Summary
Het huidige protocol omvat de meting en karakterisering van 3D-vormvervorming in onderwaterflappende vinnen gebouwd met polydimethylsiloxaan (PDMS) materialen. Nauwkeurige reconstructie van deze vervormingen is essentieel voor het begrijpen van de voortstuwingsprestaties van conforme klapperende vinnen.
Abstract
Voortstuwingsmechanismen geïnspireerd op de vinnen van verschillende vissoorten zijn in toenemende mate onderzocht, gezien hun potentieel voor verbeterde manoeuvreer- en stealth-mogelijkheden in onbemande voertuigsystemen. Zachte materialen die worden gebruikt in de membranen van deze vinmechanismen zijn effectief gebleken in het verhogen van stuwkracht en efficiëntie in vergelijking met meer stijve structuren, maar het is essentieel om de vervormingen in deze zachte membranen nauwkeurig te meten en te modelleren. Deze studie presenteert een workflow voor het karakteriseren van de tijdsafhankelijke vormvervorming van flexibele onderwaterflappende vinnen met behulp van planaire laser-geïnduceerde fluorescentie (PLIF). Gepigmenteerde polydimethylsiloxaanvinmembranen met verschillende stijfheiden (0,38 MPa en 0,82 MPa) worden vervaardigd en gemonteerd op een assemblage voor bediening in twee vrijheidsgraden: pitch en roll. PLIF-beelden worden verkregen over een reeks spanwise vlakken, verwerkt om vinvervormingsprofielen te verkrijgen en gecombineerd om tijdsafhankelijke 3D-vervormde vinvormen te reconstrueren. De gegevens worden vervolgens gebruikt om high-fidelity validatie te bieden voor vloeistof-structuur interactie simulaties en het verbeteren van het begrip van de prestaties van deze complexe voortstuwingssystemen.
Introduction
In de natuur zijn veel vissoorten geëvolueerd om een verscheidenheid aan lichaams- en vinbewegingen te gebruiken om voortbeweging te bereiken. Onderzoek om de principes van de voortbeweging van vissen te identificeren, heeft bijgedragen aan het ontwerp van bio-geïnspireerde voortstuwingssystemen, omdat biologen en ingenieurs hebben samengewerkt om capabele voortstuwings- en controlemechanismen van de volgende generatie voor onderwatervoertuigen te ontwikkelen. Verschillende onderzoeksgroepen hebben vinconfiguraties, vormen, materialen, slagparameters en oppervlaktekrommingscontroletechnieken bestudeerd 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Het belang van het karakteriseren van tip vortex generatie en wake neiging om stuwkrachtgeneratie in single- en multi-fin systemen te begrijpen is gedocumenteerd in talrijke studies, zowel computationeel als experimenteel 13,14,15,16,17,18. Voor vinmechanismen gemaakt van conforme materialen, aangetoond in verschillende studies om de wegneiging te verminderen en de stuwkracht17 te verhogen, is het ook essentieel om hun vervormingstijdgeschiedenis vast te leggen en nauwkeurig te modelleren om te koppelen aan de stroomstructuuranalyse. Deze resultaten kunnen vervolgens worden gebruikt om computationele modellen te valideren, het ontwerp en de controle van de vin te informeren en actieve onderzoeksgebieden te vergemakkelijken in onstabiele hydrodynamische belasting op flexibele materialen, die validatie nodig hebben19. Studies hebben directe high-speed beeldgebaseerde vormtracking gebruikt in haaienvinnen en andere complexe objecten 20,21,22, maar de complexe 3D-vinvorm blokkeert vaak optische toegang, waardoor het moeilijk te meten is. Er is dus een dringende behoefte aan een eenvoudige en effectieve methode om flexibele vinbewegingen te visualiseren.
Een materiaal dat veel wordt gebruikt in conforme vinmechanismen is polydimethylsiloxaan (PDMS) vanwege de lage kosten, het gebruiksgemak, het vermogen om de stijfheid te variëren en de compatibiliteit met onderwatertoepassingen23, zoals uitgebreid beschreven in een beoordeling door Majidi et al.24. Naast deze voordelen is PDMS ook optisch transparant, wat bevorderlijk is voor metingen met behulp van een optische diagnostische techniek zoals planaire laser-geïnduceerde fluorescentie (PLIF). Traditioneel binnen de experimentele vloeistofmechanica25, is PLIF gebruikt om vloeistofstromen te visualiseren door de vloeistof te zaaien met kleurstof of zwevende deeltjes of gebruik te maken van kwantumovergangen van soorten die al in de stroom zitten en die fluoresceren bij blootstelling aan een laserplaat 26,27,28,29. Deze gevestigde techniek is gebruikt om fundamentele vloeistofdynamica, verbranding en oceaandynamica te bestuderen 26,30,31,32,33.
In deze studie wordt PLIF gebruikt om spatiotemporaal opgeloste metingen van vormvervorming in flexibele vis-geïnspireerde robotvinnen te verkrijgen. In plaats van de vloeistof met kleurstof te zaaien, wordt de onderwaterkinematica van een PDMS-vin gevisualiseerd op verschillende akkoordgewijze doorsneden. Hoewel planaire laserbeeldvorming kan worden uitgevoerd op gewone gegoten PDMS zonder extra fluorescentie, kan het aanpassen van PDMS om fluorescentie te verbeteren de signaal-ruisverhouding (SNR) van de beelden verbeteren door de effecten van achtergrondelementen, zoals de vinmontagehardware, te verminderen. PDMS kan fluorescerend worden gemaakt door twee methoden te gebruiken, hetzij door fluorescerende deeltjeszaaiing of pigmentatie. Er is gemeld dat, voor een bepaalde onderdeelverhouding, de eerste de stijfheid van de resulterende gegoten PDMS34 verandert. Daarom werd een niet-toxisch, commercieel verkrijgbaar pigment gemengd met transparant PDMS om fluorescerende vinnen te gieten voor de PLIF-experimenten.
Om een voorbeeld te geven van het gebruik van deze vinkinematicametingen voor computationele modelvalidatie, worden de experimentele kinematica vervolgens vergeleken met waarden uit de gekoppelde vloeistof-structuurinteractie (FSI) -modellen van de vin. De FSI-modellen die in de berekeningen worden gebruikt, zijn gebaseerd op de eerste zeven eigenmodes die zijn berekend met behulp van de gemeten materiaaleigenschappen voor de vinnen. Succesvolle vergelijkingen valideren vinmodellen en bieden vertrouwen in het gebruik van de computationele resultaten voor vinontwerp en -controle. Verder tonen de PLIF-resultaten aan dat deze methode kan worden gebruikt om andere numerieke modellen in toekomstige studies te valideren. Aanvullende informatie over deze FSI-modellen is te vinden ineerder werk 35,36 en in fundamentele teksten van computationele vloeistofdynamicamethoden 37,38. Toekomstige studies kunnen ook gelijktijdige metingen van vaste vervormingen en vloeistofstromen mogelijk maken voor verbeterde experimentele studies van FSI in robotvinnen, bio-geïnspireerde zachte robots en andere toepassingen. Bovendien, omdat PDMS en andere compatibele elastomeren op grote schaal worden gebruikt op verschillende gebieden, waaronder sensoren en medische apparaten, kan het visualiseren van vervormingen in flexibele vaste stoffen met behulp van deze techniek een grotere gemeenschap van onderzoekers in engineering, natuurkunde, biologie en geneeskunde ten goede komen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fin fabricage
- Bouw een vinmal op basis van het gewenste vormontwerp.
- Ontwerp en bouw een aangepaste 3D-geprinte glanzend afgewerkte mal met vinvorm (figuur 1). Zie STL-bestanden voor het fabriceren van de mal in Aanvullende coderingsbestanden 1-4.
- Plaats structurele elementen in de mal, zoals een 3D-geprinte stijve kunststof leading-edge spar. Zie het STL-bestand van de spar in Aanvullend Coderingsdossier 2.
- Meng PDMS (zie Materiaaltabel) in de gewenste onderdeelverhouding.
- Selecteer de onderdeelverhouding van basiselastomeer tot uithardingsmiddel (d.w.z. 10:1 of 20:1) om respectievelijk een hogere of lagere elastische modulus te bereiken. Weeg de overeenkomstige hoeveelheden base en verharder af.
OPMERKING: Zowel 10:1 als 20:1 (elastomeer tot genezend middel) werden in deze studie gebruikt. - Meet het fluorescerende pigment (zie Tabel met materialen) zodanig dat het totale mengsel 0,1%-1% pigment per gewicht bevat, afhankelijk van de gewenste helderheid van pigmentatie. Voeg het pigment toe aan het PDMS-mengsel.
- Giet de gemeten hoeveelheden elastomeer, verharder en pigment in een planetaire centrifugaalmenger (mengen bij 423 x g gedurende 30 s en ontluchten bij 465 x g gedurende 30 s) en meng dienovereenkomstig.
- Selecteer de onderdeelverhouding van basiselastomeer tot uithardingsmiddel (d.w.z. 10:1 of 20:1) om respectievelijk een hogere of lagere elastische modulus te bereiken. Weeg de overeenkomstige hoeveelheden base en verharder af.
- Giet de vin in de mal.
- Ontgas en giet het PDMS-mengsel in de mal voor de vin. Zet de vorm gedurende 45 min in de oven op 70 °C en laat een nacht uitharden bij 37 °C.
- Zodra de uitharding is voltooid, verwijdert u de gegoten vin uit de mal (figuur 2).
- Voer trekproeven uit volgens de ASTM-norm39.
- Giet voor elke vin die in stap 1.3 wordt gegoten, één type IV-monster met hetzelfde PDMS- en pigmentmengsel in een type IV-vormige mal met behulp van de eerder beschreven stappen 1.1.-1.3.
OPMERKING: Zie de STL-bestanden om het Type IV-monster te gieten in Aanvullend coderingsbestand 5 (mal weergegeven in figuur 1C) en zie figuur 3 voor voorbeelden van de geteste type IV-monsters. - Klem het testmonster in de trekproefmachine (zie Materiaaltabel). Meet de initiële lengte, breedte en dikte (mm) van het smalle monstergedeelte.
- Onderwerp het testmonster aan spanning in stappen van 5 mm, zodat het monster alleen in het elastische gebied blijft gespannen en niet overbelast blijft. Verlaag de spanning in stappen van 5 mm totdat de totale verplaatsing van het monster 0 mm (oorspronkelijke positie) is. Noteer de lengtes (mm) en krachten (N) van het smalle gedeelte bij elke stap.
- Om de elastische modulus van het monster te berekenen, plot u de spannings-rekcurve en bepaalt u de beste lineaire pasvorm en R2-waarde .
- Giet voor elke vin die in stap 1.3 wordt gegoten, één type IV-monster met hetzelfde PDMS- en pigmentmengsel in een type IV-vormige mal met behulp van de eerder beschreven stappen 1.1.-1.3.
2. Experimentele opstelling en proeven
- Monteer de PLIF-hardware (zie Materiaaltabel) op een rechthoekige glazen watertank (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
- Monteer en gebruik een gepulseerd lasersysteem (zie Materiaaltabel) om een vlakke lichtplaat te genereren die de tank op het middenvlak kruist met een gespecificeerde frequentie (30 Hz), zoals weergegeven in figuur 4.
- Monteer en gebruik een 4 MP charge-coupled device (CCD) camera uitgerust met een lens (35 mm) en een longpass fluorescentiefilter (560 nm) (zie Materialentabel).
- Kalibreer de conversie van micrometer naar pixel door één afbeelding van de CCD-camera te maken met een liniaal die in het laserplaatvlak is geplaatst (figuur 5). Selecteer twee posities op de camera en verdeel de afstand in micrometers door pixels te scheiden. Zorg ervoor dat deze micrometer-pixelverhouding klein genoeg is (sub-millimeter) voor de toepassing.
- Synchroniseer de laserpulsen en camerabeelden met de klapperende vin met behulp van triggeruitgangen van de vinsoftware en signalen van een vertragingsgenerator en bijbehorende software (zie Tabel met materialen) om de camera, laserkoppen en vinbeweging te coördineren. Zien Aanvullende figuur 1 voor een voorbeeld van de interface-instellingen van de vertragingsgeneratorsoftware.
- Stel het lasersysteem in.
OPMERKING: Zorg ervoor dat alle laserveiligheidsmaatregelen in overeenstemming zijn met de institutionele richtlijnen.- Schakel het lasersysteem in door de aan /uit-toets naar rechts te draaien om de koelmachine te laten draaien die de laserkoppen koelt. Het foutlampje knippert totdat het systeem klaar is om de lasers van stroom te voorzien. Druk niet op de aan/uit-knop waarmee de lasers worden ingeschakeld totdat alle lasermodi correct zijn ingesteld.
- Stel de triggerbron in op EXT LAMP/EXT Q-SW (externe lamp/externe Q-schakelaar).
- Stel voor beide laserkoppen de laserenergie in op het gewenste niveau (d.w.z. ongeveer 60% -80% van het volledige vermogen) en zorg ervoor dat de Q-schakelaar wordt ingeschakeld door op elke Q-schakelaarknop te drukken.
- Schakel de lasers in door op de aan/ uit-knop te drukken.
OPMERKING: Aangezien de Trigger Source is ingesteld op EXT LAMP/EXT Q-SW, zijn de laserkoppen klaar om te vuren, maar alleen te vuren nadat het systeem een externe trigger van de software heeft ontvangen.
- Stel de camera in.
- Sluit de voedingskabels aan op de camera en zorg voor de juiste verbindingen met de computer en software.
- Open de software voor camera-instellingen en selecteer de juiste poort.
- Stel onder Trigger > Settings 'Trigger in:' in op Extern en 'Mode:' op Snel.
- Stel onder Belichting 'Belichtingsregeling' in op Uit.
- Open de camera-opnamesoftware en selecteer de juiste camerakaart.
- Klik op de knop Grab Sequence ( Grab Sequence ).
- Klik op de knop Opname-instellingen , selecteer TIFF-afbeeldingen, selecteer Reeks frames ..., en selecteer het gewenste bestandspad, 6-cijferig aantal, Continu en Accepteren.
- Klik op Start Capture.
OPMERKING: Aangezien de camera-instellingen zijn ingesteld op een externe trigger, is de camera klaar om beelden te verzamelen, maar legt deze beelden pas vast nadat het systeem een externe trigger van de software heeft ontvangen.
- Stel de vertragingsgenerator in.
- Schakel de vertragingsgenerator in en sluit het externe poortkanaal aan op de vintrigger, kanalen A-D op de laser (A: laserkop 1, B: Q-schakelaar op laser 1, C: laserkop 2 en D: Q-schakelaar op laser 2) en kanaal E op de camera.
- Open de vertragingsgeneratorsoftware.
- Selecteer de "Pulse Mode" naar Burst en "System Resolution" naar 4 ns.
- Stel de "Periode(s)" in op 0,033333352.
- Stel de "External Trigger/Gate Mode" in op Triggered, "Threshold (V)" op 0.20 en "Trigger Edge" als Rising.
- Klik op Kanalen > Ch A op het selectievakje Ingeschakeld . Stel de "Delay (s)" in op 0,000000004, "Width (s)" op 0,005000000, "Amplitude (V)" op 5,00, "Channel Mode" op Duty Cycle, "Wait Count" op 0, "Sync Source" op T0, "Polarity" op Normal, "Multiplexer" op A, "Duty Cycle On" op 1, "Duty Cycle Off" op 1 en "Gate Mode" op Uitgeschakeld.
- Klik op Kanalen > Ch B op het selectievakje Ingeschakeld . Stel de "Delay (s)" in op 0,000138000, "Width (s)" op 0,005000000, "Amplitude (V)" op 5,00, "Channel Mode" op Duty Cycle, "Wait Count" op 0, "Sync Source" op Ch A, "Polarity" op Normal, "Multiplexer" op B, "Duty Cycle On" op 1, "Duty Cycle Off" op 1 en "Gate Mode" op Uitgeschakeld.
- Klik op Kanalen > Ch C op het selectievakje Ingeschakeld . Stel de "Delay (s)" in op 0,033333304, "Width (s)" op 0,005000000, "Amplitude (V)" op 5,00, "Channel Mode" op Duty Cycle, "Wait Count" op 0, "Sync Source" op Ch A, "Polarity" op Normal, "Multiplexer" op C, "Duty Cycle On" op 1, "Duty Cycle Off" op 1 en "Gate Mode" op Uitgeschakeld.
- Klik op Kanalen > Ch D op het selectievakje Ingeschakeld . Stel de "Delay (s)" in op 0,000138000, "Width (s)" op 0,005000000, "Amplitude (V)" op 5,00, "Channel Mode" op Duty Cycle, "Wait Count" op 0, "Sync Source" op Ch C, "Polarity" op Normal, "Multiplexer" op D, "Duty Cycle On" op 1, "Duty Cycle Off" op 1 en "Gate Mode" op Uitgeschakeld.
- Klik op Kanalen > Ch E op het selectievakje Ingeschakeld . Stel de "Delay (s)" in op 0,000000004, "Width (s)" op 0,005000000, "Amplitude (V)" op 5,00, "Channel Mode" op Normal, "Wait Count" op 0, "Sync Source" op T0, "Polarity" op Normal, "Multiplexer" op E en "Gate Mode" op Uitgeschakeld.
- Stel het lasersysteem in.
- Lijn de vin uit zodat het laservel op een geselecteerde spanwise positie door een akkoordgewijs gedeelte van de vin gaat en bevestig het vinplatform met het bevestigingsmateriaal.
- Sluit de voeding aan op de fin control hardware en vinmotoren (zie Tabel met materialen) om te beginnen met het flapperen van de vin met de geselecteerde kinematica en schakel alle omgevingslichten uit.
- Druk op Uitvoeren in de vertragingsgeneratorsoftware om de gesynchroniseerde experimenten te starten en afbeeldingen te verkrijgen van het snijpunt van het laserblad met de vin gedurende de slagcyclus. Dit moet worden uitgevoerd over meer dan 200 beroertecycli.
- Druk op Stop in de vertragingsgeneratorsoftware en koppel de vin los van de voedingsbron.
- Beweeg het vinplatform zodat de laserplaat op een nieuwe spanwise positie kruist en voer experimenten uit om de afbeeldingen opnieuw te verkrijgen. Herhaal stap 2.3.-2.6. voor het aantal gewenste metingen (acht verschillende overspanningsposities, zoals aangegeven door de zwarte stippellijnen in figuur 2A).
- Vervang de vin door extra gewenste vinmembranen (twee vinstijfheden, PDMS 10:1 en PDMS 20:1) en herhaal de experimenten.
3. Beeldanalyse
- Zoek voor elke experimentele proef die in stap 2.4 wordt uitgevoerd het bestand waar de afbeeldingen zijn opgeslagen en maak een submap voor elke vinpositie of fase gedurende de slagcyclus. Sorteer de afbeeldingsbestanden in de bijbehorende submappen.
- Lees voor elke vinfasesubmap de meer dan 200 afbeeldingen als pixelwaardearrays (imread.m). Tel de pixelwaardearrays voor alle afbeeldingen op en deel door het aantal afbeeldingen om een gemiddelde afbeelding te genereren. Schrijf de afbeelding naar een nieuw bestand (imwrite.m). Herhaal deze stap voor elke vinpositie gedurende de hele slagcyclus (30 posities).
- Voer een histogramverbetering uit op elke gemiddelde afbeelding (imadjust.m) om het dynamische intensiteitsbereik van de afbeeldingen uit te breiden tot het volledige beschikbare bereik om het contrast tussen de vin en de achtergrond te verbeteren.
- Stel de intensiteitsdrempels in en binarize elke afbeelding om een zwart-witafbeelding te verkrijgen (imbinarize.m). De resulterende witte vormen moeten overeenkomen met stukken van de doorsnede van de vin.
- Extraheer alle witte objecten (vinstukken) uit de binaire afbeelding (bwareafilt.m) en geef de afbeelding weer (imshow.m). Maak een spoor van de binaire afbeeldingsgrens voor elke afbeelding om een 2D-vorm te verkrijgen door alle vinpixels (wit) te selecteren die de achtergrondpixels (zwart) raken (bwboundaries.m).
OPMERKING: Vanwege opgelegde vinkinematica kan het zicht van de PLIF gemeten doorsnede in sommige frames worden afgesloten door een ander deel van de vin. In dergelijke gevallen is er ofwel geen coherente vinvorm zichtbaar op de afbeeldingen, ofwel blijft alleen de voorrand (LE) zichtbaar (figuur 6). - Voer stappen 3.1.-3.5 uit. voor elke vindoorsnede.
4. Reconstructie van 3D-doorbuiging
- Ervan uitgaande dat de LE-positie (ten minste dichter bij de slagas) in de flexibele gevallen hetzelfde is als die van de LE in een stijve vin van dezelfde vorm, lijnt u de vlaksneden langs hun LE voor dezelfde tijdstap en vergelijkt u met de resultaten van de overeenkomstige stijve vinvorm.
- Gebruik een kleinste kwadraten om de resulterende middellijnvorm van de vindoorsnede voor alle vlaksneden te benaderen en reconstrueer de 3D-vinvorm met behulp van een vereenvoudigde bolle romp van deze gemonteerde profielen.
- Vergelijk de resulterende vinvormen met 3D FSI-modellen (gegenereerd vanuit hun middellijnen) om te laten zien hoe dit proces kan worden gebruikt als high-fidelity validatie.
- Genereer een oppervlaktetriangulatie van de gedeeltelijk stijve nylon en gedeeltelijk flexibele PDMS-vin.
- Gebruik een commerciële structurele dynamica software (zie Tabel van materialen) om de eigenmodes van het hybride materiaal te verkrijgen.
- Voer schaalstudies uit om de steady-state verplaatsing te evenaren die is verkregen met behulp van een uniform drukverschil op de vinoppervlakken.
- Schaal de modi om overeen te komen met de verplaatsing die uit de software wordt verkregen.
- Gebruik met de juiste schaalfactor de eerste paar dominante modi (meestal 7 of 8) die worden gebruikt in de gekoppelde FSI-oplosser om de onstabiele stroom over de flexibele vin te simuleren.
- Behandel het lichaam als een ingebedde entiteit in een achtergrondgaas.
OPMERKING: De gekoppelde solver werd gevalideerd voor het Turek-Hron-probleem van stroming over een ronde cilinder met een flexibele angel aan de achterkant35 en uitgebreid voor fladderende vinsimulaties36. - Schrijf de kinematica van de vinbeweging van de experimenten voor.
- Monitor de tijdsgeschiedenis van de krachtproductie en de vorm van de vin langs verschillende vlaksneden gedurende de klappercyclus en vergelijk met experimenten.
- Behandel het lichaam als een ingebedde entiteit in een achtergrondgaas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een trapeziumvormige vis-geïnspireerde kunstmatige borstvin werd gegoten in twee verschillende materialen (PDMS 10: 1 en 20: 1, beide gemengd met fluorescerende kleurstof) uit een mal, elk met een stijve leading-edge spar ingevoegd in het leidende kwart akkoord (figuur 2 en figuur 3). Trekproeven van de twee vinmaterialen (figuur 3) leverden elastische moduli op van respectievelijk 0,38 MPa en 0,82 MPa voor de PDMS 20:1- en PDMS 10:1-vinnen, met een R2 van 0,99 voor beide metingen (zie aanvullende figuur 2 voor de overeenkomstige spannings-rekcurven).
Om de beweging van de vin vast te leggen, werd de camera zo geplaatst dat de micrometer-pixelverhouding in het scherpgestelde gezichtsveld 125 μm / pixel was. Een vertragingsgenerator was bedraad en geprogrammeerd om de laser en camera te activeren met 30 even gespreide tijdsintervallen per vinslag op basis van een enkel triggersignaal in het midden van elke vinslag. De vin was zo geplaatst dat het laservel door een akkoordgewijs gedeelte van de vin ging. Dit werd gedaan voor acht overspanningsposities van 1.876 cm tot 13.132 cm vanaf de wortel van de vingeometrie (figuur 2).
Voor elke doorsnede werden 200+ afbeeldingen verkregen voor elk van de 30 slagposities (fasen). De geprogrammeerde kinematica leverde een slagamplitude op van ±43° en een toonhoogteamplitude van ±17° (figuur 7A,B). Door de ondoorzichtige stijve spar was de vindoorsnede niet bij elke tijdstap zichtbaar (figuur 6), maar deze occlusies waren schaars en hadden geen invloed op de algehele 3D-reconstructies. Na het sorteren, gemiddelden, drempelen, binariseren en overtrekken van afbeeldingen werd een 3D-weergave geconstrueerd. Deze 3D-reconstructie werd vergeleken met de resultaten van het FSI-model en de structuur van een rigid fin model. De LE-positie in de flexibele gevallen werd verondersteld dezelfde te zijn als die van de LE in de stijve vin voor dezelfde vorm. De aanzienlijke vermindering van de algehele stijfheid van de stijve naar de zachte vin resulteerde echter in overspanning, waardoor een niet-verwaarloosbare afbuiging samen met de LE voor het huidige ontwerp werd toegevoegd.
Figuur 7C,D illustreert deze vergelijkingen op twee posities in de slag, één in het midden van de upstroke (t = 0 s) en één in het midden van de downstroke (t = 0,567 s). De figuur toont de akkoordkromming geïnduceerd door vloeistofdruk op de PDMS 10:1-vin, wat leidt tot een gemiddelde genormaliseerde akkoordverplaatsing van de achterrand bij de langste akkoordsectie van verplaatsing / akkoord (d / c) = 0,36 in de middelste upstroke en d / c = 0,33 in de mid-downstroke, zoals gemeten in de experimenten. Dit in vergelijking met d/c = 0,44 in mid upstroke en d/c = 0,39 in mid downstroke uit de CFD simulaties met het FSI model. De resultaten tonen ook enige spanwise afbuiging langs de voorrand in de experimenten, die niet was gemodelleerd voor de simulaties.
Verdere vergelijkingen werden gemaakt tussen de vormvervormingen van de PDMS 10:1 en PDMS 20:1 vinnen (figuur 8A). In het midden van de upstroke (t = 0 s,) werd de achterrandverplaatsing bij de langste akkoordsectie gemeten als d/c = 0,36 voor de PDMS 10:1 vin en d/c = 0,51 voor de PDMS 20:1. Ten slotte toont figuur 8B de gereconstrueerde 3D-vinvormen van de PLIF, FSI en stijve gevallen in het midden van de slag (t = 0,567s). Dit toont het vermogen van de huidige techniek om high-fidelity validatie te bieden voor FSI-simulaties.
Naast metingen van de vervormingstijdgeschiedenis, zoals eerder beschreven, bieden directe metingen van stuwkracht en mechanisch vermogen waardevolle gegevens voor het analyseren van vinvoortstuwende prestaties. Voor de gepresenteerde kinematica produceerde de PDMS 10:1-vin een slaggemiddelde stuwkracht van Fx = 0,51 N, gemeten met een rekstrookbelastingscel, en een gemiddeld totaal vermogen van Pm = 2,38 W, gemeten met stroom- en spanningssensoren. Stuwkracht en hydrodynamisch vermogen berekend uit de CFD-simulatie voor het PDMS 10:1 veld leverde Fx = 0,50 N en Ph = 0,49 W op. De PDMS 20:1 vin produceerde een experimenteel gemeten slaggemiddelde stuwkracht van Fx = 0,48 N en een gemiddeld vermogen van Pm = 2,30 W. Het hydrodynamische vermogen omvatte ongeveer 20% van het totale vermogen, terwijl mechanische verliezen in de motor een grotere bijdrage leverden aan het stroomverbruik. Als zodanig konden de verschillen in hydrodynamisch vermogen en efficiëntie aanzienlijk variëren tussen vinnen met verschillende materiaaleigenschappen, maar het totale vermogen bleef relatief consistent.
Figuur 1: Aangepaste plastic mallen om de vinnen (A en B) en trekproefmonsters (C) te gieten. De mallen en stijve sparren voor de vinnen werden 3D-geprint in hard plastic (zwart en grijs) en de vinnen en trekproefmonsters werden gegoten uit PDMS gemengd met een fluorescerende kleurstof (roze). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Bio-geïnspireerde vinplanvormgeometrie gebruikt in experimenten. (A) CAD-model ter illustratie van de stijve spar (grijs) en PDMS-vin (blauw), met onderbroken zwarte lijnen die de akkoordgewijze doorsneden aangeven die worden gebruikt in planaire laser-geïnduceerde fluorescentie (PLIF) experimenten. (B) Fluorescerende PDMS-vin (roze) met een stijve plastic spar (wit). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Voorbeeld van een afgewerkte vin en trekproefspecimens. Gegoten PDMS-vin met een zwarte stijve spar (links) en drie voorbeelden van Type IV-monsters (rechts) voor trekproeven om de materiaaleigenschappen van elke batch fluorescerende PDMS te verkrijgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Experimentele opstelling. (A) 3D CAD-weergave van de experimentele opstelling met de laser en optiek, groene laserplaat, tank, vin gemonteerd op een platform en camera. (B) Een voorbeeldafbeelding van de gemonteerde vinnen in de tank, met de laser ingeschakeld en een camera uiterst rechts zichtbaar. Hoewel in deze tandemvinopstelling twee vinnen worden getoond, die de kinematica kunnen verkrijgen voor toekomstige studies van vin-vininteracties, werden PLIF-metingen geregistreerd voor alleen de voorvin in deze studie. Verder bevat het beeld omgevingslicht om de opstelling te visualiseren, maar de omgevingslichten werden tijdens alle experimenten uitgeschakeld om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Kalibratiebeeld. Voordat de experimenten werden uitgevoerd, werden kalibratiebeelden verkregen met behulp van een standaardliniaal om de micrometer-pixelverhouding te meten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Vinbeelden van drie tijdstappen over elkaar heen, met een representatief voorbeeld van vinocclusie in één tijdstap. De doorsnede van de vin is zichtbaar in stap 1 en 3, terwijl de ondoorzichtige stijve spar de vin afsluit bij stap 2, waar een schatting van de vinpositie in geel wordt getekend. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Vinkinematica. (A) De slagamplitude (±43°) en (B) toonhoogteamplitude (±17°) van de vinkinematica in de tijd. Een vergelijking van de PDMS 10:1-vin (lichtblauw), FSI-gegevens van de PDMS 10:1-vin (rood) en stijve vin (zwart) om het verschil in vinposities bij twee tijdstappen in de (C) upstroke en (D) downstroke te illustreren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Vergelijking van vinvervorming. (A) Een vergelijking van de PLIF-methode voor het verkrijgen van vinkinematica in één voorbeeldtijdstap om de effecten van stijfheid op vinvervorming aan te tonen. De PLIF-meting voor de meer conforme 20:1 PDMS-vin (donkerblauw) vertoont meer vervorming dan de meer stijve 10:1 PDMS-vin (lichtblauw) en beide vertonen aanzienlijke verschillen met een stijve vin (zwart). (B) 3D gereconstrueerde vinvormen van de PLIF voor 10:1 PDMS, FSI voor 10:1 PDMS en stijve behuizingen in één voorbeeld tijdstap om de oppervlaktepassen te vergelijken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Software-interface voor de vertragingsgenerator. De gebruikersinterfaces voor software om de vertragingsgenerator te regelen, met instellingen om PLIF-beelden op 30 Hz te produceren door de timing van de twee laserkoppen en camera met de vintrigger te coördineren. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 2: Trekproefresultaten voor PDMS. Spannings-rekcurven voor twee mengsels van PDMS (20:1, een flexibelere mix met een elastische modulus van 0,38 MPa, en 10:1, een meer stijve mix met een elastische modulus van 0,82 MPa). Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 1: "Assembly2.stl" is een verzameling bestanden om de aangepaste vinmallen te 3D-printen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" is het STL-bestand om de vininzet af te drukken, een stijf deel van de vin dat dient als bevestiging aan de servo. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" is de linkerhelft van de 3D-printmal voor de flexibele vin. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" is de rechterhelft van de 3D-printmal voor de flexibele vin. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" is de 3D-printmal om Type IV-monsters te maken voor trekproeven. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Planaire laser-geïnduceerde fluorescentie wordt meestal gebruikt om waterige stromen te visualiseren door de vloeistof te zaaien met kleurstof, die fluoresceert bij blootstelling aan een laserplaat25,26. Het gebruik van PLIF om vervormingen in conforme materialen te visualiseren is echter niet eerder gemeld, en deze studie beschrijft een aanpak voor het verkrijgen van tijdgeschiedenismetingen van vormvervorming met hoge resolutie in flexibele vaste vinnen met behulp van PLIF. Het vergelijken van deze vinmetingen met FSI-simulaties valideert de numerieke modellen en biedt meer vertrouwen in het gebruik van computationele resultaten voor vinontwerp en -controle.
Onder de beperkingen van PLIF voor conforme materialen, omvat vervormingskarakterisering occlusie als gevolg van ondoorzichtige elementen in de structuur (de toonaangevende stijve spar in deze studie). Bovendien wordt de PLIF-techniek beïnvloed door totale interne reflectie (TIR), die optreedt wanneer de lokale invalhoek van het licht op de PDMS-waterinterface de bijbehorende kritische waarde overschrijdt. Hoewel de gegoten PDMS-vinnen optisch transparant zijn, hebben ze een veel hogere brekingsindex (1,49) dan water (1,33), wat leidt tot optische vervorming en occlusie met een kritische hoek van 63,5 °. Daarom, wanneer er een grote vervorming is (bijvoorbeeld in de buurt van de uiteinden van de vinnen in de huidige studie), kan de lokale invalhoek groter zijn dan 63,5 °. Bijgevolg wordt de invallende laserstraal teruggekaatst in de vin, wat resulteert in een veel groter "fluorescerend gebied" op het vastgelegde beeld, wat de beeldkwaliteit en vormen beïnvloedt die door deze techniek worden gedetecteerd. Een methode om dit probleem voor toekomstige studies op te lossen, is het gebruik van een optische index-gematchte werkvloeistof, zoals natriumjodide (NaI) oplossing40. Dit wordt echter buiten het bestek van de huidige studie geacht, aangezien deze kwestie geen invloed heeft op de meeste vinnendoorsneden.
Wanneer optische indexmatching niet haalbaar is, kan de concentratie fluorescerend pigment tijdens het gieten worden aangepast om dit effect te verminderen. Hogere concentraties van de fluorescerende kleurstof kunnen de SNR verbeteren, maar als er te veel pigment is en de kromming (afbuiging) van de vin hoog is, kan het effect van de interne reflectie te sterk zijn. Dit kan leiden tot beelddilatatie voor die profielen. Bovendien moeten sterke overwegingen worden gemaakt om de optimale laserinvalhoek te bepalen met betrekking tot de verwachte dominante doorbuiging (indien aanwezig) om het effect van interne reflecties te minimaliseren. Ter illustratie: de dwarsdoorsnedeprofielen variëren voor de op- en neergaande lijnen. In de laatste, toen het licht door de LE-kant van de vin brak, onderging het meerdere interne reflecties op opeenvolgende akkoordgewijze locaties, waardoor de profielvorm aanzienlijk verwijdde. Voor de upstroke had het invallende licht niet meer dan eens interactie met de stijve of flexibele delen van de vinnen, wat resulteerde in een scherp profiel. Deze variatie voorkomt dat een algemeen profielmasker algoritmisch wordt gegenereerd, omdat de mate van overdracht en reflectie ook tijdens de slagcyclus varieert. Hoewel de beeldanalyse een dynamische drempel beschouwt om dit aan te pakken, is het nog steeds een uitdaging om automatisch een dwarsdoorsnede-envelop te genereren.
Het holle oppervlak is gevoeliger voor interne reflecties dan de bolle kant. Daarom werd een alternatieve benadering voor het verkrijgen van een nauwkeuriger middenlijnprofiel onderzocht door het bolle oppervlak te compenseren met de halfgemiddelde vindikte. Het resulterende profiel varieerde echter niet significant in vergelijking met dat verkregen door de minst vierkante pasvorm.
Bovendien gaan de trekproeven en de daaropvolgende curvefitting uit van een lineaire spanning-rekrelatie voor kleinestammen 39. Deze veronderstelling is echter niet geldig voor grotere vervormingen, die van invloed zijn op de berekende eigenfrequenties die worden gebruikt als input voor het FSI-model. Pogingen om een nauwkeurigerE FSI-voorspelling te verkrijgen door rekening te houden met dergelijke niet-lineaire effecten worden geacht buiten het huidige toepassingsgebied te vallen, maar relevant voor toekomstige studies.
Deze studie heeft dus het effect van vinstijfheid op bio-geïnspireerde robotvinnen aangetoond en de computationele modellen gevalideerd. Door deze metingen van vaste vervormingen te combineren met de gelijktijdige meting van vloeistofstromen zoals beschreven in andere PLIF-studies25, zullen toekomstige studies de experimentele analyse van FSI in robotvinnen, bio-geïnspireerde zachte robots en andere toepassingen verbeteren door kleurstoffen te integreren die fluoresceren op verschillende golflengten en meerdere camera's. Vanwege het brede gebruik van PDMS in andere onderzoeksgebieden24, heeft deze PLIF-techniek voor het visualiseren van vervormingen in flexibele vaste stoffen het potentieel om gemeenschappen van onderzoekers in engineering, natuurkunde, biologie en geneeskunde ten goede te komen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door het Office of Naval Research via een US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 basisprogramma en uitgevoerd terwijl Kaushik Sampath een medewerker was van de Acoustics Division bij NRL en Nicole Xu een NRC Research Associateship award hield in de Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics bij NRL. De auteurs willen Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) bedanken voor technische ondersteuning en begeleiding.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ADMET controller | ADMET | MTESTQuattro | |
| Axon II | Society of Robots | Microcontroller for the fin hardware | |
| Berkeley Nucleonics Delay Generator | Berkeley Nucleonics Corp | Model 525 | BNC delay generator and software |
| BobCat Cam Config | Imperx | Camera settings software | |
| CCD camera | Imperx | B2340 | 4 MegaPixel |
| COMSOL | COMSOL Inc | Commercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling | |
| D646WP Servo | Hitec | 36646S | 32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation |
| D840WP Servo | Hitec | 36840S | 32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation |
| Electric Pink fluorescent pigment | Silc Pig | PMS812C | |
| EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system) | Quantel | EVG00070 | Laser head and power supply, 70 mJ |
| Force transducer | ADMET | SM-10-961 | 10 lbf load cell |
| FrameLink Express | Imperx | Camera capture software | |
| Longpass fluorescence filter | Edmund Optics | 560 nm | |
| MATLAB | MathWorks | Software for image analysis | |
| Planetary centrifugal mixer | THINKY MIXER | AR-100 | |
| Silicone rubber compounds | Momentive | RTV615 | Clear PDMS |
| Stratasys J750 | Stratasys | 3D printer, polyjet | |
| Universal testing machine | ADMET | eXpert 2611 | Table top model |
| VeroBlack | Stratasys | 3D printer material to build the molds | |
| VeroGray | Stratasys | 3D printer material to build the molds |
References
- Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J.
- Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. PilotFish: maximizing agility in an unmanned-underwater vehicle. Proceedings of the 11th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. 99, 41-51 (1999).
- Licht, S., Polidoro, V., Flores, M., Hover, F. S., Triantafyllou, M. S. Design and projected performance of a flapping foil AUV. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 29 (3), 786-794 (2004).
- Zhou, C., Wang, L., Cao, Z., Wang, S., Tan, M. Design and control of biomimetic robot fish FAC-I. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 247-258 (2008).
- Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
- Moored, K. W., Smith, W., Hester, J. M., Chang, W., Bart-Smith, H. Investigating the thrust production of a myliobatoid-inspired oscillating wing. Advances in Science and Technology. 58, 25-30 (2008).
- Sitorus, P. E., Nazaruddin, Y. Y., Leksono, E., Budiyono, A. Design and implementation of paired pectoral fins locomotion of labriform fish applied to a fish robot. Journal of Bionic Engineering. 6 (1), 37-45 (2009).
- Tangorra, J. L., Lauder, G. V., Hunter, I. W., Mittal, R., Madden, P. G. A., Bozkurttas, M. The effect of fin ray flexural rigidity on the propulsive forces generated by a biorobotic fish pectoral fin. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 4043-4054 (2010).
- Park, Y. -J., Jeong, U., Lee, J., Kim, H. -Y., Cho, K. -J. The effect of compliant joint and caudal fin in thrust generation for robotic fish. 2010 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. , 528-533 (2010).
- Palmisano, J. S., Geder, J. D., Ramamurti, R., Sandberg, W. C., Banahalli, R. Robotic pectoral fin thrust vectoring using weighted gait combinations. Applied Bionics and Biomechanics. 9, 802985 (2012).
- Esposito, C. J., Tangorra, J. L., Flammang, B. E., Lauder, G. V. A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance. Journal of Experimental Biology. 215 (1), 56-67 (2012).
- Hannard, F., Mirkhalaf, M., Ameri, A., Barthelat, F. Segmentations in fins enable large morphing amplitudes combined with high flexural stiffness for fish-inspired robotic materials. Science Robotics. 6 (57), (2021).
- Lauder, G. V., Madden, P. G. A. Fish locomotion: kinematics and hydrodynamics of flexible foil-like fins. Experiments in Fluids. 43 (5), 641-653 (2007).
- Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
- Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712 (2020).
- Park, H., Park, Y. -J., Lee, B., Cho, K. -J., Choi, H. Vortical structures around a flexible oscillating panel for maximum thrust in a quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 67, 241-260 (2016).
- Shinde, S. Y., Arakeri, J. H. Flexibility in flapping foil suppresses meandering of induced jet in absence of free stream. Journal of Fluid Mechanics. 757, 231-250 (2014).
- Sampath, K., Geder, J. D., Ramamurti, R., Pruessner, M. D., Koehler, R. Hydrodynamics of tandem flapping pectoral fins with varying stroke phase offsets. Physical Review Fluids. 5 (9), 094101 (2020).
- Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
- Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
- Watanabe, Y., Komuro, T., Ishikawa, M. 955-fps real-time shape measurement of a moving/deforming object using high-speed vision for numerous-point analysis. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 3192-3197 (2007).
- Teng, J., Hu, C., Huang, H., Chen, M., Yang, S., Chen, H. Single-shot 3D tracking based on polarization multiplexed Fourier-phase camera. Photonics Research. 9 (10), 1924 (2021).
- Zhang, B., Dong, Q., Korman, C. E., Li, Z., Zaghloul, M. E. Flexible packaging of solid-state integrated circuit chips with elastomeric microfluidics. Scientific Reports. 3 (1), 1098 (2013).
- Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477 (2018).
- Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
- Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
- Davidson, D. F., Hanson, R. K.
- Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
- Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
- Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
- Hanson, R. K., Seitzman, J. M., Paul, P. H. Planar laser-fluorescence imaging of combustion gases. Applied Physics B Photophysics and Laser Chemistry. 50 (6), 441-454 (1990).
- Houghton, I. A., Koseff, J. R., Monismith, S. G., Dabiri, J. O. Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column. Nature. 556 (7702), 497-500 (2018).
- Mohaghar, M., Webster, D. R. Characterization of non-linear internal waves using PIV/PLIF techniques. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry. 1 (1), (2021).
- Yue, Y., Zhang, H., Zhang, Z., Chen, Y. Tensile properties of fumed silica filled polydimethylsiloxane networks. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 54, 20-27 (2013).
- Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
- Geder, J. D., Ramamurti, R., Sampath, K., Pruessner, M., Viswanath, K. Fluid-structure modeling and the effects of passively deforming fins in flapping propulsion systems. OCEANS 2021: San Diego - Porto. , 1-9 (2021).
- Anderson, D. A., Tannehill, J. C., Pletcher, R. H., Ramakanth, M., Shankar, V. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Fourth edition. | Boca. , CRC Press. Boca Raton, FL. Series: Computational and physical processes in mechanics and thermal sciences (2020).
- Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
- D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
- Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704 (2014).
