نمذجة تشوه الزعانف الناعمة باستخدام التصوير الفلوري المستوي الناجم عن الليزر
April 28th, 2022
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.
تعد القدرة على قياس تشوهات الزعانف الروبوتية الناعمة غير المتطفلة أمرا مهما لأنه يمكننا إبلاغ تصميم الزعانف والتحكم فيها بشكل أفضل للمركبات تحت الماء والتحقق من صحة النماذج الحسابية. يمكننا إعادة توظيف أداة موجودة داخل ديناميكيات الموائع ، تسمى التألق المستوي الناجم عن الليزر وتوسيعها للمواد الصلبة ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك للقياسات المتزامنة للمواد الصلبة والسوائل. هذه الطريقة قابلة للتعميم على الأنظمة والمواد الروبوتية الناعمة.
يمكننا استخدام هذه التقنية ، ليس فقط للتحقق من صحة تفاعلات بنية السوائل ، ولكن أيضا لدراسة المواد المرنة لأجهزة الاستشعار والتطبيقات الطبية. ابدأ بتصميم وبناء قالب مخصص مطبوع 3D لامع نهائي من شكل زعانفة. قم بإعداد تجريبي عن طريق تركيب نظام ليزر نبضي على خزان مياه زجاجي مستطيل الشكل لتوليد ورقة ضوء مستوية تتقاطع مع الخزان في مستواه الأوسط عند 30 هرتز.
قم بتركيب جهاز مقترن بشحنة بدقة أربعة ميجابكسل ، أو كاميرا CCD ، مع عدسة 35 ملم ومرشح فلوري طويل التمرير يبلغ 516 نانومتر. بعد التثبيت ، قم بإجراء معايرة لتحويل الميكرومتر إلى بكسل عن طريق التقاط صورة واحدة من كاميرا CCD مع مسطرة موضوعة في مستوى ورقة الليزر. ثم حدد موضعين على الكاميرا وقسم المسافة بالميكرومتر عن طريق فصل وحدات البكسل.
تأكد من أن نسبة الميكرومتر إلى البكسل صغيرة بما يكفي أو في نطاق الملليمتر الفرعي للتطبيق. قم بمزامنة نبضات الليزر وصور الكاميرا مع الزعنفة الرفرفة باستخدام مخرجات الزناد من برنامج الزعنفة والإشارات من مولد التأخير والبرامج المرتبطة به. تأكد من أن جميع سلامة الليزر تتوافق مع الإرشادات المؤسسية.
لضبط نظام الليزر، قم بتشغيل نظام الليزر باستخدام مفتاح التشغيل الذي يشغل المبرد لتبريد رؤوس الليزر. تومض أضواء الخطأ حتى يصبح النظام جاهزا لتشغيل الليزر. اضبط مصدر الزناد على المصباح الخارجي ، مفتاح Q الخارجي.
بالنسبة لكلا رأسي الليزر، اضبط طاقة الليزر على 60 إلى 80٪ من الطاقة الكاملة واضغط على كل زر مفتاح Q. ثم قم بتشغيل الليزر عن طريق الضغط على زر الطاقة. بعد ذلك ، قم بتوصيل كبلات الطاقة بالكاميرا وتأكد من الاتصالات المناسبة بالكمبيوتر قبل فتح برنامج إعداد الكاميرا وتحديد المنفذ المناسب.
بعد تشغيل مولد التأخير، قم بتوصيل قناة البوابة الخارجية بمشغل الزعانف، والقناة E بالكاميرا، والقنوات من A إلى D بالليزر. ثم افتح برنامج مولد التأخير لتحديد وضع النبض للانفجار ودقة النظام إلى أربعة نانو ثانية. اضبط الفترة بالثواني.
اضبط وضع الزناد/البوابة الخارجي على المشغل، والعتبة إلى 0.20 فولت وحافة الزناد عند الارتفاع. أيضا ، قم بتعيين القنوات كما هو موضح في البرنامج النصي. قم بمحاذاة الزعنفة ، بحيث تمر ورقة الليزر عبر قسم حكيم واحد من الزعنفة في وضع حكيم ممتد ، ثم قم بتأمين منصة الزعنفة باستخدام أجهزة التركيب.
قم بتوصيل الطاقة بأجهزة التحكم في الزعانف ومحركات الزعانف لبدء رفرفة الزعانف باستخدام الحركيات المحددة ، وأطفئ جميع الأضواء المحيطة. في برنامج مولد التأخير، اضغط على تشغيل لبدء التجارب المتزامنة والحصول على صور لتقاطع ورقة الليزر مع الزعنفة طوال دورة السكتة الدماغية. راقب الزعنفة ترفرف في الخزان مع تشغيل ورقة الليزر وإطفاء الأضواء المحيطة.
عند الانتهاء، اضغط على مفتاح الإيقاف قبل فصل الزعنفة عن مصدر الطاقة. حرك منصة الزعنفة ، بحيث تعبر ورقة الليزر في موضع حكيم جديد للامتداد. استبدل الزعنفة بأغشية زعنفة إضافية مرغوبة وقم بإجراء التجارب كما هو موضح من قبل للحصول على الصور للعدد المطلوب من القياسات.
قم بتحليل الصورة عن طريق استخراج جميع الكائنات البيضاء التي تمثل مقاطع عرضية للزعنفة من منطقة BW ، وصورة ثنائية filt dot M وعرض الصورة باستخدام M show dot M.ثم قم بإنشاء أثر لحدود الصورة الثنائية لكل صورة للحصول على شكل 2D ، عن طريق تحديد جميع وحدات بكسل الزعنفة التي تلمس بيكسلات الخلفية السوداء. قارن أشكال الزعانف الناتجة مع تفاعل بنية السائل 3D ، أو نماذج FSI ، التي تم إنشاؤها من خطوط الوسط ، لعرض كيف يمكن استخدام العملية للتحقق من صحة عالية الدقة. أسفرت حركية الزعنفة المبرمجة عن سعة سكتة دماغية تبلغ 43 درجة وسعة ميل تبلغ 17 درجة.
توضح الصورة المقارنات في موضعين في الحد. واحد في منتصف السكتة الدماغية العلوية وواحد في منتصف السكتة الدماغية السفلية. علاوة على ذلك ، تم إجراء المقارنات بين تشوهات شكل PDMS 10 إلى واحد ، و PDMS 20 إلى زعنفة واحدة.
تم إعادة بناء أشكال الزعانف 3D من التألق الناجم عن الليزر المستوي ، FSI ، والحالات الصلبة في منتصف السكتة الدماغية ، مما يدل على قدرة التقنية الحالية على توفير التحقق من صحة عالية الدقة لمحاكاة FSI. في التجربة ، لم يكن المقطع العرضي للزعنفة مرئيا في كل خطوة بسبب الصاري الصلب غير الشفاف. تظهر الصورة النتيجة حيث لم تكن الزعنفة مرئية.
أهم شيء يجب تذكره هو اختبار مزامنة المكونات قبل إجراء تجارب كاملة. بمجرد تعيين التوقيت، قم بإجراء تشغيل تجريبي أولا.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
يفصل هذا البروتوكول قياس وتوصيف تشوه شكل ثلاثي الأبعاد في الزعانف المائية الطائرة المصنوعة من البوليديميثيلسيلوكسين (PDMS). إن فهم هذه التشوهات أمر حاسم لتحسين تصميم والتحكم في الزعانف الطائرة الممتثلة المستخدمة في المركبات البحرية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الروبوتات اللينة
- ديناميكيات السوائل
- تصميم المركبات البحرية
الخلفية
- القياس غير المتطفل للزعانف الروبوتية اللينة أمر حيوي لتحسين التصميم.
- يمكن تكييف الأدوات الموجودة في ديناميكيات السوائل للمواد الصلبة.
- يمكن لهذه الطريقة التحقق من النماذج الحسابية ودراسة المواد المرنة.
- تمتد التطبيقات إلى المستشعرات والمجالات الطبية.
هدف الدراسة
- لقياس تشوهات الزعانف الروبوتية اللينة بدقة.
- لإبلاغ تصميم الزعنفة والتحكم للمركبات البحرية.
- للتحقق من تفاعلات السائل والهيكل في الأنظمة الروبوتية اللينة.
الطرق المستخدمة
- تصميم وبناء قالب مطبوع ثلاثي الأبعاد مخصص لشكل الزعنفة.
- إعداد نظام ليزر نابض في خزان ماء زجاجي مستطيل.
- توليد ورقة ضوئية مستوية تقطع الخزان بتردد 30 هرتز.
- استخدام التألق المستحث بالليزر المستوي للقياسات.
النتائج الرئيسية
- قياس ناجح لتشوه شكل ثلاثي الأبعاد في زعانف PDMS.
- التحقق من طريقة القياسات المتزامنة للمواد الصلبة والسوائل.
- الرؤى المكتسبة لتصميم الأنظمة الروبوتية اللينة.
- تطبيقات محتملة في مختلف المجالات بما في ذلك التكنولوجيا الطبية.
الاستنتاجات
- تعزز الطريقة فهم الزعانف الطائرة الممتثلة.
- توفر إطارًا للدراسات المستقبلية في الروبوتات اللينة.
- يمكن أن يوسع البحث الإضافي التطبيقات إلى مواد مرنة أخرى.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Quantitative modeling of soft fin deformation using planar laser-induced fluorescence (PLIF) imaging enables high-fidelity validation of fluid-structure interaction (FSI) simulations in biomimetic systems. This capability supports predictive confidence in the design and control of compliant propulsion mechanisms, directly impacting early-stage R&D for advanced underwater robotics and soft material applications. Accurate deformation measurement informs mechanistic de-risking and portfolio triage for translational engineering solutions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rigorous hypothesis testing of material performance under dynamic actuation.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying deformation profiles in soft systems.
- Provides empirical data for validating computational models of fluid-structure interactions.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of standardized, reproducible soft material test systems for downstream analysis.
- Delivers quantitative deformation outputs suitable for comparative screening of material formulations.
- Enables scalable imaging workflows adaptable to diverse soft robotic prototypes.
Translational & Preclinical Research
- Aligns experimental deformation data with simulation outputs for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement of soft material technologies toward application-specific validation.
- Provides a platform for benchmarking new biomimetic materials in preclinical engineering contexts.
Pipeline & Workflow Integration
This PLIF-based deformation modeling method integrates into the discovery-to-validation continuum for soft material systems, bridging empirical measurement and computational prediction.
- Discovery Biology: Quantifies dynamic deformation to clarify material response mechanisms.
- Screening: Provides reproducible, quantitative imaging outputs for material comparison.
- Analytics: Enables extraction of time-resolved deformation profiles for statistical analysis.
- Translational Research: Connects experimental data to simulation models for preclinical validation.
- Enterprise Reuse: Establishes a generalizable workflow for soft material characterization across R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in soft material systems.
- Operational Value: Standardizes non-intrusive deformation measurement for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation for biomimetic technology portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of soft material innovations for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in synchronized imaging, laser safety, and image analysis.
- Demands access to pulsed laser systems, high-resolution cameras, and fluorescence filters.
- Necessitates cross-team standardization of calibration and synchronization protocols.
- Adaptable to various soft material systems with appropriate imaging and actuation adjustments.
- Visibility limitations may occur due to opaque structural components in some configurations.
