Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Meting van de dynamische kracht gehandeld op Water Strider been omhoog springen door de PVDF Film Sensor

5.8K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

3 augustus 2018

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

In dit artikel

Samenvatting

Het protocol hier is gewijd aan onderzoek naar de gratis en snelle manoeuvreren van water strider op het wateroppervlak. Het protocol bevat de microstructuur van benen observeren en meten van de kracht van hechting bij vertrek uit de wateroppervlakte op verschillende snelheden.

Samenvatting

Deze studie poogde te maken een verklaring voor het fenomeen in de natuur dat water strider meestal springt of op het water glijdt gemakkelijk maar snel, met haar motoriek piek snelheid bereiken 150 cm/s. Allereerst zien we de microstructuur en de hiërarchie van water strider benen met behulp van de scannende elektronen microscoop. Op basis van de waargenomen morfologie van de benen, een theoretisch model van het detachement van wateroppervlak opgericht, die verklaard water striders vermogen te glijden op een wateroppervlak moeiteloos in termen van vermindering van de energie. Ten tweede, een dynamische kracht meetsysteem bedacht met behulp van de PVDF film sensor met uitstekende gevoeligheid, die de hele interactie proces detecteren kan. Vervolgens een één been in contact met water omhoog werd getrokken op verschillende snelheden, en de kracht van hechting werd gemeten op hetzelfde moment. De resultaten van de vertrekkende experiment voorgesteld een diep begrip van de snelle jumping van water striders.

Inleiding

In de natuur bezit water striders opmerkelijke mogelijkheid om te springen of glijden gemakkelijk en snel op het water met de hulp van de slanke en nonwetting benen1,2,3,4,5, maar zelden Beweeg langzaam, dat is in tegenstelling tot de terrestrische insecten. De hiërarchische structuur van water strider stabiliseert de superhydrophobic staat, waardoor de drastische vermindering in contactkracht gebied en hechting tussen water en de been6,7,8,, 9. de hydrodynamische voordelen van de snelle terugtrekking van water striders uit wateroppervlak blijven echter slecht geïnterpreteerde10,11,12.

Het proces van het springen van het wateroppervlak is hoofdzakelijk verdeeld in drie fasen13,14,15,16. Aanvankelijk duwen water striders het wateroppervlak naar beneden met de middelste en achterste poten om de biologische energie omzetten in de oppervlakte-energie van het water tot zinken naar de maximale diepte, waardoor het insect voor het initialiseren van de springende richting en bepalen de ontkoppelen snelheid. Gevolgd door de opgaande fase, wordt het insect geduwd omhoog door de capillaire werking van de gebogen wateroppervlak tot het bereiken van de maximale snelheid. In het stadium van de definitieve terugtrekking, de strider van water blijft stijgen door traagheid tot breken uit de buurt van het wateroppervlak, maar de snelheid grotendeels beperkt is ten gevolge van de kracht van hechting met het water, die belangrijkste invloed heeft op het energieverbruik van de water strider. Dit protocol wordt dus voorgesteld te meten van de kracht van hechting op verschillende opstijgen snelheden in de fase van de terugtrekking en uitleggen van de verschillende kenmerken van snel bewegende.

Er zijn veel studies om te ontdekken de kracht van de hechting van water striders wanneer voortbewegen van het wateroppervlak. Lee & Kim bevestigd theoretisch en experimenteel dat de hechting kracht en energie vereist opheffing van de water strider de benen daalde drastisch toen de contacthoek verhoogd tot 160 graden17. Pan Jen Wei ontworpen een hydrostatische experiment voor het meten van de kracht van de wrijvingscoëfficiënt door het TriboScope-systeem, dat bleek te zijn van 1/5 van zijn gewicht 18. Kehchih Hwang geanalyseerd het quasi-statische proces van de benen loskoppelen van het water met een 2D model en vond dat de superhydrophobicity van de benen speelde een belangrijke rol bij het verminderen van de hechting kracht en energie dissipatie19. De meting van de kracht van hechting in eerdere studies was echter net op voorwaarde van een quasi-statische proces, dat niet in staat om te controleren de hechting kracht veranderingen was tijdens de snel springen.

In deze studie ontwierpen we een dynamische kracht meetsysteem met behulp van polyvinylideenfluoride (PVDF) fluoride film sensor en andere adjuvans-instrument. Vergeleken met andere piëzo-elektrische materialen, is PVDF meer geschikt voor het meten van de dynamische microforce met hogere gevoeligheid20,-21,22. Door de sensor van de film PVDF integreren in het systeem, kon de real-time hechting kracht worden gedetecteerd en verwerkt wanneer het been omhoog te uit water oppervlak23,24,25 trekken was.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. waarneming van de oppervlaktestructuur op Water Strider been

  1. Het verzamelen van water striders uit lokale zoet water vijvers met behulp van visserij landing net.
  2. Ten minste 5 paar middelste poten afgesneden als experimentele monsters met behulp van schaar. Raak de onderkant van de poten zorgvuldig, om te voorkomen dat de oppervlakte besmetting en het verstoren van de microstructuur in de voorkant van benen.
  3. De benen in de lucht drogen.
  4. Observeer de oppervlakte microstructuur van een scannende elektronen microscoop met micro-niveau resolutie te gebruiken, zoals in Figuur 1eenbenen.
  5. Let op de microsetae van de benen met behulp van een elektrische scanning microscoop met nano-niveau resolutie, zoals aangegeven inFiguur 1b.

2. voorbereiding van de Component van het dynamische kracht meetsysteem

  1. Koop een PVDF film sensor met een dimensie van 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, die meer dan 10 produceert mV per micro-stam.
    Opmerking: De PVDF film sensor wordt gebruikt om de dynamische contactkracht zin met hoge gevoeligheid.
  2. Kopen van een gratis versterker met maximaal 1000 mV/pC gratis winst en lage ruis minder dan 5 μV.
    Opmerking: De gratis versterker wordt gebruikt voor het vergroten van het signaal van de sensor PVDF film, waarin de output van de lading van de transducer is omgezet naar een spanning.
  3. Kopen van een apparaat voor acquisitie, waarin de analoge ingang de steekproeftarieven in een bereik van 1 heeft S/s tot 102,4 kS/s.
    Opmerking: De data acquisitie apparaat wordt gebruikt om te lezen van de gegevens van de spanning van de lading versterker en stuur ze naar de computer voor verdere verwerking en weergeven.
  4. Verschillende stadia van de hoog-nauwkeurige verplaatsing en een servomotor kopen.
    Opmerking: De benen wijken van water op verschillende snelheden, gedreven door de servomotor.
  5. Aankoop een CCD-camera, wiens focus lengte uitgedrukt in een bereik van 5 mm tot 30 mm en framesnelheid wordt is 30 fps.
    Opmerking: Deze camera wordt gebruikt om te registreren en controleren van de vervorming van het wateroppervlak en de afstand tussen de benen en wateroppervlak.
  6. Een krachtige computer voor te bereiden.

3. assemblage van alle delen van het systeem voor meting van dynamische kracht

  1. Monteren van het meetsysteem van de dynamische kracht volgens de Schematische illustratie weergegeven in Figuur 2een en het instrument van de echte experiment weergegeven in Figuur 2b.
  2. Herstellen van één kant van de PVDF film sensor met de elektroden naar de hoog-nauwkeurige verplaatsing fase, die wordt geplaatst op de horizontale frame, als andere kant is opknoping. Deze installatiemethode van PVDF film sensor verbetert de resolutie van de meting voor de dynamische micro kracht.
  3. De sensor van de film PVDF verbinden met de versterker van de lading, de versterker van de lading naar het data acquisitie apparaat en het data acquisitie apparaat op de computer.
  4. Bevestig de camera op het podium van de hoog-nauwkeurige verplaatsing, die wordt geplaatst aan de linkerzijde van PVDF film sensor.
  5. Ruwweg pas de afstand tussen de benen en het water snel, bevestigen een hoog-nauwkeurige verplaatsing stadium naar het frame boven de sensor van de film PVDF, is waarvan scheiding van de PVDF film sensor ongeveer 10 cm.
  6. Te heffen van het been uit de buurt van wateroppervlak met een nauwkeurige snelheid, bevestigen de servomotor onder het podium hoog-nauwkeurige verplaatsing.

4. kalibratie van het meetsysteem dynamische kracht

  1. De elektrostatische werking systeem26 gebruiken voor het genereren van een micro-constante kracht gehandeld op het vrije uiteinde van PVDF film sensor, waarvan omvang moet minder dan 0,5 µN. controle van de elektrostatische werking van het systeem door een spanning op de binnenste en buitenste elektroden toegepast van de paralleled cilindrische condensator.
    Let op: De kracht moet handelen in een richting loodrecht op het glasoppervlak van de film PVDF en het punt van toepassing zou moeten zo dicht mogelijk bij het uiteinde van de PVDF film sensor te verhogen van de gevoeligheid.
  2. Laat de kracht in een korte tijd voor het genereren van een stap-input.
  3. Lees de spanning-tijdsignaal van stap 4.2 in de computer met behulp van de software LabVIEW, waardoor Lees de uitgangssignalen van de spanning van de PVDF film sensor.
    1. Download de software LabVIEW en het stuurprogramma NI-DAQmx in de officiële website van National Instruments.
    2. Open de demo van het continu analoge spanning meten met behulp van de LabVIEW, als afgebeeld in Figuur 3.
    3. Selecteer het fysieke kanaal van het data acquisitie apparaat verbonden met de gratis versterker in de module van de Montages van het kanaal.
    4. Stel de samplefrequentie in op 100000 en hetaantal monsters 100000 in de module van Timing-instellingen.
    5. Selecteer de Log en lezen als de logmodus en het bestandspad te schrijven voor het opslaan van de gegevens van de spanning in de module van Instellingen voor logboekregistratie.
    6. Selecteer geen trigger in de module van Triggerinstellingen.
    7. Klik op de pijlshape knop in de werkbalk om te proeven van het signaal van de spanning.
  4. Het analyseren van de curve van de spanning, waarin de piek spanning is overeenkomt om te dwingen gehandeld op de sensor.
  5. Herhaal de stappen 4.1-4.4 bij ingave van de verschillende kracht, waarin een aantal punten van spanning-kracht zijn opgedaan.
  6. Het bepalen van de relatie over de uitgangsspanning van de piek en standaard kracht in het resultaat van de kalibratie.

5. meting van de kracht van hechting met een bepaalde snelheid

  1. Een waterdruppel (5 µL) opleggen aan het vrije uiteinde van de PVDF film sensor met behulp van een mechanische micropipet.
    Opmerking: De locatie van de druppel moeten dicht bij de tip van de PVDF film sensor.
  2. Plak een één been naar de servomotor onder het podium hoog-nauwkeurige verplaatsing.
  3. Beweeg de hoog-nauwkeurige verplaatsing fase naar beneden totdat het been contacten met het wateroppervlak, zoals weergegeven in Figuur 4een. Monitor de afstand tussen het oppervlak van het been en water door het camerasysteem gemonteerd aan de linkerzijde van de sensor.
  4. Til het been uit de buurt van het wateroppervlak met een constante snelheid door de servomotor.
  5. Bereken de kracht die overeenkomt met elk punt van de curve van de spanning van de vertrekkende proces met behulp van het model dat is vastgesteld in stap 4.6 en tekent de kracht-tijd curve van vertrekkende proces, zoals weergegeven in Figuur 4b.
  6. Record de hechting van de piek van de vertrekkende proces met een bepaalde snelheid.

6. meting van de kracht van hechting op verschillende snelheden.

  1. Veranderen van de hijs snelheid van de benen door de servomotor en meten van de kracht van hechting volgens stap 5.
  2. De kracht van hechting tegenover de opheffing van de curve van de snelheid met behulp van de gegevens bij stap 6.1 opgedane uitzetten.
  3. Het analyseren van de relatie tussen de kracht van de hechting en de hijs snelheid door de bocht.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De relatie tussen snelheid en hechting hefkracht is weergegeven in tabel 1. Wanneer de hijs de lijnsnelheid van 0,01 m/s tot 0,3 m/s, de hechting tussen het water oppervlak en been daalt dramatisch van 0.10 tot 0,03 van kracht. De resultaten van de vertrekkende experiment toonde aan dat de hechting van de piekkracht dramatisch als de hijs verhoging van de snelheid, die aangegeven dat het water striders voelen kan als ze snel op water bewegen zou dalen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In dit protocol was een dynamische kracht meetsysteem op basis van de PVDF film sensor met succes bedacht, geassembleerd, gekalibreerd voor het meten van de kracht van de hechting van het wateroppervlak. Onder de hele stappen, het was cruciaal dat de kracht van hechting werd gemeten op verschillende snelheden door het heffen van het been van het wateroppervlak als dit onderzoek gericht op het opmerkelijke kenmerk van de snelle manoeuvreren op het water. De resultaten van vertrekkende experiment toonde aan dat de kracht v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteur heeft niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs bedanken de nationale sleutel technologie onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van het ministerie van wetenschap en technologie van China (nr. 2011BAK15B06) voor hun steun. Dank Shuya Zhuang die een master studente uit ons laboratorium is voor uw hulp bij het voltooien van de video-shoot.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
PVDF film sensorTE ConnectivityDT1-028K/LDe PVDF filmsensor wordt gebruikt om de dynamische contactkracht te meten.
Charge amplifierWuxi Shiao Technology co.,LtdYE5852BDe ladingsversterker is een elektronische stroomintegrator die een spanningsuitvoer produceert die evenredig is met de geïntegreerde waarde van de ingang
Data acquisition deviceNational InstrumentsUSB-4431Het data-acquisitieapparaat wordt gebruikt om de spanningsgegevens te lezen.
Displacement stageZOLIXINSTRUMENTS CO.LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF is een verticale wedge-fase met hoge resolutie, hoge stabiliteit en hoge belasting.
CCD cameraShenzhen Andonstar Tech Co., Ltddigital microscope A1Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm
ComputerLenovoG480
ServomotorEMAX US Inc.ES08MDHet is niet slecht deze servo met een snelheid variërend van 0,10 sec/60° / 4,8v tot 0,08 sec/60°/6,0v.
Mechanical PipettesDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181De pipetten dekken een volumebereik van 0,1 μl tot 2,5 μl

Referenties

  1. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
  2. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  3. Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148(2011).
  4. Su, Y., et al. Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces. Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).
  5. Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis. Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).
  6. Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families. Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).
  7. Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).
  8. Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water. Physical Review E. 76 (6), 066103(2007).
  9. Ng, T. W., Panduputra, Y. Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations. Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).
  12. Shi, F., et al. Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders. Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).
  13. Yang, E., et al. Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology. Nature communications. 7, 13698(2016).
  14. Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water. Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).
  15. Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals. Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).
  16. Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning. Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).
  17. Lee, D. G., Kim, H. Y. The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).
  18. Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. Adhesion forces and contact angles of water strider legs. Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).
  19. Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation. Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).
  20. Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation. Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).
  21. Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics. Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009(2011).
  22. Liu, G., et al. Application of PVDF film to stress measurement of structural member. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).
  23. Fujii, Y. Proposal for a step response evaluation method for force transducers. Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).
  24. Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).
  25. Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001(2015).
  26. Sun, P., et al. The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force. Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).
  27. Song, L., et al. Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).
  28. Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings. Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002(2013).
  29. Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery. Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Dynamische krachtmetingadhesiekrachtmetingprecisie verplaatsingspodiumservomotor controlesysteemladingsversterkeropstellingdatavisualisatie apparaatLabView softwareanalyseelektrostatische krachtkalibratie
Meting van de dynamische kracht gehandeld op Water Strider been omhoog springen door de PVDF Film Sensor
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.