Name: 평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-28T13:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 20 s
Description: 학습하세요 평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용하여 PDMS 소프트 핀의 3D 변형을 측정하는 방법을. 이 기술은 수중 로봇 설계와 유체-구조 상호작용 검증에 활용됩니다.

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이 연구는 미국 해군 연구소 (NRL) 6.2 기본 프로그램을 통해 해군 연구 사무소의 지원을 받았으며 Kaushik Sampath는 NRL의 음향 부서 직원이었고 Nicole Xu는 NRL의 전산 물리학 및 유체 역학 연구소에서 NRC Research Associateship Award를 수상했습니다. 저자는 Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.)에게 기술 지원 및 지침을 인정하고 싶습니다.

1. 핀 제작
<ol><li>원하는 모양 디자인을 기반으로 핀 금형을 만듭니다.<ol>
<li>지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 마감 몰드를 설계하고 제작합니다(그림 1). 보충 코딩 파일 1-4에서 금형을 제작하기 위한 STL 파일을 참조하십시오.</li>
		<li>3D 프린팅된 경질 플라스틱 리딩 엣지 스파와 같은 구조 요소를 몰드에 삽입합니다. 보충 코딩 파일 2에서 스파의 STL 파일을 참조하십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>PDMS ( 재료 표 참조)를 원하는 부품 비율로 혼합하십시오.<ol>
<li>경화제에 대한 베이스 엘라스토머의 부분 비율(즉, 10:1 또는 20:1)을 선택하여 각각 더 높거나 낮은 탄성 모듈러스를 달성하십시오. 상응하는 양의 염기와 경화제를 계량하십시오. 주: 10:1 및 20:1 (경화제에 대한 엘라스토머) 둘 다 본 연구에 사용되었다.</li>
		<li>전체 혼합물이 원하는 색소 침착의 밝기에 따라 0.1 중량 % -1 중량 %의 안료를 함유하도록하는 형광 안료 ( 표 표 참조)를 측정하십시오. 안료를 PDMS 블렌드에 첨가한다.</li>
		<li>측정된 양의 엘라스토머, 경화제 및 안료를 유성 원심 혼합기 (30 초 동안 423 x g에서 혼합하고 30 초 동안 465 x g에서 탈통기)에 붓고 그에 따라 혼합하십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>지느러미를 몰드에 던지십시오.<ol>
<li>PDMS 혼합물을 탈기하고 핀용 몰드에 붓는다. 주형을 70°C의 오븐에 45분 동안 넣고, 37°C에서 밤새 경화시킨다.</li>
		<li>경화가 완료되면 몰드에서 캐스트 핀을 제거합니다(그림 2).</li>
	</ol>
</li>
	<li>ASTM 표준39에 따라 인장 시험을 수행합니다.<ol>
<li>단계 1.3.에서 각각의 핀 캐스팅에 대해, 앞서 설명된 단계 1.1.-1.3을 사용하여 타입 IV 형상 주형에서 동일한 PDMS 및 안료 블렌드를 사용하여 하나의 타입 IV 시편을 캐스팅한다. 참고: 보충 코딩 파일 5 (그림 1C에 표시된 몰드)에서 Type IV 시편을 주조하려면 STL 파일을 참조하고, 테스트된 Type IV 샘플의 예는 그림 3 을 참조하십시오.</li>
		<li>시험 시편을 인장 시험기에 끼워 넣으십시오 ( 재료 표 참조). 좁은 샘플 단면의 초기 길이, 폭 및 두께(mm)를 측정합니다.</li>
		<li>시험 시편을 5mm 단위로 장력 있게 하여 시료가 지나치게 늘어나지 않고 탄성 영역에서만 연신되도록 합니다. 총 샘플 변위가 0mm(원래 위치)가 될 때까지 장력을 5mm 단위로 줄입니다. 각 증분마다 좁은 단면의 길이(mm)와 힘(N)을 기록합니다.</li>
		<li>샘플의 탄성 계수를 계산하려면 응력-변형 곡선을 플로팅하고 최적의 선형 적합도와R2 값을 결정합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 실험 설정 및 시험
<ol><li>PLIF 하드웨어( 재료 표 참조)를 직사각형 유리 물탱크(2.41m x 0.76m x 0.76m)에 장착합니다.<ol>
<li>펄스 레이저 시스템( 재료 표 참조)을 장착하고 사용하여 그림 4와 같이 지정된 주파수(30Hz)에서 중간 평면에서 탱크를 교차하는 평면 광 시트를 생성합니다.</li>
		<li>렌즈(35mm) 및 종합 형광 필터(560nm)가 장착된 4MP 전하 결합 장치(CCD) 카메라를 장착하고 사용합니다( 재료 표 참조).</li>
		<li>레이저 시트 평면에 배치된 눈금자를 사용하여 CCD 카메라에서 단일 이미지를 촬영하여 마이크로미터-픽셀 변환을 보정합니다(그림 5). 카메라에서 두 위치를 선택하고 픽셀을 분리하여 거리를 마이크로미터로 나눕니다. 이 마이크로미터 대 픽셀 비율이 응용 분야에 충분히 작은지(서브밀리미터) 확인하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>핀 소프트웨어의 트리거 출력과 지연 발생기 및 관련 소프트웨어의 신호를 사용하여 레이저 펄스 및 카메라 이미지를 플래핑 핀과 동기화합니다( 참조). 물자의 표)를 사용하여 카메라, 레이저 헤드 및 핀 동작을 조정합니다. 보다 보충 그림 1 지연 발생기 소프트웨어 인터페이스 설정의 예를 들어.<ol><li>레이저 시스템을 설정합니다. 참고: 모든 레이저 안전 조치가 제도적 지침을 준수하는지 확인하십시오.<ol>
<li>전원 키를 오른쪽으로 돌려 레이저 헤드를 냉각하는 냉각기를 작동시켜 레이저 시스템을 켭니다. 시스템이 레이저에 전원을 공급할 준비가 될 때까지 오류 표시등이 깜박입니다. 모든 레이저 모드가 올바르게 설정될 때까지 레이저를 켜는 전원 단추를 누르지 마십시오.</li>
			<li>트리거 소스를 EXT LAMP/EXT Q-SW(외부 램프/외부 Q 스위치)로 설정합니다.</li>
			<li>두 레이저 헤드 모두에 대해 레이저 에너지를 원하는 레벨(즉, 최대 전력의 약 60%-80%)으로 설정하고 각 Q 스위치 버튼을 눌러 Q 스위치 가 켜져 있는지 확인합니다.</li>
			<li> 전원 단추를 눌러 레이저를 켭니다. 참고: 트리거 소스가 EXT LAMP/EXT Q-SW로 설정되어 있으므로 레이저 헤드는 발사할 준비가 되어 있지만 시스템이 소프트웨어로부터 외부 트리거를 수신한 후에만 실행됩니다.</li>
		</ol></li>
		<li>카메라를 설정합니다.<ol>
<li>카메라에 전원 케이블을 연결하고 컴퓨터 및 소프트웨어에 올바르게 연결되었는지 확인합니다.</li>
			<li>카메라 설정 소프트웨어를 열고 적절한 포트를 선택하십시오.<ol>
<li>트리거 > 설정에서 "트리거 입력:"을 외부로 설정하고 "모드:"를 빠름으로 설정합니다.</li>
				<li>노출에서 " 노출 제어"를 꺼짐으로 설정합니다.</li>
			</ol>
</li>
			<li>카메라 캡처 소프트웨어를 열고 적절한 카메라 카드를 선택하십시오.<ol>
<li>시퀀스 잡기 버튼을 클릭합니다.</li>
				<li>캡처 설정 버튼을 클릭하고, TIFF 이미지를 선택하고, 일련의 프레임 ...을 선택하고, 원하는 파일 경로, 6자리 숫자, 연속 및 수락을 선택합니다.</li>
				<li>캡처 시작을 클릭하십시오. 주: 카메라 설정이 외부 트리거로 설정되면 카메라는 이미지를 수집할 준비가 되었지만 시스템이 소프트웨어로부터 외부 트리거를 수신한 후에만 이러한 이미지를 캡처합니다.</li>
			</ol>
</li>
		</ol></li>
		<li>지연 발생기를 설정합니다.<ol>
<li>지연 발생기를 켜고 외부 게이트 채널을 핀 트리거에 연결하고, 채널 A-D를 레이저에 연결하고(A: 레이저 헤드 1, B: Q-스위치를 레이저 1로, C: 레이저 헤드 2, D: Q를 레이저 2로 전환), 채널 E를 카메라에 연결합니다.</li>
			<li>지연 발생기 소프트웨어를 엽니다.</li>
			<li>버스트로 "펄스 모드"를 선택하고 "시스템 해상도"를 4ns로 선택하십시오.</li>
			<li>"기간"을 0.033333352로 설정합니다.</li>
			<li>"외부 트리거/게이트 모드"를 트리거됨으로, "임계값(V)"을 0.20으로, "트리거 에지"를 상승으로 설정합니다.</li>
			<li>채널 > Ch A에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.0000000004로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 T0으로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 A로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.</li>
			<li>채널 > Ch B에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000138000으로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch A로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 B로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.</li>
			<li>Ch C> 채널에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.033333304로, "폭(들)"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch A로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 C로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.</li>
			<li>채널 > Ch D에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000138000으로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 듀티 사이클로, "대기 카운트"를 0으로, "동기화 소스"를 Ch C로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 D로, "듀티 사이클 켜기"를 1로, "듀티 사이클 끄기"를 1로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.</li>
			<li>채널 > Ch E에서 사용 체크상자를 클릭하십시오. "지연"을 0.000000004로, "폭"을 0.005000000으로, "진폭(V)"을 5.00으로, "채널 모드"를 보통으로, "대기 횟수"를 0으로, "동기화 소스"를 T0으로, "극성"을 보통으로, "멀티플렉서"를 E로, "게이트 모드"를 비활성화로 설정하십시오.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>레이저 시트가 선택한 스팬 와이즈 위치에서 핀의 한 코드 단위를 통과하도록 핀을 정렬하고 장착 하드웨어로 핀 플랫폼을 고정하십시오.</li>
	<li>전원을 핀 제어 하드웨어 및 핀 모터에 연결( 재료 표 참조)하여 선택한 운동학으로 핀 플랩을 시작하고 모든 주변광을 끕니다.</li>
	<li>지연 발생기 소프트웨어에서 Run 을 눌러 동기화된 실험을 시작하고 스트로크 사이클 동안 레이저 시트와 핀의 교차점의 이미지를 획득합니다. 이것은 200 + 스트로크 사이클에 걸쳐 수행되어야합니다.</li>
	<li>지연 발생기 소프트웨어에서 중지 를 누르고 전원에서 핀을 분리합니다.</li>
	<li>레이저 시트가 새로운 스팬 와이즈 위치에서 교차하도록 핀 플랫폼을 이동하고 실험을 수행하여 이미지를 다시 획득하십시오. 2.3.-2.6단계를 반복합니다. 원하는 측정 횟수( 그림 2A의 검은색 점선으로 표시된 것처럼 여덟 개의 서로 다른 스팬 방향 위치)에 대한 것입니다.</li>
	<li>핀을 추가 원하는 핀 멤브레인 (두 개의 핀 강성, PDMS 10 : 1 및 PDMS 20 : 1)으로 교체하고 실험을 반복하십시오.</li>
</ol>3. 이미지 분석
<ol><li>단계 2.4.에서 수행된 각 실험 시험에 대해 이미지가 저장되는 파일을 찾고 스트로크 주기 동안 각 핀 위치 또는 단계에 대한 하위 폴더를 만듭니다. 이미지 파일을 해당 하위 폴더로 정렬합니다.</li>
	<li>각 핀 단계 하위 폴더에 대해 200개 이상의 이미지를 픽셀 값 배열(imread.m)로 읽습니다. 모든 이미지에 대한 픽셀-값 배열을 합산하고 이미지 수로 나누어 평균 이미지를 생성합니다. 이미지를 새 파일(imwrite.m)에 씁니다. 스트로크 주기 동안 각 핀 위치(30개 위치)에 대해 이 단계를 반복합니다.</li>
	<li>각 평균 이미지(imadjust.m)에 대해 히스토그램 향상을 수행하여 이미지의 동적 강도 범위를 사용 가능한 전체 범위로 확장하여 핀과 배경 간의 대비를 개선합니다.</li>
	<li>강도 임계값을 설정하고 각 이미지를 이진화하여 흑백 이미지(imbinarize.m)를 얻습니다. 결과 흰색 모양은 지느러미 단면의 조각과 일치해야합니다.</li>
	<li>이진 이미지(bwareafilt.m)에서 모든 흰색 개체(핀 조각)를 추출하고 이미지(imshow.m)를 표시합니다. 각 이미지에 대한 이진 이미지 경계의 추적을 만들어 배경(검정) 픽셀(bwboundaries.m)에 닿는 모든 핀(흰색) 픽셀을 선택하여 2D 모양을 가져옵니다. 참고: 부과된 핀 운동학으로 인해, 일부 프레임에서 PLIF 측정 단면의 뷰는 핀의 다른 부분에 의해 가려질 수 있습니다. 이러한 경우 이미지에서 뚜렷한 일관된 핀 모양이 없거나 선행 모서리(LE)만 표시됩니다(그림 6).</li>
	<li>3.1.-3.5단계를 수행합니다. 각 핀 횡단면에 대해.</li>
</ol>4. 3D 편향의 재구성
<ol><li>플렉시블 케이스에서 LE 위치(적어도 스트로크 축에 더 가까운)가 동일한 형상의 경질 핀에서 LE의 위치와 동일하다고 가정하면, 동일한 시간 스텝 동안 그들의 LE를 따라 평면 컷을 라인하고, 대응하는 경질 핀 형상으로부터의 결과와 비교한다.</li>
	<li>최소 제곱 핏을 사용하여 모든 평면 컷에 대한 핀 횡단면의 결과 중심선 모양을 근사화하고 이러한 피팅 프로파일에서 단순화된 볼록한 선체를 사용하여 3D 핀 모양을 재구성합니다.</li>
	<li>결과 핀 모양을 3D FSI 모델(중심선에서 생성됨)과 비교하여 이 프로세스를 고충실도 검증으로 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다.<ol>
<li>부분적으로 경질 나일론 및 부분적으로 가요성 PDMS 핀의 표면 삼각 측량을 생성한다.</li>
		<li>상업적 구조 역학 소프트웨어( 표 참조)를 사용하여 하이브리드 재료의 고유 모드를 구하십시오.<ol>
<li>핀 표면에서 균일한 압력 차이를 사용하여 얻은 정상 상태 변위를 일치시키기 위해 스케일링 연구를 수행합니다.</li>
			<li>소프트웨어에서 얻은 변위에 맞게 모드의 크기를 조정합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>적절한 스케일 팩터를 사용하여 결합된 FSI 솔버에 사용되는 처음 몇 개의 지배적 모드(일반적으로 7 또는 8)를 사용하여 유연한 핀에 대한 불안정한 흐름을 시뮬레이션합니다.<ol>
<li>몸체를 배경 메쉬에 내장 된 엔티티로 취급하십시오. 주: 결합된 솔버는 후면(35 )에서 유연한 스팅을 갖는 원형 실린더를 통한 유동의 Turek-Hron 문제에 대해 검증되었고, 플랩핑 핀 시뮬레이션(36)을 위해 확장되었다.</li>
			<li>실험에서 핀 운동의 운동학을 처방하십시오.</li>
			<li>힘 생산의 시간 기록과 플랩 사이클 동안 여러 평면 절단을 따라 지느러미의 모양을 모니터링하고 실험과 비교합니다.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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평면 레이저-유도 형광은 전형적으로 유체를 염료로 시딩함으로써 수성 유동을 가시화하는데 사용되며, 이는 레이저 시트(25,26)에 노출될 때 형광을 발생시킨다. 그러나 PLIF를 사용하여 준수 재료의 변형을 시각화하는 것은 이전에 보고되지 않았으며, 이 연구는 PLIF를 사용하는 유연한 고체 핀에서 고해상도 형상 변형의 시간 이력 측정을 얻기 위한 접근법을 설명합니다. 이러한 핀 측정값을 FSI 시뮬레이션과 비교하면 수치 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 계산 결과를 사용할 때 더 많은 확신을 얻을 수 있습니다.
준수 재료에 대한 PLIF의 한계 중 변형 특성화에는 구조의 불투명 요소 (본 연구에서 최첨단 강성 스파)로 인한 폐색이 포함됩니다. 추가적으로, PLIF 기술은 PDMS-물 계면에서의 광의 국부적 입사각이 연관된 임계 값을 초과할 때 발생하는 총 내부 반...

자연에서 많은 물고기 종은 다양한 몸과 지느러미 운동을 사용하여 운동을하기 위해 진화했습니다. 물고기 이동의 원리를 확인하기위한 연구는 생물 학자와 엔지니어가 수중 차량을위한 유능한 차세대 추진 및 제어 메커니즘을 개발하기 위해 함께 노력했기 때문에 생물 영감을받은 추진 시스템의 설계를 주도하는 데 도움이되었습니다. 다양한 연구 그룹은 핀 구성, 모양, 재료, 스트로크 매개 변수 및 표면 곡률 제어 기술 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12를 연구했습니다. . 단일 및 다중 핀 시스템에서 추력 생성을 이해하기 위해 팁 와류 생성 및 웨이크 성향을 특성화하는 것의 중요성은 계산 및 실험 13,14,15,16,17,18 모두에서 수많은 연구에서 문서화되었습니다. 웨이크 경사를 줄이고 추력(17)을 증가시키기 위해 다양한 연구에서 보여지는 준수 재료로 만들어진 핀 메커니즘의 경우, 유동 구조 분석과 쌍을 이루기 위해 변형 시간-이력을 포착하고 정확하게 모델링하는 것도 필수적입니다. 그런 다음 이러한 결과를 사용하여 계산 모델을 검증하고, 핀 설계 및 제어를 알리고, 검증19가 필요한 유연한 재료에 불안정한 유체 역학 부하에서 활발한 연구 영역을 촉진 할 수 있습니다. 연구에 따르면 상어 지느러미 및 기타 복잡한 물체 20,21,22에서 직접 고속 이미지 기반 모양 추적을 사용했지만 복잡한 3D 핀 모양은 종종 광학 액세스를 차단하여 측정하기가 어렵습니다. 따라서, 유연한 핀 운동을 시각화하기 위한 간단하고 효과적인 방법에 대한 절실한 필요성이 존재한다.
고분고분한 핀 메커니즘에 널리 사용되는 물질은 Majidi et al.24에 의한 검토에서 광범위하게 기술된 바와 같이, 그의 저비용, 사용의 용이성, 강성을 변화시킬 수 있는 능력, 및 수중 응용(23)과의 호환성으로 인해 폴리디메틸실록산(PDMS)이다. 이러한 이점 외에도 PDMS는 광학적으로 투명하여 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)과 같은 광학 진단 기술을 사용하는 측정에 도움이됩니다. 전통적으로 실험 유체 역학(25) 내에서, PLIF는 염료 또는 부유 입자로 유체를 시딩하거나 레이저 시트(26,27,28,29)에 노출되었을 때 형광을 띠는 흐름에 이미 있는 종으로부터의 양자 전이를 이용함으로써 유체 흐름을 시각화하는데 사용되어 왔다. 이 잘 정립 된 기술은 근본적인 유체 역학, 연소 및 해양 역학 26,30,31,32,33을 연구하는 데 사용되었습니다.
본 연구에서, PLIF는 유연한 물고기에서 영감을 얻은 로봇 지느러미에서 모양 변형의 시공간 분해 측정을 얻는 데 사용됩니다. 유체를 염료로 시딩하는 대신, PDMS 핀의 수중 운동학은 다양한 코드 방향 단면에서 시각화됩니다. 평면 레이저 이미징은 추가적인 형광 없이 일반 캐스트 PDMS에서 수행할 수 있지만, 형광을 향상시키기 위해 PDMS를 수정하면 핀 장착 하드웨어와 같은 배경 요소의 영향을 줄임으로써 이미지의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있습니다. PDMS는 형광 입자 시딩 또는 색소침착에 의해 두 가지 방법을 채용함으로써 형광을 만들 수 있다. 주어진 부분 비율에 대해, 전자는 생성된 캐스트 PDMS(34)의 강성을 변화시킨다는 것이 보고되었다. 따라서, 무독성, 상용화된 안료를 투명한 PDMS와 혼합하여 PLIF 실험을 위한 형광 핀을 캐스팅하였다.
계산 모델 검증을 위해 이러한 핀 운동학 측정을 사용하는 예를 제공하기 위해, 실험 운동학은 핀의 결합 유체-구조 상호작용(FSI) 모델의 값과 비교된다. 계산에 사용되는 FSI 모델은 핀에 대해 측정된 재료 특성을 사용하여 계산된 첫 번째 일곱 고유 모드를 기반으로 합니다. 성공적인 비교는 핀 모델의 유효성을 검사하고 핀 설계 및 제어에 대한 계산 결과 사용에 대한 확신을 제공합니다. 또한, PLIF 결과는이 방법이 향후 연구에서 다른 수치 모델을 검증하는 데 사용될 수 있음을 입증합니다. 이러한 FSI 모델에 대한 추가 정보는 선행 작업(35,36) 및 전산 유체 역학 방법(37,38)의 기본 텍스트에서 찾을 수 있다. 미래의 연구는 또한 로봇 지느러미, 바이오 영감을받은 소프트 로봇 및 기타 응용 분야에서 FSI에 대한 향상된 실험 연구를 위해 고체 변형 및 유체 흐름을 동시에 측정 할 수 있습니다. 또한 PDMS 및 기타 호환 가능한 엘라스토머는 센서 및 의료 기기를 포함한 다양한 분야에서 널리 사용되기 때문에이 기술을 사용하여 유연한 고체의 변형을 시각화하면 엔지니어링, 물리학, 생물학 및 의학 분야의 더 큰 연구자 커뮤니티에 도움이 될 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>ADMET 컨트롤러</td><td>ADMET</td><td>MTESTQuattro</td><td></td></tr><tr><td>Axon II</td><td>Society of Robots</td><td></td><td>핀 하드웨어용 마이크로 컨트롤러</td></tr><tr><td>Berkeley Nucleonics 지연 생성기</td><td>Berkeley Nucleonics Corp</td><td>모델 525</td><td>BNC 지연 생성기 및 소프트웨어</td></tr><tr><td>BobCat Cam Config</td><td>Imperx</td><td></td><td>카메라 설정 소프트웨어</td></tr><tr><td>CCD 카메라</td><td>Imperx</td><td>B2340</td><td>4 MegaPixel</td></tr><tr><td>COMSOL</td><td>COMSOL Inc</td><td></td><td>유체 구조 상호 작용 모델링을 위한 상업용 구조 역학 소프트웨어</td></tr><tr><td>D646WP 서보</td><td>Hitec</td><td>36646S</td><td>핀 피치 회전을 위한 32비트, 디지털, 높은 토크, 방수 서보</td></tr><tr><td>D840WP 서보</td><td>Hitec</td><td>36840S</td><td>32비트, 다목적, 방수, 핀 스트로크 회전</td></tr><tr><td>을 위한 스틸 기어 서보일렉트릭 핑크 형광 안료</td><td>Silc Pig</td><td>PMS812C</td><td></td></tr><tr><td>EverGreen (532 nm 듀얼 펄스 Nd:YAG 레이저 시스템)</td><td>Quantel</td><td>EVG00070</td><td>레이저 헤드 및 전원 공급 장치, 70 mJ</td></tr><tr><td>포스 트랜스듀서</td><td>ADMET</td><td>SM-10-961</td><td>10 lbf 로드셀</td></tr><tr><td>FrameLink Express</td><td>Imperx</td><td></td><td>카메라 캡처 소프트웨어</td></tr><tr><td>롱패스 형광 필터</td><td>Edmund Optics</td><td></td> 이미지 분석용 <td>560nm</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td></td><td>소프트웨어</td></tr><tr><td>행성 원심 믹서</td><td>THINKY MIXER</td><td>AR-100</td><td></td></tr><tr><td>실리콘 고무 화합물</td><td>Momentive</td><td>RTV615</td><td>Clear</td></tr><tr><td>PDMS Stratasys J750</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D 프린터, 폴리젯</td></tr><tr><td>만능 재료 시험기</td><td>ADMET</td><td>eXpert 2611</td><td>탁상용 모델</td></tr><tr>:<td>VeroBlack</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D 프린터 재료, 금형 제작을 위한</td></tr><tr><td>VeroGray</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D 프린터 재료</td></tr></tbody></table>

평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링

Flapping Soft Fin Deformation Modeling using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

다양한 어종의 지느러미에서 영감을 얻은 추진 메커니즘은 무인 차량 시스템에서 향상된 기동 및 스텔스 기능에 대한 잠재력을 감안할 때 점점 더 연구되고 있습니다. 이러한 핀 메커니즘의 멤브레인에 사용되는 연질 재료는 더 단단한 구조에 비해 추력과 효율을 높이는 데 효과적임이 입증되었지만 이러한 연질 멤브레인의 변형을 정확하게 측정하고 모델링하는 것이 필수적입니다. 이 연구는 평면 레이저 유도 형광 (PLIF)을 사용하여 유연한 수중 플랩 핀의 시간 의존적 인 형태 변형을 특성화하기위한 워크 플로우를 제시합니다. 다양한 강성 (0.38 MPa 및 0.82 MPa)을 가진 안료 폴리 디메틸 실록산 핀 멤브레인은 피치와 롤의 두 가지 자유도에서 작동을 위해 어셈블리에 제작되고 장착됩니다. PLIF 이미지는 다양한 스팬 평면에 걸쳐 수집되고, 핀 변형 프로파일을 얻기 위해 처리되며, 결합되어 시간이 변화하는 3D 변형된 핀 모양을 재구성합니다. 그런 다음 데이터는 유체 구조 상호 작용 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하고 이러한 복잡한 추진 시스템의 성능에 대한 이해를 향상시키는 데 사용됩니다.

사다리꼴 물고기에서 영감을 얻은 인공 가슴 지느러미를 두 가지 다른 재료 (PDMS 10 : 1 및 20 : 1, 형광 염료와 혼합)로 주형에서 주조했으며, 각각 리드 쿼터 코드에 단단한 최첨단 스파가 삽입되었습니다 (그림 2 및 그림 3). 두 핀 재료의 인장 시험(그림 3)은 PDMS 20:1 및 PDMS 10:1 핀에 대해 각각 0.38MPa 및 0.82MPa의 탄성 모듈리를 산출했으며, 두 측정 모두R2가 0.99입니다(해당 응력-변형 곡선에 대한 보충 그림 2 참조).
핀의 움직임을 캡처하기 위해 초점을 맞춘 시야각의 마이크로미터 대 픽셀 비율이 125μm/픽셀이 되도록 카메라를 배치했습니다. 지연 발생기는 각 핀 스트로크의 중간 지점에서 단일 트리거 신호를 기반...

본 프로토콜은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료로 제작된 수중 플랩핑 핀에서 3D 형상 변형의 측정 및 특성화를 포함합니다. 이러한 변형의 정확한 재구성은 준수 플랩핑 핀의 추진 성능을 이해하는 데 필수적입니다.

Propulsive mechanisms inspired by the fins of various fish species have been increasingly researched, given their potential for improved maneuvering and ...

소프트 로봇 핀의 변형을 비간섭적으로 측정하는 능력은 수중 차량에 대한 핀 설계 및 제어를보다 잘 알리고 전산 모델을 검증 할 수 있기 때문에 중요합니다. 우리는 플래너 레이저 유도 형광이라고 불리는 유체 역학 내에서 기존 도구를 재사용하고 고체를 위해 확장 할 수 있으며, 고체와 유체의 동시 측정에 사용할 수 있습니다. 이 방법은 부드러운 로봇 시스템 및 재료로 일반화 할 수 있습니다.우리는이 기술을 사용하여 유체 구조 상호 작용을 검증 할뿐만 아니라 센서 및 의료 응용 제품을위한 유연한 재료를 연구 할 수 있습니다. 지느러미 모양의 맞춤형 3D 인쇄 광택 완성 된 금형을 설계하고 제작하는 것으로 시작하십시오. 직사각형 유리 물 탱크에 펄스 레이저 시스템을 장착하여 30 헤르츠의 미드 플레인에서 탱크를 교차시키는 플래너 라이트 시트를 생성하여 실험 설정을 준비하십시오.35mm 렌즈와 516나노미터의 장역 형광 필터가 장착된 4개의 메가픽셀 전하 결합 장치 또는 CCD 카메라를 설치합니다. 설치 후, 레이저 시트 평면에 배치된 눈금자를 사용하여 CCD 카메라에서 단일 이미지를 촬영하여 마이크로미터에서 픽셀 변환으로의 보정을 수행합니다. 그런 다음 카메라에서 두 위치를 선택하고 픽셀을 분리하여 거리를 마이크로 미터로 나눕니다.마이크로미터 대 픽셀 비율이 응용 제품을 위한 충분히 작거나 서브 밀리미터 범위인지 확인하십시오. 핀 소프트웨어의 트리거 출력과 지연 발생기 및 관련 소프트웨어의 신호를 사용하여 레이저 펄스 및 카메라 이미지를 플래핑 핀과 동기화합니다. 모든 레이저 안전이 기관 지침에 부합하는지 확인하십시오.레이저 시스템을 설정하려면 냉각기를 실행하는 전원 키를 사용하여 레이저 시스템을 켜서 레이저 헤드를 식히십시오. 시스템이 레이저에 전원을 공급할 준비가 될 때까지 오류 표시등이 깜박입니다. 트리거 소스를 외부 램프, 외부 Q 스위치로 설정합니다.두 레이저 헤드의 경우 레이저 에너지를 최대 전력의 60~80%로 설정하고 각 Q 스위치 버튼을 누릅니다. 그런 다음 전원 버튼을 눌러 레이저를 켭니다. 그런 다음 카메라 설정 소프트웨어를 열고 적절한 포트를 선택하기 전에 전원 케이블을 카메라에 연결하고 컴퓨터에 올바르게 연결되었는지 확인하십시오.지연 발생기를 켠 후 외부 게이트 채널을 핀 트리거에 연결하고, 채널 E를 카메라에 연결하고, A에서 D를 레이저에 연결합니다. 그런 다음 지연 발생기 소프트웨어를 열어 버스트 할 펄스 모드를 선택하고 시스템 해상도를 네 나노초로 선택하십시오. 기간을 초 단위로 설정합니다.외부 트리거/게이트 모드를 트리거로 조정하고, 임계값을 0.20V로, 트리거 에지를 상승으로 조정합니다. 또한 스크립트에 설명된 대로 채널을 설정합니다. 레이저 시트가 스팬 현명한 위치에서 핀의 한 코드 방향 섹션을 통과하도록 핀을 정렬 한 다음 장착 하드웨어로 핀 플랫폼을 고정하십시오.핀 제어 하드웨어 및 핀 모터에 전원을 연결하여 선택한 운동학으로 핀 플랩을 시작하고 모든 주변 조명을 끕니다. 지연 발생기 소프트웨어에서 런을 눌러 동기화된 실험을 시작하고 스트로크 사이클 전반에 걸쳐 레이저 시트와 핀의 교차점의 이미지를 획득합니다. 레이저 시트가 켜지고 주변 조명이 꺼진 상태에서 탱크에서 지느러미가 펄럭이는 것을 관찰하십시오.완료되면 전원에서 핀을 분리하기 전에 중지를 누릅니다. 핀 플랫폼을 움직여 레이저 시트가 새로운 스팬 현명한 위치에서 교차하도록하십시오. 핀을 원하는 추가 핀 멤브레인으로 교체하고 원하는 수의 측정에 대한 이미지를 얻기 위해 전에 시연된 대로 실험을 수행합니다.BW 영역에서 핀 단면을 나타내는 모든 흰색 개체를 추출하여 이미지를 분석하고, 도트 M 이진 이미지를 필트 도트 M으로 표시하고, M 쇼 도트 M으로 이미지를 표시합니다.그런 다음 각 이미지에 대한 이진 이미지 경계의 트레이스를 생성하여 검은 색 배경 픽셀에 닿는 모든 핀 픽셀을 선택하여 2D 모양을 얻습니다. 결과 핀 모양을 중심선에서 생성된 3D 유체 구조 상호 작용 또는 FSI 모델과 비교하여 공정을 고충실도 검증으로 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다. 프로그래밍 된 핀 운동학은 43 도의 스트로크 진폭과 17 도의 피치 진폭을 산출했습니다.이미지는 선의 두 위치에서의 비교를 보여줍니다. 하나는 업스트로크의 중간에 있고 다른 하나는 다운스트로크의 중간에 있습니다. 또한, PDMS 10 내지 1개, 및 PDMS 20 내지 하나의 핀의 형상 변형을 비교하였다.3D 핀 모양은 플라이너 레이저 유도 형광, FSI 및 중간 업스트로크의 딱딱한 케이스로 재구성되어 FSI 시뮬레이션에 대한 고충실도 검증을 제공하는 현재 기술의 기능을 보여줍니다. 실험에서, 핀 단면은 불투명한 경질 스파로 인해 모든 단계에서 보이지 않았다. 이미지는 지느러미가 보이지 않는 결과를 보여줍니다.기억해야 할 가장 중요한 것은 전체 실험을 실행하기 전에 구성 요소의 동기화를 테스트하는 것입니다. 타이밍이 설정되면 먼저 테스트 실행을 수행합니다.

flapping-soft-fin-deformation-modeling-using-planar-laser-induced

Research

연구

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생명공학

Mesoscopic 형광 tomography는 조직 sectioning 형광 현미경의 침투 제한없는 운영하고 있습니다. 이 기술은 다중 투영 조명 및 광자 수송 설명을 기반으로합니다. 우리의 morphogenesis의 인 - 생체내 전체 - 몸 3D 시각화 GFP - 표현에 날개 imaginal 디스크를...

에 대한 Mesoscopic 형광 Tomography 인 - 생체내</em개발> 이미징 Drosophila</em

이러한 세포 마이 그 레이션으로 세포 프로세스 전통적으로 2 차원, 딱딱한 플라스틱 표면에 연구하고 있습니다. 이 보고서는 직접 단백질 지방화를 시각화하고보다 생리학 관련, 3 차원 매트릭스에서 마이 그 레이션 세포의 단백질 역학을 분석하는 기술을 설명합니다.

3 차원 매트릭스에서 찬란 태그가 추가된 단백질을 표현 마이 그 레이션 전지의 라이브 세포 이미징

우리는 접착 포유류 세포에서 액틴 세포 골격의 이미징에 간섭 광 활성화 지역화 현미경 (iPALM), 3 차원 단일 분자 지역화 초 해상 현미경 법의 적용 프로토콜을 제시한다. 이 방법은 다른 기존의 회절 제한 광학 현미경으로 해결되지 않은 남아있을 것입니다 나노 구조적 특징의 빛 기반 시각화 할 수 있습니다.

입체 슈퍼의 간섭 광 활성화 현지화 현미경으로 F-액틴 필라멘트의 해상도 현미경 (iPALM)

이 프로토콜은 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트(PEGDA) 하이드로겔에 내장된 혈관 유래 생체 모방 미세유체 네트워크를 제조하기 위해 이미지 유도 레이저 기반 하이드로겔 분해를 구현하는 방법을 설명합니다. 이러한 생체 모방 미세유체 시스템은 조직 공학 응용 분야, 체외 질환 모델 생성 및 고급 "온칩" 장치 제작에 유용할 수 있습니다.

혈관 유래 미세 유체 네트워크의 이미지 유도, 레이저 기반의 제조

이 방법은 수직 표면 하의 결함을 찾는 것을 목표로합니다. 여기서 우리는 레이저를 공간 광 변조기와 결합시키고 비디오 입력을 트리거하여 고분해능 열 화상을 얻는 동안 2 개의 반대 위상 변조 선으로 결정 성있게 시료 표면을 가열합니다. 결함 위치는 열파 간섭 최소값을 평가하여 검색됩니다.

레이저 조사 형 광열 열 분석을 이용한 구조 가열에 의한 지층 결함 국산화

높은 강도의 펨 펄스 레이저 빛의 긴 거리는 강렬한 하위 millimeter 직경 빔 전파 커 자체 초점 및 플라즈마 defocusing의 사이클을 받을 수 있습니다. 우리는 생성 하 고이 필 라 멘이 트를 사용 하 여 원격 이미징 및 선형 광학의 고아 한 회절 한계를 넘어 감지를 수행 하는 기술을 설명 합니다.

하위 Diffraction 제한 이미징 및 원격 탐사에 사용 하기 위해 펨 레이저 필 라 멘 트

저온권의 탄소 플럭스는 아직 거의 평가되지 않지만 기후 변화와 관련하여 매우 중요합니다. 여기서 우리는 레이저 유도 형광 방출 (L.I.F.E.) 기술에서 높은 스펙트럼 및 공간 해상도 데이터를 제공하는 초위 환경에서 광영양 잠재력을 포착하는 새로운 프로토 타입 장치를 보여줍니다.

극저온 서식지에서 바이오마커의 시내 측정을 위한 새로운 비침습적 도구로 서 레이저 유도 형광 방출(L.I.F.E.)

여기에 제시된 프로토콜은 포유류 세포 내의 세포골격 구조를 연구하기 위하여 세포 모양을 표준화하는 micro패턴의 자동화된 제조를 가능하게 합니다. 이 사용자 친화적 인 기술은 시판되는 이미징 시스템으로 설정할 수 있으며 표준 세포 생물학 실험실에 접근 할 수없는 특수 장비를 필요로하지 않습니다.

적외선 레이저 보조 마이크로패터닝을 통한 세포 지오메트리 제어

광학적으로 활성화 된 퍼플 루오로 카본 나노 방울은 혈관 시스템 외부의 이미징 응용 분야에서 가능성을 보여줍니다. 이 기사에서는 이러한 입자를 합성하고, 폴리아크릴아미드 팬텀을 가교결합하고, 액적을 음향적으로 변조하여 신호를 향상시키는 방법을 보여줍니다.

광학적으로 기화된 퍼플루오로카본 나노방울의 제형 및 음향 변조

이 프로토콜은 레이저 광원 생성, 조직 샘플 준비, 이미징 수행 및 데이터 분석에 대한 세부 정보를 포함하여 SLAM(Simultaneous Label-free Autofluorescence Multi-harmonic) 현미경 기술에 대한 단계별 가이드를 제공합니다. SLAM은 조직 미세 환경을 조사하기 위해 4개의 상보적인 무표지 대비를 측정하여 비선형 현미경을 발전시킵니다.

동시 무표지 자가형광 다중 고조파 현미경

용접 비드의 거의 실시간 계측을 획득하고 유한 요소 분석을 위해 결과 형상을 자동으로 준비하는 프로세스가 설명되어 있습니다.

용접 비드의 유한 요소 분석을 위한 자동 레이저 기반 형상 캡처

학습하세요 평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용하여 PDMS 소프트 핀의 3D 변형을 측정하는 방법을. 이 기술은 수중 로봇 설계와 유체-구조 상호작용 검증에 활용됩니다.

평면 레이저 유도 형광 이미징을 사용한 플랩핑 소프트 핀 변형 모델링

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