Name: 基于平面激光诱导荧光成像的拍打软鳍变形建模 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-28T13:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 20 s
Description: 了解平面激光诱导荧光成像技术如何测量PDMS软鳍的三维形变，用于水下航行器鳍的设计与控制验证。该方法可同时测量固体与流体，为软体机器人系统提供高保真验证框架。

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本研究由美国海军研究办公室通过美国海军研究实验室（NRL）6.2 基础项目资助，在 Kaushik Sampath 担任 NRL 声学部雇员以及 Nicole Xu 在 NRL 计算物理与流体动力学实验室持有美国国家研究委员会研究协会奖期间完成。作者谨此感谢 Dr. Ruben Hortensius（TSI 公司）提供的技术支持与指导。

1. 鳍片制备
<ol>
	<li>根据所需形状设计制作鳍片模具。
	<ol>
		<li>设计并制作具有光泽表面的定制3D打印鳍片形状模具（图1）。参见 补充编码文件1-4 中用于制造模具的STL文件。</li>
		<li>将结构元件插入模具中，例如3D打印的刚性塑料前缘梁。参见 补充编码文件2 中梁的STL文件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按所需配比混合PDMS（见 材料表）。
	<ol>
		<li>选择基础弹性体与固化剂的配比（例如10:1或20:1），以分别获得较高或较低的弹性模量。称取相应质量的基础组分和固化剂。 
		注：本研究中同时使用了10:1和20:1（弹性体:固化剂）两种配比。</li>
		<li>称取荧光颜料（见 材料表），使最终混合物中颜料质量分数为0.1%–1%，具体比例根据所需着色亮度确定。将颜料加入PDMS混合物中。</li>
		<li>将称量好的弹性体、固化剂和颜料倒入行星式离心混合器中（以423 × g 转速混合30秒，再以465 × g 转速脱泡30秒），按程序进行混合。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在模具中浇铸鳍片。
	<ol>
		<li>对PDMS混合物进行脱泡处理后，将其倒入鳍片模具中。将模具置于70 °C烘箱中加热45分钟，随后在37 °C下静置过夜使其完全固化。</li>
		<li>固化完成后，将成型的鳍片从模具中取出（图2）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按照ASTM标准39进行拉伸测试。
	<ol>
		<li>针对第1.3步中每个浇铸的鳍片，使用相同的PDMS和颜料混合物，在Type IV形状模具中采用前述步骤1.1–1.3的方法浇铸一个Type IV试样。 
		注：参见 补充编码文件5 中用于浇铸Type IV试样的STL文件（模具见 图1C），图3 展示了所测试的Type IV样品示例。</li>
		<li>将测试试样夹持在拉伸试验机上（见 材料表）。测量试样窄部区域的初始长度、宽度和厚度（mm）。</li>
		<li>以5 mm为增量对试样施加拉力，确保样品仅在弹性范围内被拉伸，避免过度拉伸。随后以5 mm为增量逐步减小拉力，直至试样总位移恢复至0 mm（原始位置）。记录每次增量时窄部区域的长度（mm）和受力（N）。</li>
		<li>为计算试样的弹性模量，绘制应力-应变曲线，并确定最佳线性拟合及其R2值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 实验设置与试验
<ol>
	<li>将PLIF硬件（参见材料表）安装至一个矩形玻璃水箱（2.41 m&#160;x 0.76 m&#160;x 0.76 m）上。
	<ol>
		<li>安装并使用脉冲激光系统（参见材料表），以特定频率（30 Hz）在水箱中平面处生成一个平面光片，如图4所示。</li>
		<li>安装并使用配备镜头（35 mm）和长通荧光滤光片（560 nm）的4 MP电荷耦合器件（CCD）相机（参见材料表）。</li>
		<li>通过在激光片平面内放置标尺并用CCD相机拍摄单张图像，校准微米与像素的转换关系（图5）。在相机图像中选择两个位置，将微米距离除以像素间隔。确保该微米/像素比值足够小（亚毫米级），以满足应用需求。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>利用鳍片控制软件输出的触发信号以及延迟发生器及其配套软件的信号（参见材料表），同步激光脉冲、相机成像与摆动鳍片的运动。延迟发生器软件界面设置示例见补充图1。
	<ol>
		<li>设置激光系统。 
		注意：确保所有激光安全措施符合机构指南。
		<ol>
			<li>将电源钥匙向右旋转，启动激光头冷却用的制冷机，开启激光系统。系统准备就绪前，故障指示灯会闪烁。在所有激光模式正确设置之前，切勿按下开启激光的电源按钮。</li>
			<li>将触发源设置为EXT LAMP/EXT Q-SW（外部灯/外部Q开关）。</li>
			<li>对两个激光头，将激光能量设置为所需水平（例如，全功率的约60%–80%），并通过按下每个Q开关按钮确保Q开关已开启。</li>
			<li>按下电源按钮开启激光。 
			注意：由于触发源已设置为EXT LAMP/EXT Q-SW，激光头已准备就绪，但仅在接收到软件发出的外部触发信号后才会发射。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>设置相机。
		<ol>
			<li>将相机电源线插入，并确保与计算机和软件的连接正确无误。</li>
			<li>打开相机设置软件，并选择正确的端口。
			<ol>
				<li>在触发&#62;设置下，将&#34;触发输入：&#34;设为外部，将&#34;模式：&#34;设为快速。</li>
				<li>在曝光下，将&#34;曝光控制&#34;设为关闭。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>打开相机采集软件，并选择正确的相机卡。
			<ol>
				<li>点击抓取序列按钮。</li>
				<li>点击采集设置按钮，选择TIFF图像，选择帧序列…，并设置所需的文件路径、6位数字编号、连续，然后点击确认。</li>
				<li>点击开始采集。 
				注意：由于相机设置为外部触发，相机已准备就绪，但仅在接收到软件发出的外部触发信号后才开始采集图像。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>设置延迟发生器。
		<ol>
			<li>开启延迟发生器，并将外部门控通道连接至鳍片触发信号，通道A-D连接至激光器（A：激光头1，B：激光1的Q开关，C：激光头2，D：激光2的Q开关），通道E连接至相机。</li>
			<li>打开延迟发生器软件。</li>
			<li>将&#34;脉冲模式&#34;设为突发，将&#34;系统分辨率&#34;设为4 ns。</li>
			<li>将&#34;周期（s）&#34;设为0.033333352。</li>
			<li>将&#34;外部触发/门控模式&#34;设为触发，将&#34;阈值（V）&#34;设为0.20，将&#34;触发边沿&#34;设为上升沿。</li>
			<li>在通道&#62;通道A中，勾选启用复选框。将&#34;延迟（s）&#34;设为0.000000004，将&#34;宽度（s）&#34;设为0.005000000，将&#34;幅度（V）&#34;设为5.00，将&#34;通道模式&#34;设为占空比，将&#34;等待计数&#34;设为0，将&#34;同步源&#34;设为T0，将&#34;极性&#34;设为正常，将&#34;多路复用器&#34;设为A，将&#34;占空比开启&#34;设为1，将&#34;占空比关闭&#34;设为1，将&#34;门控模式&#34;设为禁用。</li>
			<li>在通道&#62;通道B中，勾选启用复选框。将&#34;延迟（s）&#34;设为0.000138000，将&#34;宽度（s）&#34;设为0.005000000，将&#34;幅度（V）&#34;设为5.00，将&#34;通道模式&#34;设为占空比，将&#34;等待计数&#34;设为0，将&#34;同步源&#34;设为通道A，将&#34;极性&#34;设为正常，将&#34;多路复用器&#34;设为B，将&#34;占空比开启&#34;设为1，将&#34;占空比关闭&#34;设为1，将&#34;门控模式&#34;设为禁用。</li>
			<li>在通道&#62;通道C中，勾选启用复选框。将&#34;延迟（s）&#34;设为0.033333304，将&#34;宽度（s）&#34;设为0.005000000，将&#34;幅度（V）&#34;设为5.00，将&#34;通道模式&#34;设为占空比，将&#34;等待计数&#34;设为0，将&#34;同步源&#34;设为通道A，将&#34;极性&#34;设为正常，将&#34;多路复用器&#34;设为C，将&#34;占空比开启&#34;设为1，将&#34;占空比关闭&#34;设为1，将&#34;门控模式&#34;设为禁用。</li>
			<li>在通道&#62;通道D中，勾选启用复选框。将&#34;延迟（s）&#34;设为0.000138000，将&#34;宽度（s）&#34;设为0.005000000，将&#34;幅度（V）&#34;设为5.00，将&#34;通道模式&#34;设为占空比，将&#34;等待计数&#34;设为0，将&#34;同步源&#34;设为通道C，将&#34;极性&#34;设为正常，将&#34;多路复用器&#34;设为D，将&#34;占空比开启&#34;设为1，将&#34;占空比关闭&#34;设为1，将&#34;门控模式&#34;设为禁用。</li>
			<li>在通道&#62;通道E中，勾选启用复选框。将&#34;延迟（s）&#34;设为0.000000004，将&#34;宽度（s）&#34;设为0.005000000，将&#34;幅度（V）&#34;设为5.00，将&#34;通道模式&#34;设为正常，将&#34;等待计数&#34;设为0，将&#34;同步源&#34;设为T0，将&#34;极性&#34;设为正常，将&#34;多路复用器&#34;设为E，将&#34;门控模式&#34;设为禁用。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调整鳍片位置，使激光片通过鳍片某一弦向截面的指定展向位置，并使用安装硬件固定鳍片平台。</li>
	<li>连接鳍片控制硬件和鳍片电机的电源（参见材料表），开始以选定的运动学参数进行鳍片摆动，并关闭所有环境光源。</li>
	<li>在延迟发生器软件中点击运行，开始同步实验，采集整个划动周期中激光片与鳍片交界面的图像。该过程需持续200个以上划动周期。</li>
	<li>在延迟发生器软件中点击停止，并断开鳍片的电源连接。</li>
	<li>移动鳍片平台，使激光片穿过新的展向位置，重复实验并再次采集图像。重复步骤2.3–2.6，完成所需次数的测量（如图2A中黑色虚线所示，共八个不同的展向位置）。</li>
	<li>更换为其他所需的鳍片膜（两种刚度：PDMS 10:1 和 PDMS 20:1），并重复实验。</li>
</ol>
3. 图像分析
<ol>
	<li>针对步骤 2.4 中进行的每个实验试验，找到存储图像的文件，并为划水周期中每个鳍条位置或相位创建一个子文件夹。将图像文件分类至对应的子文件夹中。</li>
	<li>对于每个鳍条相位的子文件夹，将 200 多张图像读取为像素值数组（imread.m）。对所有图像的像素值数组求和，再除以图像数量，以生成平均图像。将该图像写入新文件（imwrite.m）。对划水周期中的每个鳍条位置（共 30 个位置）重复此步骤。</li>
	<li>对每张平均图像执行直方图增强（imadjust.m），将图像的强度动态范围扩展至可用范围的全部区间，以提高鳍条与背景之间的对比度。</li>
	<li>设定强度阈值，对每张图像进行二值化处理，得到黑白图像（imbinarize.m）。所得的白色区域应对应于鳍条横截面的各部分。</li>
	<li>从二值图像中提取所有白色目标（鳍条部分）（bwareafilt.m），并显示图像（imshow.m）。通过选择所有与背景（黑色）像素相邻的鳍条（白色）像素，生成每张图像的二值边界轨迹，以获得二维形状（bwboundaries.m）。 
	注意：由于施加的鳍条运动学限制，某些帧中 PLIF 测得的横截面可能被鳍条的其他部分遮挡。在此类情况下，图像中可能无明显的完整鳍条形状，或仅前缘（LE）可见（图 6）。</li>
	<li>对每个鳍条横截面执行步骤 3.1–3.5。</li>
</ol>
三维偏转的重建
<ol>
	<li>假设柔性情况下前缘（LE）的位置（至少更靠近摆动轴）与相同形状的刚性鳍片的前缘位置相同，沿相同时间步长下两者的前缘进行平面切割，并与相应刚性鳍片形状的结果进行比较。</li>
	<li>使用最小二乘法拟合所有平面切割所得鳍片横截面的中线形状，并基于这些拟合轮廓通过简化的凸包方法重建三维鳍片形状。</li>
	<li>将所得鳍片形状与三维流固耦合（FSI）模型（由其中心线生成）进行比较，以展示该方法如何用于高保真度验证。
	<ol>
		<li>生成部分刚性尼龙与部分柔性PDMS鳍片的表面三角化网格。</li>
		<li>使用商业结构动力学软件（见材料表）获取该混合材料的模态。
		<ol>
			<li>进行缩放研究，使在鳍片表面施加均匀压差时获得的稳态位移相匹配。</li>
			<li>对模态进行缩放，使其与软件计算得到的位移一致。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在确定合适的缩放因子后，采用耦合FSI求解器中的前几个主导模态（通常为7或8个），模拟柔性鳍片周围的非定常流动。
		<ol>
			<li>将物体视为背景网格中的嵌入实体。 
			注：该耦合求解器已针对圆柱后方带有柔性尾刺的Turek-Hron流动问题进行了验证35，并已扩展用于扑翼鳍片的模拟36。</li>
			<li>根据实验结果设定鳍片运动的运动学参数。</li>
			<li>监测扑动周期内力产生的时间历程以及多个平面切割位置处鳍片形状的变化，并与实验结果进行比较。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drag+reduction+in+fish-like+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Drag reduction in fish-like locomotion.</a> Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).</li>
<li>Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PilotFish%3A+maximizing+agility+in+an+unmanned-underwater+vehicle%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+11th+International+Symposium+on+Unmanned+Untethered+Submersible+Technology%22%5BJournal%5D)">PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle.</a> Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).</li>
<li>Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+projected+performance+of+a+flapping+foil+AUV%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Oceanic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Design and projected performance of a flapping foil AUV.</a> IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).</li>
<li>Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+control+of+biomimetic+robot+fish+FAC-I%5BTitle%5D)+AND+%22Bio-mechanisms+of+Swimming+and+Flying%22%5BJournal%5D)">Design and control of biomimetic robot fish FAC-I.</a> Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).</li>
<li>Kato, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+pectoral+fin+actuators+for+biomimetic+underwater+vehicles%5BTitle%5D)+AND+%22Bio-mechanisms+of+Swimming+and+Flying%22%5BJournal%5D)">Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles.</a> Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).</li>
<li>Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+the+thrust+production+of+a+myliobatoid-inspired+oscillating+wing%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing.</a> Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).</li>
<li>Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+implementation+of+paired+pectoral+fins+locomotion+of+labriform+fish+applied+to+a+fish+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Bionic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot.</a> Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).</li>
<li>Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+fin+ray+flexural+rigidity+on+the+propulsive+forces+generated+by+a+biorobotic+fish+pectoral+fin%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin.</a> Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).</li>
<li>Park, Y. -J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -Y., Cho, K. -J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+compliant+joint+and+caudal+fin+in+thrust+generation+for+robotic+fish%5BTitle%5D)+AND+%222010+3rd+IEEE+RAS+%26+EMBS+International+Conference+on+Biomedical+Robotics+and+Biomechatronics%22%5BJournal%5D)">The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish.</a> 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).</li>
<li>Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robotic+pectoral+fin+thrust+vectoring+using+weighted+gait+combinations%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Bionics+and+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations.</a> Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985(2012).</li>
<li>Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+robotic+fish+caudal+fin%3A+effects+of+stiffness+and+motor+program+on+locomotor+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).</li>
<li>Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Segmentations+in+fins+enable+large+morphing+amplitudes+combined+with+high+flexural+stiffness+for+fish-inspired+robotic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Robotics%22%5BJournal%5D)">Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials.</a> Science Robotics. 6 (57), (2021).</li>
<li>Lauder, G. V., Madden, P. G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fish+locomotion%3A+kinematics+and+hydrodynamics+of+flexible+foil-like+fins%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins.</a> Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).</li>
<li>Bazaz Behbahani, S., Tan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+pectoral+fin+flexibility+in+robotic+fish+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nonlinear+Science%22%5BJournal%5D)">Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance.</a> Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).</li>
<li>Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+fluid+dynamics+of+flapping+foils%5BTitle%5D)+AND+%22Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">A review on fluid dynamics of flapping foils.</a> Ocean Engineering. 195, 106712(2020).</li>
<li>Park, H., Park, Y. -J., Lee, B., Cho, K. -J., Choi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vortical+structures+around+a+flexible+oscillating+panel+for+maximum+thrust+in+a+quiescent+fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid.</a> Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).</li>
<li>Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexibility+in+flapping+foil+suppresses+meandering+of+induced+jet+in+absence+of+free+stream%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream.</a> Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).</li>
<li>Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamics+of+tandem+flapping+pectoral+fins+with+varying+stroke+phase+offsets%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Fluids%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets.</a> Physical Review Fluids. 5 (9), 094101(2020).</li>
<li>Young, Y. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid-structure+interaction+analysis+of+flexible+composite+marine+propellers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers.</a> Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).</li>
<li>Hughes, B., Burghardt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+visual+fin+identification+of+individual+great+white+sharks%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Computer+Vision%22%5BJournal%5D)">Automated visual fin identification of individual great white sharks.</a> International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).</li>
<li>Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((955-fps+real-time+shape+measurement+of+a+moving%2Fdeforming+object+using+high-speed+vision+for+numerous-point+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+2007+IEEE+International+Conference+on+Robotics+and+Automation%22%5BJournal%5D)">955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis.</a> Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).</li>
<li>Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-shot+3D+tracking+based+on+polarization+multiplexed+Fourier-phase+camera%5BTitle%5D)+AND+%22Photonics+Research%22%5BJournal%5D)">Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera.</a> Photonics Research. 9 (10), 1924(2021).</li>
<li>Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+packaging+of+solid-state+integrated+circuit+chips+with+elastomeric+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics.</a> Scientific Reports. 3 (1), 1098(2013).</li>
<li>Majidi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft-matter+engineering+for+soft+robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials+Technologies%22%5BJournal%5D)">Soft-matter engineering for soft robotics.</a> Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477(2018).</li>
<li>Springer. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Springer+Handbook+of+Experimental+Fluid+Mechanics%22">Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics</a>. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).</li>
<li>Crimaldi, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planar+laser+induced+fluorescence+in+aqueous+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Planar laser induced fluorescence in aqueous flows.</a> Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).</li>
<li>Davidson, D. F., Hanson, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopic+Diagnostics%5BTitle%5D)+AND+%22Handbook+of+Shock+Waves%22%5BJournal%5D)">Spectroscopic Diagnostics.</a> Handbook of Shock Waves. , 741(2001).</li>
<li>Academic Press. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Handbook+of+Shock+Waves%22">Handbook of Shock Waves</a>. , Academic Press. San Diego. (2001).</li>
<li>Yang, W. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYang%2C+WJ+%22Handbook+of+Flow+Visualization%22">Handbook of Flow Visualization</a>. , Routledge. (2018).</li>
<li>Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+single-camera+coupled+PTV-LIF+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">A single-camera coupled PTV-LIF technique.</a> Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).</li>
<li>Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planar+laser-fluorescence+imaging+of+combustion+gases%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+B+Photophysics+and+Laser+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases.</a> Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).</li>
<li>Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertically+migrating+swimmers+generate+aggregation-scale+eddies+in+a+stratified+column%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column.</a> Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).</li>
<li>Mohaghar, M., Webster, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+non-linear+internal+waves+using+PIV%2FPLIF+techniques%5BTitle%5D)+AND+%2214th+International+Symposium+on+Particle+Image+Velocimetry%22%5BJournal%5D)">Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques.</a> 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).</li>
<li>Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tensile+properties+of+fumed+silica+filled+polydimethylsiloxane+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+A%3A+Applied+Science+and+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).</li>
<li>Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRamamurti%2C+R+%22Coupled+CFD%2C+structure+and+control+tool+for+simulation+of+flapping+wing+analysis%22">Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis</a>. , (2019).</li>
<li>Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid-structure+modeling+and+the+effects+of+passively+deforming+fins+in+flapping+propulsion+systems%5BTitle%5D)+AND+%22OCEANS+2021%3A+San+Diego+-+Porto%22%5BJournal%5D)">Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems.</a> OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).</li>
<li>Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAnderson%2C+DA+%22Computational+Fluid+Mechanics+and+Heat+Transfer.+Fourth+edition.+%7C+Boca%22">Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca</a>. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).</li>
<li>Löhner, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aL%C3%B6hner%2C+R+%22Applied+Computational+Fluid+Dynamics+Techniques%3A+An+Introduction+Based+on+Finite+Element+Methods%22">Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods</a>. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).</li>
<li>D20 Committee. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Test+Method+for+Tensile+Properties+of+Plastics%22">Test Method for Tensile Properties of Plastics</a>. , ASTM International. (2022).</li>
<li>Bai, K., Katz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+refractive+index+of+sodium+iodide+solutions+for+index+matching+in+PIV%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV.</a> Experiments in Fluids. 55 (4), 1704(2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

平面激光诱导荧光通常通过在流体中掺入染料来可视化水相流动，当染料暴露于激光片光时会产生荧光25,26。然而，此前尚未有报道将PLIF用于可视化可变形材料中的形变，本研究描述了一种利用PLIF获取柔性固态鳍片高分辨率形状形变时间历程测量结果的方法。将这些鳍片测量结果与流固耦合（FSI）模拟进行比较，可验证数值模型，并进一步增强利用计算结果进行鳍片设计与控制的信心。
在针对柔性材料的PLIF技术应用中，存在若干局限性，其中变形表征会受到结构中不透明元件造成的遮挡影响（本研究中为前缘刚性翼梁）。此外，PLIF技术还受到全内反射（TIR）的影响，当光线在PDMS-水界面的局部入射角超过相应的临界值时，就会发生全内反射。尽管所浇铸的PDMS鳍片在光学上是透明的，但其折射率（1.49）远高于水（1.33），导致临界角为63.5°，从而引起光学畸变和遮挡。因此，当发生较大变形时（例如本研究中鳍片末端附近区域），局部入射角可能超过63.5°，导致入射激光束被反射回鳍片内部，进而在采...

在自然界中，许多鱼类物种进化出了多种身体和鳍的运动方式以实现游动。对鱼类游动原理的研究推动了仿生推进系统的设计，生物学家与工程师合作，致力于开发适用于水下航行器的新一代高效推进与控制机制。多个研究团队已对鳍的构型、形状、材料、划动参数以及表面曲率控制技术进行了研究1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12。大量计算与实验研究已证实，表征梢涡生成与尾流倾斜对于理解单鳍及多鳍系统的推力产生具有重要意义13,14,15,16,17,18。对于由柔性材料制成的鳍机构，已有研究表明其可减小尾流倾斜并提高推力17，因此，必须准确捕捉并建模其变形的时间历程，以结合流场结构进行分析。这些结果可用于验证计算模型、指导鳍的设计与控制，并促进对柔性材料非定常水动力载荷这一亟需验证的活跃研究领域的发展19。已有研究采用基于高速图像的直接形状追踪方法对鲨鱼鳍及其他复杂物体进行观测20,21,22，但由于复杂的三维鳍形常会遮挡光学通路，使得测量变得困难。因此，迫切需要一种简单而有效的方法来可视化柔性鳍的运动。
在顺应性鳍状机构中广泛使用的一种材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），因其成本低、易于使用、刚度可调，并且适用于水下环境23，Majidi 等人的一篇综述对此有详尽描述24。除了这些优点之外，PDMS 还具有光学透明性，有利于采用平面激光诱导荧光（PLIF）等光学诊断技术进行测量。在实验流体力学领域25，PLIF 传统上通过在流体中添加染料或悬浮颗粒，或利用流场中已有物质在激光片照射下发生量子跃迁而产生荧光，从而实现对流体流动的可视化26,27,28,29。这一成熟的技术已被用于研究基础流体动力学、燃烧过程以及海洋动力学26,30,31,32,33。
在本研究中，采用平面激光诱导荧光（PLIF）技术对仿生柔性机器鱼鳍的形状变形进行时空分辨测量。实验通过在不同弦向横截面处观察聚二甲基硅氧烷（PDMS）鱼鳍的水下运动学特性来实现可视化，而无需向流体中添加染料。尽管对普通浇铸的PDMS材料无需额外荧光处理即可进行平面激光成像，但对PDMS进行荧光增强改性可减少背景结构（如鱼鳍固定装置）的干扰，从而提高图像的信噪比（SNR）。PDMS的荧光化可通过两种方法实现：荧光颗粒掺杂或色素染色。已有报道指出，对于给定组分比例，前者会改变最终浇铸所得PDMS的刚度34。因此，在本PLIF实验中，采用了一种无毒且市售的色素与透明PDMS混合，以浇铸制备出具有荧光特性的鱼鳍。
为了举例说明如何利用这些鳍的运动学测量数据来验证计算模型，随后将实验测得的运动学参数与鳍的流固耦合（FSI）模型的计算结果进行比较。计算中所用的FSI模型基于通过实测鳍材料属性计算得到的前七个本征模态。成功的对比结果可验证鳍模型的准确性，并增强利用计算结果进行鳍结构设计与控制的信心。此外，PLIF结果表明，该方法在未来研究中可用于验证其他数值模型。有关这些FSI模型的更多详细信息，可参见先前的研究35,36以及计算流体动力学方法的基础文献37,38。未来的研究还可实现对固体变形与流体流动的同步测量，从而改进对机器人鳍、仿生软体机器人及其他应用中流固耦合现象的实验研究。此外，由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其他相容性弹性体广泛应用于传感器、医疗设备等多个领域，利用该技术对柔性固体中的变形进行可视化，将使工程学、物理学、生物学和医学领域的更广泛科研群体受益。

<table><tbody><tr><td>ADMET 控制器</td><td>ADMET</td><td>MTESTQuattro</td><td></td></tr><tr><td>Axon II</td><td>Society of Robots</td><td></td><td>鱼鳍硬件用微控制器</td></tr><tr><td>Berkeley Nucleonics 延迟发生器</td><td>Berkeley Nucleonics Corp</td><td>Model 525</td><td>BNC 延迟发生器及配套软件</td></tr><tr><td>BobCat Cam Config</td><td>Imperx</td><td></td><td>相机设置软件</td></tr><tr><td>CCD 相机</td><td>Imperx</td><td>B2340</td><td>4 兆像素</td></tr><tr><td>COMSOL</td><td>COMSOL Inc</td><td></td><td>用于流固耦合建模的商用结构动力学软件</td></tr><tr><td>D646WP 伺服电机</td><td>Hitec</td><td>36646S</td><td>32 位、数字式、高扭矩、防水伺服电机，用于鱼鳍俯仰旋转</td></tr><tr><td>D840WP 伺服电机</td><td>Hitec</td><td>36840S</td><td>32 位、多用途、防水、钢齿轮伺服电机，用于鱼鳍摆动旋转</td></tr><tr><td>Electric Pink 荧光颜料</td><td>Silc Pig</td><td>PMS812C</td><td></td></tr><tr><td>EverGreen（532 nm 双脉冲 Nd:YAG 激光系统）</td><td>Quantel</td><td>EVG00070</td><td>激光头及电源，70 mJ</td></tr><tr><td>力传感器</td><td>ADMET</td><td>SM-10-961</td><td>10 lbf 负载单元</td></tr><tr><td>FrameLink Express</td><td>Imperx</td><td></td><td>相机采集软件</td></tr><tr><td>长通荧光滤光片</td><td>Edmund Optics</td><td></td><td>560 nm</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td></td><td>图像分析软件</td></tr><tr><td>行星式离心混合机</td><td>THINKY MIXER</td><td>AR-100</td><td></td></tr><tr><td>硅橡胶化合物</td><td>Momentive</td><td>RTV615</td><td>透明 PDMS</td></tr><tr><td>Stratasys J750</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D 打印机，PolyJet 技术</td></tr><tr><td>万能试验机</td><td>ADMET</td><td>eXpert 2611</td><td>台式型号</td></tr><tr><td>VeroBlack</td><td>Stratasys</td><td></td><td>用于制作模具的 3D 打印材料</td></tr><tr><td>VeroGray</td><td>Stratasys</td><td></td><td>用于制作模具的 3D 打印材料</td></tr></tbody></table>

使用平面激光诱导荧光成像对扑翼软鳍变形进行建模

Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

受多种鱼类鳍的推进机制启发，相关研究日益增多，因其在无人车辆系统中具有提升机动性和隐蔽性的潜力。与较刚性的结构相比，这些鳍机构膜中使用的柔性材料已被证明能有效提高推力和效率，但准确测量和建模这些柔性膜的变形至关重要。本研究提出了一种利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术表征柔性水下扑动鳍随时间变化的形变特性的实验流程。制备了不同刚度（0.38 MPa 和 0.82 MPa）的含色素聚二甲基硅氧烷鳍膜，并将其安装在可实现俯仰和滚动两个自由度运动的驱动装置上。通过获取多个展向平面的PLIF图像，经处理获得鳍的变形轮廓，并进一步融合重建出随时间变化的三维变形鳍形。所得数据可用于高保真度流固耦合仿真验证，从而加深对这类复杂推进系统性能的理解。

一种梯形仿鱼胸鳍由两种不同材料（PDMS 10:1 和 20:1，均混入荧光染料）通过模具浇铸而成，每种材料制成的鳍均在其前缘四分之一弦线处嵌入刚性前缘梁（图2 和 图3）。对这两种鳍材料进行拉伸测试（图3）得到的弹性模量分别为：PDMS 20:1 鳍为 0.38 MPa，PDMS 10:1 鳍为 0.82 MPa，两次测量的 R2 均为 0.99（对应的应力-应变曲线见补充图2）。
为了捕捉鳍的运动，将相机放置在使焦平面上的微米与像素比例为 125 µm/像素的位置。通过延迟发生器连接并编程，根据每个鳍摆动周期中点处的单个触发信号，以每鳍摆动周期30个等时间间隔同步触发激光器和相机。调整鳍的位置，使激光片穿过鳍的一个弦向截面。该操作在距离鳍根部 1.876 cm 至 13.132 cm 的八个展向位置上进行（<strong class="xfig"...

本方案涉及对采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制备的水下扑翼鳍三维形状变形的测量与表征。准确重建这些变形对于理解柔性扑翼鳍的推进性能至关重要。

受多种鱼类鱼鳍推进机制启发的研究日益增多，因其在提升机动性方面具有潜在优势。

非侵入式测量软体机器人鳍状结构形变的能力至关重要，因为它有助于优化水下航行器的鳍状结构设计与控制，并验证计算模型。我们可以重新利用流体动力学中已有的工具——平面激光诱导荧光技术，并将其扩展应用于固体材料，从而实现对固体与流体的同步测量。该方法可推广至各类软体机器人系统与材料。我们不仅可以利用该技术验证流体-结构相互作用，还可用于研究适用于传感器和医学应用的柔性材料。首先设计并制作一个具有光面处理的3D打印鳍状定制模具。通过将脉冲激光系统安装在一个矩形玻璃水箱上，形成一个在水箱中平面以30赫兹频率相交的平面光片，从而建立实验装置。安装一个四百万像素的电荷耦合器件（CCD）相机，配备35毫米镜头和516纳米的长通荧光滤光片。安装完成后，将标尺置于激光片光平面内，用CCD相机拍摄单幅图像，以完成微米到像素转换的校准。然后在相机图像上选择两个位置，用微米表示的距离除以像素间隔，计算转换系数。确保微米到像素的比率足够小，或处于亚毫米范围内，以满足应用需求。利用鳍片控制软件的触发输出信号以及延迟发生器及其配套软件的信号，实现激光脉冲与相机图像和振翅鳍的同步。确保所有激光安全措施符合机构指南要求。设置激光系统时，使用电源键启动激光系统，以运行制冷器来冷却激光头。在系统准备好为激光器供电之前，故障指示灯会持续闪烁。将触发源设置为外部灯泵、外部Q开关。对于两个激光头，将激光能量设置为满功率的60%至80%，然后按下每个Q开关按钮。接着通过按下电源按钮开启激光器。接下来，将电源线插入相机，并确保与计算机正确连接，然后打开相机设置软件并选择正确的端口。打开延迟发生器后，将外部门控通道连接至鳍触发器，通道 E 连接至相机，通道 A 至 D 连接至激光器。然后，打开延迟发生器软件，选择脉冲模式为突发模式，系统分辨率为四纳秒。设置周期（单位为秒）。将外部触发/门控模式设置为触发模式，阈值设为 0.20 伏特，触发电平为上升沿。同时，按照脚本中的描述设置各通道。调整鳍的位置，使激光片通过鳍的展向位置处的一个弦向截面，然后使用安装硬件固定鳍平台。接通鳍控制硬件和鳍电机的电源，开始按照选定的运动学参数进行鳍的扑动，并关闭所有环境光。在延迟发生器软件中，按下运行以启动同步实验，采集激光片光与鳍在扑动周期内相交区域的图像。在环境光关闭、激光片光开启的条件下，观察水箱中鳍的扑动情况。实验结束后，在断开鳍片电源前先按下停止按钮。移动鳍片平台，使激光片穿过新的展向位置。更换为其他所需的鳍片膜，并按照之前演示的方法进行实验，以获取所需数量测量的图像。通过从黑白区域的filt dot M二值图像中提取代表鳍横截面的所有白色物体，并使用M show dot M显示图像，来分析图像。然后，通过选择所有与黑色背景像素接触的鳍像素，为每幅图像创建二值图像边界的轨迹，从而获得二维形状。将得到的鳍形状与基于中心线生成的三维流固耦合（FSI）模型进行比较，以展示该方法如何用于高保真度验证。编程控制的鳍运动学产生了43度的摆动幅度和17度的俯仰幅度。该图像展示了在冲程中两个位置的对比，一个位于上冲程的中点，另一个位于下冲程的中点。此外，对比是在PDMS 10:1和PDMS 20:1鳍片的形状变形之间进行的。通过平面激光诱导荧光、流固耦合（FSI）以及刚性情况下的中段上拍阶段，重建了三维鳍状结构的形状，展示了本技术为流固耦合模拟提供高保真验证的能力。在实验中，由于不透明的刚性翼梁存在，无法在每一步都观察到鳍的横截面。图像显示的是鳍不可见时的结果。最重要的是在进行完整实验之前测试各组件的同步性。一旦设定好时间，应先进行一次测试运行。

flapping-soft-fin-deformation-modeling-using-planar-laser-induced

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

基于平面激光诱导荧光成像的拍打软鳍变形建模

细胞迁移等细胞过程传统上是在二维刚性塑料表面进行研究的。本报告描述了一种技术，可直接观察蛋白质定位，并分析在更接近生理条件的三维基质中迁移细胞内的蛋白质动态变化。...

活细胞成像观察在三维基质中迁移并表达荧光标记蛋白的细胞

本文展示了蛋白质功能化的平面玻璃支持脂双层的制备、蛋白质在脂双层内的流动性测定以及蛋白质密度的测量方法。同时概述了构建低噪声全内反射显微镜的路线图，该显微镜能够以高时空分辨率对脂双层中单个荧光染料分子进行可视化观察。...

单分子荧光显微镜在平面支撑双层膜上的应用

我们提出了一种用于检测和表征微机电系统（MEMS）器件的紧凑型反射式数字全息系统（CDHM）。该系统采用无透镜设计，利用发散输入波实现自然的几何放大。文中展示了静态与动态研究结果。...

用于MEMS检测与表征的紧凑型无透镜数字全息显微镜

本文介绍了一种干涉光激活定位显微镜（iPALM）的技术方案，该方法是一种基于单分子定位的三维超分辨率显微成像技术，用于贴壁哺乳动物细胞中肌动蛋白细胞骨架的成像。该技术能够通过光学手段实现纳米尺度结构特征的可视化，而这些结构在传统受衍射极限限制的光学显微镜下无法分辨。...

通过干涉光激活定位显微镜（iPALM）对F-actin丝进行三维超分辨率成像

本方案概述了采用图像引导的激光降解技术，在聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶中构建源自血管、具有仿生特性的微流体网络的方法。此类仿生微流体系统可应用于组织工程、组织构建 体外...

基于影像引导的激光制造血管衍生微流体网络

该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在此，我们将激光器与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以两束相位相反的调制线对样品表面进行确定性的加热，同时采集高分辨率的热图像。通过分析热波干涉极小值，可确定缺陷的位置。...

利用激光投影光热成像技术通过结构化加热实现亚表面缺陷定位

冰冻圈中的碳通量目前几乎尚未得到评估，但在气候变化方面至关重要。本文展示了一种新型原型装置，该装置基于激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）技术，在原位条件下提供高光谱和高空间分辨率的数据，用于捕捉表生冰川环境中的光合潜力。...

激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）作为一种新型非侵入式工具用于冰冻圈生境中生物标志物的原位测量

本文介绍的实验方案可实现微图案的自动化制备，从而标准化哺乳动物细胞的细胞形态，用于研究细胞内的细胞骨架结构。该技术操作简便，可使用市售的成像系统进行搭建，无需标准细胞生物学实验室难以获得的专用设备。...

通过红外激光辅助微图形化技术控制细胞几何形态

本文介绍了多种多细胞球体的形成方法，用于后续的多参数活细胞显微成像。通过荧光寿命成像显微技术（FLIM）、细胞自发荧光、染色染料和纳米颗粒，展示了对活体三维（3D）肿瘤细胞和干细胞来源的球体中细胞代谢、缺氧状态及细胞死亡进行分析的方法。...

多细胞球体的制备及多参数活细胞荧光寿命成像显微镜（FLIM）分析

介绍了一种利用激光微加工技术对光吸收复合聚合物材料（特别是磁活性弹性体，MAEs）施加表面形貌的方法。该方法可实现表面形貌设计的高度灵活性和快速原型制作。文中展示了对MAE表面进行结构化处理、表征及其对外加磁场响应的示例。...

激光微加工用于聚合物表面形貌设计

介绍了一种获取焊道近实时计量数据的方法，并自动将所得几何形状准备用于有限元分析。...

基于激光的焊缝几何形貌自动采集及其在有限元分析中的应用

了解平面激光诱导荧光成像技术如何测量PDMS软鳍的三维形变，用于水下航行器鳍的设计与控制验证。该方法可同时测量固体与流体，为软体机器人系统提供高保真验证框架。

使用平面激光诱导荧光成像对扑翼软鳍变形进行建模

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