Methodenartikel

Flapping Soft Fin Deformation Modeling met behulp van Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

DOI:

10.3791/63784

⸱

28 april 2022

 ,  ,  ,  , 
1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

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

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Fin fabricage

  1. Bouw een vinmal op basis van het gewenste vormontwerp.
    1. 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.
    2. 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.
  2. Meng PDMS (zie Materiaaltabel) in de gewenste onderdeelverhouding.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
  3. Giet de vin in de mal.
    1. 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.
    2. Zodra de uitharding is voltooid, verwijdert u de gegoten vin uit de mal (figuur 2).
  4. Voer trekproeven uit volgens de ASTM-norm39.
    1. 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.
    2. Klem het testmonster in de trekproefmachine (zie Materiaaltabel). Meet de initiële lengte, breedte en dikte (mm) van het smalle monstergedeelte.
    3. 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.
    4. Om de elastische modulus van het monster te berekenen, plot u de spannings-rekcurve en bepaalt u de beste lineaire pasvorm en R2-waarde .

2. Experimentele opstelling en proeven

  1. Monteer de PLIF-hardware (zie Materiaaltabel) op een rechthoekige glazen watertank (2,41 m x 0,76 m x 0,76 m).
    1. 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.
    2. 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).
    3. 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.
  2. 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.
    1. Stel het lasersysteem in.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat alle laserveiligheidsmaatregelen in overeenstemming zijn met de institutionele richtlijnen.
      1. 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.
      2. Stel de triggerbron in op EXT LAMP/EXT Q-SW (externe lamp/externe Q-schakelaar).
      3. 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.
      4. 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.
    2. Stel de camera in.
      1. Sluit de voedingskabels aan op de camera en zorg voor de juiste verbindingen met de computer en software.
      2. Open de software voor camera-instellingen en selecteer de juiste poort.
        1. Stel onder Trigger > Settings 'Trigger in:' in op Extern en 'Mode:' op Snel.
        2. Stel onder Belichting 'Belichtingsregeling' in op Uit.
      3. Open de camera-opnamesoftware en selecteer de juiste camerakaart.
        1. Klik op de knop Grab Sequence ( Grab Sequence ).
        2. Klik op de knop Opname-instellingen , selecteer TIFF-afbeeldingen, selecteer Reeks frames ..., en selecteer het gewenste bestandspad, 6-cijferig aantal, Continu en Accepteren.
        3. 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.
    3. Stel de vertragingsgenerator in.
      1. 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.
      2. Open de vertragingsgeneratorsoftware.
      3. Selecteer de "Pulse Mode" naar Burst en "System Resolution" naar 4 ns.
      4. Stel de "Periode(s)" in op 0,033333352.
      5. Stel de "External Trigger/Gate Mode" in op Triggered, "Threshold (V)" op 0.20 en "Trigger Edge" als Rising.
      6. 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.
      7. 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.
      8. 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.
      9. 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.
      10. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Druk op Stop in de vertragingsgeneratorsoftware en koppel de vin los van de voedingsbron.
  7. 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).
  8. Vervang de vin door extra gewenste vinmembranen (twee vinstijfheden, PDMS 10:1 en PDMS 20:1) en herhaal de experimenten.

3. Beeldanalyse

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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).
  6. Voer stappen 3.1.-3.5 uit. voor elke vindoorsnede.

4. Reconstructie van 3D-doorbuiging

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
    1. Genereer een oppervlaktetriangulatie van de gedeeltelijk stijve nylon en gedeeltelijk flexibele PDMS-vin.
    2. Gebruik een commerciële structurele dynamica software (zie Tabel van materialen) om de eigenmodes van het hybride materiaal te verkrijgen.
      1. Voer schaalstudies uit om de steady-state verplaatsing te evenaren die is verkregen met behulp van een uniform drukverschil op de vinoppervlakken.
      2. Schaal de modi om overeen te komen met de verplaatsing die uit de software wordt verkregen.
    3. 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.
      1. 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.
      2. Schrijf de kinematica van de vinbeweging van de experimenten voor.
      3. Monitor de tijdsgeschiedenis van de krachtproductie en de vorm van de vin langs verschillende vlaksneden gedurende de klappercyclus en vergelijk met experimenten.

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

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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:...

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

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 beh...

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

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
ADMET controllerADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMicrocontroller voor de vin hardware
Berkeley Nucleonics Delay GeneratorBerkeley Nucleonics CorpModel 525BNC vertragingsgenerator en software
BobCat Cam ConfigImperxCamera-instellingensoftware
CCD cameraImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncCommerciële structurele dynamicasoftware voor vloeistof-structuur interactiemodellering
D646WP ServoHitec36646S32-Bit, digitaal, hoog koppel, waterdicht servo voor de draaiing van de vin pitch
D840WP ServoHitec36840S32-Bit, multifunctioneel, waterdicht, stalen tandwielvergrendelingsservo voor de draaiing van de vin slag
Electric Pink fluorescent pigmentSilc PigPMS812C
EverGreen (532 nm dubbel gepulseerde Nd:YAG lasersysteem)QuantelEVG00070Laserkop en voeding, 70 mJ
Force transducerADMETSM-10-96110 lbf belastingscel
FrameLink ExpressImperxCamera opnamesoftware
Longpass fluorescentiefilterEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksSoftware voor beeldanalyse
Planetaire centrifugale mixerTHINKY MIXERAR-100
Siliconen rubberverbindingenMomentiveRTV615Klaar PDMS
Stratasys J750Stratasys3D-printer, polyjet
Universele testmachineADMETeXpert 2611Tabelmodel
VeroBlackStratasys3D-printermateriaal om de mallen te bouwen
VeroGrayStratasys3D-printermateriaal om de mallen te bouwen

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Kato, N., et al. Elastic pectoral fin actuators for biomimetic underwater vehicles. Bio-mechanisms of Swimming and Flying. , 271-282 (2008).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Bazaz Behbahani, S., Tan, X. Role of pectoral fin flexibility in robotic fish performance. Journal of Nonlinear Science. 27 (4), 1155-1181 (2017).
  15. Wu, X., Zhang, X., Tian, X., Li, X., Lu, W. A review on fluid dynamics of flapping foils. Ocean Engineering. 195, 106712(2020).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Young, Y. L. Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers. Journal of Fluids and Structures. 24 (6), 799-818 (2008).
  20. Hughes, B., Burghardt, T. Automated visual fin identification of individual great white sharks. International Journal of Computer Vision. 122 (3), 542-557 (2017).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Majidi, C. Soft-matter engineering for soft robotics. Advanced Materials Technologies. 4 (2), 1800477(2018).
  25. Springer. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin Heidelberg. (2007).
  26. Crimaldi, J. P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows. Experiments in Fluids. 44 (6), 851-863 (2008).
  27. Davidson, D. F., Hanson, R. K. Spectroscopic Diagnostics. Handbook of Shock Waves. , 741(2001).
  28. Academic Press. Handbook of Shock Waves. , Academic Press. San Diego. (2001).
  29. Yang, W. J. Handbook of Flow Visualization. , Routledge. (2018).
  30. Cowen, E. A., Chang, K. -A., Liao, Q. A single-camera coupled PTV-LIF technique. Experiments in Fluids. 31 (1), 63-73 (2001).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Ramamurti, R., Geder, J., Viswanath, K., Lohner, R., Soto, O. Coupled CFD, structure and control tool for simulation of flapping wing analysis. , (2019).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Löhner, R. Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. , John Wiley & Sons. Chichester, England; Hoboken, NJ. (2008).
  39. D20 Committee. Test Method for Tensile Properties of Plastics. , ASTM International. (2022).
  40. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1704(2014).

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

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Flapping Fin ModelingSoft Robotic FinsPlanar Laser Induced FluorescenceFin Deformation ImagingFluid Structure InteractionFlexible Fin MembranesPDMS Fin MembranesFin Kinematics3D Shape ReconstructionUnderwater Propulsion

Gerelateerde artikelen