يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

قياس قوة دينامية تصرف المحطة المياه ستردير القفز إلى أعلى من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF

5.8K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

أغسطس 3, 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

في هذه المقالة

ملخص

البروتوكول هنا مكرس للتحقيق الحر والمناورة السريعة من ستردير الماء على سطح الماء. ويتضمن البروتوكول مراقبة المجهرية الأرجل وقياس قوة الالتصاق عند الخروج إلى سطح الماء بسرعات مختلفة.

الملخص

هذه الدراسة تهدف إلى جعل تفسيراً لهذه الظاهرة في الطبيعة أن ستردير المياه عادة ما يقفز أو الانزلاقات على سطح الماء بسهولة ولكن بسرعة، مع تحرك الذروة سرعة تصل إلى 150 سم/ثانية. أولاً وقبل كل شيء، أننا لاحظنا المجهرية والتسلسل الهرمي للساقين ستردير المياه باستخدام المسح الإلكتروني المجهري. على أساس الملاحظة مورفولوجية الساقين، أنشئ نموذج نظري للمفرزة من سطح الماء، مما يفسر قدرة المياه striders الانزلاق على سطح الماء دون عناء من حيث الحد من الطاقة. ثانيا، وضع نظام لقياس قوة دينامية استخدام الاستشعار الفيلم PVDF مع حساسية ممتازة، التي يمكن الكشف عن عملية التفاعل كله. وفي وقت لاحق، سحبت ساق واحدة عند اتصالها بالماء إلى أعلى سرعات مختلفة، وتم قياس قوة الالتصاق في نفس الوقت. وأشارت نتائج التجربة المغادرين على فهم عميق للقفز بسرعة من striders المياه.

المقدمة

في الطبيعة، striders المياه تمتلك قدرة رائعة القفز أو تنزلق بسهولة وسرعة على سطح الماء بالمساعدة من سيقان نحيلة ونونويتينج1،2،3،،من45 ولكن نادراً ما تتحرك ببطء، وهو على خلاف الحشرات البرية. الهيكل الهرمي للمياه ستردير تستقر الدولة سوبيرهيدروفوبيك، مما يجعل الانخفاض الهائل في قوة المنطقة والالتصاق الاتصال بين المياه والساق6،،من78، 9-ومع ذلك، تظل مزايا هيدرودينامية فك الارتباط السريع من striders المياه من سطح الماء سوء تفسير10،،من1112.

عملية قفز من سطح الماء أساسا تنقسم إلى ثلاث مراحل13،،،من1415،16. في البداية، دفع المياه ستريديرس سطح الماء إلى الأسفل مع الساقين الأوسط والخلفي لتحويل الطاقة البيولوجية إلى الطاقة السطحية من الماء حتى غرق للحد الأقصى للعمق، التي تمكن الحشرة تهيئة باتجاه القفز وتحديد سرعة ديتاتشينج. تليها مرحلة تصاعدي، الحشرة يدفع إلى أعلى بقوة على سطح الماء منحنى الشعرية حتى تصل إلى السرعة القصوى. في مرحلة فض الاشتباك الأخير، لا تزال ستردير المياه ترتفع بالقصور الذاتي حتى كسر بعيداً عن سطح الماء، ولكن يتم تقليل السرعة إلى حد كبير بسبب قوة التصاق مع الماء، والتي لها التأثير الرئيسي على استهلاك الطاقة ستردير المياه. ومن ثم، يقترح هذا البروتوكول لقياس قوة الالتصاق في سرعات مختلفة الانطلاق في مرحلة فض الاشتباك وشرح سمة مميزة للتحرك بسرعة.

وهناك العديد من الدراسات لاستكشاف قوة التصاق striders المياه عند دفع من سطح الماء. لي وكيم نظرياً وتجريبيا وأكدت أن قوة التصاق والطاقة يتطلب رفع الساقين ستردير المياه لانخفض بشكل كبير عندما زادت زاوية الاتصال إلى 160 درجة17. وي جين عموم تصميم تجربة الهيدروليكي لقياس قوة الالتصاق بالنظام تريبوسكوبي، الذي وجد أن 1/5 وزن 18. هوانغ كيهتشيه تحليل عملية شبه ثابتة في الساقين فصلها من الماء مع نموذج 2D والعثور على سوبيرهيدروفوبيسيتي في الساقين لعبت دوراً هاما في تقليل التصاق القوة والطاقة تبديد19. ومع ذلك، كان قياس قوة الالتصاق في الدراسات السابقة فقط في حالة عملية شبه ثابت، وقادر على رصد التغيرات قوة الالتصاق أثناء القفز بسرعة.

في هذه الدراسة، قمنا بتصميم نظام لقياس قوة دينامية استخدام الاستشعار الفيلم الفلوريد (PVDF) الفينيليدن وأخرى صك adjuvant. بالمقارنة مع غيرها من المواد كهرضغطية، PVDF أكثر ملاءمة لقياس ميكروفورسي الحيوية مع ارتفاع حساسية20،،من2122. بإدماج الاستشعار الفيلم PVDF في النظام، ويمكن الكشف عن قوة الالتصاق في الوقت الحقيقي ومعالجة عند الساق تم سحب ما يصل من المياه السطحية23،،من2425.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1-ملاحظة البنية السطحية في الساق ستردير المياه

  1. جمع ستريديرس المياه من أحواض المياه العذبة المحلية باستخدام net الهبوط الصيد.
  2. قطع مالا يقل عن 5 أزواج من الأرجل الوسطى كعينات تجريبية باستخدام مقص. لمس أسفل الساقين بعناية، لمنع التلوث السطحي، وتعطيل المجهرية الجزء الأمامي من الأرجل.
  3. الجاف في الساقين في الهواء الطبيعي.
  4. مراقبة المجهرية السطحية للساقين باستخدام المسح الإلكتروني المجهري مع قرار المستوى الجزئي كما هو مبين في الشكل 1.
  5. مراقبة ميكروسيتاي الساقين استخدام مجهر كهربائي مسح مع نانو-مستوى القرار كما هو مبين فيالشكل 1ب.

2-تعد جزءا من نظام قياس قوة ديناميكية

  1. شراء جهاز استشعار فيلم PVDF مع بعدا من أبعاد 14.9 × 10.2 ملم2 X 28 ميكرومترات، التي تنتج أكثر من 10 mV كل سلالة الصغرى.
    ملاحظة: يتم استخدام أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF الشعور قوة دينامية الاتصال مع حساسية عالية.
  2. شراء تهمة مكبر للصوت مع أقصى 1000 mV/pC تهمة الكسب ومنخفضة الضوضاء μV أقل من 5.
    ملاحظة: يتم استخدام مكبر للصوت تهمة لتكبير الإشارة من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF، والتي يتم تحويلها إلى الإخراج تهمة من محول إلى جهد.
  3. شراء جهاز الحصول على بيانات، التي لديها مدخلات التناظرية معدلات العينة في نطاق من 1 S/s إلى 102.4 kS/s.
    ملاحظة: يتم استخدام جهاز للحصول على البيانات قراءة البيانات الجهد من تهمة مكبر للصوت وإرسالها إلى الكمبيوتر لمزيد من المعالجة وعرضها.
  4. شراء عدة مراحل التشرد عالية الدقة وسيرفوموتور.
    ملاحظة: الساقين تحيد عن المياه بسرعة مختلفة يقودها سيرفوموتور.
  5. شراء كاميرا CCD، الذي طوله التركيز في مجموعة من 5 مم إلى 30 مم ومعدل الإطار هو 30 إطارا في الثانية.
    ملاحظة: يتم استخدام هذه الكاميرا لتسجيل ورصد تشوه سطح الماء والمسافة بين الساقين، والمياه السطحية.
  6. إعداد جهاز كمبيوتر عالي الأداء.

3-الجمعية من جميع أجزاء نظام قياس قوة ديناميكية

  1. تجميع نظام قياس قوة دينامية وفقا للرسم التخطيطي المبين في الشكل 2 وصك التجربة الحقيقية هو مبين في الشكل 2ب.
  2. إصلاح جانب واحد من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF مع أقطاب كهربائية إلى مرحلة التشرد عالية الدقة، والتي وضعت في إطار أفقي، كما هو معلق على الجانب الآخر. أسلوب التثبيت هذا الاستشعار الفيلم PVDF يساعد على تحسين دقة القياس لقوة دينامية الصغرى.
  3. توصيل أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF مكبر للصوت التهمة، تهمة مكبر للصوت للجهاز اقتناء البيانات والجهاز اقتناء البيانات إلى الكمبيوتر.
  4. إصلاح الكاميرا إلى مرحلة التشرد عالية الدقة، والتي يتم وضعها على الجانب الأيسر من استشعار الفيلم PVDF.
  5. تقريبا ضبط المسافة بين الساقين والماء بسرعة، وإصلاح مرحلة تشرد عالية دقة بالإطار أعلاه الاستشعار الفيلم PVDF، هو الذي فصل من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF حوالي 10 سم.
  6. رفع الساق بعيداً عن سطح الماء بسرعة دقيقة، إصلاح servomotor أدناه مرحلة التشرد عالية الدقة.

4-معايرة نظام قياس قوة ديناميكية

  1. استخدم النظام القوة الكهربائي26 لتوليد قوة الصغرى-ثابت تصرفت في نهاية الحرة لاستشعار الفيلم PVDF، ينبغي أن يكون حجم الذين µN أقل من 0.5-التحكم في قوة النظام الكهربائي بجهد المطبقة على أقطاب الداخلي والخارجي مكثف أسطواني موازية.
    تنبيه: ينبغي أن تعمل القوة في اتجاه طبيعي على سطح الفيلم PVDF ونقطة التطبيق من المفترض أن يكون أقرب ما يمكن إلى غيض استشعار PVDF الفيلم لزيادة حساسية.
  2. الإفراج عن القوة في فترة زمنية قصيرة لتوليد مدخلاً خطوة.
  3. قراءة إشارة الجهد-الوقت من الخطوة 4، 2 في الكمبيوتر باستخدام برنامج LabVIEW، مما يساعد على قراءة الإشارات الجهد الناتج من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF.
    1. تحميل برنامج LabVIEW وبرنامج تشغيل الأجهزة ني-داقمكس في الموقع الرسمي "الصكوك الوطنية".
    2. فتح التجريبي لقياس الجهد المستمر التناظرية استخدام ابفيف، كما هو مبين في الشكل 3.
    3. قم بتحديد القناة المادية للجهاز اقتناء البيانات المرتبطة بتهمة مكبر للصوت في الوحدة النمطية إعدادات القناة.
    4. تعيين معدل العينة إلى 100000 وعدد العينات إلى 100000 في الوحدة النمطية إعدادات التوقيت.
    5. حدد السجل والقراءة كوضع التسجيل وكتابة مسار الملف لتخزين بيانات الجهد في الوحدة النمطية إعدادات تسجيل الدخول.
    6. حدد لا مشغل في الوحدة النمطية من إعدادات المشغل.
    7. انقر فوق الزر شكل السهم في شريط الأدوات لأخذ عينات إشارة الجهد.
  4. تحليل منحنى الجهد، الذي هو ذروة الجهد المقابلة للقوة تصرفت على الاستشعار.
  5. كرر الخطوات 4، 4، 1-4 في إدخال قوة مختلفة، هي التي اكتسبت سلسلة من نقاط قوة الجهد.
  6. تحديد العلاقة عن ذروة الناتج الجهد والقوة الموحدة في نتائج المعايرة.

5-قياس قوة الالتصاق بسرعة معينة

  1. ضع قطره الماء (5 ميليلتر) في نهاية مجانية من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF استخدام ميكروبيبيتي ميكانيكية.
    ملاحظة: ينبغي أن يكون موقع الحبرية قريبة من غيض من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF.
  2. عصا ساق واحدة ل servomotor أدناه مرحلة التشرد عالية الدقة.
  3. نقل مرحلة التشرد عالية الدقة إلى الأسفل حتى اتصالات المحطة مع سطح الماء، كما هو موضح في الشكل 4. رصد المسافة بين سطح المحطة والمياه بنظام الكاميرا التي شنت على الجانب الأيسر من أجهزة الاستشعار.
  4. رفع الساق بعيداً عن سطح الماء بسرعة ثابتة من خلال سيرفوموتور.
  5. حساب القوة المقابلة لكل نقطة من منحنى الجهد عملية المغادرة باستخدام نموذج المنشأة في الخطوة 4، 6، ومن ثم رسم منحنى القوة-الزمن للمغادرين العملية، كما هو مبين في الشكل 4ب.
  6. سجل الالتصاق ذروة عملية المغادرة بسرعة معينة.

6-قياس قوة التصاق سرعات مختلفة.

  1. تغيير سرعة رفع الساقين سيرفوموتور وقياس قوة الالتصاق وفقا للخطوة 5.
  2. ارسم قوة الالتصاق مقابل رفع منحنى السرعة باستخدام البيانات المكتسبة في الخطوة 6، 1.
  3. تحليل العلاقة بين قوة الالتصاق وسرعة الرفع من خلال المنحنى.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويرد في الجدول 1العلاقة بين رفع القوة السرعة والالتصاق. عندما تزداد سرعة الرفع من 0.01 m/s إلى 0.3 m/s، قوة الالتصاق بين المياه السطحية والساق الانخفاضات هائلة من 0.10 إلى 0.03. وأظهرت نتائج التجربة المغادرين أن قوة التصاق ذروة ستنخفض هائلة كزيادة سرعة الرفع، التي أشارت إلى أن ستريديرس المياه قد تشعر بالراحة إذا تحركت بسرعة على سطح الماء.

في هذه الورقة، إنشاء نموذج الساقين المغادرين من سطح المياه على أساس المجهر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

في هذا البروتوكول، نظام لقياس قوة دينامية استناداً إلى أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF تم بنجاح وضع، تجميعها، معايرة قياس قوة الالتصاق بعيداً عن سطح الماء. ومن بين الخطوات كلها، من الأهمية بمكان أن قوة التصاق تم قياس سرعات مختلفة برفع الساق من على سطح المياه كهذه الدراسة ركزت على السمة الملحوظة للمناورة السريعة على الماء. وأظهرت نتائج المغادرين التجربة أن قوة التصاق انخفض عند زيادة سرعة الرفع. هذه أوضح أنه يشعر ستريديرس المياه استرخاء إذا تحركت بسرعة عالية على سطح الماء.

طريقة القياس القائم على PV...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس له علاقة بالكشف عن صاحب البلاغ.

شكر وتقدير

يشكر المؤلفون الوطني لبحوث التكنولوجيا مفتاح وبرنامج التنمية لوزارة العلوم والتكنولوجيا في الصين (رقم 2011BAK15B06) لدعمهم. أشكر تشوانغ شوايا الذي طالب الماجستير من مختبرنا لمساعدتنا على إتمام تصوير فيديو.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مستشعر فيلم PVDFTE ConnectivityDT1-028K / Lيتم استخدام مستشعر فيلم PVDF لاستشعار قوة التلامس الديناميكية.
مكبر للصوت الشحنةWuxi Shiao Technology co.، LtdYE5852Bمضخم الشحن   ؛ هو تكامل التيار الإلكتروني الذي ينتج خرج جهد يتناسب مع القيمة المتكاملة لجهاز
الحصول على بياناتالأجهزة الوطنيةUSB-4431استخدام جهاز الحصول على البيانات لقراءة بيانات الجهد.
مرحلة الإزاحةZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010 / 2030-ZF هي مرحلة رأسية إسفين ذات دقة عالية وعالية الاستقرار وتحميل عالي.
كاميرا CCDشنتشن Andonstar Tech Co.، Ltdمجهر رقمي A1معدل الإطارات: 30 إطارا / ثانية ؛ المسافة البؤرية: 5 مم - 30 مم
كمبيوترLenovoG480
ServomotorEMAX US Inc.ES08MDليس سيئا أن تكون هذه المؤازرة بسرعة تتراوح من 0.10 ثانية / 60 درجة ؛ / 4.8 فولت إلى 0.08 ثانية / 60 درجة ؛ / 6.0 فولت.
الماصات الميكانيكيةDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181تغطي الماصات نطاق حجم 0.1 مو ؛ ل إلى 2.5 & ل
الإدخال يتم

المراجع

  1. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
  2. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  3. 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).
  4. Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. 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).
  12. Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
  13. Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698(2016).
  14. Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).
  15. 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).
  16. Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
  17. 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).
  18. Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).
  27. Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  28. 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).
  29. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

Servomotor LabView
قياس قوة دينامية تصرف المحطة المياه ستردير القفز إلى أعلى من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.