使用平面激光诱导荧光成像对扑翼软鳍变形进行建模

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。