测量的方向和旋转速率方法3D打印在湍流颗粒
2016年6月24日
我们使用 3D 打印制造了千斤顶、十字形、四分体和三重体形状的各向异性粒子，这些粒子在湍流中的对齐和旋转可以从多个同步视频图像中测量。
该实验的总体目标是使用 3D 打印机制造各种形状的颗粒，并测量它们在湍流中的运动。这种方法可以帮助回答流体动力学中的关键问题，例如粒子在湍流中如何旋转和对齐。它的主要优点是它允许对具有复杂形状的颗粒的取向进行精确的时间分辨测量，这是以前的方法无法实现的。
这种方法提供了对圆盘和球体在湍流中的运动的见解，并可用于在许多其他情况下测量具有复杂形状的粒子的动力学。通常，刚接触这种方法的人将难以进行 3D 相机校准和调整方向查找算法以适应正在使用的特定粒子。Guy Marcus 将帮助演示该程序，他用十字架和 J 进行了最初的实验。
首先使用计算机辅助设计软件创建用于打印的粒子模型。要使用 AutoCAD 创建空间坐标轴，请首先使用圆命令绘制直径为 0.3 毫米的圆。然后，使用 extrude 命令使圆柱体长为 3 毫米。
这种大小的圆柱体是粒子的组成部分。现在使用 rotate 命令并选择旋转轴沿 X 轴，旋转角度为 90 度。调整视图以允许 Room 与其他圆柱体一起使用。
接下来，复制将成为三重轴第二个臂的圆柱体。在此圆柱体的末端，应用旋转 3D 命令，旋转轴沿 Z 轴。将圆柱体旋转 120 度以用于三重轴。
将旋转的圆柱体移动到位以形成三重轴的臂。圆柱体末端的中心应重合。以相同的方式制作和定位第三个臂。
然后，旋转对象，使没有圆柱体指向垂直或水平通道。当所有臂都就位后，将它们全部选中，然后使用 union 命令将它们合并为一个对象。将文件保存为用于 3D 打印的格式。
按照类似的步骤创建要在实验中使用的其他粒子。除了三重轴之外，还有由两个具有公共中心的正交圆柱体制成的十字架，由三个具有公共中心的相互正交圆柱体制成的千斤顶，以及圆柱体共享公共端的四分体，并且彼此成 109.5 度角。在高分辨率模式下打印大约 10， 000 个每种颗粒类型。
准备将打印的颗粒储存在它们具有中性浮力的溶液中。为此，请使用氯化钙溶液和大约 1， 600 升中性浮力密度的水。取出约 1 升溶液以储存每种类型的颗粒。
将一升溶液带到工作台上，开始处理颗粒。本实验中使用的颗粒是商业印刷的。它们被包裹在用作支撑材料的树脂中。
轻轻地将大块块分成小段，以释放颗粒。对每个部分进行手动按摩，直到大部分多余的树脂脱落。这将使后续步骤更容易。
为了进一步清洁颗粒，请在烧杯中制备 10% 质量的氢氧化钠溶液。接下来，将一些颗粒及其剩余的树脂放入烧杯中以去除树脂。将装有溶液的烧杯移入超声波浴中。
最初将颗粒在超声波浴中放置 1 小时，然后在冲洗后再放置半小时。为了回收颗粒，准备第二个烧杯来接收来自浴槽和过滤器的氢氧化钠溶液。超声波清洗步骤完成后，戴上手套从浴中取出烧杯，然后将内容物通过过滤器倒入第二个烧杯中。
在将颗粒移动到密度匹配的溶液中之前，先冲洗颗粒，以防止变形。这些颗粒已从树脂中释放出来，在超声波浴中清洗，现在可以染色，在绿色激光下发出荧光。要对颗粒进行染色，请使用 1 升罗丹明-B 染料的水溶液，然后将其放在热板上。
将染料加热到 80 摄氏度，用于该颗粒的材料。将储存中的颗粒松散地装满一个小容器。这将是大约 2， 500 个粒子。
将颗粒添加到染料溶液中，并在浸泡时保持温度。大约两三个小时后，将溶液和颗粒从火上移开。使用网状物和单独的容器过滤溶液中的颗粒。
小心不要在它们因高温而变软时损坏它们。接下来，仔细冲洗颗粒以去除多余的染料。完成后，将它们储存在中性浮力溶液中，直到实验需要它们。
实验将在水箱中进行，水箱中放置了摄像头以记录流动中心的颗粒。该示意图概述了储罐的设置，该储罐具有八角形横截面、用于创建湍流的振荡网格、测量体积和相机位置。至少使用四个摄像头以确保方向测量精度。
每台相机应至少具有每秒 450 帧的百万像素分辨率，并连接到专用计算机。将大角度的相机放置在任意两个相机之间，并确保它们都聚焦在所需的测量体积上。为了最大限度地减少光学失真，水箱中内置了垂直于摄像机观察方向的观察端口。
接下来，将图像校准掩码放置在水箱的测量体积中。这将允许分析相机收集的实验数据。为了模拟实验条件，开始用体中性浮力溶液填充水箱。
当水箱装满后，设置灯以照亮面罩。接下来，返回使用摄像机。将每个相机聚焦在掩模上的同一点，然后采集并存储图像以进行校准。
排空水箱后，通过放置钕钇铝石榴石激光器继续设置实验。安排分束器，将部分激光束引导至镜子。光线从镜子穿过形成圆柱形光束的透镜进入水箱。
在水箱的另一侧，放置一面镜子，以沿其路径将射出的激光反射回来。使用分束器的另一个输出以及类似的镜子和透镜排列来创建垂直于第一个光束的圆柱形光束，如本俯视图示意图所示。光束射出的镜子有助于产生更均匀的照明。
然后，检查装满脱气的中性浮力氯化钙溶液的水箱。在继续之前，请确保相机和数据采集软件已准备就绪。准备将已为该实验准备的大约 10， 000 个四分体添加到水箱中。
将它们移动到水箱顶部端口附近的位置。准备好后，打开端口，将颗粒添加到水箱中的水中。添加所有粒子后，关闭端口。
接下来，转到激光。在那里，打开它，然后打开激光孔径。然后使用网格控件开始以 3 赫兹的频率振荡网格。
在水箱中，让网格振荡约 1 分钟，以使湍流充分发展。此时，开始数据采集并记录大约 100 万帧。在运行结束时，停止数据收集并关闭激光孔径。
运行完所有实验后，移至水箱出口。在那里，放置一个过滤器以去除溶液中的颗粒，然后清空水箱。将收集的颗粒保存在中性浮力溶液中以备后用。
使用软件对记录的图像进行数据分析，以查找颗粒的位置和方向。以下步骤在 软件中实现。从四个相机捕获的粒子的四个同步图像开始，使用二维信息来确定其三维位置。
使用相机校准参数将光照粒子的三维数值模型投影到每个相机上。这将从所有四个摄像机上的粒子创建光强度的二维模型。接下来，运行非线性最小二乘拟合例程，以找到最适合所有四个相机上所见内容的模型方向。
组合来自所有四个相机的信息，以最小化投影到每个相机上的模型与观察到的粒子之间的差异。将对所有摄像机视野中具有粒子的所有帧执行这些步骤。这是四分体在位置和方向上的演变。
请注意四分体臂方向的不连续变化，这是在没有保护措施的情况下可能发生的。tetrad 演变的第二个版本表明，该软件确保每个帧的注油器角度是相对于前一帧的最小旋转。位置和方向信息将保存以备后用。
这是实验中 tetrad 的相机图像。在第二个图像中，叠加模型指示算法找到的方向。尽管二维强度模型很简单，但该方法可以准确测量粒子取向。
在实验中，使用找向算法来获得沿每个粒子的整个轨迹的加油器角度的演变。这是对 tetrad 在可视体积上的完整轨迹的重建。这是通过组合所有四个摄像机看到的每个帧的粒子的方向和三维坐标来实现的。
轨道的长度为 229 帧。请注意，粒子不是按比例绘制的。这些数据还允许确定测得的滚滚速率的概率密度函数。
红色方块是交叉的数据。蓝色圆圈是 Jack 的数据。实线表示球体数值模拟的结果，与实验数据非常吻合。
一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在三天内完成。在尝试此过程时，重要的是让颗粒在不同密度的溶液中放置几个小时。确保相机在整个实验过程中正确对齐、固定和同步也很重要。
在此程序之后，可以使用其他方法（如跟踪示踪粒子）来测量 3D 打印粒子如何响应周围流动中的全速度梯度张紧器。观看此视频后，您应该对如何使用各向异性粒子通过四个立体视频图像从湍流中提取有关速度梯度张紧器的信息有了很好的了解。不要忘记，使用罗丹明 B 染料和氢氧化钠可能是危险的，因此在执行此程序时应始终采取预防措施，例如手套和护目镜。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究利用3D打印技术创建各种形状（如杰克和十字）的各向异性粒子，以研究它们在湍流中的行为。该方法可以精确测量粒子的取向和动力学，为流体动力学提供洞察。
关键研究组成部分
科学领域
- 流体动力学
- 粒子运动分析
- 3D打印技术
背景
- 了解湍流中的粒子行为对各种应用至关重要。
- 传统方法在测量复杂粒子形状方面存在局限性。
- 3D打印提供了一种制造多样化粒子几何形状的新方法。
- 对于新手来说，3D摄像机和取向算法的校准可能具有挑战性。
研究目的
- 使用3D打印技术制造不同形状的粒子。
- 测量并分析这些粒子在湍流中的运动。
- 增强对复杂形状在湍流中行为的理解。
使用的方法
- 使用3D打印技术创建各向异性粒子。
- 同步视频成像以跟踪粒子运动。
- 校准3D摄像机以进行准确测量。
- 开发用于特定粒子形状的取向查找算法。
主要结果
- 成功制造了各种形状的粒子。
- 详细测量了湍流中粒子的对齐和旋转。
- 提供了对湍流中圆盘和球体动力学的洞察。
- 证明了该方法对复杂粒子形状的有效性。
结论
- 该研究为分析湍流中粒子行为提供了一种新方法。
- 3D打印技术可以创建复杂的粒子形状，从而增强研究能力。
- 未来的应用可能扩展到需要流体动力学分析的各个领域。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables precise measurement of anisotropic particle orientation and rotation in turbulent flows, providing quantitative data for fluid dynamics modeling. The approach supports target validation in preclinical research by offering a reproducible system to study particle behavior under controlled flow conditions. It enhances predictive confidence in lead identification by linking particle dynamics to mechanistic insights in complex environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled observation of particle alignment and rotation in turbulent flow.
- Operational Value: Provides a disease-relevant system for functional target validation by simulating physiological fluid environments.
- Predictive Confidence: Supports portfolio triage by generating quantitative orientation and rotation rate data to de-risk mechanistic assumptions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (via fluorescently dyed particles) for downstream workflows requiring time-resolved motion tracking.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized multi-camera imaging and calibration protocols.
- Scalability: Facilitates production of ~10,000 particles per shape, enabling high-throughput screening readiness and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects discovery through preclinical validation by measuring rotation rates as translational biomarkers of particle response to flow gradients.
- Operational Value: Addresses risk-adjusted advancement decisions by providing probability density functions of tumbling rates under turbulent conditions.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking by isolating variables in particle shape and flow dynamics to clarify biological behavior.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification by enabling hypothesis testing of particle behavior in flow, supporting assay readiness through standardized fabrication, and generating quantitative analytics for condition comparison.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by measuring how particle orientation evolves in turbulent flow.
- Screening: Delivers assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs via four-camera stereoscopic tracking and orientation fitting routines.
- Analytics: Provides measurements of 3D trajectories, orientation evolution, and rotation rate distributions that enable cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by using rotation rate as a biomarker-like readout for particle response to mechanical stress in flow.
- Enterprise Reuse: Frames the particle fabrication and imaging pipeline as a reusable capability across model systems and fluid dynamic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in particle-fluid interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of particle production and motion tracking.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early mechanistic insight.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative orientation and rotation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D camera calibration, stereoscopic imaging, and nonlinear least squares fitting for orientation determination.
- Needs instrumentation including synchronized megapixel cameras (450 fps), laser sheet illumination, and turbulent flow generation via oscillating grids.
- Demands cross-team standardization in particle fabrication, dyeing, and density matching to ensure neutrally buoyant behavior.
- Involves adaptation considerations when applying the orientation algorithm to non-tetrad particle shapes (e.g., crosses, jacks, triads).
- Includes practical limitations such as the need for low-Reynolds number flow (R_λ = 91) to approximate ellipsoidal tracer behavior and avoid particle deformation.
