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方法文章

利用PVDF薄膜传感器测量水黾腿部向上跳跃时的动态受力

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DOI：

10.3791/58221

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2018年8月3日

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

本文内容

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13,14,15,16。首先，水黾利用中足和后足将水面下压，将生物能转化为水的表面能，直至下沉至最大深度，借此确定起跳方向并决定脱离速度。随后进入上升阶段，昆虫被弯曲水面的毛细力向上推动，直至达到最大速度。在最后的脱离阶段，水黾依靠惯性继续上升，直至脱离水面，但由于与水的附着力作用，其速度显著降低，这一附着力对水黾的能量消耗具有主要影响。因此，本方案旨在测量脱离阶段在不同起飞速度下的附着力，并解释快速运动的显著特征。

已有许多研究致力于探索水黾在从水面推进时的附着力。Lee & Kim 从理论和实验上证实，当接触角增加到160度时，抬起水黾腿部所需的附着力和能量显著降低17。潘振中设计了一项流体静力学实验，利用TriboScope系统测量附着力，发现其值仅为水黾体重的1/518。黄克智通过二维模型分析了腿部从水面脱离的准静态过程，发现腿部的超疏水性在降低附着力和能量耗散方面起到了重要作用19。然而，以往研究中对附着力的测量仅限于准静态过程，无法监测快速跳跃过程中附着力的动态变化。

本研究中，我们设计了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜传感器及其他辅助仪器的动态力测量系统。与其他压电材料相比，PVDF在测量动态微小力方面具有更高的灵敏度，因而更为适用20,21,22。通过将PVDF薄膜传感器集成到该系统中，可在腿部从水面抬起时实时检测并处理附着力23,24,25。

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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，并将其传输至计算机进行进一步处理和显示。
  4. 购买多个高精度位移台和一个伺服电机。
    注意：伺服电机驱动腿部以不同速度离开水面。
  5. 购买一台焦距范围为 5 mm 至 30 mm、帧速率为 30 fps 的 CCD 相机。
    注意：该相机用于记录和监测水面的形变以及腿部与水面之间的距离。
  6. 准备一台高性能计算机。

3. 动态力测量系统各部件的组装

  1. 根据图2a所示的示意图和图2b所示的实际实验装置，组装动态力测量系统。
  2. 将带有电极的一端PVDF薄膜传感器固定在水平框架上的高精度位移平台上，另一端悬空。这种PVDF薄膜传感器的安装方式有助于提高动态微小力测量的分辨率。
  3. 将PVDF薄膜传感器连接至电荷放大器，电荷放大器连接至数据采集设备，数据采集设备再连接至计算机。
  4. 将相机固定在PVDF薄膜传感器左侧的高精度位移平台上。
  5. 为快速粗略调节足部与水面之间的距离，将一个高精度位移平台固定在PVDF薄膜传感器上方的支架上，使其与PVDF薄膜传感器的间距约为10 cm。
  6. 为以精确速度将足部从水面提起，在高精度位移平台下方固定伺服电机。

4. 动态力测量系统的校准

  1. 使用静电作用力系统26在PVDF薄膜传感器自由端施加一个微小的恒定作用力，其大小应小于0.5 µN。通过向平行圆柱形电容器的内外电极施加电压，来控制该系统的静电力。
    ​注意：作用力方向应垂直于PVDF薄膜表面，且作用点应尽可能靠近PVDF薄膜传感器的顶端，以提高灵敏度。
  2. 在短时间内释放该作用力，以产生阶跃输入。
  3. 使用LabVIEW软件在计算机中读取步骤4.2的电压-时间信号，该软件用于读取PVDF薄膜传感器的输出电压信号。
    1. 在National Instruments官方网站下载LabVIEW软件及硬件驱动程序NI-DAQmx。
    2. 打开LabVIEW中的连续模拟电压测量示例程序，如图3所示。
    3. 在通道设置模块中，选择与电荷放大器相连的数据采集设备的物理通道。
    4. 在时序设置模块中，将采样率设置为100000，采样点数设置为100000。
    5. 在日志设置模块中，选择记录并读取作为日志模式，并填写文件路径以存储电压数据。
    6. 在触发设置模块中，选择无触发。
    7. 单击工具栏中的箭头形按钮，开始采集电压信号。
  4. 分析电压曲线，其中峰值电压对应于作用在传感器上的力。
  5. 在不同输入力条件下重复步骤4.1–4.4，获得一系列电压-力数据点。
  6. 根据标定结果，确定峰值输出电压与标准作用力之间的关系。

5. 特定速度下黏附力的测量

  1. 使用机械移液器将一滴水（5 µL）置于PVDF薄膜传感器的自由端。
    注意：液滴的位置应靠近PVDF薄膜传感器的尖端。
  2. 将单根腿固定在高精度位移台下方的伺服电机上。
  3. 向下移动高精度位移台，直至腿接触水面，如图4a所示。通过安装在传感器左侧的摄像系统监测腿与水面之间的距离。
  4. 通过伺服电机以恒定速度将腿从水面提起。
  5. 利用步骤4.6中建立的模型，计算脱离过程中电压曲线各点对应的力，然后绘制脱离过程的力-时间曲线，如图4b所示。
  6. 记录在特定速度下脱离过程的最大附着力。

6. 不同速度下黏附力的测量。

  1. 通过伺服电机调节腿部的提升速度，并按照步骤5测量附着力。
  2. 利用步骤6.1获得的数据，绘制附着力随提升速度变化的曲线。
  3. 通过该曲线分析附着力与提升速度之间的关系。

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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...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢中国科学技术部国家科技支撑计划（编号：2011BAK15B06）对本研究的支持。 感谢本实验室硕士研究生Shuya Zhuang协助完成视频拍摄工作。

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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 ConnectivityDT1-028K/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 InstrumentsUSB-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-ZFKSAV1010/2030-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。

参考文献

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