVDF con excelente sensibilidad, que podría detectar el proceso de interacción todo. Posteriormente, una sola pierna en contacto con el agua se tira hacia arriba a diferentes velocidades, y se midió la fuerza de la adherencia al mismo tiempo. Los resultados del experimento que sugieren una profunda comprensión de la rápido que salta de agua striders.
Introduction
En la naturaleza, agua striders poseen notable capacidad para saltar o deslizarse fácilmente y rápidamente en la superficie del agua con la ayuda de las piernas esbeltas y nonwetting1,2,3,4,5, pero rara vez se mueven lentamente, que es a diferencia de los insectos terrestres. La estructura jerárquica de strider del agua estabiliza el estado superhidrófobos, que representa la reducción dramática en la fuerza área y adherencia de contacto entre el agua y la pata6,7,8, 9. sin embargo, las ventajas hidrodinámicas de la retirada rápida de striders del agua de la superficie del agua siguen siendo mal interpretado10,11,12.
El proceso de saltar de la superficie del agua se divide principalmente en tres etapas13,14,15,16. Al principio, agua striders empuje hacia abajo la superficie del agua con las patas medias y posteriores para convertir la energía biológica en energía superficial del agua hasta hundirse en la profundidad máxima, que permiten al insecto inicializar la dirección Salta y determinar la velocidad de desprendimiento. Seguido por la etapa ascendente, el insecto es empujado hacia arriba por la fuerza capilar de la superficie curvada del agua hasta llegar a la máxima velocidad. En la etapa final de la retirada, el strider del agua sigue aumentando por inercia hasta última hora de la superficie del agua, pero la velocidad se reduce en gran medida debido a la fuerza de adherencia con el agua, que tiene principal influencia en el consumo de energía de la strider del agua. Por lo tanto, este protocolo se propone para medir la fuerza de la adherencia a diferentes velocidades de despegue en la etapa de separación y explicar las distintas características de movimiento rápido.
Se han realizado muchos estudios para explorar la fuerza de la adherencia de agua striders impulsando desde la superficie del agua. Lee y Kim teóricamente y experimentalmente confirman que la fuerza de la adherencia y la energía necesaria elevación piernas del strider agua disminuido dramáticamente cuando el ángulo de contacto mayor a 160 grados17. Pan Jen Wei diseñó un experimento de hidrostático para medir la fuerza de adhesión por el sistema TriboScope, que fue encontrado para ser 1/5 de su peso 18. Kehchih Hwang analizó el proceso cuasi-estático de las piernas de extraer del agua con un modelo 2D y encuentra que el superhydrophobicity las patas jugó un papel importante en la reducción de la adherencia la fuerza y energía disipación19. Sin embargo, la medición de la fuerza de adherencia en los estudios anteriores fue sólo en la condición de un proceso cuasi-estático, que fue incapaz de controlar los cambios de la fuerza de adhesión durante el salto rápido.
En este estudio, hemos diseñado un sistema de medición de fuerza dinámica con sensor de película del polivinilideno (PVDF) de fluoruro y el otro instrumento coadyuvante. En comparación con otros materiales piezoeléctricos, PVDF es más conveniente para medir la microforce dinámico con mayor sensibilidad20,21,22. Al integrar el sensor de la película PVDF en el sistema, la fuerza de adherencia en tiempo real podría detectada y procesada cuando la pierna se tira hacia arriba del agua superficial23,24,25.
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Protocol
1. observación de la estructura superficial en la pierna de agua Strider
- Recoger agua striders de estanques de agua dulce locales mediante red de aterrizaje de pesca.
- Corte al menos 5 pares de patas medianas como muestras experimentales usando las tijeras. Toque la parte inferior de las piernas con cuidado, para evitar la contaminación de la superficie y la interrupción de la microestructura en el frente de las piernas.
- Secar las piernas en el aire.
- Observar la microestructura superficial de piernas usando un microscopio electrónico de barrido con resolución de nivel micro como se muestra en la figura 1un.
- Observar los micropelos de las piernas utilizando un microscopio eléctrico de barrido con nano-nivel de resolución como se muestra en lafigura 1b.
2. preparar el componente del fuerza dinámica del sistema de medición
- Comprar un sensor de la película PVDF con una dimensión de 14,9 X 10.2 mm2 X 28 μm, que produce más de 10 mV por micro-tensión.
Nota: El sensor de la película PVDF se utiliza para detectar la fuerza de contacto dinámica con alta sensibilidad. - Comprar un amplificador de carga máxima 1000 mV/pC carga ganancia y bajo ruido a menos de 5 μV.
Nota: El amplificador de carga se utiliza para ampliar la señal del sensor de la película PVDF, en que la salida de carga desde el transductor se convierte en una tensión. - Comprar un dispositivo de adquisición de datos, en el que la entrada analógica tiene las tasas de muestra en un rango de 1 S/s a 102.4 kS/s.
Nota: El dispositivo de adquisición de datos se utiliza para leer los datos de voltaje del amplificador de carga y enviar a la computadora para su posterior procesamiento y visualización. - Compra varias etapas de desplazamiento de alta precisión y un servomotor.
Nota: Las patas salen del agua a diferentes velocidad accionado por el servomotor. - Compra una cámara CCD, cuya longitud de enfoque está en un rango de 5 mm a 30 mm y velocidad de fotogramas es de 30 fps.
Nota: Esta cámara se utiliza para registrar y controlar la deformación de la superficie del agua y la distancia entre las patas y la superficie del agua. - Preparar un equipo de alto rendimiento.
3. conjunto de todas las partes del sistema de medición de fuerza dinámica
- Montar el sistema de medición de fuerza dinámica según la ilustración esquemática que se muestra en la figura 2a y el instrumento real experimento que se muestra en la figura 2b.
- Fije un lado del sensor de la película PVDF con los electrodos a la etapa de desplazamiento de alta precisión, que se coloca en el marco horizontal, como el otro lado está colgando. Este método de instalación del sensor de la película PVDF ayuda a mejorar la resolución de la medición de la fuerza dinámica del micro.
- Conecte el sensor de la película PVDF para el amplificador de carga, el amplificador de carga para el dispositivo de adquisición de datos y el dispositivo de adquisición de datos a la computadora.
- Fijar la cámara a la etapa de desplazamiento de alta precisión, que se coloca en el lado izquierdo del sensor de la película PVDF.
- Aproximadamente ajustar rápidamente la distancia entre las piernas y el agua, reparar una etapa de desplazamiento de alta precisión a la estructura sobre el sensor de la película PVDF, cuya separación del sensor de la película PVDF es unos 10 cm.
- Para levantar la pierna de la superficie del agua a una velocidad precisa, fijan el servomotor a continuación de la etapa de desplazamiento de alta precisión.
4. calibración del sistema de medición de fuerza dinámica
- Utilizar el sistema de fuerza electrostática26 para generar una fuerza constante de micro en el extremo libre del sensor de la película PVDF, cuya magnitud debe ser menos de 0.5 µN. la fuerza electrostática del sistema de Control por un voltaje aplicado a los electrodos interiores y exteriores del condensador cilíndrico paralelo.
PRECAUCIÓN: La fuerza debe actuar en una dirección normal a la superficie de la película PVDF y el punto de aplicación se supone que es lo más cerca posible de la punta del sensor de la película PVDF para aumentar la sensibilidad. - Liberar la fuerza en un corto plazo para generar una entrada de paso.
- Leer la señal de voltaje del paso 4.2 en el ordenador utilizando el software LabVIEW, que ayuda a Lee las señales de voltaje de salida del sensor de la película PVDF.
- Descargar el software de LabVIEW y el controlador de hardware NI-DAQmx en la página web oficial de National Instruments.
- Abrir el demo de la medición de la tensión analógica continua usando LabVIEW, como se muestra figura 3.
- Seleccione el canal físico del dispositivo de adquisición de datos conectado con el amplificador de carga en el módulo de Configuración del canal.
- Establecer la frecuencia de muestreo en 100000 y el número de muestras a 100000 en el módulo de Configuración de sincronización.
- Seleccione el registro y leer como el modo de registro, escriba la ruta del archivo almacenar los datos de voltaje en el módulo de Configuración de registro.
- No seleccionar ningún disparador en el módulo de Ajustes de disparo.
- Haga clic en el botón de forma de flecha en la barra de herramientas muestra la señal de voltaje.
- Analizar la curva de tensión, en que la tensión de pico es correspondiente a la fuerza actuó en el sensor.
- Repita los pasos 4.1-4.4 en la entrada de fuerza diferentes, en el cual se obtienen una serie de puntos de fuerza de tensión.
- Determinar la relación sobre el pico de tensión de salida y fuerza estándar en el resultado de la calibración.
5. medición de la fuerza de la adherencia a una cierta velocidad
- Coloque una gota de agua (5 μl) en el extremo libre del sensor de la película PVDF utilizando una micropipeta mecánica.
Nota: La ubicación de la gota debe ser cerca de la punta del sensor de la película PVDF. - Pegar una sola pierna para el servomotor debajo de la etapa de desplazamiento de alta precisión.
- Mover hacia abajo el escenario de desplazamiento de alta precisión hasta los contactos de la pierna con la superficie del agua, como se muestra en la figura 4un. Controlar la distancia entre la superficie de la pierna y el agua por el sistema de cámara montado en el lado izquierdo del sensor.
- Levante la pierna de la superficie del agua a una velocidad constante por el servomotor.
- Calcular la fuerza correspondiente a cada punto de la curva de la tensión del proceso que utilizando el modelo establecido en el paso 4.6 y dibuje la curva fuerza-tiempo de salida de proceso, como se muestra en la figura 4b.
- Registro de la adherencia máxima del proceso de salida a una cierta velocidad.
6. medición de la fuerza de adhesión a diferentes velocidades.
- Alteran la velocidad de elevación de las piernas por el servomotor y medir la fuerza de adherencia según el paso 5.
- Parcela la fuerza de adherencia frente a elevación de la curva de velocidad con los datos obtenidos en el paso 6.1.
- Analizar la relación entre la fuerza de la adherencia y la velocidad de elevación a través de la curva.
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Representative Results
La relación entre velocidad y adherencia de la fuerza de elevación se muestra en la tabla 1. Cuando la velocidad de elevación aumenta de 0.01 m/s a 0,3 m/s, fuerza de la adherencia entre las disminuciones de superficie y de la pierna agua dramáticamente desde 0.10 a 0.03. Los resultados del experimento que demostraron que la fuerza de la adherencia de pico disminuiría dramáticamente como el aumento de velocidad elevación, que indicó que los striders del agua puede sentirse cómodos si se mueven rápidamente en la superficie del agua.
En este trabajo, se establece un modelo de las piernas que salen de la superficie del agua basado en la microestructura de las piernas y la forma de pelos, que podría aclarar el mecanismo de salto fácil de la superficie del agua con la reducción de la energía baja. La seta de piernas era un poste cónico con la parte anterior delgada y el trasero muy grueso, como se muestra en la figura 1, que dio lugar a la rigidez de la parte frontal mucho más baja que la parte trasera. Así, la parte delantera de la seta tendió para doblar fácilmente, mientras que la parte posterior no se debe a la excelente rigidez. Cuando la pierna se ha tirado lejos del agua, los pelos en la pierna doblados como consecuencia de la fuerza de adherencia y finalmente vertical a la superficie del agua como se muestra en la figura 5. Agua caería a lo largo de los pelos naturalmente con la disipación de energía baja, que podría ser descuidado. La flexión de la seta sería reducir la línea de contacto significativamente a un círculo con diámetro de 0,2 m y la reducción de la energía puede expresarse como:
donde, y fue el coeficiente de tensión superficial, 72 mJ/m2 y D fue el diámetro de la punta de la cerda, respectivamente. Por lo tanto, los striders del agua puede saltar en el agua fácilmente.
La relación entre la fuerza de la adherencia y la velocidad de elevación fue interpretada bien a través del modelo de partida anterior. Según la conservación de la energía, la energía total del agua levantado debido a la fuerza de adhesión era aproximadamente igual a la reducción de energía de la pierna Ediss. En este modelo, fue constante en la velocidad de elevación diferentes Ediss . Así, la energía del agua se levantó, como la energía potencial Ep y la energía cinética Ek, era inmutable. La velocidad de elevación alta llevará a la pequeña energía potencial Ep y gran energía cinética Ek. Por lo tanto, a medida que aumenta la velocidad de elevación, la fuerza de la adherencia, proporcional a la energía potencial Ep, disminuiría drásticamente.
Figura 1: la medida de agua nonwettingpiernas. (a) los pelos en la pierna superhidrófobos. (b) las ranuras de nanoescala en los pelos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: el sistema de medición de fuerza dinámica. la ilustración esquemática del sistema de medición de fuerza dinámica se compone de un sensor de la película PVDF, una cámara CCD, un amplificador de carga, un dispositivo de adquisición de datos y una computadora. (b) el instrumento real experimento el fuerza dinámica del sistema de medición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : El panel frontal de la maqueta de la medición de la tensión analógica continua. La demo del LabVIEW se utiliza para las señales de voltaje muestra el sensor de la película PVDF. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : El experimento que salía de las piernas a cierta velocidad. (a) la separación de las piernas de la superficie del agua. fuerza (b) la adherencia en tiempo real medida por el sensor de la película PVDF. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: modelo teórico de pierna del strider agua desde la superficie del agua. Este modelo demuestra que la seta es flexión pelado lejos de la superficie del agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tabla 1: la fuerza de adherencia del pico medido velocidades de elevación diferentes. La fuerza de la adherencia disminuye dramáticamente desde 0.10 μN a 0.03 μN con un aumento de velocidad de 0.01 m/s a 0,3 m/s de elevación.
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Discussion
En este protocolo, un sistema de medición de fuerza dinámica basado en el sensor de la película PVDF fue con éxito ideado, montado, calibrado para medir la fuerza de la adherencia de la superficie del agua. Entre los pasos de todo, es fundamental que la fuerza de la adherencia fue medida a diferentes velocidades levantando la pierna de la superficie del agua como este estudio se centró en la característica notable de la maniobra rápida en el agua. Los resultados de salida experimento demostraron que la fuerza de la adherencia disminuye cuando aumenta la velocidad de elevación. Estos aclaró que los striders del agua se sentiría relajan si mueve a gran velocidad en el agua.
El método de medición de fuerza dinámica basada en PVDF es un complemento importante para el método tradicional. En anteriores estudios, la fuerza de la adherencia de los striders del agua en el proceso de separación fue medida generalmente por el microscopio de fuerza atómica (AFM) de un modo cuasi-estático. En comparación con el método AFM, a pesar de que la exactitud de la medida es ligeramente inferior, el sensor de la película PVDF es capaz de medir la fuerza de objetos macroscópicos más grandes. Además, debido a sus características de respuesta de frecuencia grande, el sensor de la película PVDF puede medir la interacción dinámica entre las piernas y la superficie del agua mientras que el AFM puede ser utilizada en la condición cuasi-estática por el contrario.
El método propuesto para medir la fuerza dinámica se limitó esa única fuerza micro podría evaluarse. Si aplicamos una fuerza grande en el sensor colgando, causaría una deformación considerable del sensor de la película PVDF, que daría lugar a resultados imprecisos. Por otra parte, el área sensible del sensor PVDF película era pequeño, que limitó el tamaño del objeto medido. Sin embargo, en contraste con el método convencional, el método propuesto fue capaz de medir la fuerza dinámica en lugar de simplemente medir la fuerza estática, que podría exhibir el proceso de toda interacción.
Este método basado en el sensor de la película PVDF tiene amplias aplicaciones en muchos campos debido a su alta sensibilidad en la detección y notable flexibilidad de fuerza dinámica. Por ejemplo, se ha dibujado mucha atención a la aplicación en vigilancia de la salud estructural mediante el control de la respuesta de edificios bajo la vibración o grandes movimientos de27,28. Además, los sensores de la película PVDF se utilizan para medir directamente la interacción entre dos gotas no viscoso en proceso de fusión, en la que la mecánica de fluidos no han sido totalmente entendido. Además, el sensor de la película PVDF también juega un papel importante en la percepción táctil en el robots29. El sensor está integrado en el alcance de la mano del robot para medir la fuerza de contacto, así como la temperatura de contacto de un objeto. En el campo de la investigación biológica, sensores de fuerza basado en PVDF ayudan a mejorar la tasa de éxito de la manipulación de la célula, como la terapia de inyección y gen ADN, a través del control de regeneración mecánica precisa con alta sensibilidad.
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Disclosures
El autor no tiene nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores agradecen la nacional clave de tecnología investigación y desarrollo programa del Ministerio de ciencia y tecnología de China (Nº 2011BAK15B06) por su apoyo. Gracias Shuya Zhuang quien es un estudiante principal de nuestro laboratorio por ayudarnos a completar la sesión de 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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