이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.

방법 논문

물 트라이 다리 PVDF 필름 센서에 의해 위쪽으로 점프에 행동 하는 동적 힘의 측정

5.8K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

2018년 8월 3일

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

이 논문에서

요약

여기에 프로토콜 자유 조사 하 고 빠른 공작 물 표면에 물 스 트라이 더의 전용입니다. 프로토콜에는 다리의 미세 관찰 하 고 다른 속도로 수 면에서 출발 하는 경우 접착 힘 측정 포함 됩니다.

초록

이 연구 목적을 현상에 대 한 설명 자연에서 그 물 스 트라이 더 일반적으로 점프 또는 쉽게 하지만 빠르게 물 표면에 glides, 자사의 최대 운동 속도 도달 150 c m/s. 우선, 우리는 미세 및 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 물 스 트라이 더 다리의 계층 구조 관찰. 다리의 관찰 된 형태학에 근거 하 여 물 표면에서 초연의 이론적 모델을 힘들이 지 않고 에너지 절감 측면에서 물 표면에 슬라이드 물 소금의 기능 설명 설립 되었다. 둘째, 동적 힘 측정 시스템 전체 상호 작용 프로세스를 검출할 수 있는 우수한 감도와 PVDF 필름 센서를 사용 하 여 고안 되었다. 그 후, 물과 접촉 한 다리는 위쪽으로 다른 속도로 접착 힘을 동시에 측정 되었다. 출발 실험 결과 물 소금의 빠른 점프에 대 한 깊은 이해를 제안 했다.

서론

자연 속에서 물 소금 점프 하거나 다리를 슬림 하 고 nonwetting1,2,3,,45의 도움으로 물 표면에 쉽고 빠르게 미끄러지듯이 놀라운 능력을 보유 하지만 드물게 지상파 곤충 달리는 천천히 이동 합니다. 물 스 트라이 더의 계층 구조 물과 다리6,,78, 사이 접촉 지역 및 접착 힘에 있는 극적인 감소를 렌더링 superhydrophobic 상태 안정화 그러나 9. 물 표면에서 물 소금의 빠른 해방의 유체역학 장점을 제대로 해석된10,,1112를 유지 하는.

물 표면에서 점프의 과정은 주로 3 단계13,14,,1516으로 분할 된다. 처음에 물 소금 곤충 초기화 점프 방향을 결정 하는 최대 깊이에 침 몰까지 생물 에너지 물의 표면 에너지로 변환 하 중간과 뒷 다리와 수 면 아래로 밀어 파견 속도입니다. 오름차순 단계 이어서, 곤충은 밀어 위쪽으로 곡선된 수 면의 모 세관 힘에 의해 최대 속도 도달까지. 최종 해방 단계에서 물 스 트라이 더 물 표면에서 속보까지 관성에 의해 상승 계속 하지만 속도 크게 접착 힘으로 감소, 물과 함께 있다는의 에너지 소비에 영향을 주는 물 스 트라이 더. 따라서,이 프로토콜은 해방 단계에서 다른 이륙 속도에 접착 힘을 측정 하 여 빠른 이동의 고유 특성을 설명 제안.

물 표면에서 추진 하는 때 물 소금의 접착 힘을 탐구 하는 많은 연구가 계속 있다. 리 & 김 이론적으로 그리고 실험적으로 접착 힘 및 에너지 접촉 각도 160도17에 증가 하는 때 극적으로 감소 물 스 트라이 더의 다리를 드는 필요한 확인. 팬 젠 웨이 18그것의 무게 1/5를 발견 되었다 TriboScope 시스템에 의해 접착 힘을 측정 하는 수압 실험 설계 되었습니다. Kehchih 황 다리 2D 모델 물에서 분리 하 고 다리의 superhydrophobicity 접착 힘 및 에너지 소산19감소에 중요 한 역할을 했다 발견의 준 정적 과정 분석. 그러나, 이전 연구에서 접착 력의 측정 빠른 점프 하는 동안 접착 힘 변화를 모니터링 하지 못했습니다 준 정적 과정의 상태에 그냥 했다.

이 연구에서 우리는 polyvinylidene 불 소 (PVDF) 필름 센서 및 다른 보조 장비를 사용 하 여 동적 힘 측정 시스템 설계. 다른 압 전 재료와 비교해, PVDF는 더 높은 감도20,,2122동적 microforce 측정 적합 합니다. 시스템에 PVDF 필름 센서를 통합 하 여 실시간 접착 힘 감지 고 다리는 물 표면23,,2425에서 당기는 때 처리 될 수 있습니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

1. 물 스 트라이 더 다리에 표면 구조 관찰

  1. 낚시 방문 그물을 사용 하 여 로컬 민물 연못에서 물 소금을 수집 합니다.
  2. 가 위를 사용 하 여 실험 샘플으로 적어도 5 쌍의 중간 다리를 잘라. 표면 오염 및 미세 다리 앞의 방해를 방지 하기 위해 신중 하 게, 다리의 바닥을 터치 합니다.
  3. 공중에서 다리를 자연스럽 게 건조.
  4. 그림 1는에서 같이 마이크로 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 표면 미세 관찰.
  5. 그림 1b와 같이 나노 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 microsetae를 관찰 합니다.

2. 준비 동적 힘 측정 시스템의 구성 요소

  1. 14.9 X 10.2 m m2 X 28 μ m, 10 개 이상의 생산의 차원 PVDF 필름 센서를 구입 마이크로 스트레인 당 mV.
    참고: PVDF 필름 센서는 높은 감도와 동적 접촉 힘을 감지 하는 데 사용 됩니다.
  2. 최대 1000 mV/pC 충전 이득 충전 앰프를 구입 하 고 낮은 소음 미만 5 μV.
    참고: 충전 앰프는 변환기에서 충전 출력은 전압으로 변환할 PVDF 필름 센서에서 신호를 확대 하는 데 사용 됩니다.
  3. 데이터 수집 장치, 아날로그 입력 범위는 1에서에서 샘플 속도가지고 있는 구매 102.4 kS/s s/s.
    참고: 데이터 수집 디바이스는 충전 앰프의 전압 데이터 추가 처리를 위해 컴퓨터에 보내 고 표시 하는 데 사용 됩니다.
  4. 몇몇 높은 정밀 변위 단계와는 전동기를 구입.
    참고: 다리는 전동기에 의해 구동 하는 서로 다른 속도에서 물에서 출발 합니다.
  5. 구입 CCD 카메라, 초점 길이가 5 m m 30 m m 및 프레임 속도 범위에는 30 프레임입니다.
    참고:이 카메라는 기록 하 고 수 면과 다리와 물 표면 사이의 거리의 변형 모니터링 사용 됩니다.
  6. 고성능 컴퓨터를 준비 합니다.

3. 동적 힘 측정 시스템의 모든 부품의 조립

  1. 그림 2a 와b 그림 2표시 된 실제 실험 악기 회로도 그림에 따라 동적 힘 측정 시스템을 조립.
  2. 다른 쪽은 매달려 서 수평 프레임에 배치 됩니다 높은 정밀 변위 단계로 전극을 가진 PVDF 필름 센서의 한쪽을 수정 합니다. PVDF 필름 센서의 설치 방법이 동적 마이크로 힘에 대 한 측정의 해상도 향상 시킬 수 있습니다.
  3. 충전 앰프, 데이터 수집 디바이스와 컴퓨터를 데이터 수집 디바이스를 충전 앰프에 PVDF 필름 센서를 연결 합니다.
  4. PVDF 필름 센서의 왼쪽에 배치 됩니다 높은 정밀 변위 단계로 카메라를 수정 합니다.
  5. 약 다리와 물 사이의 거리를 신속 하 게 조정, PVDF 필름 센서 위에 프레임 높은 정밀 변위 무대를 수정, PVDF 필름 센서에서 그 분리 약 10 ㎝ 이다.
  6. 정확한 속도로 물 표면에서 다리를 들어, 높은 정확한 변위 무대 아래 보조 전동기를 수정.

4. 동적 힘 측정 시스템의 교정

  1. 정전기 힘 시스템26 를 사용 하 여 누구의 크기 미만 0.5 µN. 내부 및 외부 전극에 적용 된 전압에 의해 시스템의 정전기 힘을 제어 해야 하는 PVDF 필름 센서의 자유로운 끝에 행동 하는 마이크로 상수 강제로 생성 뛰어난된 원통형 축전기.
    주의: 힘 PVDF 필름 표면에 수직한 방향으로 행동 해야 하 고 응용 프로그램의 포인트 감도 높이기 위해 PVDF 필름 센서의 끝에 가능한 한 가까이 있어야 하는데.
  2. 단계 입력을 생성 하기 위해 짧은 시간에 힘을 놓습니다.
  3. 수 읽기 PVDF 필름 센서의 출력 전압 신호 LabVIEW 소프트웨어를 사용 하 여 컴퓨터에서 4.2 단계의 전압-시간 신호를 읽어.
    1. LabVIEW 소프트웨어 및 Ni-daqmx에는 공식 웹사이트의 내쇼날인스트루먼트 하드웨어 드라이버를 다운로드 합니다.
    2. 표시 된 그림 3는 LabVIEW를 사용 하 여 연속 아날로그 전압 측정의 데모를 엽니다.
    3. 채널 설정의 모듈에 충전 앰프와 연결 된 데이터 수집 디바이스의 물리적 채널을 선택 합니다.
    4. 100000 100000 타이밍설정 모듈에서 샘플의 수와 샘플링 속도 설정 합니다.
    5. 로깅 모드는 로그 및 읽기를 선택 하 고 로깅 설정의 모듈에 전압 데이터를 저장 파일 경로 작성.
    6. 트리거설정 모듈에서 아무 트리거 를 선택 합니다.
    7. 전압 신호를 샘플링 하려면 도구 모음에서 화살표 모양의 버튼을 클릭 합니다.
  4. 있는 피크 전압은 해당 강제 하는 센서에 행동 전압 곡선을 분석 합니다.
  5. 다른 힘 입력, 전압-포스 포인트의 시리즈 얻었다은에서 4.1-4.4 단계 반복 합니다.
  6. 피크 출력 전압 및 교정 결과에 표준 힘에 대 한 관계를 결정 합니다.

5. 특정 속도로 접착 힘의 측정

  1. 사용 하 여 기계적 micropipette PVDF 필름 센서의 자유로운 끝에 물방울 (5 µ L)를 배치 합니다.
    참고: 위치는 물방울의 PVDF 필름 센서의 끝에 가까이 있어야 한다.
  2. 높은 정밀 변위 무대 아래 보조 전동기를 단 하나 다리를 스틱.
  3. 그림 4는에서 같이 높은 정밀 변위 무대 아래로 다리 연락처 물 표면까지 이동 합니다. 센서의 왼쪽된 측면에 장착 된 카메라 시스템에 의해 다리와 물 표면 사이의 거리를 모니터링 합니다.
  4. 전동기를 통해 일정 한 속도로 물 표면에서 다리를 들어올립니다.
  5. 4.6, 단계에서 설립 하는 모델을 사용 하 여 출발 프로세스의 전압 곡선의 각 지점에 해당 하는 힘을 계산 하 고 그림 4b와 같이 과정, 출발의 힘-시간 곡선을 그립니다.
  6. 특정 속도에서 출발 과정의 피크 접착을 기록 합니다.

6. 다른 속도로 접착 힘의 측량.

  1. 전동기에 의해 다리의 운동 속도 변경 하 고 5 단계에 따라 접착 힘을 측정 한다.
  2. 6.1 단계에서 얻은 데이터를 사용 하 여 속도 곡선을 해제 대 접착 힘을 플롯 합니다.
  3. 접착 힘 및 곡선을 통해 리프팅 속도 사이의 관계를 분석 합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

운동 속도 접착 힘 사이 관계는 표 1에 표시 됩니다. 드는 속도 0.01 m/s에서 0.3 m/s 증가, 접착은 물 표면 및 다리 감소 0.10에서 극적으로 0.03 사이 강제. 출발 실험의 결과 피크 접착 힘 드는 속도 증가, 물 소금 그들은 물 표면에 신속 하 게 이동 하는 경우 편안 하 게 느낄 수 있습니다 표시로 극적으로 감소 것이 보였다.

이 종이 쉽게 낮은 에너지 감소와 함께 물 표면에서 점프의 메커니즘을 명료 수 있는 다리의 미세 및 setae의 모양에 따라 수 면에서 출발 하는 다리의 모델이 설정 됩니다. 다리의 세타 였는 테이퍼 얇은 앞 부분 및 매우 두께, 후면 보듯이 그림 1, 후면 보다 훨씬 낮은 앞 부분의 강성을 초래한. 따라서,는 세타의 앞 부분 뒤쪽 우...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

이 프로토콜에 PVDF 필름 센서에 따라 동적 힘 측정 시스템은 성공적으로 고안, 조립, 측정 물 표면에서 접착 힘 보정. 전체 단계 가운데 그것은 중요 한 물에 빠른 공작의 현저한 특성에 초점을 맞춘이 연구로 수 면에서 다리를 들어올려 접착 힘 다른 속도에서 측정 했다. 출발 하는 실험의 결과 접착 힘 드는 속도 증가 감소 했다. 그들은 물에 고속에 이동 하는 경우 명확히 물 소금 느낄 것이 편안 합니다.

PVDF 기반 동적 힘 측정 방법은 전통적인 방법에 중요 한 보충 이다. 연구, 과거 분리 과정에서 물 소금의 접착 힘은 일반적으로 측정 유사 정적 모드에서 원자 힘 현미경 (AFM)에 의해. 도 불구 하 고 AFM 방법에 비해 측정 정확도 약간 열 등 한, PVDF 필름 센서 큰 거시적인 개체의 힘을 측정할 수 있다. 또한, 큰 주파수 응답 특성,으로 인해 PVDF 필름 센서 측정할 수 있는 다리와 물 표면 사이의 동적 상호 작용 AFM 수만 사용 준 정적 상태에서 반대로....

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 공개 상관이 있다.

감사의 글

저자는 그들의 지원에 대 한 국가 핵심 기술 연구 및 과학과 기술의 중국 (No. 2011BAK15B06)의 개발 프로그램을 감사합니다. 슈 야 주앙 어 비디오 촬영을 완료 하는 데 도움에 대 한 우리의 실험실에서 마스터 학생입니다 감사 합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
PVDF 필름 센서TE ConnectivityDT1-028K/LPVDF 필름 센서는 동적 접촉력을 감지하는 데 사용됩니다.
전하 증폭기Wuxi Shiao Technology co., LtdYE5852B전하 증폭기  입력
데이터 수집 장치National InstrumentsUSB-4431데이터 수집 장치는 전압 데이터를 읽는 데 사용됩니다.
변위 단계ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF는 고해상도, 고안정성 및 고하중을 가진 쐐기 수직 스테이지입니다.
CCD 카메라Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd디지털 현미경 A1프레임 속도: 30프레임/초; 초점 거리: 5mm - 30mm
컴퓨터LenovoG480
서보 모터EMAX US Inc.ES08MD0.10 sec / 60 deg; / 4.8v에서 0.08 sec / 60 deg; / 6.0v까지 다양한 속도로이 서보는 나쁘지 않습니다.
기계식 피펫Dragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181피펫은 0.1 &mu의 부피 범위를 커버합니다. l에서 2.5 μ 엘

참고문헌

  1. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
  2. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  3. 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).
  4. Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. 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).
  12. Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
  13. Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698(2016).
  14. Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).
  15. 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).
  16. Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
  17. 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).
  18. Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).
  27. Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  28. 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).
  29. 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).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

태그

LabView
물 트라이 다리 PVDF 필름 센서에 의해 위쪽으로 점프에 행동 하는 동적 힘의 측정
문의하기
사서에게 추천하기

개인정보

이용 약관

정책

저작권 © 2026 MyJoVE Corporation. 모든 권리 보유.