Modellazione della deformazione delle alette morbide che utilizzano l'imaging a fluorescenza indotta da laser planare

Il presente protocollo prevede la misurazione e la caratterizzazione della deformazione della forma 3D in alette sbattute subacquee costruite con materiali polidimetilsilossano (PDMS). Una ricostruzione accurata di queste deformazioni è essenziale per comprendere le prestazioni propulsive delle pinne sbattute conformi.

La capacità di misurare le deformazioni delle alette robotiche morbide in modo non intrusivo è importante perché possiamo informare meglio la progettazione e il controllo delle alette per i veicoli subacquei e convalidare i modelli computazionali. Possiamo riutilizzare uno strumento esistente all'interno della fluidodinamica, chiamato fluorescenza indotta da laser pialla ed espanderlo per solidi, che potrebbero quindi essere utilizzati per misurazioni simultanee di solidi e fluidi. Questo metodo è generalizzabile a sistemi e materiali robotici morbidi.

Possiamo utilizzare questa tecnica, non solo per convalidare le interazioni della struttura dei fluidi, ma anche per studiare materiali flessibili per sensori e applicazioni mediche. Inizia progettando e costruendo uno stampo personalizzato stampato in 3D con finitura lucida a forma di pinna. Preparare una configurazione sperimentale montando un sistema laser pulsato su un serbatoio d'acqua rettangolare in vetro per generare un foglio di luce pialla che interseca il serbatoio a metà piano a 30 Hertz.

Installare un dispositivo accoppiato alla carica da quattro megapixel, o fotocamera CCD, con un obiettivo da 35 millimetri e un filtro di fluorescenza a passaggio lungo di 516 nanometri. Dopo l'installazione, eseguire una calibrazione della conversione da micrometro a pixel prendendo una singola immagine dalla telecamera CCD con un righello posizionato nel piano del foglio laser. Quindi selezionare due posizioni sulla fotocamera e dividere la distanza in micrometri separando i pixel.

Assicurarsi che il rapporto micrometro/pixel sia abbastanza piccolo o nell'intervallo sub millimetrico per l'applicazione. Sincronizza gli impulsi laser e le immagini della telecamera con la pinna che sbatte utilizzando le uscite del grilletto dal software dell'aletta e i segnali di un generatore di ritardo e del software associato. Garantire che tutta la sicurezza laser sia conforme alle linee guida istituzionali.

Per impostare il sistema laser, accendere il sistema laser con il tasto di accensione che fa funzionare il refrigeratore per raffreddare le teste laser. Le spie di guasto lampeggiano fino a quando il sistema non è pronto per alimentare i laser. Impostare la sorgente del grilletto sulla lampada esterna, sull'interruttore Q esterno.

Per entrambe le teste laser, impostare l'energia laser su 60-80% della piena potenza e premere ciascun pulsante dell'interruttore Q. Quindi accendere i laser premendo il pulsante di accensione. Quindi, collegare i cavi di alimentazione alla fotocamera e assicurarsi che i collegamenti corretti al computer prima di aprire il software di impostazione della fotocamera e selezionare la porta appropriata.

Dopo aver acceso il generatore di ritardo, collegare il canale gate esterno al grilletto dell'alette, il canale E alla telecamera e i canali da A a D al laser. Quindi, aprire il software del generatore di ritardo per selezionare la modalità di impulso da scoppiare e la risoluzione del sistema a quattro nanosecondi. Imposta il periodo in secondi.

Regolare la modalità trigger / gate esterno su attivato, soglia a 0,20 volt e bordo del trigger come in aumento. Inoltre, impostare i canali come descritto nello script. Allineare l'aletta, in modo che il foglio laser passi attraverso una sezione del cavo della pinna in una posizione di span wise, quindi fissare la piattaforma dell'aletta con l'hardware di montaggio.

Collegare l'alimentazione all'hardware di controllo delle alette e ai motori delle alette per iniziare a sbattere le pinne con la cinematica selezionata e spegnere tutte le luci ambientali. Nel software del generatore di ritardo, premere Esegui per iniziare gli esperimenti sincronizzati e acquisire le immagini dell'intersezione del foglio laser con l'aletta durante tutto il ciclo di corsa. Osserva la pinna che sbatte nel serbatoio con il foglio laser acceso e le luci ambientali spente.

Al termine, premere stop prima di scollegare l'aletta dalla fonte di alimentazione. Spostare la piattaforma delle pinne, in modo che il foglio laser si incroci in una nuova posizione di campata. Sostituire la pinna con ulteriori membrane alette desiderate ed eseguire esperimenti come dimostrato in precedenza per acquisire le immagini per il numero desiderato di misurazioni.

Analizza l'immagine estraendo tutti gli oggetti bianchi che rappresentano le sezioni trasversali delle pinne dall'area BW, l'immagine binaria del punto filt M e visualizzando l'immagine con il punto M mostra M.Quindi crea una traccia del limite dell'immagine binaria per ogni immagine per ottenere una forma 2D, selezionando tutti i pixel della pinna che toccano i pixel di sfondo neri. Confronta le forme delle alette risultanti con l'interazione della struttura fluida 3D, o modelli FSI, generati dalle linee centrali, per mostrare come il processo può essere utilizzato come convalida ad alta fedeltà. La cinematica programmata delle pinne ha prodotto un'ampiezza della corsa di 43 gradi e un'ampiezza del passo di 17 gradi.

L'immagine illustra i confronti in due posizioni nel tratto. Uno nel mezzo del colpo verso l'alto e uno nel mezzo del colpo verso il basso. Inoltre, sono stati effettuati i confronti tra le deformazioni di forma del PDMS 10 a uno e PDMS 20 a una pinna.

Le forme delle alette 3D sono state ricostruite dalla fluorescenza indotta dal laser planer, FSI e casi rigidi a metà corsa, dimostrando la capacità della tecnica attuale di fornire una convalida ad alta fedeltà per le simulazioni FSI. Nell'esperimento, la sezione trasversale dell'aletta non era visibile ad ogni passo a causa del longherone rigido opaco. L'immagine mostra il risultato in cui la pinna non era visibile.

La cosa più importante da ricordare è testare la sincronizzazione dei componenti prima di eseguire esperimenti completi. Una volta impostata la tempistica, eseguire prima un'esecuzione di test.