Flapping Soft Fin Deformation Modeling mit planarer laserinduzierter Fluoreszenzbildgebung

Die Fähigkeit, Verformungen von weichen Roboterflossen nicht intrusiv zu messen, ist wichtig, da wir das Flossendesign und die Steuerung für Unterwasserfahrzeuge besser informieren und Rechenmodelle validieren können. Wir können ein bestehendes Werkzeug innerhalb der Fluiddynamik, die sogenannte planer laserinduzierte Fluoreszenz, wiederverwenden und für Feststoffe erweitern, die dann für gleichzeitige Messungen von Festkörpern und Flüssigkeiten verwendet werden könnten. Diese Methode ist auf weiche Robotersysteme und -materialien verallgemeinerbar.

Wir können diese Technik nicht nur zur Validierung von Fluidstrukturwechselwirkungen verwenden, sondern auch zur Untersuchung flexibler Materialien für Sensoren und medizinische Anwendungen. Beginnen Sie mit dem Entwerfen und Erstellen einer benutzerdefinierten 3D-gedruckten, glänzenden Form in Flossenform. Bereiten Sie einen Versuchsaufbau vor, indem Sie ein gepulstes Lasersystem auf einem rechteckigen Glaswassertank montieren, um eine Hobelleuchtplatte zu erzeugen, die den Tank an seiner Mittelebene bei 30 Hertz schneidet.

Installieren Sie ein mit vier Megapixeln gekoppeltes Gerät oder eine CCD-Kamera mit einem 35-Millimeter-Objektiv und einem Long-Pass-Fluoreszenzfilter von 516 Nanometern. Führen Sie nach der Installation eine Kalibrierung der Mikrometer-zu-Pixel-Konvertierung durch, indem Sie ein einzelnes Bild von der CCD-Kamera mit einem Lineal in der Laserblattebene aufnehmen. Wählen Sie dann zwei Positionen auf der Kamera und teilen Sie den Abstand in Mikrometern, indem Sie Pixel trennen.

Stellen Sie sicher, dass das Mikrometer-Pixel-Verhältnis klein genug oder im Submillimeterbereich für die Anwendung ist. Synchronisieren Sie die Laserpulse und Kamerabilder mit der Schlagflosse über Triggerausgänge der Finnensoftware und Signale von einem Verzögerungsgenerator und der zugehörigen Software. Stellen Sie sicher, dass die gesamte Lasersicherheit den institutionellen Richtlinien entspricht.

Um das Lasersystem einzustellen, schalten Sie das Lasersystem mit der Ein- / Aus-Taste ein, die den Kühler betreibt, um die Laserköpfe zu kühlen. Die Fehlerleuchten blinken, bis das System bereit ist, die Laser mit Strom zu versorgen. Stellen Sie die Triggerquelle auf externe Lampe, externen Q-Schalter ein.

Stellen Sie für beide Laserköpfe die Laserenergie auf 60 bis 80% der vollen Leistung ein und drücken Sie jede Q-Schaltertaste. Schalten Sie dann die Laser ein, indem Sie den Netzschalter drücken. Schließen Sie als Nächstes die Netzkabel an die Kamera an und stellen Sie sicher, dass die richtigen Verbindungen zum Computer hergestellt werden, bevor Sie die Kameraeinstellungssoftware öffnen und den richtigen Anschluss auswählen.

Nachdem Sie den Verzögerungsgenerator eingeschaltet haben, schließen Sie den externen Gate-Kanal an den Lamellenauslöser, den Kanal E an die Kamera und die Kanäle A bis D an den Laser an. Öffnen Sie dann die Verzögerungsgenerator-Software, um den Pulsmodus für den Burst und die Systemauflösung auf vier Nanosekunden auszuwählen. Legen Sie den Zeitraum in Sekunden fest.

Stellen Sie den externen Trigger-/Gate-Modus auf getriggert, den Schwellenwert auf 0,20 Volt und die Triggerkante als steigend ein. Legen Sie auch die Kanäle wie im Skript beschrieben fest. Richten Sie die Finne so aus, dass die Laserfolie durch einen schnurweisen Abschnitt der Flosse in einer spanweisen Position verläuft, und sichern Sie dann die Lamellenplattform mit der Montagehardware.

Schließen Sie die Stromversorgung an die Flossensteuerungshardware und die Flossenmotoren an, um mit der ausgewählten Kinematik mit dem Lamellenschlag zu beginnen und alle Umgebungslichter auszuschalten. Drücken Sie in der Verzögerungsgenerator-Software auf Run, um die synchronisierten Experimente zu starten und Bilder des Schnittpunkts des Laserbogens mit der Finne während des gesamten Hubzyklus zu erfassen. Beobachten Sie, wie die Flosse im Tank mit eingeschaltetem Laserblech und ausgeschaltetem Umgebungslicht flattert.

Wenn Sie fertig sind, drücken Sie Stopp, bevor Sie die Finne von der Stromquelle trennen. Bewegen Sie die Lamellenplattform, so dass sich das Laserblech an einer neuen Spannweitenposition kreuzt. Ersetzen Sie die Flosse durch zusätzliche gewünschte Flossenmembranen und führen Sie Experimente durch, wie zuvor gezeigt, um die Bilder für die gewünschte Anzahl von Messungen zu erfassen.

Analysieren Sie das Bild, indem Sie alle weißen Objekte, die Finnquerschnitte darstellen, aus dem BW-Bereich, dem Filt Dot M-Binärbild extrahieren und das Bild mit dem M show dot M anzeigen.Erstellen Sie dann eine Spur der binären Bildgrenze für jedes Bild, um eine 2D-Form zu erhalten, indem Sie alle Lamellenpixel auswählen, die die schwarzen Hintergrundpixel berühren. Vergleichen Sie die resultierenden Lamellenformen mit der 3D-Fluidstrukturinteraktion oder den FSI-Modellen, die aus den Mittellinien generiert werden, um zu zeigen, wie der Prozess als High-Fidelity-Validierung verwendet werden kann. Die programmierte Lamellenkinematik ergab eine Hubamplitude von 43 Grad und eine Pitch-Amplitude von 17 Grad.

Das Bild veranschaulicht die Vergleiche an zwei Positionen im Strich. Einer in der Mitte des Aufwärtshubs und einer in der Mitte des Abwärtshubs. Darüber hinaus wurden die Vergleiche zwischen den Formverformungen des PDMS 10 zu eins und PDMS 20 zu einer Flosse durchgeführt.

Die 3D-Lamellenformen wurden aus der durch den Hobellaser induzierten Fluoreszenz, FSI und starren Fällen im mittleren Aufwärtshub rekonstruiert, was die Fähigkeit der vorliegenden Technik zur Bereitstellung einer High-Fidelity-Validierung für die FSI-Simulationen demonstriert. Im Experiment war der Flossenquerschnitt aufgrund des undurchsichtigen starren Holms nicht bei jedem Schritt sichtbar. Das Bild zeigt das Ergebnis, bei dem die Flosse nicht sichtbar war.

Das Wichtigste, woran Sie sich erinnern sollten, ist, die Synchronisation der Komponenten zu testen, bevor Sie vollständige Experimente ausführen. Sobald das Timing festgelegt ist, führen Sie zuerst einen Testlauf durch.