利用PVDF薄膜传感器测量水黾腿部向上跳跃时的动态受力

摘要

本方案旨在研究水黾在水面自由快速移动的机制。该方案包括观察其腿部的微观结构，以及测量在不同速度下离开水面时的黏附力。

摘要

本研究旨在解释自然界中水黾通常能够轻松而快速地在水面跳跃或滑行的现象，其最高速度可达150 cm/s。首先，我们利用扫描电子显微镜观察了水黾腿部的微观结构与层级构造。基于所观察到的腿部形态，建立了水黾腿部脱离水面的理论模型，从能量降低的角度解释了水黾能够在水面 effortless 滑行的能力。其次，设计了一种基于高灵敏度PVDF薄膜传感器的动态力测量系统，可检测整个相互作用过程。随后，以不同速度将单根腿部结构从水中垂直上拉，同时测量其黏附力。脱离实验的结果为深入理解水黾的快速跳跃机制提供了依据。

引言

在自然界中，水黾依靠其细长且不沾水的腿部，能够在水面上轻松、快速地跳跃或滑行^1,2,3,4,5，但很少缓慢移动，这与陆生昆虫不同。水黾腿部的多级结构能够稳定其超疏水状态，从而显著减少水与腿部之间的接触面积和附着力^6,7,8,9。然而，水黾快速脱离水面的水动力学优势至今仍缺乏充分解释^10,11,12。

从水面起跳的过程主要分为三个阶段^13,14,....

方案

1. 水黾腿部表面结构的观察

1. 使用捞网从当地淡水池塘中采集水黾。
2. 用剪刀剪下至少5对中足作为实验样品。操作时小心触碰腿的底部，避免腿部前端表面污染及微结构破坏。
3. 将腿部在空气中自然晾干。
4. 使用具有微米级分辨率的扫描电子显微镜观察腿部表面微结构，如图1a所示。
5. 使用具有纳米级分辨率的扫描电镜观察腿部的微刚毛结构，如图1b所示。

2. 准备动态力测量系统的组件

1. 购买尺寸为 14.9 × 10.2 mm² × 28 μm 的 PVDF 薄膜传感器，其每微应变可产生超过 10 mV 的输出信号。
   注意：PVDF 薄膜传感器用于高灵敏度地检测动态接触力。
2. 购买电荷放大器，其最大电荷增益为 1000 mV/pC，噪声低于 5 μV。
   注意：电荷放大器用于放大 PVDF 薄膜传感器的信号，将换能器输出的电荷转换为电压信号。
3. 购买数据采集设备，其模拟输入的采样率范围为 1 S/s 至 102.4 kS/s。
   注意：数据采集设备用于读取电荷放大器的电压数据，并将其传输....

结果

提升速度与附着力之间的关系如表 1所示。当提升速度从 0.01 m/s 增加到 0.3 m/s 时，水面与腿部之间的附着力显著地从 0.10 降低至 0.03。离水实验的结果表明，随着提升速度的增加，峰值附着力会显著下降，这表明水黾在水面上快速移动时可能更容易脱离水面。

本文基于腿部微结构及刚毛形状，建立了腿部脱离水面的力学模型，可用于阐明水黾以较低能量损耗实现轻松跃离水面的机制。图1显示，腿部刚毛呈锥形柱状结构，前端细而末端极粗，导致前端刚度远低于后端。因此，刚毛前端易于弯曲，而后端则因具有优异的刚性而几乎不变形。当腿部从水面提起时，腿部上的刚毛在粘附力作用下发生弯曲，最终垂直于水面，如图5所示。水沿刚毛自然下落，能量耗散极低，可忽略不计。刚毛的弯曲显著减小了固液接触线，使其缩减为直径0.2 m的圆.......

讨论

在本实验方案中，成功设计、组装并校准了一种基于PVDF薄膜传感器的动态力测量系统，用于测量远离水面时的附着力。在整个实验过程中，关键步骤是以不同速度将腿部从水面提起，以测量附着力，因为本研究聚焦于水黾在水面快速机动的显著特性。脱离实验的结果表明，当提升速度增加时，附着力减小。这些结果阐明了水黾在水面高速移动时所受到的阻力更小，因而更加轻松。

基于PVDF的动态力测量方法是对传统方法的重要补充。在以往的研究中，水黾脱离过程中腿部的附着力通常采用原子力显微镜（AFM）在准静态模式下进行测量。与AFM方法相比，尽管PVDF薄膜传感器的测量精度略低，但它能够测量更大尺度宏观物体的作用力。此外，由于其具有较宽的频率响应特性，PVDF薄膜传感器可测量腿部与水面之间的动态相互作用，而AFM则仅适用于准静态条件。

所提出的动态力测量方法仅限于微小力的测量。若对悬空的传感器施加较大的力，会导致PVDF薄膜传感器发生显著形变，从而产生不精确的测量结果。此外，PVDF薄膜传感器的敏感区域较小，限制了被测物体的尺寸。然而，与传统方法相比，该方法能够测.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜传感器	TE Connectivity	DT1-028K/L	聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜传感器用于检测动态接触力。
电荷放大器	无锡夏奥科技有限公司	YE5852B	电荷放大器 是一种电子电流积分器，可产生与输入信号积分值成正比的电压输出。
数据采集设备	National Instruments	USB-4431	数据采集设备用于读取电压数据。
位移平台	卓立汉光仪器有限公司	KSAV1010-ZF	KSAV1010/2030-ZF 是一种高分辨率、高稳定性、高负载的楔形垂直位移平台。
CCD 相机	深圳安盾科技有限公司	数字显微镜 A1	帧率：30 帧/秒；焦距：5 mm - 30 mm
计算机	联想	G480
伺服电机	EMAX US Inc.	ES08MD	该伺服电机性能良好，转速范围为 0.10 秒/60°/4.8 V 至 0.08 秒/60°/6.0 V。
机械移液器	龙腾实验仪器有限公司	YE5K693181	移液器的体积范围为 0.1 μl 到 2.5 μl。