Summary
Protokollet här är dedikerade till att undersöka den gratis och snabb manövrering av vatten strider på vattenytan. Protokollet omfattar observation mikrostrukturen i benen och mäta den vidhäftning kraften när du reser från vattenytan i olika hastigheter.
Abstract
Denna studie syftade till att göra en förklaring till fenomenet i naturen att vatten strider vanligtvis hoppar eller glider på vattenytan enkelt men snabbt, med dess topp locomotion hastighet når 150 cm/s. Först av allt, observerade vi mikrostruktur och hierarki av vatten strider ben använder Scanningelektronmikroskop. På grundval av observerade morfologi av benen inrättades en teoretisk modell av avskildheten från vattenytan, vilket förklaras vatten löpare förmåga att glida på vattenytan utan ansträngning när det gäller minskad energiförbrukning. För det andra utformades en dynamisk kraft mätsystemet med PVDF film sensor med utmärkt känslighet, som kunde upptäcka hela interaktion processen. Därefter ett ben vid kontakt med vatten drogs uppåt i olika hastigheter och vidhäftning kraft mättes på samma gång. Resultatet av det avgående experimentet föreslog en djup förståelse för den snabba hoppar av vatten löpare.
Introduction
Natur har vatten löpare enastående förmåga att hoppa eller glid enkelt och snabbt på vattenytan med hjälp av slanka och nonwetting ben1,2,3,4,5, men sällan flytta långsamt, vilket är till skillnad från de markbundna insekterna. Den hierarkiska strukturen för vatten strider stabiliserar den superhydrofobt staten, som återger dramatisk minskning i området och vidhäftning kontaktkraften mellan vatten och den ben6,7,8, 9. de hydrodynamiska fördelarna med snabb tillbakadragandet av vatten löpare från vattenytan förblir dock dåligt tolkade10,11,12.
Processen att hoppa från vattenytan är huvudsakligen indelad i tre stadier13,14,15,16. Först trycka vatten löpare vattenytan nedåt med mellersta och bakre benen att omvandla den biologiska energin till ytan energi av vattnet tills sjunka till det maximala djupet, som möjliggör insekten att initiera hoppande riktningen och avgöra detaching hastighet. Följt av stigande scenen, skjuts insekten uppåt av kapillär styrkan av böjda vattenytan tills de når den högsta hastigheten. I den slutliga tillbakadragande etappen, den vatten strider fortsätter att stiga upp vid tröghet tills bryta bort från vattenytan, men hastigheten minskas till stor del på grund av vidhäftning kraft med vattnet, har som huvudsakliga påverkan på energiförbrukningen för de vatten strider. Därför föreslås detta protokoll att mäta vidhäftning kraft på olika start hastigheter i tillbakadragandet scenen och förklara det distinkta kännetecknet av snabbrörliga.
Det har gjorts många studier att utforska vatten löpare vidhäftning kraft när driver från vattenytan. Lee & Kim bekräftade teoretiskt och experimentellt att den vidhäftning kraft och energi måste lyfta den vatten strider's ben minskat dramatiskt när kontaktvinkel ökade till 160 grader17. Pan Jen Wei utformat en hydrostatisk experiment att mäta vidhäftning kraft genom det TriboScope systemet, som befanns vara 1/5 av dess vikt 18. Kehchih Hwang analyseras kvasi-statiska processen av benen avtagning från vattnet med en 2D-modell och hittade superhydrophobicity av benen spelade en betydande roll i att minska vidhäftning kraft och energi skingrande19. Mätning av friktion kraft i tidigare studier var dock bara i skick för en kvasi-statiska process, som inte kunde övervaka vidhäftning kraft ändringarna under snabb hoppningen.
I denna studie utformade vi en dynamisk kraft mätsystem med polyvinylidene fluor (PVDF) filmen sensorn och andra adjuvans instrument. Jämfört med andra piezoelektriska material, är PVDF mer lämplig för att mäta den dynamiska microforce med högre känslighet20,21,22. Genom att integrera systemet PVDF film sensor, kunde realtid vidhäftning kraft upptäckas och behandlas när benet var att dra upp från vatten ytan23,24,25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. observation av ytstrukturen på vatten Strider ben
- Samla vatten löpare från lokala sötvatten dammar med fiske håv.
- Skär av minst 5 par mellersta ben som experimentella prover med sax. Tryck längst ned på benen försiktigt, för att förhindra ytkontaminationen och störa Mikrostruktur framsidan av benen.
- Självtorka benen ut i luften.
- Beakta mikrostrukturen i ytan av ben med ett svepelektronmikroskop med mikro-nivå upplösning som visas i figur 1en.
- Observera att microsetae i benen med skanning elektriska Mikroskop med nano-nivå upplösning som visas ifigur 1b.
2. Förbered komponenten av dynamisk kraft mätsystemet
- Köpa en PVDF film sensor med en dimension av 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, som producerar mer än 10 mV per mikro-stam.
Obs: PVDF film sensor används för att känna den dynamiska kontaktkraften med hög känslighet. - Köpa en laddning förstärkare med maximalt 1000 mV/pC kostnad vinst och lågt buller mindre än 5 μV.
Obs: Kostnad förstärkaren används för att förstora signalen från PVDF film sensor, där kostnad utdata från givaren är omvandlas till en spänning. - Köpa en data förvärv enhet, där den analoga ingången har samplingsfrekvenserna i ett intervall från 1 S/s till 102,4 kS/s.
Obs: Data förvärv enheten används för att läsa spänning data av laddning förstärkare och skicka dem till datorn för vidare bearbetning och Visa. - Köpa flera hög-exakt förskjutning etapper och en servomotor.
Obs: Benen avgår från vatten med olika hastighet som drivs av servomotor. - Köp en CCD-kamera, vars fokus längd är i intervallet från 5 mm till 30 mm och bildhastighet är 30 fps.
Obs: Denna kamera används för att registrera och övervaka deformeringen av vattenytan och avståndet mellan benen och vattenytan. - Förbereda en högpresterande dator.
3. montering av alla delar av dynamiska kraft mätsystemet
- Montera dynamisk kraft mätsystemet enligt den schematiska illustration visas i figur 2en och instrumentet riktigt experiment visas i figur 2b.
- Fixa en sida av PVDF film sensor med elektroderna till hög-exakt förskjutning scenen, som placeras på horisontell ram, som andra sidan hänger. Denna installationsmetod av PVDF film sensor förbättrar upplösningen av mätningen för den dynamiska kraften som micro.
- Anslut PVDF film sensor till kostnad förstärkaren, kostnad förstärkaren till data förvärv enheten och data förvärv enheten till datorn.
- Fixa kameran till hög-exakt förskjutning scenen, som placeras på vänster sida av PVDF filmen sensorn.
- Ungefär justera avståndet mellan benen och vatten snabbt, fixa ett hög-exakt förskjutning skede i ramen ovan PVDF film sensor, är vars avskiljande från PVDF film sensor ca 10 cm.
- För att lyfta benet bort från vattenytan med en exakt hastighet, fixa servomotor under hög-exakt förskjutning scenen.
4. kalibrering av mätsystemet dynamisk kraft
- Använd den elektrostatiska kraft system26 att generera en mikro-konstant kraft agerat på den fria änden av PVDF film sensor, vars storlek bör vara mindre än 0,5 µN. kontroll den elektrostatiska kraften i systemet av en spänning på inre och yttre elektroderna av paralleled cylindriska kondensatorn.
Försiktighet: Kraft bör agera i en riktning som är normalt att PVDF film ytan och punkten i programmet är tänkt för att vara så nära som möjligt till spetsen av PVDF film sensor att öka känslighet. - Släpp kraften på kort tid att generera en invärdet.
- Läs spänning-tidssignalen steg 4,2 i datorn med hjälp av programvaran LabVIEW, vilket bidrar till läsa spänning utsignaler av PVDF film sensor.
- Ladda ner programvaran LabVIEW och drivrutinen hårdvara NI-DAQmx i de officiella webbplats av nationella instrument.
- Öppna demo av kontinuerlig analog spänningsmätning med LabVIEW, som visas figur 3.
- Välj den fysiska kanalen data förvärv enheten ansluten med kostnad förstärkaren i modulen av Kanalinställningar.
- Ställa in samplingsfrekvens till 100000 och antalet prover till 100000 i modulen av Timing inställningar.
- Välj Logga in och läsa som loggningsläget och skriva sökvägen till filen att lagra information om spänning i modulen på Loggningsinställningar.
- Välj ingen utlösare i modulen av Inställningar för utlösare.
- Klicka på knappen pil-form i verktygsfältet för att prova spänningssignal.
- Analysera spänning kurvan, där den maximala spänningen är motsvarande för att tvinga agerat på sensorn.
- Upprepa steg 4.1-4.4 på olika kraft ingång, där en serie av spänning-force points är fått.
- Bestämma förhållandet om maximal utspänning och standard kraft i kalibrering resultatet.
5. mätning av vidhäftning kraft med en viss hastighet
- Placera en vattendroppe (5 µL) på den fria änden av PVDF film sensor använder en mekanisk mikropipett.
Obs: Platsen för droplet-programmet bör vara nära spetsen av PVDF film sensor. - Sticka ett ben till servomotor under hög-exakt förskjutning scenen.
- Flytta hög-exakt förskjutning scenen nedåt tills benet kontakterna med vattenytan, som visas i figur 4en. Övervaka avståndet mellan ben och vatten ytan av kamerasystemet monterad på vänster sida av sensorn.
- Lyft benet bort från vattenytan vid en konstant hastighet genom servomotor.
- Beräkna den kraft som motsvarar varje punkt i spänning kurva av avgående processen med den förebild som upprättats i steg 4,6 och sedan rita den kraft-tid-kurvan över avgående process, som visas i figur 4b.
- Spela in peak adhesionen av avgående processen vid en viss hastighet.
6. mätning av vidhäftning kraft i olika hastigheter.
- Förändra lyftande hastigheten av benen genom servomotor och mäta den vidhäftning kraften enligt steg 5.
- Rita den vidhäftning kraften kontra lyft hastighet kurva med hjälp av data som vunnits i steg 6.1.
- Analysera förhållandet mellan vidhäftning kraft och lyftande hastigheten genom kurvan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förhållandet mellan hastighet och vidhäftning lyftkraft visas i tabell 1. När lyftande hastigheten ökar från 0,01 m/s till 0,3 m/s, tvinga vidhäftningen mellan de vatten ytan och ben minskar dramatiskt från 0,10 till 0,03. Resultaten av den avgående experimentet visade att den maximala vidhäftning kraften minskar dramatiskt som lyftande hastighetsökningen, som angivit att de vatten löpare kan känna sig bekväm om de flyttar snabbt på vattenytan.
I detta papper, är en modell av benen avgår från vattenytan baserat på mikrostrukturen i benen och formen på setae etablerad, som kunde klargöra mekanismen av lätt hoppning från vattenytan med låg energi minskning. Seta ben var ett avsmalnande inlägg med den främre delen som är tunn och extremt tjocka, bak som visas i figur 1, vilket resulterade i styvheten i den främre delen som är mycket lägre än baksidan. Således, den främre delen på seta tenderade att böja lätt, medan baksidan gjorde inte på grund av utmärkt styvhet. När benet drogs borta från vatten, setae på benet skulle böjas till följd av vidhäftning kraft och slutligen vara vertikalt till vattenytan som visas i figur 5. Vatten skulle falla längs setae naturligt med låg energi försvinnande, som kan försummas. Böjning av seta skulle minska kontaktledningen betydligt till en cirkel med diameter på 0,2 m och energi minskning kunde uttryckas som:
där y var ytspänning koefficient, 72 mJ/m2 och D var diametern på de seta spets, respektive. Därför kan de vatten löpare hoppa i vattnet enkelt.
Relationen mellan vidhäftning kraft och lyfthastighet tolkades grundligt genom tidigare avgående modell. Enligt den bevarande av energin var den totala energin lyfte vatten på grund av vidhäftning kraft ungefär lika med energi minskning av benet Ediss. I den här modellen var Ediss konstant vid olika lyft hastighet. Således var energin i vattnet drog upp, inklusive den potentiella energin Ep och den kinetiska energin Ek, oföränderliga. Höga lyft hastighet kommer att leda till små potentiell energi Ep och stor rörelseenergi Ek. Därför, som lyftande farten ökade, vidhäftning kraft, proportionell till potentiell energi Ep, skulle minska drastiskt.
Figur 1: den nonwetting vatten-striderben. (a) setae på superhydrofobt ben. (b) nanoskala spåren på setae. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: dynamisk kraft mätsystemet. (a) Schematisk illustration av dynamisk kraft mätsystemet består av en PVDF film sensor, en CCD-kamera, en laddning förstärkare, en data förvärv enhet och en dator. (b) verkligt experimentera instrument för dynamisk kraft mätsystemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Demo av kontinuerlig analog spänning mätningen frontpanel. Demo av LabVIEW används till exempel spänningssignaler av PVDF film sensor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Avgående experiment i benen vid en viss hastighet. (a) avlossning av benen från vattenytan. (b) realtid vidhäftning kraft mätt med PVDF film sensor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: teoretisk modell av den vatten strider's ben avgår från vattenytan. Denna modell visar att seta är bockning peeling från vattenytan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tabell 1: peak vidhäftning kraft mätt på olika lyft hastigheter. Den vidhäftning kraften minskar dramatiskt från 0,10 μN till 0,03 μN med en ökning av lyfthastighet från 0,01 m/s till 0,3 m/s.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta protokoll, var en dynamisk kraft mätsystem baserat på PVDF film sensor framgångsrikt utarbetat, monterad, kalibrerade för att mäta den vidhäftning kraften från vattenytan. Bland de hela stegen, var det avgörande att vidhäftning kraft mättes i olika hastigheter genom att lyfta benet från vattenytan som denna studie fokuserade på anmärkningsvärda kännetecken av snabb manövrering på vattnet. Resultaten av avgår experiment visade att vidhäftning kraft minskade när lyftande farten ökade. Dessa klargöras att de vatten löpare skulle känna avslappnad om de flyttade med hög hastighet på vattnet.
PVDF-baserade dynamisk kraft mätmetoden är ett viktigt komplement till den traditionella metoden. I tidigare studier mättes vidhäftning kraft de vatten löpare i processen lossnar oftast genom mikroskopet atomic force (AFM) i en kvasi-statiska läget. Jämfört med metoden AFM, trots att mätnoggrannheten är något sämre, PVDF film sensor är kunna mäta styrkan av större makroskopiska objekt. Dessutom, på grund av dess stora frekvens respons egenskaper, kan PVDF film sensor mäta det dynamiska samspelet mellan benen och vattenytan medan AFM kan endast användas i villkoret kvasi-statiska omvänt.
Den föreslagna metoden för mätning av dynamiska kraft begränsades den enda mikro-kraften kunde mätas. Om vi tillämpat en stor kraft till dinglande sensorn, skulle det orsaka en betydande deformering av PVDF film sensor, vilket skulle leda till otydliga resultat. Dessutom var det känsliga området PVDF film sensor små, som begränsade storleken på uppmätta objekt. Men i motsats till den konventionella metoden kunde den föreslagna metoden mäta den dynamiska kraften i stället för att bara mäta den statiska kraften, som kunde ställa ut hela interaktion processen.
Denna metod baserad på PVDF filmen sensorn har breda tillämpningar inom många områden på grund av dess höga känslighet i dynamisk kraft avkänning och anmärkningsvärd flexibilitet. Exempelvis det har riktats mycket uppmärksamhet till programmet i strukturella hälsoövervakning av övervakning av byggnader under vibrationer eller stora förslag27,28. Dessutom används PVDF film sensorerna att direkt mäta interaktionen mellan två friktionsfri droppar i återförening process, där strömningslära inte har helt förstått. Dessutom spelar PVDF film sensor också en viktig roll i taktil avkänning i robotar29. Sensorn är inbäddad i robotens fingertoppar att mäta kontaktkraften samt kontakt temperaturen hos ett objekt. I fältet för biologisk forskning hjälper PVDF-baserade kraft sensorer förbättra andelen framgångsrika enda cell manipulation, såsom DNA injektion och gen terapi, genom kontrollen exakt mekanisk återkoppling med hög känslighet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författaren har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna tackar nyckel teknik forsknings- och utvecklingsprogram av ministeriet för vetenskap och teknik i Kina (nr 2011BAK15B06) för deras stöd. Tack Shuya Zhuang som är en master student från vårt laboratorium för att hjälpa oss att slutföra video shoot.
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).
