Method Article

نمذجة تشوه الزعانف الناعمة باستخدام التصوير الفلوري المستوي الناجم عن الليزر

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 2022

 ,  ,  ,  , 
1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتضمن هذا البروتوكول قياس وتوصيف تشوه شكل 3D في زعانف رفرفة تحت الماء مبنية بمواد polydimethylsiloxane (PDMS). يعد إعادة البناء الدقيق لهذه التشوهات أمرا ضروريا لفهم الأداء الدفعي للزعانف الرفرفة المتوافقة.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم بحث آليات الدفع المستوحاة من زعانف أنواع الأسماك المختلفة بشكل متزايد ، نظرا لإمكاناتها لتحسين قدرات المناورة والتخفي في أنظمة المركبات غير المأهولة. أثبتت المواد اللينة المستخدمة في أغشية آليات الزعانف هذه فعاليتها في زيادة الدفع والكفاءة مقارنة بالهياكل الأكثر صلابة ، ولكن من الضروري قياس ونمذجة التشوهات في هذه الأغشية الناعمة بدقة. تقدم هذه الدراسة سير عمل لتوصيف تشوه الشكل المعتمد على الوقت لزعانف الرفرفة المرنة تحت الماء باستخدام التألق المستوي الناجم عن الليزر (PLIF). يتم تصنيع أغشية زعنفة polydimethylsiloxane المصطبغة ذات الصلابة المتفاوتة (0.38 ميجا باسكال و 0.82 ميجا باسكال) وتركيبها على مجموعة للتشغيل في درجتين من الحرية: الملعب واللفة. يتم الحصول على صور PLIF عبر مجموعة من الطائرات الممتدة ، ومعالجتها للحصول على ملفات تعريف تشوه الزعانف ، ودمجها لإعادة بناء أشكال الزعانف المشوهة 3D المتغيرة زمنيا. ثم يتم استخدام البيانات لتوفير التحقق من صحة عالية الدقة لمحاكاة تفاعل بنية السوائل وتحسين فهم أداء أنظمة الدفع المعقدة هذه.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في الطبيعة ، تطورت العديد من أنواع الأسماك لاستخدام مجموعة متنوعة من حركات الجسم والزعانف لتحقيق الحركة. وقد ساعدت الأبحاث الرامية إلى تحديد مبادئ حركة الأسماك في دفع عجلة تصميم أنظمة الدفع المستوحاة بيولوجيا، حيث عمل علماء الأحياء والمهندسون معا لتطوير آليات دفع وتحكم قادرة من الجيل التالي للمركبات تحت الماء. درست مجموعات بحثية مختلفة تكوينات الزعانف والأشكال والمواد ومعلمات السكتة الدماغية وتقنيات التحكم في انحناء السطح 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . تم توثيق أهمية توصيف توليد دوامة الطرف وميل الاستيقاظ لفهم توليد الدفع في الأنظمة أحادية الزعانف والمتعددة الزعانف في العديد من الدراسات ، سواء الحسابية أو التجريبية13،14،15،16،17،18. بالنسبة لآليات الزعانف المصنوعة من مواد متوافقة ، والتي أظهرت في دراسات مختلفة لتقليل ميل الاستيقاظ وزيادة الدفع17 ، من الضروري أيضا التقاط ونمذجة تاريخها الزمني للتشوه بدقة للاقتران مع تحليل بنية التدفق. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه النتائج للتحقق من صحة النماذج الحسابية، وإبلاغ تصميم الزعانف والتحكم فيها، وتسهيل مجالات البحث النشطة في التحميل الهيدروديناميكي غير المستقر على المواد المرنة، والتي تحتاج إلى التحقق من الصحة19. استخدمت الدراسات تتبع الشكل المباشر عالي السرعة القائم على الصور في زعانف أسماك القرش وغيرها من الأجسام المعقدة20،21،22 ، لكن شكل الزعنفة ثلاثية الأبعاد المعقد غالبا ما يمنع الوصول البصري ، مما يجعل من الصعب قياسه. وبالتالي ، هناك حاجة ملحة لطريقة بسيطة وفعالة لتصور حركة الزعانف المرنة.

ومن المواد المستخدمة على نطاق واسع في آليات الزعانف المتوافقة مادة متعددة الميثيل سيلوكسان (PDMS) بسبب تكلفتها المنخفضة، وسهولة استخدامها، وقدرتها على تغيير صلابتها، وتوافقها مع التطبيقات تحت الماء23، على النحو الموصوف على نطاق واسع في استعراض أجراه ماجيدي وآخرون.24. بالإضافة إلى هذه الفوائد ، فإن PDMS شفاف بصريا أيضا ، مما يؤدي إلى القياسات باستخدام تقنية التشخيص البصري مثل التألق المستوي الناجم عن الليزر (PLIF). تقليديا في ميكانيكا الموائع التجريبية25 ، تم استخدام PLIF لتصور تدفقات السوائل عن طريق بذر السائل بصبغة أو جزيئات معلقة أو الاستفادة من التحولات الكمومية من الأنواع الموجودة بالفعل في التدفق الذي يتألق عند تعرضه لورقة ليزر26,27,28,29. تم استخدام هذه التقنية الراسخة لدراسة ديناميكيات الموائع الأساسية والاحتراق وديناميكيات المحيطات26،30،31،32،33.

في هذه الدراسة ، يتم استخدام PLIF للحصول على قياسات تم حلها مكانيا زمنيا لتشوه الشكل في زعانف روبوتية مرنة مستوحاة من الأسماك. بدلا من بذر السائل بالصبغة ، يتم تصور الحركية تحت الماء لزعنفة PDMS في مقاطع عرضية مختلفة من الحبال. على الرغم من أنه يمكن إجراء التصوير بالليزر المستوي على PDMS المصبوب العادي دون تألق إضافي ، إلا أن تعديل PDMS لتعزيز التألق يمكن أن يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للصور عن طريق تقليل تأثيرات عناصر الخلفية ، مثل أجهزة تركيب الزعانف. يمكن جعل PDMS فلورسنت عن طريق استخدام طريقتين ، إما عن طريق بذر الجسيمات الفلورية أو التصبغ. وقد أفيد أنه بالنسبة لنسبة جزء معينة ، فإن الأول يغير صلابة PDMS34 المصبوب الناتج. لذلك ، تم خلط صبغة غير سامة ومتاحة تجاريا مع PDMS شفافة لصب زعانف الفلورسنت لتجارب PLIF.

لتقديم مثال على استخدام هذه القياسات الحركية للزعنفة للتحقق من صحة النموذج الحسابي ، تتم بعد ذلك مقارنة الحركيات التجريبية بقيم من نماذج تفاعل بنية الموائع المقترنة (FSI) للزعنفة. تستند نماذج FSI المستخدمة في الحسابات إلى الأنماط الذاتية السبعة الأولى التي تم حسابها باستخدام خصائص المواد المقاسة للزعانف. المقارنات الناجحة تتحقق من صحة نماذج الزعانف وتوفر الثقة في استخدام النتائج الحسابية لتصميم الزعانف والتحكم فيها. علاوة على ذلك ، تظهر نتائج PLIF أنه يمكن استخدام هذه الطريقة للتحقق من صحة النماذج العددية الأخرى في الدراسات المستقبلية. يمكن العثور على معلومات إضافية حول نماذج FSI هذه في العمل السابق35,36 وفي النصوص الأساسية لطرق ديناميكيات الموائع الحسابية37,38. يمكن أن تسمح الدراسات المستقبلية أيضا بإجراء قياسات متزامنة للتشوهات الصلبة وتدفقات السوائل لتحسين الدراسات التجريبية ل FSI في الزعانف الروبوتية والروبوتات اللينة المستوحاة بيولوجيا والتطبيقات الأخرى. علاوة على ذلك ، نظرا لأن PDMS وغيرها من اللدائن المتوافقة تستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار والأجهزة الطبية ، فإن تصور التشوهات في المواد الصلبة المرنة باستخدام هذه التقنية يمكن أن يفيد مجتمعا أكبر من الباحثين في الهندسة والفيزياء والبيولوجيا والطب.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تصنيع الزعانف

  1. بناء قالب زعنفة على أساس تصميم الشكل المطلوب.
    1. تصميم وبناء قالب مخصص مطبوع بتقنية 3D لمعان من شكل زعنفة (الشكل 1). انظر ملفات المحكمة الخاصة بلبنان لتصنيع القالب في ملفات الترميز التكميلية 1-4.
    2. أدخل عناصر هيكلية في القالب ، مثل سبار الحافة الصلبة البلاستيكي الصلب المطبوع 3D. انظر ملف المحكمة الخاصة بلبنان الخاص بالسبار في ملف الترميز التكميلي 2.
  2. امزج PDMS (انظر جدول المواد) في نسبة الجزء المطلوبة.
    1. حدد نسبة جزء المطاط الصناعي الأساسي إلى عامل المعالجة (أي 10: 1 أو 20: 1) لتحقيق معامل مرونة أعلى أو أقل ، على التوالي. وزن الكميات المقابلة من القاعدة وتصلب.
      ملاحظة: تم استخدام كل من 10: 1 و 20: 1 (المطاط الصناعي إلى عامل المعالجة) في هذه الدراسة.
    2. قم بقياس صبغة الفلورسنت (انظر جدول المواد) بحيث يحتوي الخليط الكلي على صبغة 0.1٪ -1٪ بالوزن ، اعتمادا على سطوع التصبغ المطلوب. أضف الصبغة إلى مزيج PDMS.
    3. صب الكميات المقاسة من المطاط الصناعي والمصلب والصباغ في خلاط طرد مركزي كوكبي (خلط عند 423 × g لمدة 30 ثانية وإزالة التهوية عند 465 × g لمدة 30 ثانية) وتخلط وفقا لذلك.
  3. صب الزعنفة في القالب.
    1. Degas وصب خليط PDMS في القالب للزعنفة. ضع القالب في الفرن على درجة حرارة 70 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة ، واتركه يشفى طوال الليل عند 37 درجة مئوية.
    2. بمجرد اكتمال المعالجة ، قم بإزالة الزعنفة المصبوبة من القالب (الشكل 2).
  4. قم بإجراء اختبار الشد وفقا لمعيار ASTM39.
    1. لكل زعنفة مصبوبة في الخطوة 1.3.، قم بصب عينة واحدة من النوع الرابع باستخدام نفس PDMS ومزيج الصباغ في قالب على شكل النوع الرابع باستخدام الخطوات الموصوفة سابقا 1.1.-1.3.
      ملاحظة: انظر ملفات المحكمة الخاصة بلبنان لصب عينة النوع الرابع في ملف الترميز التكميلي 5 (القالب المبين في الشكل 1 جيم)، وانظر الشكل 3 للاطلاع على أمثلة لعينات النوع الرابع التي تم اختبارها.
    2. قم بتثبيت عينة الاختبار في آلة اختبار الشد (انظر جدول المواد). قم بقياس الطول الأولي والعرض والسمك (مم) لقسم العينة الضيق.
    3. قم بتعريض عينة الاختبار للتوتر بزيادات 5 مم ، مما يضمن بقاء العينة ممتدة في المنطقة المرنة فقط ، وليس التمدد الزائد. قلل التوتر بزيادات 5 مم حتى يصبح إجمالي إزاحة العينة 0 مم (الموضع الأصلي). سجل الأطوال (مم) والقوى (N) للمقطع الضيق عند كل زيادة.
    4. لحساب معامل المرونة للعينة، ارسم منحنى إجهاد الإجهاد وحدد أفضل ملاءمة خطية وقيمة R2 .

2. الإعداد التجريبي والتجارب

  1. قم بتركيب أجهزة PLIF (انظر جدول المواد) على خزان مياه زجاجي مستطيل الشكل (2.41 م × 0.76 م × 0.76 م).
    1. قم بتركيب واستخدام نظام ليزر نبضي (انظر جدول المواد) لتوليد ورقة ضوء مستوية تتقاطع مع الخزان في مستواه الأوسط بتردد محدد (30 هرتز) ، كما هو موضح في الشكل 4.
    2. قم بتركيب واستخدام كاميرا جهاز مقترن بالشحن بدقة 4 ميجابكسل (CCD) مزودة بعدسة (35 مم) وفلتر تألق طويل (560 نانومتر) (انظر جدول المواد).
    3. قم بمعايرة تحويل الميكرومتر إلى بكسل عن طريق التقاط صورة واحدة من كاميرا CCD مع مسطرة موضوعة في مستوى ورقة الليزر (الشكل 5). حدد موضعين على الكاميرا واقسم المسافة بالميكرومتر عن طريق فصل وحدات البكسل. تأكد من أن نسبة الميكرومتر إلى البكسل هذه صغيرة بما يكفي (دون الملليمتر) للتطبيق.
  2. مزامنة نبضات الليزر وصور الكاميرا مع الزعنفة الرفرفة باستخدام مخرجات الزناد من برنامج الزعنفة والإشارات من مولد التأخير والبرامج المرتبطة به (انظر جدول المواد) لتنسيق الكاميرا ورؤوس الليزر وحركة الزعانف. رأى الشكل التكميلي 1 للحصول على مثال على إعدادات واجهة برنامج مولد التأخير.
    1. اضبط نظام الليزر.
      ملاحظة: تأكد من أن جميع تدابير السلامة بالليزر تتوافق مع المبادئ التوجيهية المؤسسية.
      1. قم بتشغيل نظام الليزر عن طريق تدوير مفتاح التشغيل إلى اليمين لتشغيل المبرد الذي يبرد رؤوس الليزر. يومض ضوء الخطأ حتى يصبح النظام جاهزا لتشغيل الليزر. لا تضغط على زر الطاقة الذي يشغل أشعة الليزر حتى يتم ضبط جميع أوضاع الليزر بشكل صحيح.
      2. اضبط مصدر الزناد على EXT LAMP / EXT Q-SW (مصباح خارجي / مفتاح Q خارجي).
      3. بالنسبة لرأسي الليزر، اضبط طاقة الليزر على المستوى المطلوب (أي ما يقرب من 60٪ -80٪ من الطاقة الكاملة) وتأكد من تشغيل مفتاح Q عن طريق الضغط على كل زر Q-switch .
      4. قم بتشغيل الليزر بالضغط على زر الطاقة.
        ملاحظة: عند تعيين مصدر الزناد على EXT LAMP/EXT Q-SW، تكون رؤوس الليزر جاهزة للإطلاق، ولكن يتم تشغيلها فقط بعد أن يتلقى النظام مشغل خارجي من البرنامج.
    2. اضبط الكاميرا.
      1. قم بتوصيل كابلات الطاقة بالكاميرا وتأكد من التوصيلات المناسبة بالكمبيوتر والبرامج.
      2. افتح برنامج إعدادات الكاميرا وحدد المنفذ المناسب.
        1. ضمن إعدادات > المشغل، اضبط "Trigger in:" على " خارجي " و"Mode:" على "سريع".
        2. ضمن التعرض، اضبط "التحكم في التعرض" على إيقاف التشغيل.
      3. افتح برنامج التقاط الكاميرا وحدد بطاقة الكاميرا المناسبة.
        1. انقر فوق الزر "الاستيلاء على التسلسل ".
        2. انقر فوق الزر إعدادات الالتقاط ، وحدد صور TIFF ، وحدد سلسلة من الإطارات ...، وحدد مسار الملف المطلوب ، ورقم مكون من 6 أرقام ، ومستمر ، وقبول.
        3. انقر فوق بدء الالتقاط.
          ملاحظة: عند ضبط إعدادات الكاميرا على مشغل خارجي، تكون الكاميرا جاهزة لجمع الصور ولكنها تلتقط هذه الصور فقط بعد أن يتلقى النظام مشغل خارجي من البرنامج.
    3. اضبط مولد التأخير.
      1. قم بتشغيل مولد التأخير، وقم بتوصيل قناة البوابة الخارجية بمشغل الزعانف، والقنوات A-D بالليزر (A: رأس الليزر 1، B: Q-switch إلى الليزر 1، C: رأس الليزر 2، وD: Q-switch إلى الليزر 2)، والقناة E بالكاميرا.
      2. افتح برنامج مولد التأخير.
      3. حدد "وضع النبض" للاندفاع و "دقة النظام" إلى 4 ns.
      4. اضبط "الفترة (الفترات)" على 0.033333352.
      5. اضبط "وضع الزناد/البوابة الخارجية" على المشغل، و"العتبة (V)" على 0.20، و"حافة الزناد" على أنها مرتفعة.
      6. في القنوات > Ch A، انقر فوق خانة الاختيار ممكن. اضبط "التأخير (التأخيرات)" على 0.00000004، و"العرض (العروض)" على 0.005000000، و"السعة (V)" على 5.00، و"وضع القناة" على دورة التشغيل، و"عدد الانتظار" على 0، و"مصدر المزامنة" على T0، و"القطبية" على الوضع العادي، و"متعدد الإرسال" على A، و"تشغيل دورة العمل" على 1، و"إيقاف تشغيل دورة التشغيل" على 1، و"وضع البوابة" على معطل.
      7. في القنوات > Ch B ، انقر فوق خانة الاختيار ممكن. اضبط "التأخير (التأخيرات)" على 0.000138000، و"العرض (العروض)" على 0.005000000، و"السعة (V)" على 5.00، و"وضع القناة" على دورة التشغيل، و"عدد الانتظار" على 0، و"مصدر المزامنة" على الفصل A، و"القطبية" على الوضع العادي، و"متعدد الإرسال" على B، و"تشغيل دورة العمل" على 1، و"إيقاف تشغيل دورة التشغيل" على 1، و"وضع البوابة" على معطل.
      8. في القنوات > Ch C ، انقر فوق خانة الاختيار ممكن. اضبط "التأخير (التأخيرات)" على 0.033333304، و"العرض (العروض)" على 0.005000000، و"السعة (V)" على 5.00، و"وضع القناة" على دورة التشغيل، و"عدد الانتظار" على 0، و"مصدر المزامنة" على الفصل A، و"القطبية" على الوضع العادي، و"متعدد الإرسال" على C، و"تشغيل دورة العمل" على 1، و"إيقاف تشغيل دورة التشغيل" على 1، و"وضع البوابة" على معطل.
      9. في القنوات > Ch D ، انقر فوق خانة الاختيار ممكن. اضبط "التأخير (التأخيرات)" على 0.000138000، و"العرض (العروض)" على 0.005000000، و"السعة (V)" على 5.00، و"وضع القناة" على دورة التشغيل، و"عدد الانتظار" على 0، و"مصدر المزامنة" على الفصل C، و"القطبية" على الوضع العادي، و"متعدد الإرسال" على D، و"تشغيل دورة العمل" على 1، و"إيقاف تشغيل دورة التشغيل" على 1، و"وضع البوابة" على تعطيل.
      10. في القنوات > Ch E ، انقر فوق خانة الاختيار ممكن. اضبط "التأخير (التأخيرات)" على 0.00000004 ، و "العرض (العروض)" على 0.005000000 ، و "السعة (V)" على 5.00 ، و "وضع القناة" على عادي ، و "عدد الانتظار" على 0 ، و "مصدر المزامنة" على T0 ، و "القطبية" على العادي ، و "Multiplexer" على E ، و "وضع البوابة" على المعطل.
  3. قم بمحاذاة الزعنفة بحيث تمر ورقة الليزر عبر قسم واحد من الزعنفة في موضع ممتد محدد وقم بتأمين منصة الزعنفة باستخدام أجهزة التركيب.
  4. قم بتوصيل الطاقة بأجهزة التحكم في الزعانف ومحركات الزعانف (انظر جدول المواد) لبدء رفرفة الزعانف باستخدام الحركيات المحددة، وأطفئ جميع الأضواء المحيطة.
  5. اضغط على تشغيل في برنامج مولد التأخير لبدء التجارب المتزامنة والحصول على صور لتقاطع ورقة الليزر مع الزعنفة طوال دورة السكتة الدماغية. يجب إجراء ذلك على مدار أكثر من 200 دورة سكتة دماغية.
  6. اضغط على Stop (إيقاف في برنامج مولد التأخير) وافصل الزعنفة عن مصدر الطاقة.
  7. حرك منصة الزعنفة بحيث تعبر ورقة الليزر في موضع امتداد جديد وقم بإجراء تجارب للحصول على الصور مرة أخرى. كرر الخطوات 2.3.-2.6. لعدد القياسات المطلوبة (ثمانية مواضع مختلفة من الامتداد ، كما هو موضح في الخطوط المتقطعة السوداء في الشكل 2A).
  8. استبدل الزعنفة بأغشية زعنفة إضافية مرغوبة (صلابتان للزعنفة ، PDMS 10: 1 و PDMS 20: 1) وكرر التجارب.

3. تحليل الصور

  1. لكل تجربة تجريبية أجريت في الخطوة 2.4.، حدد موقع الملف حيث يتم تخزين الصور وقم بإنشاء مجلد فرعي لكل موضع زعنفة أو مرحلة طوال دورة الحد. فرز ملفات الصور في المجلدات الفرعية المقابلة لها.
  2. لكل مجلد فرعي لمرحلة الزعنفة، اقرأ أكثر من 200 صورة كمصفوفات ذات قيمة بكسل (imread.m). اجمع صفائف قيمة البكسل لجميع الصور واقسمها على عدد الصور لإنشاء صورة متوسطة. اكتب الصورة إلى ملف جديد (imwrite.m). كرر هذه الخطوة لكل موضع زعنفة طوال دورة الحد (30 موضعا).
  3. قم بإجراء تحسين مدرج تكراري على كل صورة متوسطة (imadjust.m) لتوسيع نطاق الكثافة الديناميكية للصور إلى النطاق الكامل المتاح لتحسين التباين بين الزعنفة والخلفية.
  4. اضبط عتبات الكثافة وقم بربط كل صورة للحصول على صورة بالأبيض والأسود (imbinarize.m). يجب أن تتوافق الأشكال البيضاء الناتجة مع قطع من المقطع العرضي للزعنفة.
  5. استخراج كافة الكائنات البيضاء (قطع الزعانف) من الصورة الثنائية (bwareafilt.m)، وعرض الصورة (imshow.m). قم بإنشاء تتبع لحدود الصورة الثنائية لكل صورة للحصول على شكل 2D عن طريق تحديد كل بيكسلات الزعنفة (البيضاء) التي تلمس بيكسلات الخلفية (السوداء) (bwborders.m).
    ملاحظة: بسبب حركية الزعانف المفروضة، قد يتم حجب منظر المقطع العرضي المقارس PLIF في بعض الإطارات بواسطة جزء آخر من الزعنفة. في مثل هذه الحالات ، إما أنه لا يوجد شكل زعنفة متماسك واضح من الصور ، أو أن الحافة الأمامية فقط (LE) تظل مرئية (الشكل 6).
  6. تنفيذ الخطوات 3.1.-3.5. لكل مقطع عرضي لزعنفة.

4. إعادة بناء انحراف 3D

  1. بافتراض أن موضع LE (على الأقل أقرب إلى محور السكتة الدماغية) في الحالات المرنة هو نفسه موضع LE في زعنفة صلبة من نفس الشكل ، قم بخط المستوى على طول LE لنفس الخطوة الزمنية ، وقارن مع النتائج من شكل الزعنفة الصلبة المقابلة.
  2. استخدم مربعات أقل ملاءمة لتقريب شكل خط الوسط الناتج للمقطع العرضي للزعنفة لجميع عمليات قطع المستوى وإعادة بناء شكل الزعنفة 3D باستخدام بدن محدب مبسط من هذه التشكيلات المجهزة.
  3. قارن أشكال الزعانف الناتجة مع نماذج 3D FSI (التي تم إنشاؤها من خطوط الوسط الخاصة بها) لعرض كيف يمكن استخدام هذه العملية للتحقق من صحة عالية الدقة.
    1. توليد تثليث سطحي للنايلون الصلب جزئيا وزعنفة PDMS المرنة جزئيا.
    2. استخدم برنامجا ديناميكيا هيكليا تجاريا (انظر جدول المواد) للحصول على الأنماط الذاتية للمواد الهجينة.
      1. قم بإجراء دراسات التحجيم لتتناسب مع إزاحة الحالة الثابتة التي تم الحصول عليها باستخدام فرق ضغط موحد على أسطح الزعانف.
      2. قم بتوسيع نطاق الأوضاع لتتناسب مع الإزاحة التي تم الحصول عليها من البرنامج.
    3. باستخدام عامل المقياس المناسب ، استخدم الأوضاع القليلة الأولى المهيمنة (عادة 7 أو 8) المستخدمة في محلل FSI المقترن لمحاكاة التدفق غير المستقر فوق الزعنفة المرنة.
      1. تعامل مع الجسم ككيان مضمن في شبكة خلفية.
        ملاحظة: تم التحقق من صحة المذيب المقترن لمشكلة Turek-Hron المتمثلة في التدفق عبر أسطوانة دائرية مع لدغة مرنة في الخلف35 وتم تمديده لمحاكاة الزعانف الرفرفة36.
      2. وصف حركية حركة الزعنفة من التجارب.
      3. راقب التاريخ الزمني لإنتاج القوة وشكل الزعنفة على طول عدة تخفيضات في الطائرة طوال دورة الرفرفة ، وقارنها بالتجارب.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم صب زعنفة صدرية اصطناعية مستوحاة من الأسماك شبه المنحرفة في مادتين مختلفتين (PDMS 10: 1 و 20: 1 ، وكلاهما ممزوج بصبغة الفلورسنت) من قالب ، لكل منهما سبار رائد صلب تم إدخاله في وتر الربع الرئيسي (الشكل 2 والشكل 3). أسفر اختبار الشد لمادتي الزعنفة (الشكل 3) عن معامل مرونة تبلغ 0.38 ميجا باسكال و 0.82 ميجا باسكال لزعانف PDMS 20: 1 و PDMS 10: 1 ، على التوالي ، مع R 2 من 0.99 لكلا القياسين (انظر الشكل التكميلي 2 لمنحني...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

عادة ما يستخدم التألق المستوي الناجم عن الليزر لتصور التدفقات المائية عن طريق بذر السائل بالصبغة ، والتي تتألق عند تعرضها لورقة ليزر25,26. ومع ذلك ، لم يتم الإبلاغ عن استخدام PLIF لتصور التشوهات في المواد المتوافقة من قبل ، وتصف هذه الدراسة نهجا للحصول على قياسات التاريخ الزمني لتشوه الشكل عالي الدقة في زعانف صلبة مرنة باستخدام PLIF. إن مقارنة قياسات الزعانف هذه مع محاكاة FSI تتحقق من صحة النماذج العددية وتوفر مزيدا من الثقة في استخدام النتائج الحسابية لتصميم الز...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا البحث من قبل مكتب البحوث البحرية من خلال برنامج قاعدة 6.2 لمختبر البحوث البحرية الأمريكية (NRL) وتم إجراؤه بينما كان كوشيك سامباث موظفا في قسم الصوتيات في NRL وحصلت نيكول شو على جائزة NRC Research Associateship في مختبرات الفيزياء الحاسوبية وديناميات الموائع في NRL. يود المؤلفون أن ينوه بالدكتور روبن هورتينسيوس (TSI Inc.) على الدعم الفني والتوجيه.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
وحدة تحكم ADMETADMETMTESTuattro
Axon IIجمعية الروبوتاتمتحكم لأجهزة الزعانف
مولد تأخير Berkeley NucleonicsCorpنموذج 525BNC مولد تأخير وبرنامج
BobCat Cam ConfigImperxإعدادات الكاميرا
CCD CameraImperxB23404 ميجابكسل
COMSOLCOMSOL Incبرنامج ديناميكيات هيكلية تجارية لنمذجة تفاعل هيكل السوائل
D646WP ServoHitec36646S32 بت ، رقمي ، عزم دوران عال ، مضاعفات مقاومة للماء لدوران درجة الزعنفة
D840WP ServoHitec36840S32 بت ، متعددة الأغراض ، مقاومة للماء ، مؤازرة تروس فولاذية لدوران
شوط الزعنفةصبغة الفلورسنت الكهربائية الورديةSilc PigPMS812C
EverGreen (532 نانومتر نظام ليزر Nd: YAG مزدوج النبض)QuantelEVG00070ومصدر طاقة ، محول قوة 70 مللي جول
ADMETSM-10-961خلية تحميل 10 رطل
FrameLink ExpressImperxبرنامج التقاط الكاميرا
التألق LongpassEdmund Optics560 نانومتر
MATLABMathWorksبرنامج لتحليل الصور
خلاط الطرد المركزي الكوكبيTHINKY MIXERAR-100
مركبات مطاط السيليكونMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D ،
polyjet آلة اختبار عالميةADMETeXpert 2611نموذج سطح الطاولة
VeroBlackStratasysمادة طابعة ثلاثية الأبعاد لبناء قوالب مواد
طابعة VeroGrayStratasys3D لبناء القوالب
برنامج رأس ليزر مرشح

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
  2. Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
  3. Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
  4. Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
  7. Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
  8. Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
  9. Park, Y. -J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -Y., Cho, K. -J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
  10. Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985(2012).
  11. Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
  12. Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
  13. Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712(2020).
  16. Park, H., Park, Y. -J., Lee, B., Cho, K. -J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
  17. Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
  18. Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101(2020).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
  22. Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924(2021).
  23. Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098(2013).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477(2018).
  25. Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741(2001).
  28. Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
  29. Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
  32. Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
  33. Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
  34. Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).
  37. Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).
  38. Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
  39. D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704(2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Flapping Fin ModelingSoft Robotic FinsPlanar Laser Induced FluorescenceFin Deformation ImagingFluid Structure InteractionFlexible Fin MembranesPDMS Fin MembranesFin Kinematics3D Shape ReconstructionUnderwater Propulsion

Related Articles