Modelado de deformación de aletas blandas aleteando utilizando imágenes de fluorescencia inducidas por láser plano

La capacidad de medir las deformaciones de las aletas robóticas blandas de forma no intrusiva es importante porque podemos informar mejor el diseño y el control de las aletas de los vehículos submarinos y validar los modelos computacionales. Podemos reutilizar una herramienta existente dentro de la dinámica de fluidos, llamada fluorescencia inducida por láser cepillador y expandirla para sólidos, que luego podría usarse para mediciones simultáneas de sólidos y fluidos. Este método es generalizable a sistemas y materiales robóticos blandos.

Podemos utilizar esta técnica, no solo para validar las interacciones de la estructura de fluidos, sino también para estudiar materiales flexibles para sensores y aplicaciones médicas. Comience por diseñar y construir un molde personalizado impreso en 3D con acabado brillante de forma de aleta. Prepare una configuración experimental montando un sistema láser pulsado en un tanque de agua de vidrio rectangular para generar una lámina de luz cepilladora que intersecte el tanque en su plano medio a 30 Hertz.

Instale un dispositivo de carga acoplada de cuatro megapíxeles, o cámara CCD, con una lente de 35 milímetros y un filtro de fluorescencia de paso largo de 516 nanómetros. Después de la instalación, realice una calibración de la conversión de micrómetro a píxel tomando una sola imagen de la cámara CCD con una regla colocada en el plano de la hoja láser. A continuación, seleccione dos posiciones en la cámara y divida la distancia en micrómetros separando los píxeles.

Asegúrese de que la relación micrómetro/píxel sea lo suficientemente pequeña o esté en el rango submilimétrico para la aplicación. Sincronice los pulsos láser y las imágenes de la cámara con la aleta de aleteo utilizando salidas de disparo del software de aleta y señales de un generador de retardo y el software asociado. Asegúrese de que toda la seguridad del láser se ajuste a las directrices institucionales.

Para configurar el sistema láser, encienda el sistema láser con la llave de encendido que ejecuta el enfriador para enfriar los cabezales láser. Las luces de falla parpadean hasta que el sistema esté listo para alimentar los láseres. Ajuste la fuente del disparador a la lámpara externa, interruptor Q externo.

Para ambos cabezales láser, ajuste la energía del láser al 60 a 80% de la potencia total y presione cada botón del interruptor Q. Luego encienda los láseres presionando el botón de encendido. A continuación, conecte los cables de alimentación a la cámara y asegúrese de que las conexiones adecuadas a la computadora antes de abrir el software de configuración de la cámara y seleccionar el puerto adecuado.

Después de encender el generador de retardo, conecte el canal de compuerta externo al disparador de aletas, el canal E a la cámara y los canales A a D al láser. Luego, abra el software del generador de retardo para seleccionar el modo de pulso para estallar y la resolución del sistema a cuatro nanosegundos. Establezca el período en segundos.

Ajuste el modo de disparo / puerta externa a activado, el umbral a 0.20 voltios y el borde del gatillo como ascendente. Además, establezca los canales como se describe en el script. Alinee la aleta, de modo que la lámina láser pase a través de una sección de la aleta en sentido de cordón en una posición de envergadura, y luego asegure la plataforma de la aleta con el hardware de montaje.

Conecte la alimentación al hardware de control de aletas y a los motores de aletas para comenzar a aletear las aletas con la cinemática seleccionada y apague todas las luces ambientales. En el software generador de retardo, presione run para comenzar los experimentos sincronizados y adquirir imágenes de la intersección de la lámina láser con la aleta durante todo el ciclo de carrera. Observe el aleteo de la aleta en el tanque con la lámina láser encendida y las luces ambientales apagadas.

Cuando haya terminado, presione stop antes de desconectar la aleta de la fuente de alimentación. Mueva la plataforma de la aleta, de modo que la lámina láser se cruce en una nueva posición de envergadura. Reemplace la aleta con membranas de aleta adicionales deseadas y realice experimentos como se demostró antes para adquirir las imágenes para el número deseado de mediciones.

Analice la imagen extrayendo todos los objetos blancos que representan las secciones transversales de las aletas del área BW, filt dot M binary image y mostrando la imagen con el M show dot M.Luego cree un rastro del límite de la imagen binaria para cada imagen para obtener una forma 2D, seleccionando todos los píxeles de aleta que tocan los píxeles de fondo negro. Compare las formas de aleta resultantes con la interacción de estructura de fluidos 3D, o modelos FSI, generados a partir de las líneas centrales, para mostrar cómo se puede utilizar el proceso como validación de alta fidelidad. La cinemática de aleta programada produjo una amplitud de trazo de 43 grados y una amplitud de tono de 17 grados.

La imagen ilustra las comparaciones en dos posiciones en el trazo. Uno en el medio del golpe hacia arriba y otro en el medio del golpe hacia abajo. Además, se realizaron las comparaciones entre las deformaciones de forma del PDMS 10 a uno, y PDMS 20 a una aleta.

Las formas de las aletas 3D se reconstruyeron a partir de la fluorescencia inducida por láser cepillador, FSI y cajas rígidas en la mitad de la carrera ascendente, lo que demuestra la capacidad de la técnica actual para proporcionar validación de alta fidelidad para las simulaciones FSI. En el experimento, la sección transversal de la aleta no era visible en cada paso debido al larguero rígido opaco. La imagen muestra el resultado donde la aleta no era visible.

Lo más importante a recordar es probar la sincronización de los componentes antes de ejecutar experimentos completos. Una vez que se establece el tiempo, realice primero una ejecución de prueba.