Summary
Protokol her er dedikeret til at undersøge den gratis og hurtig manøvrering af vand strider på vandoverfladen. Protokollen indeholder observere mikrostruktur af ben og måle vedhæftning kraft når afgår fra vandoverfladen ved forskellige hastigheder.
Abstract
Denne undersøgelse havde til formål at gøre en forklaring på fænomenet i naturen at vand strider normalt springer eller glider på vandoverfladen, let, men hurtigt, med dens peak bevægelse hastighed nåede 150 cm/s. Først og fremmest, observeret vi mikrostruktur og hierarki af vand strider ben ved hjælp af scanning elektron mikroskop. På grundlag af de observerede morfologi af ben, blev der etableret en teoretisk model af udstationering fra vandoverfladen, hvilket forklarede vandet striders' evne til at glide på vandoverfladen uden besvær med hensyn til energibesparelse. For det andet blev en dynamisk kraft målesystem udtænkt med PVDF film sensor med fremragende følsomhed, som kunne afsløre hele interaktion proces. Efterfølgende et enkelt ben i kontakt med vand blev trukket opad ved forskellige hastigheder, og vedhæftning kraft blev målt på samme tid. Resultaterne af den afgående eksperiment foreslog en dyb forståelse af den hurtige hoppe af vand striders.
Introduction
I naturen besidder vandet striders bemærkelsesværdige evne til at hoppe eller glider nemt og hurtigt på vandoverfladen ved hjælp af slank og nonwetting ben1,2,3,4,5, men sjældent bevæger langsomt, hvilket er i modsætning til de jordbaserede insekter. Den hierarkiske struktur for vand strider stabiliserer den superhydrophobic stat, som gengiver dramatisk reduktion i området og vedhæftning kontaktkraft mellem vand og ben6,7,8, 9. men de hydrodynamiske fordelene ved hurtig tilbagetrækningen af vand striders fra vandoverfladen fortsat dårligt fortolket10,11,12.
Processen med at hoppe fra vandoverfladen er primært opdelt i tre faser13,14,15,16. I første omgang skubbe vand striders vandoverfladen nedad med de midterste og bageste ben konvertere den biologiske energi til overfladeenergi af vandet indtil synke til den maksimale dybde, som aktiverer insekt at initialisere den hoppe retning og bestemme fjernelse hastigheden. Efterfulgt af den stigende fase, er insekt skubbet opad af buede vandoverfladen kapillær kraft indtil nå den maksimale hastighed. I den endelige tilbagetrækning fase, vand strider fortsætter med at stige af inerti indtil bryde væk fra vandoverfladen, men hastigheden er stort set reduceret på grund af friktion kraften med vandet, har som vigtigste indflydelse på energiforbruget i de vand strider. Derfor foreslås denne protokol til at måle vedhæftning kraft på forskellige take-off hastighed i tilbagetrækningen scenen og forklare de forskellige kendetegn ved hurtig bevægelse.
Der har været mange undersøgelser til at udforske vedhæftning kraften af vand striders når fremdriver fra vandoverfladen. Lee & Kim bekræftet teoretisk og eksperimentelt at vedhæftning kraft og energi kræves løfte vand strider ben faldt drastisk, når ryglænets kontakt steg til 160 grader17. Pan Jen Wei designet en hydrostatisk eksperiment for at måle vedhæftning styrken af det TriboScope System, der fandtes for at være 1/5 af sin vægt 18. Kehchih Hwang analyseret kvasistatiske processen med benene afmontering fra vandet med en 2D model og fundet superhydrophobicity af ben spillede en væsentlig rolle i at reducere friktion-kraft og energi dissipation-19. Måling af adhæsion kraft i tidligere undersøgelser var dog kun på betingelse af en kvasistatiske proces, som ikke var i stand til at overvåge vedhæftning kraft ændringer under den hurtige hoppe.
I denne undersøgelse, vi har designet en dynamisk kraft måling system ved hjælp af polyvinylidene fluorid (PVDF) film sensor og andre adjuverende instrument. Sammenlignet med andre piezoelektriske materialer, er PVDF mere velegnet til måling af dynamisk microforce med højere følsomhed20,21,22. Ved at integrere PVDF film sensor i systemet, kunne real-time vedhæftning kraft registreres og behandles, når benet blev trækker op fra vand overfladen23,24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. observation af overfladestruktur på vand Strider ben
- Indsamle vand striders fra lokale ferskvand damme ved hjælp af fiskeri landing netto.
- Skåret af mindst 5 par midterste ben som eksperimentelle prøver ved hjælp af saks. Rør bunden af benene omhyggeligt, for at forhindre den overfladekontaminering og forstyrre af mikrostrukturen i benene.
- Lufttørre ben ud i luften.
- Observere ben ved hjælp af en scanning elektron mikroskop med mikro-niveau opløsning som vist i figur 1enoverflade mikrostruktur.
- Overhold microsetae i benene ved hjælp af en scanning elektriske mikroskop med nano-niveau opløsning som vist ifigur 1b.
2. klargør komponent af dynamiske kraft målesystem
- Købe en PVDF film sensor med en dimension af 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, der producerer mere end 10 mV per mikro-stamme.
Bemærk: PVDF film sensor bruges til at fornemme den dynamiske kontaktkraft med høj følsomhed. - Køb en opladning forstærker med maksimal 1000 mV/pC gratis gevinst og lav støj mindre end 5 μV.
Bemærk: Charge forstærker bruges til at udvide signalet fra PVDF film sensor, hvori afgift output fra transduceren omdannes til til en spænding. - Købe en data erhvervelse enhed, hvor den analoge input har prøve priser i et interval fra 1 s/s til 102.4 kS/s.
NOTE: Data erhvervelse enhed bruges til at læse spænding data af afgift forstærker og sende dem til computeren nemlig nøjere oparbejdelse og display. - Køb flere high-præcise forskydning faser og en servomotor.
Bemærk: Benene afgår fra vand ved forskellige hastighed, drevet af servomotor. - Køb en CCD kamera, hvis fokus længde er i et område fra 5 mm til 30 mm og framerate er 30 fps.
Bemærk: Dette kamera bruges til at registrere og overvåge deformationen af vandoverfladen og afstanden mellem ben og vandoverfladen. - Forberede en højtydende computer.
3. samling af alle dele af den dynamiske kraft målesystem
- Samle det dynamiske kraft målesystem efter den skematiske illustration vist i figur 2en den virkelige eksperiment instrument og vist i figur 2b.
- Lave én side af PVDF film sensor med elektroder til høj-præcise forskydning fase, som er placeret på de vandrette ramme, som modparten hængende. Denne installationsmetode PVDF film sensor hjælper med at forbedre opløsning til måling af den dynamiske mikro kraft.
- Tilslut PVDF film sensor til opladning forstærker, charge forstærker til data erhvervelse enhed og data erhvervelse enhed til computeren.
- Fix kamera til høj-præcise forskydning fase, som er placeret på venstre side af PVDF film sensor.
- Groft justere afstanden mellem ben og vand hurtigt, lave en høj-præcise forskydning scenen på rammen over PVDF film sensor, er hvis adskillelse fra PVDF film sensor ca 10 cm.
- For at løfte benet fra vandoverfladen med en præcis hastighed, lave servomotor under high-præcise forskydning scenen.
4. kalibrering af dynamiske kraft målesystem
- Brug den elektrostatiske kraft system26 til at generere en mikro-konstant kraft handlet på den frie ende af PVDF film sensor, hvis størrelse skal være mindre end 0,5 µN. styre den elektrostatiske kraft af systemet ved en spænding til de indre og ydre elektroder af paralleled cylindrisk kondensator.
Forsigtig: Force bør handle i retningen normale PVDF film overflade og punktet af ansøgningen formodes for at være så tæt som muligt på spidsen af PVDF film sensor at øge følsomheden. - Frigøre kraften i en kort tid til at generere en skridt input.
- Læse spænding-tid signalet fra trin 4.2 i den computer bruger software LabVIEW, som hjælper med at læse spænding udgangssignaler PVDF film sensor.
- Download LabVIEW-software og hardwaredriver NI-DAQmx i de officielle hjemmeside nationale instrumenter.
- Åbn demo af kontinuerlig analog spænding måling ved hjælp af LabVIEW, som vist figur 3.
- Vælg den fysiske kanal data erhvervelse enhed forbundet med afgift forstærker i modulet af Kanalindstillinger.
- Angiv samplingfrekvens til 100000 og antallet af prøver til 100000 i modulet indstillinger, Timing.
- Vælg Log og Læs som logningstilstanden og skrive stien til filen lagre data til spænding i modulet Indstillinger for logføring.
- Vælg ingen udløser i modulet Indstillinger for hændelsesudløsere.
- Klik på knappen pil-form i værktøjslinjen for at prøve spænding signalet.
- Analysere den spænding kurve, hvor peak spænding svarer til at tvinge handlet på sensoren.
- Gentag trin 4.1-4.4 på forskellige kraft input, hvori en række spænding-force punkter er opnået.
- Bestemme forholdet om peak output spænding og standard kraft i kalibrering resultat.
5. måling af adhæsion kraft på en bestemt hastighed
- Placer en vanddråbe (5 µL) på den frie ende af PVDF film sensor ved hjælp af en mekanisk mikropipette.
Bemærk: Placeringen af slipværktøjet skal være tæt på spidsen af PVDF film sensor. - Holde et enkelt ben til servomotor under high-præcise forskydning scenen.
- Flytte high-præcise forskydning scenen nedad indtil ben kontakter med vandoverfladen, som vist i figur 4en. Overvåge afstanden mellem ben og vand overfladen af kamerasystem monteret på venstre side af sensoren.
- Løft benet fra vandoverfladen med en konstant hastighed gennem servomotor.
- Beregne den kraft, der svarer til hvert punkt i spænding kurve af den afgående proces ved hjælp af den standardformular, som udarbejdes i trin 4.6, og derefter tegne kraft-tid kurven for afgående proces, som vist i figur 4b.
- Optage peak vedhæftning af den afgående proces på en bestemt hastighed.
6. maaling af adhæsion kraft ved forskellige hastigheder.
- Ændre hejse hastigheden på benene af servomotor og måle vedhæftning kraft efter trin 5.
- Plot vedhæftning kraft versus løfte hastighed kurve ved hjælp af data opnået i trin 6.1.
- Analysere forholdet mellem vedhæftning kraft og hejse hastighed gennem kurven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forholdet mellem løfte hastighed og vedhæftning kraft er vist i tabel 1. Når hejse hastigheden øges fra 0,01 m/s til 0,3 m/s, tvinge vedhæftning mellem vand overfladen og ben falder dramatisk fra 0,10 til 0,03. Resultaterne af den afgående eksperiment viste, at peak vedhæftning kraft ville falde dramatisk, som de hejse hastighed forhøje, hvoraf det fremgik, at vand striders kan føle sig godt tilpas, hvis de bevæger sig hurtigt på vandoverfladen.
I dette papir, er der etableret en model af benene afgår fra vandoverfladen baseret på mikrostruktur af benene og formen af børster, som kunne belyse mekanismen for nem hoppe fra vandoverfladen med lavenergi reduktion. Seta ben var en tilspidset post med den forreste del tynde og ekstremt tykke, bageste som vist i figur 1, som resulterede i stivhed i den forreste del meget lavere end bageste. Således, den forreste del af seta tendens til at bøje nemt, mens bageste gjorde ikke på grund af den fremragende stivhed. Når benet blev trukket væk fra vand, børster på benet ville være bøjet som følge af adhæsion kraft og endelig være lodret til vandoverfladen som vist i figur 5. Vand falder langs børster naturligt med lavenergi varmespredning, hvilket kunne overses. Bøjning af seta ville reducere køreledningen betydeligt til en cirkel med diameter på 0,2 m og energi reduktion kan udtrykkes som:
hvor y var overfladespænding koefficient, 72 mJ/m2 og D er diameteren af den seta tip, henholdsvis. Derfor kan vand striders springe i vandet nemt.
Forholdet mellem vedhæftning kraft og løfte hastighed blev tolket grundigt gennem tidligere afgående model. Ifølge bevarelse af energi var den samlede energi løftede vand på grund af friktion kraften cirka lig med energi reduktionen af ben Ediss. I denne model var Ediss konstant på forskellige hejse hastighed. Således, energien af vandet trukket op, herunder den potentielle energi Ep og den kinetiske energi Ek, var uforanderlige. Den høje løfte hastighed vil føre til mindre potentiel energi Ep og store kinetiske energi Ek. Derfor, som den hejse hastighed steget, vedhæftning kraft, proportional med potentiel energi Ep, ville falde drastisk.
Figur 1: den nonwetting vand striderbenene. a børster på superhydrophobic ben. (b) nanoskala rillerne på børster. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: det dynamiske kraft målesystem. en a skematisk illustration af dynamiske kraft målesystem er sammensat af en PVDF film sensor, en CCD-kamera, en afgift forstærker, en data erhvervelse enhed og en computer. (b) virkelige eksperimentere instrument af dynamiske kraft målesystem. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Demo af kontinuerlig analog spænding måling frontpanel. Demo af LabVIEW bruges til stikprøve spænding signaler af PVDF film sensor. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Den afgående eksperiment af benene på en bestemt hastighed. en a løsrivelse af ben fra vandoverfladen. (b) de real-time vedhæftning kraft målt ved PVDF film sensor. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: teoretisk model af vand strider ben afgår fra vandoverfladen. Denne model viser, at seta er bøjning peeling fra vandoverfladen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Tabel 1: peak vedhæftning kraft målt ved forskellige hastigheder, hejse. Vedhæftning kraften falder drastisk fra 0,10 μN til 0,03 μN med en stigning på løft hastighed fra 0,01 m/s til 0,3 m/s.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokol, var en dynamisk kraft målesystem baseret på PVDF film sensor med held udtænkt, samlet, kalibreret til at måle vedhæftning kraften fra vandoverfladen. Blandt de hele trin, var det afgørende at vedhæftning kraft blev målt ved forskellige hastigheder ved at løfte benet fra vandoverfladen som denne undersøgelse fokuserer på det bemærkelsesværdige kendetegn ved hurtig manøvrering på vandet. Resultaterne af afgår eksperiment viste, at vedhæftning kraft faldt når hejse hastigheden øges. Disse klarlagt at vand striders ville føle sig afslappet, hvis de flyttes på en høj hastighed på vandet.
PVDF-baseret dynamisk kraft målemetode er et vigtigt supplement til den traditionelle metode. I tidligere undersøgelser, var vedhæftning kraft af vand striders i udstationering processen normalt måles ved atomic force mikroskop (AFM) i en kvasi statisk tilstand. I forhold til metoden AFM trods at målenøjagtigheden er lidt ringere, PVDF film sensor er i stand til at måle kraften af større makroskopiske objekter. Derudover kan PVDF film sensor på grund af dets store frekvens respons egenskaber måle det dynamiske samspil mellem ben og vandoverfladen mens AFM kunne kun bruges i betingelsen kvasistatiske omvendt.
Den foreslåede metode til måling af dynamiske kraft var begrænset at eneste mikro-kraft kunne måles. Hvis vi anvendte en stor styrke at den dinglende sensor, ville det medføre en stor deformation af PVDF film sensor, som vil føre til upræcise resultat. Desuden, det følsomme område af PVDF film sensor var små, som begrænset størrelsen af målte objekt. Men i modsætning til den konventionelle metode, den foreslåede metode var i stand til at måle den dynamiske styrke snarere end blot måle den statiske kraft, der kunne udstille hele interaktion proces.
Denne metode baseret på PVDF film sensor har bredt programmer i mange områder på grund af sin høje følsomhed i dynamiske kraft sensing og bemærkelsesværdig fleksibilitet. For eksempel, det har været trukket meget opmærksom på programmet i strukturelle sundhedsovervågning af overvågning svar af bygninger under vibrationer eller store beslutningsforslag27,28. Derudover bruges PVDF film sensorer til direkte måling af samspillet mellem to inviscid dråber i sammensmeltning proces, hvor fluid mekanik ikke har fuldt forstået. Desuden, PVDF film sensor også spiller en vigtig rolle i taktile sensing i robotter29. Sensoren er indlejret i robottens fingerspidser til måling af kontaktkraften samt kontakt temperaturen af et objekt. Inden for biologisk forskning bidrage PVDF-baserede Kraftmålerne til at forbedre succesraten for enkelt celle manipulation, såsom DNA injektion og -gen terapi gennem den præcise mekaniske feedback kontrol med høj følsomhed.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatteren har intet at videregive.
Acknowledgments
Forfatterne takke nationale nøglen Technology Research og Development Program af Ministeriet for videnskab og teknologi i Kina (No. 2011BAK15B06) for deres støtte. Takke Shuya Zhuang der er en mester studerende fra vores laboratorium for at hjælpe os komplet video-optagelser.
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 |
References
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103 (2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698 (2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607 (2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009 (2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001 (2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920 (2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002 (2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
