שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence
24 ביוני 2016
אנו משתמשים בהדפסת תלת מימד כדי לייצר חלקיקים אנזוטרופיים בצורות של שקעים, צלבים, טטרדות ושלישיות, שניתן למדוד את היישור והסיבובים שלהם בזרימת נוזל סוערת ממספר תמונות וידאו בו זמנית.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא להשתמש במדפסת התלת מימד כדי לייצר חלקיקים במגוון רחב של צורות ולמדוד את תנועתם בזרימה סוערת. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בדינמיקת נוזלים כגון כיצד חלקיקים מסתובבים ומתיישרים בזרימות נוזלים סוערות. היתרון העיקרי שלו הוא שהוא מאפשר מדידות מדויקות של כיווני חלקיקים בעלי צורות מורכבות שלא ניתן היה להשיג בשיטות קודמות.
שיטה זו סיפקה תובנה לגבי תנועת דיסקים וכדורים במערבולת, וניתן להשתמש בה למדידת דינמיקה של חלקיקים בעלי צורות מורכבות במצבים רבים אחרים. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו עם כיול מצלמות תלת מימד והתאמת אלגוריתם מציאת הכיוון לחלקיקים ספציפיים ספציפיים שבהם נעשה שימוש. מי שיעזור להדגים את ההליך יהיה גיא מרקוס, שביצע את הניסויים המקוריים עם צלבים וג'קים.
התחל בשימוש בתוכנת עיצוב בעזרת מחשב ליצירת מודלים של חלקיקים להדפסה. ליצירת שלישייה באמצעות AutoCAD, השתמשו תחילה בפקודת העיגול כדי לצייר עיגול בקוטר 0.3 מילימטרים. לאחר מכן, השתמש בפקודת extrude כדי ליצור גליל באורך של שלושה מילימטרים.
צילינדרים בגודל זה הם אבני הבניין של החלקיקים. כעת השתמש בפקודת הסיבוב ובחר את ציר הסיבוב שיהיה לאורך ציר ה-X, ואת זווית הסיבוב להיות 90 מעלות. כוונן את התצוגה כדי לאפשר מקום לעבוד עם צילינדרים אחרים.
לאחר מכן, הכינו עותק של הגליל שיהיה הזרוע השנייה של השלישייה. בקצה גליל זה, החילו את הפקודה 'סובב תלת-ממד' עם ציר הסיבוב לאורך ציר Z. סובב את הגליל 120 מעלות עבור השלישייה.
הזז את הגליל המסובב למקומו ליצירת זרוע של השלישייה. מרכזי קצוות הצילינדר צריכים להיות חופפים. צור ומקם את הזרוע השלישית באותו אופן.
לאחר מכן, סובב את האובייקט כך שאף גליל לא יצביע לאורך הגישה האנכית או האופקית. כאשר כל הזרועות נמצאות במקומן, בחר את כולן והשתמש בפקודת האיחוד כדי לחבר אותן לאובייקט אחד. שמור את הקובץ בתבנית להדפסת תלת מימד.
צור את החלקיקים האחרים שישמשו בניסוי על ידי ביצוע שלבים דומים. בנוסף לשלישייה, יש את הצלב העשוי משני צילינדרים אורתוגונליים עם מרכז משותף, השקע עשוי משלושה צילינדרים אורתוגונליים הדדיים עם מרכז משותף, והטטראד שבו הצילינדרים חולקים קצה משותף, והם בזוויות של 109.5 מעלות זה ביחס לזה. יש להדפיס כ-10,000 מכל סוג חלקיקים במצב רזולוציה גבוהה.
התכוננו לאחסן את החלקיקים המודפסים בתמיסה בה הם צפים באופן ניטרלי. לשם כך, השתמש בתמיסה של סידן כלורי, וכ -1,600 ליטר מים בצפיפות הציפה הנייטרלית. הסר כליטר אחד מהתמיסה כדי לאחסן כל סוג של חלקיק.
קח את ליטר התמיסה לספסל והתחל לעבוד עם החלקיקים. החלקיקים ששימשו בניסוי זה הודפסו באופן מסחרי. הם מגיעים עטופים בשרף המשמש כחומר תמיכה.
שחרר את החלקיקים על ידי שבירת החלקים הגדולים בעדינות לחלקים קטנים. עבדו עם כל חלק כדי לעסות אותו ידנית עד שחלק גדול מהשרף העודף יורד. זה יקל על השלבים הבאים.
כדי לנקות עוד יותר את החלקיקים, הכינו תמיסה של 10% לפי מסה של נתרן הידרוקסיד בכוס. לאחר מכן הניחו כמה חלקיקים ומה שנשאר מהשרף שלהם עטוף בכוס כדי להסיר את השרף. העבירו את הכוס עם התמיסה לאמבטיה אולטרסאונד.
שמור את החלקיקים באמבט האולטראסוני למשך שעה בתחילה, ולאחר מכן חצי שעה נוספת לאחר השטיפה. כדי לשחזר את החלקיקים, הכינו שנייה לקבלת תמיסת הנתרן הידרוקסיד מהאמבטיה ומסנן. לאחר השלמת שלבי הניקוי האולטראסוני, השתמש בכפפות כדי להוציא את הכוס מהאמבטיה, ושפך את התכולה דרך המסנן לתוך הכוס השנייה.
שטפו את החלקיקים לפני העברתם לתמיסה המותאמת לצפיפות שם הם יטבלו כדי למנוע עיוות. אלה חלקיקים ששוחררו מהשרף שלהם, נוקו באמבט האולטראסוני, וכעת הם מוכנים לצביעה כדי להאיר באור לייזר ירוק. כדי לצבוע את החלקיקים, השתמש בתמיסה של ליטר אחד של צבע רודמין-B במים והניח אותה על פלטה חמה.
מחממים את הצבע ל 80 מעלות צלזיוס עבור החומר של חלקיק זה. מלאו באופן רופף מיכל קטן בחלקיקים מהאחסון. זה יהיה בערך 2,500 חלקיקים.
מוסיפים את החלקיקים לתמיסת הצבע, ושומרים על הטמפרטורה בזמן שהם טבולים. לאחר כשעתיים-שלוש, הסר את התמיסה והחלקיקים מהאש. השתמש ברשת ובמיכל נפרד כדי לסנן את החלקיקים מהתמיסה.
היזהר לא לפגוע בהם כשהם רכים מהחום. לאחר מכן, שטפו את החלקיקים בזהירות כדי להסיר עודפי צבע. בסיום, אחסן אותם בתמיסת הציפה הנייטרלית עד שהם נחוצים לניסוי.
הניסוי יתקיים במיכל עם מצלמות שיוצבו כדי לתעד את החלקיקים במרכז הזרימה. סכימה זו מספקת סקירה כללית של מערך המיכל, בעל חתך מתומן, רשתות מתנדנדות המשמשות ליצירת זרימה סוערת, נפח המדידה ומיקומי המצלמה. השתמש בארבע מצלמות לפחות לדיוק מדידת הכיוון.
כל מצלמה צריכה להיות בעלת רזולוציה של מגה פיקסל אחד לפחות ב-450 פריימים לשנייה, ולהיות מחוברת למחשב ייעודי. מקם את המצלמות עם זוויות גדולות בין כל אחת מהן, וודא שכולן ממוקדות בנפח המדידה הרצוי. כדי למזער עיוות אופטי, יציאות צפייה מובנות במיכל בניצב לכיוון הצפייה של המצלמה.
לאחר מכן, הנח מסכת כיול תמונה בנפח המדידה של המיכל. זה יאפשר ניתוח של נתוני הניסוי שנאספו על ידי המצלמות. כדי לדמות את תנאי הניסוי, התחל למלא את המיכל בתמיסת הציפה הנייטרלית בתפזורת.
כאשר המיכל מתמלא, הגדר אורות כדי להאיר את המסכה. לאחר מכן, חזור לעבודה עם המצלמות. מקד כל מצלמה באותה נקודה במסכה, ולאחר מכן רכוש ואחסן תמונות לכיול.
לאחר ניקוז המיכל, המשך בהגדרת הניסוי על ידי הנחת לייזר נופך אלומיניום ניאודימיום איטריום. ארגן מפצל קרן שיכוון חלק מקרן הלייזר למראה. האור עובר מהמראה דרך עדשות היוצרות קרן גלילית לתוך המיכל.
בצד הנגדי של המיכל, הצב מראה כדי להחזיר את אור הלייזר היוצא בחזרה לאורך דרכו. השתמש בפלט השני של מפצל האלומה ובסידור דומה של מראות ועדשות כדי ליצור אלומה גלילית בניצב לראשונה כמו בסכימת התצוגה העליונה הזו. המראות שאליהן יוצאות הקורות עוזרות ליצור תאורה אחידה יותר.
לאחר מכן, בדוק את המיכל המלא בתמיסת סידן כלוריד ציפה ניטרלית נטולת גזים. לפני שתמשיך, ודא שהמצלמות ותוכנת רכישת הנתונים מוכנות. התכוננו להוסיף למיכל את כ-10,000 הטטרדות שהוכנו לניסוי זה.
העבר אותם למקומם ליד היציאה בחלק העליון של המיכל. כשהוא מוכן, פתח את היציאה והוסף את החלקיקים למים במיכל. סגור את היציאה לאחר הוספת כל החלקיקים.
לאחר מכן, עברו ללייזר. שם, הפעל אותו ופתח את צמצם הלייזר. לאחר מכן השתמש בפקדי הרשת כדי להפעיל את הרשת בתנודה של שלושה הרץ.
במיכל, הניחו לרשת להתנדנד במשך כדקה כדי לאפשר למערבולות להתפתח במלואן. בשלב זה, התחל באיסוף נתונים והקלט כמיליון פריימים. בסיום הריצה, הפסק את איסוף הנתונים וסגור את צמצם הלייזר.
לאחר ביצוע כל הניסויים, עברו לשקע המיכל. שם, הניחו פילטר להסרת החלקיקים מהתמיסה, ורוקנו את המיכל. שמור את החלקיקים שנאספו בתמיסת הציפה הנייטרלית לשימוש מאוחר יותר.
בצע ניתוח נתונים על התמונות המוקלטות באמצעות תוכנה כדי למצוא את מיקום החלקיקים וכיוונם. השלבים הבאים מיושמים בתוכנה. החל מארבע תמונות סינכרוניות של חלקיק שנלכד על ידי ארבע המצלמות, השתמש במידע דו מימדי כדי לקבוע את מיקומו התלת מימדי.
הקרן מודל מספרי תלת מימדי של החלקיק המואר על כל מצלמה באמצעות פרמטרי כיול המצלמה. זה יוצר מודל דו-ממדי של עוצמת האור מהחלקיק בכל ארבע המצלמות. לאחר מכן, הפעל שגרת התאמת ריבועים מינימליים לא ליניארית כדי למצוא את כיוון הדגם המתאים ביותר למה שנראה בכל ארבע המצלמות.
שלב מידע מכל ארבע המצלמות כדי למזער את ההבדל בין הדגם המוקרן על כל מצלמה, לבין החלקיק הנצפה. שלבים אלה יבוצעו עבור כל המסגרות שיש בהן חלקיקים מול כל המצלמות. זוהי האבולוציה של טטראד במיקום ובאוריינטציה.
שימו לב לשינוי הלא רציף בכיוון הזרועות הטטראדיות, שאפשר לקבל ללא אמצעי הגנה. גרסה שנייה זו של האבולוציה הטטראדית מראה שהתוכנה מבטיחה שזוויות השמן עבור כל מסגרת הן הסיבוב הקטן ביותר ביחס למסגרת הקודמת. פרטי המיקום והכיוון נשמרים לשימוש מאוחר יותר.
זוהי תמונת מצלמה אחת של טטראד בניסוי. בתמונה השנייה, המודל המונח על גבי מציין את הכיוון כפי שנמצא על ידי האלגוריתם. למרות הפשטות של מודל העוצמה הדו-ממדי, השיטה מייצרת מדידות מדויקות של כיוון החלקיקים.
בניסוי משתמשים באלגוריתם מציאת הכיוון כדי להשיג את האבולוציה של זוויות השמן לאורך כל המסלול של כל חלקיק. זהו שחזור של המסלול השלם של טטראד על פני נפח הצפייה. זה מושג על ידי שילוב הכיוון והקואורדינטות התלת מימדיות של החלקיק עבור כל פריים שבו הוא נראה על ידי כל ארבע המצלמות.
אורך המסלול הוא 229 פריימים. שימו לב שהחלקיק אינו נמשך לקנה מידה. הנתונים מאפשרים גם לקבוע את פונקציית צפיפות ההסתברות של קצב הנפילה הנמדד.
הריבועים האדומים הם נתונים עבור צלבים. עיגולים כחולים הם נתונים עבור שקעים. הקו המוצק מייצג את התוצאה של סימולציה מספרית של כדורים, התואמת היטב את נתוני הניסוי.
לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שלושה ימים אם היא מבוצעת כראוי. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לאפשר לחלקיקים כמה שעות בתמיסות בצפיפות שונה. כמו כן, חיוני לוודא שהמצלמות מיושרות, קבועות ומסונכרנות כהלכה לאורך כל הניסוי.
בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בשיטות אחרות כמו מעקב אחר חלקיקי עוקב כדי למדוד כיצד חלקיקים מודפסים בתלת מימד מגיבים לזמן שיפוע המהירות המלאה בזרימה שמסביב. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להשתמש בחלקיקים אנזוטרופיים כדי לחלץ מידע על שיפוע המהירות מזרימה טורבולנטית באמצעות ארבע תמונות וידאו סטריאוסקופיות. אל תשכח שעבודה עם צבע רודמין-B ונתרן הידרוקסיד עלולה להיות מסוכנת, ותמיד יש לנקוט באמצעי זהירות כגון כפפות ומשקפי מגן בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה משתמש בהדפסה תלת-ממדית ליצירת חלקיקים אניסוטרופיים בצורות שונות, כמו קוביות וצלבים, כדי לחקור את התנהגותם בזרימות נוזלים טורבולנטיות. השיטה מאפשרת מדידות מדויקות של כיוון ודינמיקה של חלקיקים, ומספקת תובנות לגבי דינמיקת הנוזלים.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- דינמיקת נוזלים
- ניתוח תנועת חלקיקים
- טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית
רקע
- הבנת התנהגות חלקיקים בזרימות טורבולנטיות היא קריטית עבור יישומים שונים.
- לשיטות מסורתיות יש מגבלות במדידת צורות חלקיקים מורכבות.
- הדפסה תלת-ממדית מציעה גישה חדשה לייצור גאומטריות חלקיקים מגוונות.
- כיול של מצלמות תלת-ממדיות ואלגוריתמים לכיוון יכול להיות מאתגר עבור חדשים בתחום.
מטרת המחקר
- ליצור חלקיקים בצורות שונות באמצעות הדפסה תלת-ממדית.
- למדוד ולנתח את תנועת החלקיקים האלו בזרימות נוזלים טורבולנטיות.
- לשפר את ההבנה של התנהגות צורות מורכבות בטורבולנציה.
שיטות ששימשו
- הדפסה תלת-ממדית ליצירת חלקיקים אניסוטרופיים.
- צילום וידאו סימולטני למעקב אחר תנועת החלקיקים.
- כיול של מצלמות תלת-ממדיות למדידות מדויקות.
- פיתוח אלגוריתמים למציאת כיוון לצורות חלקיקים ספציפיות.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של חלקיקים בצורות שונות.
- מדידות מפורטות של יישור וסיבוב של חלקיקים בזרימות טורבולנטיות.
- תובנות לגבי הדינמיקה של דיסקים וכדורים בטורבולנציה.
- הוכחה ליעילות השיטה עבור צורות חלקיקים מורכבות.
מסקנות
- המחקר מספק שיטה חדשה לניתוח התנהגות חלקיקים בזרימות טורבולנטיות.
- הדפסה תלת-ממדית מאפשרת יצירת צורות חלקיקים מורכבות המעצימות את יכולות המחקר.
- יישומים עתידיים יכולים להתרחב לתחומים שונים הדורשים ניתוח דינמיקת נוזלים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This method enables precise measurement of anisotropic particle orientation and rotation in turbulent flows, providing quantitative data for fluid dynamics modeling. The approach supports target validation in preclinical research by offering a reproducible system to study particle behavior under controlled flow conditions. It enhances predictive confidence in lead identification by linking particle dynamics to mechanistic insights in complex environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled observation of particle alignment and rotation in turbulent flow.
- Operational Value: Provides a disease-relevant system for functional target validation by simulating physiological fluid environments.
- Predictive Confidence: Supports portfolio triage by generating quantitative orientation and rotation rate data to de-risk mechanistic assumptions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (via fluorescently dyed particles) for downstream workflows requiring time-resolved motion tracking.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized multi-camera imaging and calibration protocols.
- Scalability: Facilitates production of ~10,000 particles per shape, enabling high-throughput screening readiness and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects discovery through preclinical validation by measuring rotation rates as translational biomarkers of particle response to flow gradients.
- Operational Value: Addresses risk-adjusted advancement decisions by providing probability density functions of tumbling rates under turbulent conditions.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking by isolating variables in particle shape and flow dynamics to clarify biological behavior.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery to Lead Identification by enabling hypothesis testing of particle behavior in flow, supporting assay readiness through standardized fabrication, and generating quantitative analytics for condition comparison.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by measuring how particle orientation evolves in turbulent flow.
- Screening: Delivers assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs via four-camera stereoscopic tracking and orientation fitting routines.
- Analytics: Provides measurements of 3D trajectories, orientation evolution, and rotation rate distributions that enable cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by using rotation rate as a biomarker-like readout for particle response to mechanical stress in flow.
- Enterprise Reuse: Frames the particle fabrication and imaging pipeline as a reusable capability across model systems and fluid dynamic studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in particle-fluid interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of particle production and motion tracking.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early mechanistic insight.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative orientation and rotation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D camera calibration, stereoscopic imaging, and nonlinear least squares fitting for orientation determination.
- Needs instrumentation including synchronized megapixel cameras (450 fps), laser sheet illumination, and turbulent flow generation via oscillating grids.
- Demands cross-team standardization in particle fabrication, dyeing, and density matching to ensure neutrally buoyant behavior.
- Involves adaptation considerations when applying the orientation algorithm to non-tetrad particle shapes (e.g., crosses, jacks, triads).
- Includes practical limitations such as the need for low-Reynolds number flow (R_λ = 91) to approximate ellipsoidal tracer behavior and avoid particle deformation.
