Summary
Le protocole ici vise à enquêter sur la liberté et de manœuvre rapide de patineurs sur la surface de l’eau. Le protocole inclut observant la microstructure des jambes et mesure de la force d’adhérence lors de leur départ de la surface de l’eau à des vitesses différentes.
Abstract
Cette étude vise à en faire une explication de ce phénomène dans la nature que l’eau strider généralement saute ou glisse sur la surface de l’eau facilement, mais rapidement, avec sa locomotion pointe vitesse atteignant 150 cm/s. Tout d’abord, nous avons observé la microstructure et la hiérarchie des Gerris jambes à l’aide de la microscopie électronique à balayage. Sur la base de la morphologie observée des jambes, un modèle théorique du détachement de la surface de l’eau a été créé, ce qui explique la capacité des patineurs de glisser sur la surface de l’eau sans effort en termes de réduction de l’énergie. Deuxièmement, un système de mesure de force dynamique a été conçu à l’aide du capteur de film PVDF avec une sensibilité excellente, ce qui a permis de détecter le processus de l’intégralité de l’interaction. Par la suite, une seule jambe en contact avec l’eau a été tirée vers le haut à des vitesses différentes, et la force d’adhérence a été mesurée en même temps. Les résultats de l’expérience au départ suggèrent une compréhension profonde de la sauter rapide des patineurs.
Introduction
Dans la nature, patineurs possèdent une capacité remarquable pour sauter ou de glisser facilement et rapidement sur la surface de l’eau à l’aide des jambes élancées et qu'1,2,3,4,5, mais rarement se déplacer lentement, c'est-à-dire à la différence des insectes terrestres. La structure hiérarchique des Gerris stabilise l’État SUPERHYDROPHOBE, qui rend la réduction dramatique en force adhésion et zone de contact entre l’eau et la jambe6,7,8, 9. Toutefois, les avantages hydrodynamiques du désengagement rapide des patineurs de la surface de l’eau restent mal interprété10,11,12.
Le processus de saut de la surface de l’eau est principalement divisé en trois étapes13,14,15,16. Dans un premier temps, les patineurs pousser la surface de l’eau vers le bas avec les pieds milieu et arrière pour convertir l’énergie de surface de l’eau jusqu’au naufrage jusqu'à la profondeur maximale, l’énergie biologique qui permettent à l’insecte d’initialiser la direction de saut d’obstacles et de déterminer la vitesse de radiofréquence. Suivie de la phase ascendante, l’insecte est poussé vers le haut par la force capillaire de la surface courbée de l’eau jusqu'à atteindre la vitesse maximale. Dans la scène finale de désengagement, le Gerris continue à monter vers le haut par inertie jusqu'à rupture de la surface de l’eau, mais la vitesse est réduite en grande partie due à la force d’adhérence avec l’eau, qui a une influence principale sur la consommation d’énergie de la Gerris. Par conséquent, ce protocole est proposé pour mesurer la force d’adhérence à différentes vitesses de décollage dans la phase de désengagement et expliquer la caractéristique de se déplaçant rapidement.
Il y a eu de nombreuses études pour explorer la force d’adhérence des patineurs en propulsant de la surface de l’eau. Lee & Kim théoriquement et expérimentalement a confirmé que la force d’adhérence et de l’énergie nécessaire de soulever les jambes de l’eau strider considérablement diminué lorsque l’angle de contact est passé à 160 degrés17. Pan Jen Wei a conçu une expérience hydrostatique pour mesurer la force d’adhérence par le système TriboScope, qui s’est avéré pour être le 1/5 de son poids 18. Kehchih Hwang a analysé le processus quasi statique des jambes détacher à l’eau avec un modèle 2D et trouvé que le superhydrophobicity des jambes a joué un rôle important dans la réduction de l’adhérence force et énergie dissipation19. Toutefois, la mesure de la force d’adhérence dans des études antérieures était juste en état d’un processus quasi statique, qui n’a pas pu suivre les changements de force d’adhérence pendant le saut rapide.
Dans cette étude, nous avons conçu un système de mesure de force dynamique à l’aide de capteur Polyfluorure de vinylidène (PVDF) et tout autre instrument d’adjuvant. Par rapport aux autres matériaux piézoélectriques, PVDF est plus approprié pour mesurer la dynamique microforce avec plus élevés sensibilité20,21,22. En intégrant le capteur du film PVDF dans le système, la force d’adhérence en temps réel peut être détectée et traitée lorsque la jambe est tirant vers le haut de l’eau de surface23,24,25.
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Protocol
1. l’observation de la Structure superficielle sur la jambe de Gerris
- Recueillir Gerris auprès des étangs d’eau douce les à l’aide de pêche épuisette.
- Couper au moins 5 paires de pendrillons moyens comme échantillons expérimentaux à l’aide de ciseaux. Toucher le bas des jambes avec soin, afin d’éviter la contamination de la surface et les perturbateurs de la microstructure sur le devant de jambes.
- Sécher les jambes en l’air.
- Observer la surface microstructure des jambes à l’aide d’un microscope électronique à balayage avec résolution au niveau microéconomique comme illustré dans la Figure 1un.
- Respecter la microsetae des jambes à l’aide d’un microscope à balayage électrique avec nano-niveau résolution tel qu’illustré à laFigure 1b.
2. préparer le composant du système de mesure Force dynamique
- Acheter un capteur de film PVDF avec une dimension de 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, qui produit plus de 10 mV par micro-souche.
NOTE : Le capteur de film PVDF est utilisé au sens de l’effort de contact dynamique avec la sensibilité élevée. - Acheter un amplificateur de charge avec un gain maximum 1000 mV/pC gratuitement et à moins de 5 μV faible sonorité.
Remarque : L’amplificateur de charge sert à agrandir le signal du capteur de film PVDF, dans qui la sortie du transducteur de charge est convertie en une tension. - Acheter un matériel d’acquisition de données, dans laquelle l’entrée analogique a les fréquences d’échantillonnage allant de 1 s/s 102,4 kéch. / s.
Remarque : Le matériel d’acquisition de données est utilisé pour lire les données de tension de l’amplificateur de charge et de les envoyer à l’ordinateur pour un traitement ultérieur et d’afficher. - Acheter plusieurs étapes précises de déplacement et un servomoteur.
Remarque : Les jambes s’écartent de l’eau à des vitesses différentes, pilotée par le servomoteur. - Achat une caméra CCD, dont la longueur se concentrer est dans une marge de 5 mm à 30 mm et la cadence est de 30 i/s.
Remarque : Cet appareil est utilisé pour enregistrer et surveiller la déformation de la surface de l’eau et la distance entre les jambes et la surface de l’eau. - Préparer un ordinateur de haute performance.
3. montage de toutes les parties du système de mesure de Force dynamique
- Assembler le système de mesure de force dynamique selon l’illustration schématique, illustré à la Figure 2un instrument et de l’expérience réelle illustré à la Figure 2b.
- Fixer un côté de la sonde de film PVDF avec les électrodes à la phase de déplacement de haute précision, qui est placé sur le cadre horizontal, comme de l’autre côté est suspendu. Cette méthode d’installation du capteur film PVDF permet d’améliorer la résolution de la mesure de la force de micro dynamique.
- Raccorder le capteur de film PVDF pour l’amplificateur de charge, l’amplificateur de charge pour le matériel d’acquisition de données et le matériel d’acquisition de données à l’ordinateur.
- Fixer la caméra à l’étape de déplacement de haute précision, qui est placée sur le côté gauche du capteur film PVDF.
- Pour à peu près régler la distance entre les jambes et l’eau rapidement, difficulté d’une étape de haute-précision de déplacement sur le cadre au-dessus du capteur de film PVDF, dont séparation du capteur de film PVDF est environ 10 cm.
- Pour soulever la jambe de la surface de l’eau à une vitesse précise, fixer le servomoteur au-dessous de la platine de haute précision de déplacement.
4. étalonnage du système de mesure Force dynamique
- La force électrostatique système26 permet de générer une force micro-constant a agi sur l’extrémité libre du capteur de film PVDF, dont l’ampleur devrait être inférieure à 0,5 µN. la force électrostatique du système de commande par une tension est appliquée aux électrodes intérieures et extérieures du condensateur cylindrique parallèle.
ATTENTION : La force doit agir dans une direction perpendiculaire à la surface de film PVDF et le point d’application est censé pour être aussi proche que possible de l’extrémité de la sonde de film PVDF pour augmenter la sensibilité. - Libérer la force en peu de temps pour générer un signal d’entrée progressif.
- Lire le signal de tension-temps de l’étape 4.2 dans l’ordinateur en utilisant le logiciel LabVIEW, qui aide à lire les signaux de tension de sortie du capteur film PVDF.
- Télécharger le logiciel LabVIEW et le driver matériel NI-DAQmx dans le site officiel de National Instruments.
- Ouvrez la démo de la mesure de tension analogique continu utilisant le LabVIEW, comme illustré Figure 3.
- Sélectionnez le canal physique du matériel d’acquisition de données connecté à l’amplificateur de charge dans le module des Paramètres de chaîne.
- Définissez la fréquence d’échantillonnage à 100000 et le nombre d’échantillons à 100000 dans le module des Paramètres de synchronisation.
- Sélectionnez Journal et lire comme le mode de journalisation et d’écrire le chemin du fichier pour stocker les données de tension dans le module d’Enregistrement des paramètres.
- Ne sélectionnez aucun déclencheur dans le module des Paramètres du déclencheur.
- Cliquez sur le bouton de la flèche-forme dans la barre d’outils pour échantillonner le signal de tension.
- Analyser la courbe de tension, où la tension de crête est correspondant pour forcer a agi sur le capteur.
- Répétez les étapes 4.1 à 4.4 en entrée de force différente, dans laquelle une série de points de tension-force sont gagnées.
- Déterminer la relation de la tension de sortie de crête et de la force standard dans le résultat de l’étalonnage.
5. mesure de la Force d’adhérence à une certaine vitesse
- Déposez une goutte d’eau (5 µL) sur l’extrémité libre de la sonde de film PVDF à l’aide d’une micropipette mécanique.
Remarque : L’emplacement de la goutte doit être près de la pointe de la sonde de film PVDF. - Coller une seule jambe au servomoteur au-dessous de la platine de haute précision de déplacement.
- Déplacer la scène de haute précision de déplacement vers le bas jusqu'à ce que les contacts de jambe avec la surface de l’eau, comme le montre la Figure 4a. Contrôler la distance entre la surface de l’eau et de la jambe par le système de caméra montée sur le côté gauche du capteur.
- Soulevez la jambe de la surface de l’eau à une vitesse constante à travers le servomoteur.
- Calculer la force correspondant à chaque point de la courbe de tension du processus au départ en utilisant le modèle établi à l’étape 4.6 et ensuite dessiner la courbe force-temps du départ du processus, comme illustré à la Figure 4b.
- Enregistrer l’adhérence de la pointe du processus au départ à une certaine vitesse.
6. mesure de la Force d’adhérence à des vitesses différentes.
- Modifier la vitesse de levage des jambes par servomoteur et mesurer la force d’adhérence selon l’étape 5.
- Tracer la force d’adhérence par rapport à la courbe de vitesse en utilisant les données acquises à l’étape 6.1 de levage.
- Analyser la relation entre la force d’adhérence et de la vitesse de levage dans la courbe.
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Representative Results
La relation entre la vitesse et l’adhérence de force de levage est indiquée dans le tableau 1. Lorsque la vitesse de levage augmente de 0,01 m/s à 0,3 m/s, l’adhérence forcer entre l’eau surface et jambe diminue considérablement de 0.10 à 0,03. Les résultats de l’expérience au départ ont montré que la force d’adhérence de pointe diminueraient considérablement comme l’augmentation de la vitesse levage, qui indiquait que les patineurs peuvent se sentir à l’aise si ils se déplacent rapidement sur la surface de l’eau.
Dans cet article, un modèle des jambes au départ de la surface de l’eau basée sur la microstructure des jambes et la forme des soies est établi, ce qui pourrait permettre d’élucider le mécanisme du saut facile de la surface de l’eau avec réduction de basse énergie. Le seta de jambes était un poste conique avec l’avant-train mince et l’arrière particulièrement épais, comme illustré à la Figure 1, qui a abouti à la rigidité de la partie avant beaucoup plus bas que l’arrière. Ainsi, la partie antérieure de la seta avaient tendance à se plier facilement, tandis que l’arrière n’a pas en raison de l’excellente rigidité. Quand la jambe a été tirée hors de l’eau, les soies sur la jambe seraient être pliés à la suite de la force d’adhérence et enfin être verticale sur la surface de l’eau tel qu’illustré à la Figure 5. L’eau se classeraient le long les soies naturellement avec la dissipation de l’énergie faible, qui pourrait être négligé. La flexion de la seta réduirait la ligne de contact considérablement à un cercle avec un diamètre de 0,2 m et la réduction de l’énergie peut être exprimée comme :
où y est le coefficient de tension superficielle, 72 mJ/m2 et D est le diamètre de la pointe de la seta, respectivement. Par conséquent, les Gerris peut sauter dans l’eau facilement.
La relation entre la force d’adhérence et vitesse de levage a été soigneusement interprétée par le biais de son prédécesseur au départ. D’après la conservation de l’énergie, l’énergie totale d’eau soulevée en raison de la force d’adhérence est approximativement égale à la réduction de l’énergie de la jambe Ediss. Dans ce modèle, Ediss a été constante à différente vitesse de levage. Ainsi, l’énergie de l’eau tiré vers le haut, y compris l’énergie potentielle Ep et l’énergie cinétique Ek, était immuable. La vitesse de levage élevée conduira à la petite énergie potentielle Ep et la grande énergie cinétique Ek. Par conséquent, augmente la vitesse de levage, la force d’adhérence, proportionnelle à l’énergie potentielle Ep, diminuerait considérablement.
Figure 1: le Gerris quejambes. les soies sur la jambe SUPERHYDROPHOBE. (b) les rainures de nanoscale sur les soies. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2: le système de mesure de force dynamique. (a) l’illustration schématique du système de mesure dynamique force est composée d’un capteur de film PVDF, une caméra CCD, un amplificateur de charge, un matériel d’acquisition de données et un ordinateur. (b) l’instrument d’expérience réelle du système de mesure de force dynamique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : La façade de la démo de la mesure de tension analogique continu. La démo de la LabVIEW est utilisé pour les signaux de tension échantillon du capteur film PVDF. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : L’expérience au départ des jambes à une certaine vitesse. le détachement des jambes de la surface de l’eau. force (b) l’adhérence en temps réel mesurée par le capteur de film PVDF. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5: modèle théorique de la jambe de l’eau strider au départ de la surface de l’eau. Ce modèle montre que le seta est flexion peeling loin de la surface de l’eau. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Tableau 1: la force d’adhérence maximale mesurée à différentes vitesses de levage. La force d’adhérence diminue considérablement de 0,10 μN à 0,03 μM avec une augmentation de vitesse de 0,01 m/s à 0,3 m/s de levage.
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Discussion
Dans le présent protocole, un système de mesure de force dynamique basé sur le capteur de film PVDF a été avec succès conçu, assemblé, étalonné pour mesurer la force d’adhérence de la surface de l’eau. Parmi les étapes ensemble, il était crucial que la force d’adhérence a été mesurée à des vitesses différentes en soulevant la jambe de la surface de l’eau comme cette étude axée sur la caractéristique remarquable de la manoeuvre rapide sur l’eau. Les résultats de départ l’expérience a montré que la force d’adhérence diminue quand la vitesse de levage a augmenté. Il a précisé que les patineurs se sentirait détendu, si ils se sont déplacés à grande vitesse sur l’eau.
La méthode de mesure de force dynamique axée sur le PVDF est un complément important à la méthode traditionnelle. Dans les études passé, la force d’adhérence des Gerris dans le processus de détachement a été habituellement mesurée par le microscope à force atomique (AFM) dans un mode quasi statique. Comparée à la méthode de l’AFM, malgré que la précision de mesure est légèrement inférieure, le capteur de film PVDF est capable de mesurer la force du plus gros objets macroscopiques. En outre, en raison de ses caractéristiques de réponse de grande fréquence, le capteur de film PVDF peut mesurer l’interaction dynamique entre les jambes et la surface de l’eau, tandis que l’AFM pouvait seulement être utilisée dans la condition quasi statique à l’inverse.
La méthode proposée pour mesurer la force dynamique se limitait cette seule micro-force pourrait être évaluée. Si nous appliquions une grande force du capteur qui pendent, il entraînerait une déformation importante de la sonde de film PVDF, qui conduirait à des résultats imprécis. En outre, la surface sensible du capteur film PVDF était faible, ce qui limitait la taille de l’objet mesuré. Cependant, contrairement à la méthode conventionnelle, la méthode proposée a pu mesurer la force dynamique plutôt que de simplement mesurer la force statique, ce qui pourrait exposer le processus de l’intégralité de l’interaction.
Cette méthode fondée sur le capteur film PVDF a larges applications dans de nombreux domaines grâce à sa haute sensibilité en télédétection et remarquable flexibilité de force dynamique. Par exemple, il a été attiré beaucoup d’attention à l’application dans la surveillance de la santé structurale en surveillant la réponse des bâtiments sous la vibration ou grands mouvements27,28. En outre, les capteurs de film PVDF sont utilisés pour mesurer directement l’interaction entre deux gouttelettes non visqueux dans les processus de coalescence, où la mécanique des fluides n’ont pas été pleinement comprises. En outre, le capteur de film PVDF joue également un rôle important dans la détection tactile dans les robots29. Le capteur est intégré dans des doigts du robot pour mesurer la force de contact ainsi que la température de contact d’un objet. Dans le domaine de la recherche biologique, capteurs de force PVDF-basé à améliorer le taux de réussite de la manipulation de cellule unique, telles que l’ADN injection et la thérapie génique, par le biais de l’asservissement mécanique précis avec la sensibilité élevée.
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Disclosures
L’auteur n’a rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs remercient le National Key Technology Research et le programme de développement du ministère des sciences et technologie de la Chine (n° 2011BAK15B06) pour leur soutien. Remercier Shuya Zhuang qui est un étudiant maître dans notre laboratoire pour nous aider à compléter le tournage vidéo.
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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