Name: 물 트라이 다리 PVDF 필름 센서에 의해 위쪽으로 점프에 행동 하는 동적 힘의 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 17 s
Description: 배우세요 물길잡이의 점프 행동 중 동적 힘을 PVDF 필름 센서로 측정하는 방법입니다. 이 기술은 생물학 및 로봇공학 연구에 유용하며, 미세한 접착력 분석이 가능합니다.

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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.

1. 물 스 트라이 더 다리에 표면 구조 관찰
<ol><li>낚시 방문 그물을 사용 하 여 로컬 민물 연못에서 물 소금을 수집 합니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>공중에서 다리를 자연스럽 게 건조.</li>
	<li>그림 1는에서 같이 마이크로 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 표면 미세 관찰.</li>
	<li>그림 1b와 같이 나노 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 microsetae를 관찰 합니다.</li>
</ol>2. 준비 동적 힘 측정 시스템의 구성 요소
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>몇몇 높은 정밀 변위 단계와는 전동기를 구입. 참고: 다리는 전동기에 의해 구동 하는 서로 다른 속도에서 물에서 출발 합니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>고성능 컴퓨터를 준비 합니다.</li>
</ol>3. 동적 힘 측정 시스템의 모든 부품의 조립
<ol><li>그림 2a 와b 그림 2표시 된 실제 실험 악기 회로도 그림에 따라 동적 힘 측정 시스템을 조립.</li>
	<li>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.</li>
	<li>충전 앰프, 데이터 수집 디바이스와 컴퓨터를 데이터 수집 디바이스를 충전 앰프에 PVDF 필름 센서를 연결 합니다.</li>
	<li>PVDF 필름 센서의 왼쪽에 배치 됩니다 높은 정밀 변위 단계로 카메라를 수정 합니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>정확한 속도로 물 표면에서 다리를 들어, 높은 정확한 변위 무대 아래 보조 전동기를 수정.</li>
</ol>4. 동적 힘 측정 시스템의 교정
<ol><li>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.</li>
	<li>단계 입력을 생성 하기 위해 짧은 시간에 힘을 놓습니다.</li>
	<li>수 읽기 PVDF 필름 센서의 출력 전압 신호 LabVIEW 소프트웨어를 사용 하 여 컴퓨터에서 4.2 단계의 전압-시간 신호를 읽어.<ol>
<li>LabVIEW 소프트웨어 및 Ni-daqmx에는 공식 웹사이트의 내쇼날인스트루먼트 하드웨어 드라이버를 다운로드 합니다.</li>
		<li>표시 된 그림 3는 LabVIEW를 사용 하 여 연속 아날로그 전압 측정의 데모를 엽니다.</li>
		<li>채널 설정의 모듈에 충전 앰프와 연결 된 데이터 수집 디바이스의 물리적 채널을 선택 합니다.</li>
		<li>100000 100000 타이밍설정 모듈에서 샘플의 수와 샘플링 속도 설정 합니다.</li>
		<li>로깅 모드는 로그 및 읽기를 선택 하 고 로깅 설정의 모듈에 전압 데이터를 저장 파일 경로 작성.</li>
		<li>트리거설정 모듈에서 아무 트리거 를 선택 합니다.</li>
		<li>전압 신호를 샘플링 하려면 도구 모음에서 화살표 모양의 버튼을 클릭 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>있는 피크 전압은 해당 강제 하는 센서에 행동 전압 곡선을 분석 합니다.</li>
	<li>다른 힘 입력, 전압-포스 포인트의 시리즈 얻었다은에서 4.1-4.4 단계 반복 합니다.</li>
	<li>피크 출력 전압 및 교정 결과에 표준 힘에 대 한 관계를 결정 합니다.</li>
</ol>5. 특정 속도로 접착 힘의 측정
<ol><li>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.</li>
	<li>높은 정밀 변위 무대 아래 보조 전동기를 단 하나 다리를 스틱.</li>
	<li>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.</li>
	<li>전동기를 통해 일정 한 속도로 물 표면에서 다리를 들어올립니다.</li>
	<li>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.</li>
	<li>특정 속도에서 출발 과정의 피크 접착을 기록 합니다.</li>
</ol>6. 다른 속도로 접착 힘의 측량.
<ol><li>전동기에 의해 다리의 운동 속도 변경 하 고 5 단계에 따라 접착 힘을 측정 한다.</li>
	<li>6.1 단계에서 얻은 데이터를 사용 하 여 속도 곡선을 해제 대 접착 힘을 플롯 합니다.</li>
	<li>접착 힘 및 곡선을 통해 리프팅 속도 사이의 관계를 분석 합니다.</li>
</ol>

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</ol>

저자는 공개 상관이 있다.

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....

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.

<table><tbody><tr><td>PVDF 필름 센서</td><td>TE Connectivity</td><td>DT1-028K/L</td><td>PVDF 필름 센서는 동적 접촉력을 감지하는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>전하 증폭기</td><td>Wuxi Shiao Technology co., Ltd</td><td>YE5852B</td><td>전하 증폭기&nbsp; 입력</td></tr><tr><td>데이터 수집 장치</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>데이터 수집 장치는 전압 데이터를 읽는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>변위 단계</td><td>ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTD</td><td>KSAV1010-ZF</td><td>KSAV1010/2030-ZF는 고해상도, 고안정성 및 고하중을 가진 쐐기 수직 스테이지입니다.</td></tr><tr><td>CCD 카메라</td><td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>디지털 현미경 A1</td><td>프레임 속도: 30프레임/초; 초점 거리: 5mm - 30mm</td></tr><tr><td>컴퓨터</td><td>Lenovo</td><td>G480</td><td></td></tr><tr><td>서보 모터</td><td>EMAX US Inc.</td><td>ES08MD</td><td>0.10 sec / 60 deg; / 4.8v에서 0.08 sec / 60 deg; / 6.0v까지 다양한 속도로이 서보는 나쁘지 않습니다.</td></tr><tr><td>기계식 피펫</td><td>Dragon Laboratory Instruments Limited</td><td>YE5K693181</td><td>피펫은 0.1 &mu의 부피 범위를 커버합니다. l에서 2.5 &mu; 엘</td></tr></tbody></table>

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

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

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.

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...

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.

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

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...

이 메시지는 생물학, 로봇 공학 및 유체 역학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다 단일 세포 조작 촉각, 스탠싱 및 수업 프로세스라는 작업을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다."Rare Tech의 남성은이 기술을 제공하며, 거시 역학적 힘이 전체 상호 작용 과정을 촉진 할 수있는 높은 감도와 결합 될 수 있다는 것입니다. 가장 오래된 측정법은 스트라이더와 수면 사이의 접착력에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 또한 DNA 주입 및 유전자 치료와 같은 다른 시스템에 공급할 수 있습니다.전압 신호 또는 컴퓨터의 PVDF 필름 센서를 표시하고 처리하기 어렵기 때문에 통합 또는 시스템 어셈블리 및 소프트웨어 사용이 중요합니다. 텍스트 프로토콜에 표시된 이 개략도에 따라 dynamic force 측정 시스템을 조립합니다. PVDF 필름 센서의 한쪽 면을 전극으로 고정밀 변위 단계에 고정하고 다른 쪽은 매달아 둡니다.PVDF 필름 센서의 이러한 설치 방법은 동적 매크로 힘에 대한 환경의 해상도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. PVDF 필름 센서를 전하 증폭기에 연결하고, 전하 증폭기를 데이터 수집 장치에 연결하고, 데이터 수집 장치를 컴퓨터에 연결합니다. 카메라를 프레임에 고정합니다.카메라의 위치와 초점을 조정하여 물과 다리를 선명하게 촬영합니다. 스트라이더 다리와 물 사이의 거리를 대략적으로 조정하기 위해 PVDF 필름 센서와의 간격이 약 10cm인 PVDF 필름 센서 위의 프레임에 고정밀 변위 단계를 고정합니다. 정확한 속도로 물 표면에서 스트라이더 다리를 들어 올리려면 서보 모터를 고정밀 변위 단계 아래에 고정하십시오.Dynamic Force Measurement System의 교정을 시작하기 전에 National Instruments 공식 웹 사이트에서 lab보기 소프트웨어와 하드웨어 드라이버를 다운로드하십시오. 정전기력 시스템을 사용하여 PVDF 필름 센서의 자유단에 작용하는 마이크로 일정한 힘을 생성하며, 그 크기는 0.5마이크로뉴턴 미만이어야 합니다. 병렬 원통형 커패시터의 내부 및 외부 전극에 인가되는 전압으로 시스템의 정전기력을 제어합니다.힘은 PVDF 필름의 표면에 특정한 방향으로 작용해야 하며, 포인트 O 적용은 감도를 높이기 위해 PVDF 필름 센서의 팁에 가능한 한 가까워야 합니다. 짧은 시간에 힘을 해제하여 스텝 입력을 생성합니다. PVDF 필름 센서의 출력 전압 신호를 읽는 데 도움이 되는 LabView 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터에서 전압 시간 신호를 읽습니다.연속 아날로그 전압 측정의 데모를 엽니다. 채널 설정 모듈에서 전하 증폭기와 연결된 데이터 수집 장치의 물리적 채널을 선택합니다. 샘플 속도를 100, 000으로 설정하고 샘플 수를 100, 000으로 설정합니다.로그 및 읽기를 로깅 모드로 선택하고 file 볼륨을 저장할 경로tage 데이터는 로깅 설정 모듈의 모듈입니다. 또한 트리거 설정 모듈에서 트리거 없음'을 선택합니다. 도구 모음에서 화살표 모양의 버튼을 클릭하여 전압 신호를 샘플링합니다.피크 전압이 센서에 작용하는 힘에 해당하는 전압 곡선을 분석합니다. 일련의 전압 힘 포인트가 얻어지는 다른 힘 입력에서 이 단계를 반복합니다. 캘리브레이션 결과에서 피크 출력, 전압 및 표준 힘에 대한 관계를 결정합니다.측정을 수행하려면 먼저 기계식 마이크로 피펫을 사용하여 PVDF 필름 센서의 자유 끝에 물방울을 떨어뜨립니다. 물방울의 위치는 PVDF 필름 센서의 끝 부분에 가까워야 합니다. 이제 고정밀 변위 단계 아래의 서보 모터에 단일 다리를 놓습니다.다리가 수면에 닿을 때까지 고정밀 변위 단계를 아래쪽으로 이동합니다. 센서 왼쪽에 장착된 카메라 시스템으로 다리와 수면 사이의 거리를 모니터링합니다. 그런 다음 서보 모터를 통해 일정한 속도로 다리를 수면에서 들어 올립니다.텍스트 프로토콜에 설명된 대로 출발 프로세스의 전압 곡선의 각 지점에 해당하는 힘을 계산합니다. 다른 속도에서 접착력을 측정하려면 서보 모터에 의한 다리의 리프팅 속도를 변경하고 이전과 같이 접착력을 측정합니다. 그런 다음 다리를 들어 올릴 때 얻은 데이터를 사용하여 접착력 대 리프팅 속도 곡선을 플로팅합니다.여기에 표시된 것은 특정 속도로 다리를 떠나는 실험에서 PVDF 필름 센서에 의해 측정된 실시간 접착력입니다. 출발 실험의 결과는 접착력이 0.10마이크로뉴턴에서 0.03마이크로뉴턴으로 급격히 감소하고 리프팅 속도가 초당 0.0미터에서 초당 0.3미터로 증가한다는 것을 보여줍니다. 이 절차를 시도할 때 스트라이더가 물에 젖지 않도록 스트라이더의 글라이드를 변경하는 것을 기억하는 것이 중요하며, 이는 이 실험의 정확도를 높이는 데 도움이 됩니다.일반적으로 이 조치를 처음 접하는 개인은 PVDF 필름 센서가 전자기 간섭 및 환경 진동의 영향을 받을 수 있기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 접착력은 수면에서 다리를 들어 올려 다른 속도로 측정하는 것이 중요합니다. 이 연구는 물 위에서 더 빠른 기동이라는 놀라운 특성에 초점을 맞추고 있습니다.개발 후, 이 기술은 생물학 분야의 연구자들이 Dynamic Force Measurement System에서 수면에서 출발하는 스트라이더의 접착력을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.

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앉아 - 투 - 독립 및-거리에 120 % 무릎 높이에서 : 소설 접근을 동적 자세 제어 독립적 인 리드 사지의 평가에

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