Summary
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.
Abstract
I meccanismi propulsivi ispirati alle pinne di varie specie ittiche sono stati sempre più studiati, dato il loro potenziale per migliorare le manovre e le capacità stealth nei sistemi di veicoli senza equipaggio. I materiali morbidi utilizzati nelle membrane di questi meccanismi a pinne si sono dimostrati efficaci nell'aumentare la spinta e l'efficienza rispetto a strutture più rigide, ma è essenziale misurare e modellare accuratamente le deformazioni in queste membrane morbide. Questo studio presenta un flusso di lavoro per caratterizzare la deformazione della forma dipendente dal tempo delle alette flessibili subacquee che sbattono utilizzando la fluorescenza planare indotta dal laser (PLIF). Le membrane alette di polidimetilsilossano pigmentate con rigidità variabile (0,38 MPa e 0,82 MPa) sono fabbricate e montate su un gruppo per l'attuazione in due gradi di libertà: beccheggio e rollio. Le immagini PLIF vengono acquisite su una gamma di piani spanwise, elaborate per ottenere profili di deformazione delle alette e combinate per ricostruire forme di alette deformate 3D variabili nel tempo. I dati vengono quindi utilizzati per fornire una convalida ad alta fedeltà per simulazioni di interazione fluido-struttura e migliorare la comprensione delle prestazioni di questi complessi sistemi di propulsione.
Introduction
In natura, molte specie di pesci si sono evolute per utilizzare una varietà di movimenti del corpo e delle pinne per ottenere la locomozione. La ricerca per identificare i principi della locomozione dei pesci ha contribuito a guidare la progettazione di sistemi di propulsione bioispirati, poiché biologi e ingegneri hanno lavorato insieme per sviluppare meccanismi di propulsione e controllo di prossima generazione per veicoli subacquei. Vari gruppi di ricerca hanno studiato configurazioni delle alette, forme, materiali, parametri di corsa e tecniche di controllo della curvatura superficiale 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . L'importanza di caratterizzare la generazione di vortici di punta e l'inclinazione alla scia per comprendere la generazione di spinta in sistemi a pinna singola e multipla è stata documentata in numerosi studi, sia computazionali che sperimentali 13,14,15,16,17,18. Per i meccanismi delle alette realizzati con materiali conformi, mostrati in vari studi per ridurre l'inclinazione della scia e aumentare la spinta17, è anche essenziale catturare e modellare con precisione la loro storia temporale di deformazione da abbinare all'analisi della struttura del flusso. Questi risultati possono quindi essere utilizzati per convalidare modelli computazionali, informare la progettazione e il controllo delle alette e facilitare le aree di ricerca attive nel carico idrodinamico instabile su materiali flessibili, che richiedono la convalida19. Gli studi hanno utilizzato il tracciamento diretto della forma basato su immagini ad alta velocità nelle pinne di squalo e in altri oggetti complessi 20,21,22, ma la complessa forma della pinna 3D spesso blocca l'accesso ottico, rendendolo difficile da misurare. Pertanto, vi è una pressante necessità di un metodo semplice ed efficace per visualizzare il movimento flessibile delle pinne.
Un materiale ampiamente utilizzato nei meccanismi delle pinne conformi è il polidimetilsilossano (PDMS) grazie al suo basso costo, facilità d'uso, capacità di variare rigidità e compatibilità con le applicazioni subacquee23, come ampiamente descritto in una recensione di Majidi et al.24. Oltre a questi vantaggi, PDMS è anche otticamente trasparente, il che favorisce le misurazioni utilizzando una tecnica diagnostica ottica come la fluorescenza indotta da laser planare (PLIF). Tradizionalmente all'interno della meccanica sperimentale dei fluidi25, PLIF è stato utilizzato per visualizzare i flussi di fluido seminando il fluido con particelle coloranti o sospese o sfruttando le transizioni quantistiche da specie già nel flusso che fluoresce quando esposte a un foglio laser 26,27,28,29. Questa tecnica consolidata è stata utilizzata per studiare la fluidodinamica fondamentale, la combustione e la dinamica oceanica 26,30,31,32,33.
Nel presente studio, PLIF viene utilizzato per ottenere misurazioni risolte in modo spaziotemporale della deformazione della forma in pinne robotiche flessibili ispirate ai pesci. Invece di seminare il fluido con il colorante, la cinematica subacquea di una pinna PDMS viene visualizzata in varie sezioni trasversali degli accordi. Sebbene l'imaging laser planare possa essere eseguito su PDMS cast regolari senza fluorescenza aggiuntiva, la modifica del PDMS per migliorare la fluorescenza può migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR) delle immagini riducendo gli effetti degli elementi di sfondo, come l'hardware di montaggio delle alette. Il PDMS può essere reso fluorescente impiegando due metodi, sia mediante semina di particelle fluorescenti che per pigmentazione. È stato riportato che, per un dato rapporto di parti, il primo altera la rigidità del risultante PDMS34 fuso. Pertanto, un pigmento non tossico e disponibile in commercio è stato miscelato con PDMS trasparente per fondere alette fluorescenti per gli esperimenti PLIF.
Per fornire un esempio di utilizzo di queste misure cinematiche delle pinne per la convalida del modello computazionale, la cinematica sperimentale viene quindi confrontata con i valori dei modelli di interazione fluido-struttura accoppiata (FSI) della pinna. I modelli FSI utilizzati nei calcoli si basano sui primi sette automodi calcolati utilizzando le proprietà del materiale misurate per le alette. Confronti di successo convalidano i modelli di alette e forniscono fiducia nell'utilizzo dei risultati computazionali per la progettazione e il controllo delle alette. Inoltre, i risultati del PLIF dimostrano che questo metodo può essere utilizzato per convalidare altri modelli numerici in studi futuri. Ulteriori informazioni su questi modelli FSI possono essere trovate nel lavoro precedente35,36 e nei testi fondamentali dei metodi di fluidodinamica computazionale37,38. Studi futuri possono anche consentire misurazioni simultanee di deformazioni solide e flussi di fluidi per migliorare gli studi sperimentali di FSI in alette robotiche, robot morbidi bioispirati e altre applicazioni. Inoltre, poiché PDMS e altri elastomeri compatibili sono ampiamente utilizzati in vari campi, inclusi sensori e dispositivi medici, la visualizzazione delle deformazioni in solidi flessibili utilizzando questa tecnica può avvantaggiare una più ampia comunità di ricercatori in ingegneria, fisica, biologia e medicina.
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Protocol
1. Fabbricazione delle pinne
- Costruisci uno stampo per alette in base al design della forma desiderato.
- Progetta e costruisci uno stampo personalizzato stampato in 3D con finitura lucida a forma di pinna (Figura 1). Vedere File STL per la fabbricazione dello stampo nei file di codifica supplementari 1-4.
- Inserisci elementi strutturali nello stampo, come un longherone in plastica rigida stampato in 3D. Vedere il file STL dello spar in Supplementary Coding File 2.
- Mescolare PDMS (vedi Tabella dei materiali) nel rapporto di parte desiderato.
- Selezionare il rapporto tra l'elastomero di base e l'agente polimerizzante (ad esempio, 10:1 o 20:1) per ottenere rispettivamente un modulo elastico superiore o inferiore. Pesare le quantità corrispondenti di base e indurente.
NOTA: Sia 10:1 che 20:1 (elastomero all'agente polimerizzante) sono stati utilizzati nel presente studio. - Misurare il pigmento fluorescente (vedere Tabella dei materiali) in modo tale che la miscela totale contenga lo 0,1% -1% di pigmento in peso, a seconda della luminosità desiderata della pigmentazione. Aggiungere il pigmento alla miscela PDMS.
- Versare le quantità misurate di elastomero, indurente e pigmento in un miscelatore centrifugo planetario (mescolando a 423 x g per 30 s e disaerando a 465 x g per 30 s) e mescolare di conseguenza.
- Selezionare il rapporto tra l'elastomero di base e l'agente polimerizzante (ad esempio, 10:1 o 20:1) per ottenere rispettivamente un modulo elastico superiore o inferiore. Pesare le quantità corrispondenti di base e indurente.
- Getta la pinna nello stampo.
- Degas e versare la miscela PDMS nello stampo per la pinna. Mettere lo stampo in forno a 70 °C per 45 minuti e lasciarlo polimerizzare per una notte a 37 °C.
- Una volta completata la polimerizzazione, rimuovere l'aletta fusa dallo stampo (Figura 2).
- Eseguire prove di trazione seguendo lo standard ASTM39.
- Per ogni fusione di pinne nella fase 1.3., fondere un campione di tipo IV utilizzando lo stesso PDMS e la stessa miscela di pigmenti in uno stampo a forma di tipo IV utilizzando le fasi 1.1.-1.3 precedentemente descritte.
NOTA: vedere i file STL per fondere il campione di tipo IV nel file di codifica supplementare 5 (stampo mostrato nella Figura 1C) e vedere la Figura 3 per esempi dei campioni di tipo IV testati. - Bloccare il campione di prova nella macchina per prove di trazione (vedere Tabella dei materiali). Misurare la lunghezza, la larghezza e lo spessore iniziali (mm) della sezione di campionamento stretta.
- Sottoporre la provetta a tensione con incrementi di 5 mm, assicurando che il campione rimanga teso solo nella regione elastica, non sovraccarico. Diminuire la tensione con incrementi di 5 mm fino a quando lo spostamento totale del campione è di 0 mm (posizione originale). Registrate le lunghezze (mm) e le forze (N) della sezione stretta ad ogni incremento.
- Per calcolare il modulo elastico del campione, tracciare la curva stress-deformazione e determinare la migliore vestibilità lineare e il valore R2 .
- Per ogni fusione di pinne nella fase 1.3., fondere un campione di tipo IV utilizzando lo stesso PDMS e la stessa miscela di pigmenti in uno stampo a forma di tipo IV utilizzando le fasi 1.1.-1.3 precedentemente descritte.
2. Configurazione sperimentale e prove
- Montare l'hardware PLIF (vedi Tabella dei materiali) su un serbatoio rettangolare in vetro (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
- Montare e utilizzare un sistema laser pulsato (vedere Tabella dei materiali) per generare un foglio di luce planare che interseca il serbatoio sul suo piano intermedio a una frequenza specificata (30 Hz), come mostrato nella Figura 4.
- Montare e utilizzare una fotocamera CCD (Charge-Coupled Device) da 4 MP dotata di un obiettivo (35 mm) e di un filtro a fluorescenza longpass (560 nm) (vedere Tabella dei materiali).
- Calibrare la conversione da micrometro a pixel prendendo una singola immagine dalla telecamera CCD con un righello posizionato nel piano del foglio laser (Figura 5). Selezionare due posizioni sulla fotocamera e dividere la distanza in micrometri separando i pixel. Assicurarsi che questo rapporto micrometro-pixel sia abbastanza piccolo (sub-millimetro) per l'applicazione.
- Sincronizzare gli impulsi laser e le immagini della telecamera con la pinna svolazzante utilizzando le uscite trigger del software dell'aletta e i segnali di un generatore di ritardo e del software associato (vedere Tabella dei materiali) per coordinare la fotocamera, le teste laser e il movimento delle pinne. Vedere Figura supplementare 1 per un esempio delle impostazioni dell'interfaccia del software del generatore di ritardi.
- Impostare il sistema laser.
NOTA: Assicurarsi che tutte le misure di sicurezza laser siano conformi alle linee guida istituzionali.- Accendere il sistema laser ruotando il tasto di accensione a destra per far funzionare il refrigeratore che raffredda le teste laser. La spia di guasto lampeggia fino a quando il sistema non è pronto per alimentare i laser. Non premere il pulsante di accensione che accende i laser fino a quando tutte le modalità laser non sono impostate correttamente.
- Impostare la sorgente del trigger su EXT LAMP/EXT Q-SW (lampada esterna/Q-switch esterno).
- Per entrambe le teste laser, impostare l'energia laser al livello desiderato (ovvero circa il 60%-80% della piena potenza) e assicurarsi che l'interruttore Q sia acceso premendo ciascun pulsante Q-switch .
- Accendere i laser premendo il pulsante di accensione.
NOTA: poiché la sorgente del trigger è impostata su EXT LAMP/EXT Q-SW, le testine laser sono pronte per il fuoco, ma si attivano solo dopo che il sistema riceve un trigger esterno dal software.
- Impostare la fotocamera.
- Collegare i cavi di alimentazione alla fotocamera e garantire connessioni corrette al computer e al software.
- Aprire il software delle impostazioni della fotocamera e selezionare la porta corretta.
- In Impostazioni > trigger, imposta "Trigger in:" su Esterno e "Modalità:" su Veloce.
- In Esposizione, impostare "Controllo esposizione" su Disattivato.
- Aprire il software di acquisizione della fotocamera e selezionare la scheda fotocamera corretta.
- Fare clic sul pulsante Grab Sequence .
- Fare clic sul pulsante Impostazioni di acquisizione , selezionare immagini TIFF, selezionare Serie di fotogrammi ... e selezionare il percorso del file desiderato, Numero a 6 cifre, Continuo e Accetta.
- Fare clic su Avvia acquisizione.
NOTA: poiché le impostazioni della fotocamera sono impostate su un trigger esterno, la fotocamera è pronta per raccogliere le immagini, ma acquisisce queste immagini solo dopo che il sistema ha ricevuto un trigger esterno dal software.
- Impostare il generatore di ritardo.
- Accendere il generatore di ritardo e collegare il canale gate esterno al grilletto dell'alette, i canali A-D al laser (A: testa laser 1, B: Q-switch al laser 1, C: testa laser 2 e D: Q-switch al laser 2) e il canale E alla telecamera.
- Aprire il software del generatore di ritardi.
- Selezionare "Pulse Mode" a Burst e "System Resolution" a 4 ns.
- Impostare il "Periodo(i)" su 0.033333352.
- Imposta "Modalità trigger/gate esterno" su Attivato, "Soglia (V)" su 0,20 e "Trigger Edge" su Aumento.
- In Canali > Ch A, fare clic sulla casella di controllo Abilitato . Impostare "Delay (s)" su 0.000000004, "Width (s)" su 0.005000000, "Amplitude (V)" su 5.00, "Channel Mode" su Duty Cycle, "Wait Count" su 0, "Sync Source" su T0, "Polarity" su Normal, "Multiplexer" su A, "Duty Cycle On" su 1, "Duty Cycle Off" su 1 e "Gate Mode" su Disabled.
- In Canali > Ch B, fare clic sulla casella di controllo Abilitato . Impostare "Delay (s)" su 0.000138000, "Width (s)" su 0.005000000, "Amplitude (V)" su 5.00, "Channel Mode" su Duty Cycle, "Wait Count" su 0, "Sync Source" su Ch A, "Polarity" su Normal, "Multiplexer" su B, "Duty Cycle On" su 1, "Duty Cycle Off" su 1 e "Gate Mode" su Disabled.
- In Canali > Ch C, fare clic sulla casella di controllo Abilitato . Impostare "Delay (s)" su 0.033333304, "Width (s)" su 0.005000000, "Amplitude (V)" su 5.00, "Channel Mode" su Duty Cycle, "Wait Count" su 0, "Sync Source" su Ch A, "Polarity" su Normal, "Multiplexer" su C, "Duty Cycle On" su 1, "Duty Cycle Off" su 1 e "Gate Mode" su Disabled.
- In Canali > Ch D, fare clic sulla casella di controllo Abilitato . Impostare "Delay (s)" su 0.000138000, "Width (s)" su 0.005000000, "Amplitude (V)" su 5.00, "Channel Mode" su Duty Cycle, "Wait Count" su 0, "Sync Source" su Ch C, "Polarity" su Normal, "Multiplexer" su D, "Duty Cycle On" su 1, "Duty Cycle Off" su 1 e "Gate Mode" su Disabled.
- In Canali > Ch E, fare clic sulla casella di controllo Abilitato . Impostare "Delay (s)" su 0.000000004, "Width (s)" su 0.005000000, "Amplitude (V)" su 5.00, "Channel Mode" su Normal, "Wait Count" su 0, "Sync Source" su T0, "Polarity" su Normal, "Multiplexer" su E e "Gate Mode" su Disabled.
- Impostare il sistema laser.
- Allineare l'aletta in modo che il foglio laser passi attraverso una sezione corda della pinna in una posizione spanwise selezionata e fissare la piattaforma dell'aletta con l'hardware di montaggio.
- Collegare l'alimentazione all'hardware di controllo delle alette e ai motori delle alette (vedere Tabella dei materiali) per iniziare a sbattere le alette con la cinematica selezionata e spegnere tutte le luci ambientali.
- Premere Esegui nel software del generatore di ritardo per iniziare gli esperimenti sincronizzati e acquisire immagini dell'intersezione del foglio laser con l'aletta durante tutto il ciclo di corsa. Questo deve essere condotto su oltre 200 cicli di corsa.
- Premere Stop nel software del generatore di ritardo e scollegare l'aletta dalla fonte di alimentazione.
- Spostare la piattaforma delle alette in modo che il foglio laser si incroci in una nuova posizione spanwise ed eseguire esperimenti per acquisire nuovamente le immagini. Ripetere i passaggi 2.3.-2.6. per il numero di misurazioni desiderate (otto diverse posizioni spanwise, come mostrato dalle linee tratteggiate nere nella Figura 2A).
- Sostituire l'aletta con ulteriori membrane alette desiderate (due rigidità delle alette, PDMS 10:1 e PDMS 20:1) e ripetere gli esperimenti.
3. Analisi delle immagini
- Per ogni prova sperimentale condotta nella fase 2.4., individuare il file in cui sono memorizzate le immagini e creare una sottocartella per ogni posizione o fase dell'aletta durante il ciclo di corsa. Ordinare i file di immagine nelle sottocartelle corrispondenti.
- Per ogni sottocartella di fase a pinna, leggete le oltre 200 immagini come matrici di valori pixel (imread.m). Sommare le matrici di valori pixel per tutte le immagini e dividere per il numero di immagini per generare un'immagine media. Scrivere l'immagine in un nuovo file (imwrite.m). Ripetete questo passaggio per ogni posizione dell'aletta durante tutto il ciclo di corsa (30 posizioni).
- Eseguire un miglioramento dell'istogramma su ciascuna immagine media (imadjust.m) per estendere la gamma di intensità dinamica delle immagini all'intera gamma disponibile per migliorare il contrasto tra la pinna e lo sfondo.
- Impostare le soglie di intensità e binariizzare ogni immagine per ottenere un'immagine in bianco e nero (imbinarize.m). Le forme bianche risultanti dovrebbero corrispondere a pezzi della sezione trasversale della pinna.
- Estrarre tutti gli oggetti bianchi (pezzi di pinne) dall'immagine binaria (bwareafilt.m) e visualizzare l'immagine (imshow.m). Create una traccia del limite dell'immagine binaria per ogni immagine per ottenere una forma 2D selezionando tutti i pixel delle pinne (bianchi) che toccano i pixel di sfondo (neri) (bwboundaries.m).
NOTA: a causa della cinematica delle pinne imposta, la vista della sezione trasversale misurata PLIF in alcuni fotogrammi potrebbe essere occlusa da un'altra parte dell'aletta. In questi casi, o non c'è una forma coerente della pinna evidente dalle immagini, o solo il bordo d'attacco (LE) rimane visibile (Figura 6). - Eseguire i passaggi 3.1.-3.5. per ogni sezione trasversale delle pinne.
4. Ricostruzione della deflessione 3D
- Supponendo che la posizione LE (almeno più vicina all'asse della corsa) nei casi flessibili sia la stessa di quella del LE in una pinna rigida della stessa forma, allineare i tagli del piano lungo il loro LE per lo stesso passo temporale e confrontare con i risultati della corrispondente forma dell'aletta rigida.
- Utilizzare un adattamento dei minimi quadrati per approssimare la forma dell'asse di mezzeria risultante della sezione trasversale dell'aletta per tutti i tagli del piano e ricostruire la forma dell'aletta 3D utilizzando uno scafo convesso semplificato da questi profili montati.
- Confronta le forme delle alette risultanti con i modelli FSI 3D (generati dai loro assi di mezzeria) per mostrare come questo processo può essere utilizzato come convalida ad alta fedeltà.
- Generare una triangolazione superficiale del nylon parzialmente rigido e della pinna PDMS parzialmente flessibile.
- Utilizzare un software di dinamica strutturale commerciale (vedi Tabella dei materiali) per ottenere gli automodi del materiale ibrido.
- Eseguire studi di ridimensionamento per abbinare lo spostamento allo stato stazionario ottenuto utilizzando un differenziale di pressione uniforme sulle superfici delle alette.
- Ridimensiona le modalità in modo che corrispondano allo spostamento ottenuto dal software.
- Con il fattore di scala corretto, utilizzare le prime modalità dominanti (di solito 7 o 8) impiegate nel risolutore FSI accoppiato per simulare il flusso instabile sulla pinna flessibile.
- Trattate il corpo come un'entità incorporata in una mesh di sfondo.
NOTA: Il risolutore accoppiato è stato convalidato per il problema Turek-Hron del flusso su un cilindro circolare con una puntura flessibile sul retro35 ed esteso per le simulazioni di alette sbattute36. - Prescrivere la cinematica del movimento delle pinne dagli esperimenti.
- Monitora la cronologia temporale della produzione di forza e la forma della pinna lungo diversi tagli piani durante il ciclo di sbattimento e confronta con gli esperimenti.
- Trattate il corpo come un'entità incorporata in una mesh di sfondo.
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Representative Results
Una pinna pettorale artificiale trapezoidale ispirata al pesce è stata fusa in due materiali diversi (PDMS 10: 1 e 20: 1, entrambi mescolati con colorante fluorescente) da uno stampo, ciascuno con un longherone rigido all'avanguardia inserito nell'accordo del quarto anteriore (Figura 2 e Figura 3). Le prove di trazione dei due materiali delle alette (Figura 3) hanno prodotto moduli elastici di 0,38 MPa e 0,82 MPa per le alette PDMS 20:1 e PDMS 10:1, rispettivamente, con un R2 di 0,99 per entrambe le misurazioni (vedere figura 2 supplementare per le corrispondenti curve stress-deformazione).
Per catturare il movimento della pinna, la fotocamera è stata posizionata in modo tale che il rapporto micrometro-pixel nel campo visivo focalizzato fosse di 125 μm / pixel. Un generatore di ritardo è stato cablato e programmato per attivare il laser e la telecamera a 30 intervalli di tempo equamente distanziati per corsa della pinna in base a un singolo segnale di trigger nel punto medio di ogni corsa della pinna. La pinna era posizionata in modo tale che il foglio laser passasse attraverso una sezione corda della pinna. Questo è stato fatto per otto posizioni spanwise da 1.876 cm a 13.132 cm dalla radice della geometria della pinna (Figura 2).
Per ogni sezione trasversale, sono state ottenute oltre 200 immagini per ciascuna delle 30 posizioni di tratto (fasi). La cinematica programmata ha prodotto un'ampiezza di corsa di ±43° e un'ampiezza di passo di ±17° (Figura 7A,B). A causa del longherone rigido opaco, la sezione trasversale dell'aletta non era visibile in ogni fase temporale (Figura 6), ma queste occlusioni erano scarse e non influenzavano le ricostruzioni 3D complessive. Dopo l'ordinamento, la media, la soglia, la binarizzazione e la traccia delle immagini, è stata costruita una rappresentazione 3D. Questa ricostruzione 3D è stata confrontata con i risultati del modello FSI e la struttura di un modello di alette rigide. La posizione LE nei casi flessibili è stata assunta come la stessa di quella del LE nella pinna rigida per la stessa forma. Tuttavia, la sostanziale riduzione della rigidità complessiva che va dalla pinna rigida a quella morbida ha comportato un carico spanwise, aggiungendo una deflessione non trascurabile insieme al LE per il design attuale.
La figura 7C,D illustra questi confronti in due posizioni nella corsa, una al centro della corsa verso l'alto (t = 0 s) e una nel mezzo della corsa verso il basso (t = 0,567 s). La figura mostra la curvatura degli accordi indotta dalla pressione del fluido sulla pinna PDMS 10:1, che porta a uno spostamento medio normalizzato dell'accordo del bordo d'uscita nella sezione di corda più lunga di spostamento/accordo (d/c) = 0,36 nel mid upstroke e d/c = 0,33 nel mid downstroke, come misurato negli esperimenti. Questo si confronta con d / c = 0,44 a metà corsa e d / c = 0,39 a metà downstroke dalle simulazioni CFD con il modello FSI. I risultati dimostrano anche una certa deflessione longitudinale lungo il bordo d'attacco negli esperimenti, che non è stata modellata per le simulazioni.
Sono stati effettuati ulteriori confronti tra le deformazioni di forma delle alette PDMS 10:1 e PDMS 20:1 (Figura 8A). A metà del tratto verso l'alto (t = 0 s,) lo spostamento del bordo d'uscita nella sezione di corda più lunga è stato misurato come d/c = 0,36 per la pinna PDMS 10:1 e d/c = 0,51 per il PDMS 20:1. Infine, la Figura 8B mostra le forme delle pinne 3D ricostruite da PLIF, FSI e casi rigidi a metà corsa (t = 0,567 s). Ciò dimostra la capacità della tecnica attuale di fornire una convalida ad alta fedeltà per le simulazioni FSI.
Oltre alle misurazioni della cronologia temporale della deformazione, come descritto in precedenza, le misurazioni dirette della spinta e della potenza meccanica forniscono dati preziosi per l'analisi delle prestazioni propulsive delle alette. Per la cinematica presentata, la pinna PDMS 10:1 ha prodotto una spinta media di corsa di Fx = 0,51 N, misurata con una cella di carico estensimetrica, e una potenza totale media di Pm = 2,38 W, misurata con sensori di corrente e tensione. Spinta e potenza idrodinamica calcolate dalla simulazione CFD per il campo PDMS 10:1 hanno prodotto Fx = 0,50 N e Ph = 0,49 W. La pinna PDMS 20:1 ha prodotto una spinta media della corsa misurata sperimentalmente di Fx = 0,48 N e una potenza media di Pm = 2,30 W. L'energia idrodinamica comprendeva circa il 20% della potenza totale, mentre le perdite meccaniche nel motore contribuivano maggiormente al consumo di energia. Pertanto, le differenze nell'energia idrodinamica e nelle efficienze avrebbero potuto variare in modo significativo tra alette di diverse proprietà del materiale, ma la potenza totale è rimasta relativamente coerente.
Figura 1: Stampi in plastica personalizzati per fondere le alette (A e B) e i provini di prova di trazione (C). Gli stampi e i longheroni rigidi per le pinne sono stati stampati in 3D in plastica rigida (nero e grigio) e le pinne e i campioni di prova di trazione sono stati fusi da PDMS mescolati con un colorante fluorescente (rosa). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Geometria della forma planica delle pinne bioispirata utilizzata negli esperimenti. (A) Modello CAD che illustra il longherone rigido (grigio) e la pinna PDMS (blu), con linee nere tratteggiate che indicano le sezioni trasversali degli accordi utilizzate negli esperimenti di fluorescenza indotta da laser planare (PLIF). (B) Pinna PDMS fluorescente (rosa) con longherone in plastica rigida (bianco). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Esempio di una pinna finita e campioni di prova di trazione. Pinna PDMS fusa con stampo con longherone rigido nero (a sinistra) e tre esempi di campioni di tipo IV (a destra) per prove di trazione per ottenere le proprietà del materiale di ciascun lotto di PDMS fluorescente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Configurazione sperimentale. (A) Vista CAD 3D della configurazione sperimentale con laser e ottica, foglio laser verde, serbatoio, pinna montata su una piattaforma e telecamera. (B) Un'immagine di esempio che mostra le alette montate nel serbatoio, con il laser acceso e una telecamera visibile all'estrema destra. Sebbene due alette siano mostrate in questa configurazione della pinna tandem, che può ottenere la cinematica per studi futuri sulle interazioni pinna-aletta, le misurazioni PLIF sono state registrate solo per la pinna anteriore in questo studio. Inoltre, l'immagine contiene luce ambientale per visualizzare la configurazione, ma le luci ambientali sono state spente durante tutti gli esperimenti per migliorare il rapporto segnale-rumore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Immagine di calibrazione. Prima di eseguire gli esperimenti, le immagini di calibrazione sono state ottenute utilizzando un righello standard per misurare il rapporto micrometro-pixel. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Immagini delle pinne di tre passi temporali sovrapposti, con un esempio rappresentativo di occlusione delle pinne in un passaggio temporale. La sezione trasversale dell'aletta è visibile nei passaggi 1 e 3, mentre il longherone rigido opaco occlude la pinna al punto 2, dove una stima della posizione della pinna è disegnata in giallo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Cinematica delle alette. (A) L'ampiezza della corsa (±43°) e (B) l'ampiezza del passo (±17°) della cinematica della pinna nel tempo. Un confronto tra la pinna PDMS 10:1 (azzurro), i dati FSI della pinna PDMS 10:1 (rossa) e la pinna rigida (nera) per illustrare la differenza di posizione delle pinne in due fasi temporali nel (C) upstroke e (D) downstroke. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Confronto della deformazione delle pinne. (A) Confronto del metodo PLIF per ottenere la cinematica delle pinne in un unico esempio di time-step per dimostrare gli effetti della rigidità sulla deformazione delle pinne. La misurazione PLIF per la pinna PDMS 20:1 più conforme (blu scuro) mostra più deformazioni rispetto alla pinna PDMS 10:1 più rigida (azzurro) ed entrambe mostrano differenze sostanziali rispetto a una pinna rigida (nera). (B) Forme delle pinne ricostruite in 3D dal PLIF per PDMS 10: 1, FSI per PDMS 10: 1 e casi rigidi in un unico passo temporale di esempio per confrontare le aderenze superficiali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 1 supplementare: Interfaccia software per il generatore di ritardo. Le interfacce utente per il software per controllare il generatore di ritardo, con impostazioni per produrre immagini PLIF a 30 Hz coordinando la temporizzazione delle due teste laser e della telecamera con il grilletto a pinna. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare 2: Risultati delle prove di trazione per PDMS. Curve stress-deformazione per due miscele di PDMS (20:1, una miscela più flessibile con un modulo elastico di 0,38 MPa, e 10:1, una miscela più rigida con un modulo elastico di 0,82 MPa). Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 1: "Assembly2.stl" è un assemblaggio di file per stampare in 3D gli stampi delle pinne personalizzati. Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 2: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2-fin2c.stl" è il file STL per stampare l'inserto dell'aletta, una porzione rigida dell'aletta che funge da attacco al servo. Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 3: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldL.stl" è la metà sinistra dello stampo di stampa 3D per la pinna flessibile. Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 4: "SimpleFin-AR3Bio-soft-v2b-moldR.stl" è la metà destra dello stampo di stampa 3D per la pinna flessibile. Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 5: "ASTM-TestPiece-Mold-v2b-TypeIV_Flat_DIN53504.stl" è lo stampo di stampa 3D per creare campioni di tipo IV per prove di trazione. Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
La fluorescenza planare indotta dal laser viene tipicamente utilizzata per visualizzare i flussi acquosi seminando il fluido con il colorante, che fluoresce quando esposto a un foglio laser25,26. Tuttavia, l'uso di PLIF per visualizzare le deformazioni in materiali conformi non è stato precedentemente riportato e questo studio descrive un approccio per ottenere misurazioni della cronologia temporale della deformazione della forma ad alta risoluzione in alette solide flessibili utilizzando PLIF. Il confronto di queste misurazioni delle alette con le simulazioni FSI convalida i modelli numerici e fornisce ulteriore sicurezza nell'utilizzo dei risultati computazionali per la progettazione e il controllo delle alette.
Tra i limiti del PLIF per i materiali conformi, la caratterizzazione della deformazione include l'occlusione dovuta a elementi opachi nella struttura (il longherone rigido all'avanguardia in questo studio). Inoltre, la tecnica PLIF è influenzata dalla riflessione interna totale (TIR), che si verifica quando l'angolo di incidenza locale della luce all'interfaccia PDMS-acqua supera il valore critico associato. Sebbene le alette PDMS fuse siano otticamente trasparenti, hanno un indice di rifrazione molto più elevato (1,49) rispetto all'acqua (1,33), portando a distorsione ottica e occlusione con un angolo critico di 63,5 °. Pertanto, quando c'è una grande deformazione (ad esempio, vicino alle estremità delle pinne nel presente studio), l'angolo di incidenza locale può superare i 63,5 °. Di conseguenza, il raggio laser incidente viene riflesso nella pinna, risultando in una "area fluorescente" molto più ampia sull'immagine acquisita, che influisce sulla qualità dell'immagine e sulle forme rilevate da questa tecnica. Un metodo per risolvere questo problema per studi futuri è quello di utilizzare un fluido di lavoro ottico abbinato all'indice, come la soluzione di ioduro di sodio (NaI)40. Tuttavia, questo è considerato fuori dall'ambito del presente studio in quanto questo problema non riguarda la maggior parte delle sezioni trasversali delle pinne.
Quando la corrispondenza ottica dell'indice non è fattibile, la concentrazione di pigmento fluorescente durante la fusione può essere regolata per mitigare questo effetto. Concentrazioni più elevate del colorante fluorescente possono migliorare l'SNR, ma se c'è troppo pigmento e la curvatura (deflessione) della pinna è elevata, l'effetto della riflessione interna può essere troppo forte. Ciò può causare la dilatazione dell'immagine per tali profili. Inoltre, dovrebbero essere fatte forti considerazioni per determinare l'angolo di incidenza laser ottimale rispetto alla deflessione dominante prevista (se presente) per ridurre al minimo l'effetto delle riflessioni interne. Per illustrare, i profili della sezione trasversale variano per i tratti su e giù. In quest'ultimo, mentre la luce si rifrangeva attraverso il lato LE della pinna, subiva molteplici riflessioni interne nelle successive posizioni degli accordi, rendendo la forma del profilo significativamente dilatata. Per l'upstroke, la luce incidente non ha interagito con le parti rigide o flessibili delle alette più di una volta, risultando in un profilo nitido. Questa variazione impedisce che una maschera di profilo generale venga generata algoritmicamente, poiché l'estensione della trasmissione e della riflessione varia anche durante il ciclo di corsa. Sebbene l'analisi dell'immagine consideri una soglia dinamica per risolvere questo problema, è comunque difficile generare automaticamente un inviluppo di sezione trasversale.
La superficie concava è più soggetta a riflessioni interne rispetto al lato convesso. Quindi, è stato esplorato un approccio alternativo per ottenere un profilo di mezzeria più accurato compensando la superficie convessa con lo spessore medio della pinna semi-media. Tuttavia, il profilo risultante non variava in modo significativo rispetto a quello ottenuto dall'adattamento meno quadrato.
Inoltre, la prova di trazione e il successivo adattamento della curva assumono una relazione lineare sforzo-deformazione per piccoli ceppi39. Tuttavia, questa ipotesi non è valida per deformazioni più grandi, che influiscono sulle autofrequenze calcolate utilizzate come input per il modello FSI. Gli sforzi per ottenere una previsione FSI più accurata tenendo conto di tali effetti non lineari sono considerati al di fuori dell'ambito attuale, ma rilevanti per studi futuri.
Pertanto, questo studio ha dimostrato l'effetto della rigidità delle pinne sulle pinne robotiche bioispirate e ha convalidato i modelli computazionali. Accoppiando queste misurazioni di deformazioni solide con la misurazione simultanea dei flussi di fluido come descritto in altri studi PLIF25, studi futuri miglioreranno l'analisi sperimentale di FSI in alette robotiche, robot morbidi bioispirati e altre applicazioni integrando coloranti che fluoresce a varie lunghezze d'onda e telecamere multiple. A causa dell'ampio uso del PDMS in altri campi di ricerca24, questa tecnica PLIF di visualizzazione delle deformazioni in solidi flessibili ha il potenziale per beneficiare comunità di ricercatori in ingegneria, fisica, biologia e medicina.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata supportata dall'Office of Naval Research attraverso un programma di base 6.2 del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti ed eseguita mentre Kaushik Sampath era un dipendente della Divisione Acustica presso NRL e Nicole Xu ha tenuto un premio NRC Research Associateship nei Laboratori di Fisica Computazionale e Fluidodinamica dell'NRL. Gli autori desiderano ringraziare il Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) per il supporto tecnico e la guida.
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
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