Le protocole ici vise à enquêter sur la liberté et de manœuvre rapide de patineurs sur la surface de l’eau. Le protocole inclut observant la microstructure des jambes et mesure de la force d’adhérence lors de leur départ de la surface de l’eau à des vitesses différentes.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Mesure de la Force dynamique a agi sur la jambe de Gerris sauter vers le haut par le capteur de Film PVDF
Dans cet article
Résumé
Résumé
Cette étude vise à en faire une explication de ce phénomène dans la nature que l’eau strider généralement saute ou glisse sur la surface de l’eau facilement, mais rapidement, avec sa locomotion pointe vitesse atteignant 150 cm/s. Tout d’abord, nous avons observé la microstructure et la hiérarchie des Gerris jambes à l’aide de la microscopie électronique à balayage. Sur la base de la morphologie observée des jambes, un modèle théorique du détachement de la surface de l’eau a été créé, ce qui explique la capacité des patineurs de glisser sur la surface de l’eau sans effort en termes de réduction de l’énergie. Deuxièmement, un système de mesure de force dynamique a été conçu à l’aide du capteur de film PVDF avec une sensibilité excellente, ce qui a permis de détecter le processus de l’intégralité de l’interaction. Par la suite, une seule jambe en contact avec l’eau a été tirée vers le haut à des vitesses différentes, et la force d’adhérence a été mesurée en même temps. Les résultats de l’expérience au départ suggèrent une compréhension profonde de la sauter rapide des patineurs.
Introduction
Dans la nature, patineurs possèdent une capacité remarquable pour sauter ou de glisser facilement et rapidement sur la surface de l’eau à l’aide des jambes élancées et qu'1,2,3,4,5, mais rarement se déplacer lentement, c'est-à-dire à la différence des insectes terrestres. La structure hiérarchique des Gerris stabilise l’État SUPERHYDROPHOBE, qui rend la réduction dramatique en force adhésion et zone de contact entre l’eau et la jambe6,7,8, 9. Toutefois, les avantages hydrodynamiques du désengagement rapide des patineurs de la surface de l’eau restent mal interprété10,11,12.
Le processus de saut de la surface de l’eau est principalement divisé en trois étapes13,14,15,16. Dans un premier temps, les patineurs pousser la surface de l’eau vers le bas avec les pieds milieu et arrière pour convertir l’énergie de surface de l’eau jusqu’au naufrage jusqu'à la profondeur maximale, l’énergie biologique qui permettent à l’insecte d’initialiser la direction de saut d’obstacles et de déterminer la vitesse de radiofréquence. Suivie de la phase ascendante, l’insecte est poussé vers le haut par la force capillaire de la surface courbée de l’eau jusqu'à atteindre la vitesse maximale. Dans la scène finale de désengagement, le Gerris continue à monter vers le haut par inertie jusqu'à rupture de la surface de l’eau, mais la vitesse est réduite en grande partie due à la force d’adhérence avec l’eau, qui a une influence principale sur la consommation d’énergie de la Gerris. Par conséquent, ce protocole est proposé pour mesurer la force d’adhérence à différentes vitesses de décollage dans la phase de désengagement et expliquer la caractéristique de se déplaçant rapidement.
Il y a eu de nombreuses études pour explorer la force d’adhérence des patineurs en propulsant de la surface de l’eau. Lee & Kim théoriquement et expérimentalement a confirmé que la force d’adhérence et de l’énergie nécessaire de soulever les jambes de l’eau strider considérablement diminué lorsque l’angle de contact est passé à 160 degrés17. Pan Jen Wei a conçu une expérience hydrostatique pour mesurer la force d’adhérence par le système TriboScope, qui s’est avéré pour être le 1/5 de son poids 18. Kehchih Hwang a analysé le processus quasi statique des jambes détacher à l’eau avec un modèle 2D et trouvé que le superhydrophobicity des jambes a joué un rôle important dans la réduction de l’adhérence force et énergie dissipation19. Toutefois, la mesure de la force d’adhérence dans des études antérieures était juste en état d’un processus quasi statique, qui n’a pas pu suivre les changements de force d’adhérence pendant le saut rapide.
Dans cette étude, nous avons conçu un système de mesure de force dynamique à l’aide de capteur Polyfluorure de vinylidène (PVDF) et tout autre instrument d’adjuvant. Par rapport aux autres matériaux piézoélectriques, PVDF est plus approprié pour mesurer la dynamique microforce avec plus élevés sensibilité20,21,22. En intégrant le capteur du film PVDF dans le système, la force d’adhérence en temps réel peut être détectée et traitée lorsque la jambe est tirant vers le haut de l’eau de surface23,24,25.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Protocole
1. l’observation de la Structure superficielle sur la jambe de Gerris
- Recueillir Gerris auprès des étangs d’eau douce les à l’aide de pêche épuisette.
- Couper au moins 5 paires de pendrillons moyens comme échantillons expérimentaux à l’aide de ciseaux. Toucher le bas des jambes avec soin, afin d’éviter la contamination de la surface et les perturbateurs de la microstructure sur le devant de jambes.
- Sécher les jambes en l’air.
- Observer la surface microstructure des jambes à l’aide d’un microscope électronique à balayage avec résolution au niveau microéconomique comme illustré dans la Figure 1un.
- Respecter la microsetae des jambes à l’aide d’un microscope à balayage électrique avec nano-niveau résolution tel qu’illustré à laFigure 1b.
2. préparer le composant du système de mesure Force dynamique
- Acheter un capteur de film PVDF avec une dimension de 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, qui produit plus de 10 mV par micro-souche.
NOTE : Le capteur de film PVDF est utilisé au sens de l’effort de contact dynamique avec la sensibilité élevée. - Acheter un amplificateur de charge avec un gain maximum 1000 mV/pC gratuitement et à moins de 5 μV faible sonorité.
Remarque : L’amplificateur de charge sert à agrandir le signal du capteur de film PVDF, dans qui la sortie du transducteur de charge est convertie en une tension. - Acheter un matériel d’acquisition de données, dans laquelle l’entrée analogique a les fréquences d’échantillonnage allant de 1 s/s 102,4 kéch. / s.
Remarque : Le matériel d’acquisition de données est utilisé pour lire les données de tension de l’amplificateur de charge et de les envoyer à l’ordinateur pour un traitement ultérieur et d’afficher. - Acheter plusieurs étapes précises de déplacement et un servomoteur.
Remarque : Les jambes s’écartent de l’eau à des vitesses différentes, pilotée par le servomoteur. - Achat une caméra CCD, dont la longueur se concentrer est dans une marge de 5 mm à 30 mm et la cadence est de 30 i/s.
Remarque : Cet appareil est utilisé pour enregistrer et surveiller la déformation de la surface de l’eau et la distance entre les jambes et la surface de l’eau. - Préparer un ordinateur de haute performance.
3. montage de toutes les parties du système de mesure de Force dynamique
- Assembler le système de mesure de force dynamique selon l’illustration schématique, illustré à la Figure 2un instrument et de l’expérience réelle illustré à la Figure 2b.
- Fixer un côté de la sonde de film PVDF avec les électrodes à la phase de déplacement de haute précision, qui est placé sur le cadre horizontal, comme de l’autre côté est suspendu. Cette méthode d’installation du capteur film PVDF permet d’améliorer la résolution de la mesure de la force de micro dynamique.
- Raccorder le capteur de film PVDF pour l’amplificateur de charge, l’amplificateur de charge pour le matériel d’acquisition de données et le matériel d’acquisition de données à l’ordinateur.
- Fixer la caméra à l’étape de déplacement de haute précision, qui est placée sur le côté gauche du capteur film PVDF.
- Pour à peu près régler la distance entre les jambes et l’eau rapidement, difficulté d’une étape de haute-précision de déplacement sur le cadre au-dessus du capteur de film PVDF, dont séparation du capteur de film PVDF est environ 10 cm.
- Pour soulever la jambe de la surface de l’eau à une vitesse précise, fixer le servomoteur au-dessous de la platine de haute précision de déplacement.
4. étalonnage du système de mesure Force dynamique
- La force électrostatique système26 permet de générer une force micro-constant a agi sur l’extrémité libre du capteur de film PVDF, dont l’ampleur devrait être inférieure à 0,5 µN. la force électrostatique du système de commande par une tension est appliquée aux électrodes intérieures et extérieures du condensateur cylindrique parallèle.
ATTENTION : La force doit agir dans une direction perpendiculaire à la surface de film PVDF et le point d’application est censé pour être aussi proche que possible de l’extrémité de la sonde de film PVDF pour augmenter la sensibilité. - Libérer la force en peu de temps pour générer un signal d’entrée progressif.
- Lire le signal de tension-temps de l’étape 4.2 dans l’ordinateur en utilisant le logiciel LabVIEW, qui aide à lire les signaux de tension de sortie du capteur film PVDF.
- Télécharger le logiciel LabVIEW et le driver matériel NI-DAQmx dans le site officiel de National Instruments.
- Ouvrez la démo de la mesure de tension analogique continu utilisant le LabVIEW, comme illustré Figure 3.
- Sélectionnez le canal physique du matériel d’acquisition de données connecté à l’amplificateur de charge dans le module des Paramètres de chaîne.
- Définissez la fréquence d’échantillonnage à 100000 et le nombre d’échantillons à 100000 dans le module des Paramètres de synchronisation.
- Sélectionnez Journal et lire comme le mode de journalisation et d’écrire le chemin du fichier pour stocker les données de tension dans le module d’Enregistrement des paramètres.
- Ne sélectionnez aucun déclencheur dans le module des Paramètres du déclencheur.
- Cliquez sur le bouton de la flèche-forme dans la barre d’outils pour échantillonner le signal de tension.
- Analyser la courbe de tension, où la tension de crête est correspondant pour forcer a agi sur le capteur.
- Répétez les étapes 4.1 à 4.4 en entrée de force différente, dans laquelle une série de points de tension-force sont gagnées.
- Déterminer la relation de la tension de sortie de crête et de la force standard dans le résultat de l’étalonnage.
5. mesure de la Force d’adhérence à une certaine vitesse
- Déposez une goutte d’eau (5 µL) sur l’extrémité libre de la sonde de film PVDF à l’aide d’une micropipette mécanique.
Remarque : L’emplacement de la goutte doit être près de la pointe de la sonde de film PVDF. - Coller une seule jambe au servomoteur au-dessous de la platine de haute précision de déplacement.
- Déplacer la scène de haute précision de déplacement vers le bas jusqu'à ce que les contacts de jambe avec la surface de l’eau, comme le montre la Figure 4a. Contrôler la distance entre la surface de l’eau et de la jambe par le système de caméra montée sur le côté gauche du capteur.
- Soulevez la jambe de la surface de l’eau à une vitesse constante à travers le servomoteur.
- Calculer la force correspondant à chaque point de la courbe de tension du processus au départ en utilisant le modèle établi à l’étape 4.6 et ensuite dessiner la courbe force-temps du départ du processus, comme illustré à la Figure 4b.
- Enregistrer l’adhérence de la pointe du processus au départ à une certaine vitesse.
6. mesure de la Force d’adhérence à des vitesses différentes.
- Modifier la vitesse de levage des jambes par servomoteur et mesurer la force d’adhérence selon l’étape 5.
- Tracer la force d’adhérence par rapport à la courbe de vitesse en utilisant les données acquises à l’étape 6.1 de levage.
- Analyser la relation entre la force d’adhérence et de la vitesse de levage dans la courbe.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Résultats
La relation entre la vitesse et l’adhérence de force de levage est indiquée dans le tableau 1. Lorsque la vitesse de levage augmente de 0,01 m/s à 0,3 m/s, l’adhérence forcer entre l’eau surface et jambe diminue considérablement de 0.10 à 0,03. Les résultats de l’expérience au départ ont montré que la force d’adhérence de pointe diminueraient considérablement comme l’augmentation de la vitesse levage, qui indiquait que les patineurs peuvent se sentir à l’aise si ils se dé...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Discussion
Dans le présent protocole, un système de mesure de force dynamique basé sur le capteur de film PVDF a été avec succès conçu, assemblé, étalonné pour mesurer la force d’adhérence de la surface de l’eau. Parmi les étapes ensemble, il était crucial que la force d’adhérence a été mesurée à des vitesses différentes en soulevant la jambe de la surface de l’eau comme cette étude axée sur la caractéristique remarquable de la manoeuvre rapide sur l’eau. Les résultats de départ l’expérience a montré que la force d’adhérence diminu...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Déclarations de divulgation
L’auteur n’a rien à divulguer.
Remerciements
Les auteurs remercient le National Key Technology Research et le programme de développement du ministère des sciences et technologie de la Chine (n° 2011BAK15B06) pour leur soutien. Remercier Shuya Zhuang qui est un étudiant maître dans notre laboratoire pour nous aider à compléter le tournage vidéo.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Capteur de film PVDF | TE Connectivity | DT1-028K/L | Le capteur de film PVDF est utilisé pour détecter la force de contact dynamique. |
| Amplificateur de charge | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | L’amplificateur de charge ; est un intégrateur de courant électronique qui produit une sortie de tension proportionnelle à la valeur intégrée de l’entrée |
| Dispositif d’acquisition de données | National Instruments | USB-4431 | Le dispositif d’acquisition de données est utilisé pour lire les données de tension. |
| Étage de déplacement | ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF est une platine verticale à coin à haute résolution, haute stabilité et charge élevée. |
| Caméra CCD | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | microscope numérique A1 | Fréquence d’images : 30 images/s ; Distance focale : 5mm - 30mm |
| Ordinateur | Lenovo | G480 | |
| Servomoteur | EMAX US Inc. | ES08MD | Ce n’est pas mal ce servo avec une vitesse variant de 0.10 sec/60° ; / 4.8v à 0.08 sec/60° ;/6.0v. |
| Pipettes mécaniques | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | Les pipettes couvrent une plage de volume de 0,1 &mu ; l à 2,5 &mu ; l |
Références
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148(2011).
- Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
- Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
- Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).
- Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103(2007).
- Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
- Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
- Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698(2016).
- Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).
- Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
- Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
- Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
- Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
- Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
- Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
- Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009(2011).
- Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
- Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001(2015).
- Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).
- Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
- Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002(2013).
- Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Réimpressions et autorisations
