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

De mogelijkheid om vervormingen van zachte robotvinnen niet-opdringerig te meten is belangrijk omdat we het ontwerp en de controle van de vin voor onderwatervoertuigen beter kunnen informeren en computationele modellen kunnen valideren. We kunnen een bestaand hulpmiddel binnen de vloeistofdynamica, schaaflaser geïnduceerde fluorescentie genaamd, hergebruiken en uitbreiden voor vaste stoffen, die vervolgens kunnen worden gebruikt voor gelijktijdige metingen van vaste stoffen en vloeistoffen. Deze methode is generaliseerbaar naar zachte robotsystemen en materialen.

We kunnen deze techniek niet alleen gebruiken om interacties tussen vloeistofstructuren te valideren, maar ook om flexibele materialen voor sensoren en medische toepassingen te bestuderen. Begin met het ontwerpen en bouwen van een aangepaste 3D-geprinte glanzende afgewerkte mal met vinvorm. Bereid een experimentele opstelling voor door een gepulseerd lasersysteem op een rechthoekige glazen watertank te monteren om een schaaflichtplaat te genereren die de tank bij het middenvlak bij 30 Hertz doorsnijdt.

Installeer een vier megapixel charge gekoppeld apparaat, of CCD-camera, met een 35 millimeter lens en een long pass fluorescentie filter van 516 nanometer. Voer na de installatie een kalibratie uit van de conversie van de micrometer naar pixels door een enkele afbeelding van de CCD-camera te maken met een liniaal die in het laserplaatvlak is geplaatst. Selecteer vervolgens twee posities op de camera en verdeel de afstand in micrometers door pixels te scheiden.

Zorg ervoor dat de verhouding tussen micrometer en pixels klein genoeg is of zich in het submillimeterbereik bevindt voor de toepassing. Synchroniseer de laserpulsen en camerabeelden met de klapperende vin met behulp van triggeruitgangen van de vinsoftware en signalen van een vertragingsgenerator en bijbehorende software. Zorg ervoor dat alle laserveiligheid volgens de institutionele richtlijnen is.

Om het lasersysteem in te stellen, schakelt u het lasersysteem in met de aan / uit-toets die de koelmachine laat draaien om de laserkoppen te koelen. De foutlampjes knipperen totdat het systeem klaar is om de lasers van stroom te voorzien. Stel de triggerbron in op externe lamp, externe Q-schakelaar.

Stel voor beide laserkoppen de laserenergie in op 60 tot 80% van het volledige vermogen en druk op elke Q-schakelaarknop. Schakel vervolgens de lasers in door op de aan / uit-knop te drukken. Sluit vervolgens de voedingskabels aan op de camera en zorg voor de juiste verbindingen met de computer voordat u de camera-instellingssoftware opent en de juiste poort selecteert.

Nadat u de vertragingsgenerator hebt ingeschakeld, sluit u het externe poortkanaal aan op de vintrigger, kanaal E op de camera en kanalen A tot D op de laser. Open vervolgens de vertragingsgeneratorsoftware om de pulsmodus te selecteren om te barsten en de systeemresolutie tot vier nanoseconden. Stel de periode in seconden in.

Stel de externe trigger/gate-modus in op triggered, drempel op 0,20 volt en trigger edge als deze stijgt. Stel ook kanalen in zoals beschreven in het script. Lijn de vin uit, zodat het laservel op een snoersgewijze positie door een snoergewijs deel van de vin gaat en bevestig vervolgens het vinplatform met het bevestigingsmateriaal.

Sluit de voeding aan op de vinbesturingshardware en vinmotoren om te beginnen met het flapperen van de vin met de geselecteerde kinematica en schakel alle omgevingslichten uit. Druk in de vertragingsgeneratorsoftware op run om de gesynchroniseerde experimenten te starten en afbeeldingen te verkrijgen van het snijpunt van het laserblad met de vin gedurende de slagcyclus. Observeer de vin wapperen in de tank met laserplaat aan en omgevingslichten uit.

Als u klaar bent, drukt u op stop voordat u de vin loskoppelt van de voedingsbron. Beweeg het vinplatform, zodat de laserplaat op een nieuwe overspanningspositie kruist. Vervang de vin door extra gewenste vinmembranen en voer experimenten uit zoals eerder gedemonstreerd om de afbeeldingen voor het gewenste aantal metingen te verkrijgen.

Analyseer de afbeelding door alle witte objecten die vindoorsneden vertegenwoordigen uit het BW-gebied te extraheren, filt dot M binaire afbeelding en de afbeelding weer te geven met de M show dot M.Maak vervolgens een spoor van de binaire afbeeldingsgrens voor elke afbeelding om een 2D-vorm te verkrijgen, door alle vinpixels te selecteren die de zwarte achtergrondpixels raken. Vergelijk de resulterende vinvormen met de 3D-vloeistofstructuurinteractie of FSI-modellen, gegenereerd vanuit de middellijnen, om te laten zien hoe het proces kan worden gebruikt als high-fidelity-validatie. De geprogrammeerde vinkinematica leverde een slagamplitude op van 43 graden en een toonhoogteamplitude van 17 graden.

De afbeelding illustreert de vergelijkingen op twee posities in de slag. Eén in het midden van de upstroke en één in het midden van de downstroke. Verder werden de vergelijkingen gemaakt tussen de vormvervormingen van de PDMS 10 naar één en PDMS 20 naar één vin.

De 3D-vinvormen werden gereconstrueerd uit de door de schaaflaser geïnduceerde fluorescentie, FSI en stijve gevallen in de mid-upstroke, wat het vermogen van de huidige techniek voor het leveren van high fidelity-validatie voor de FSI-simulaties aantoont. In het experiment was de doorsnede van de vin niet bij elke stap zichtbaar vanwege de ondoorzichtige stijve spar. De afbeelding toont het resultaat waar de vin niet zichtbaar was.

Het belangrijkste om te onthouden is om de synchronisatie van de componenten te testen voordat u volledige experimenten uitvoert. Zodra de timing is ingesteld, voert u eerst een testrun uit.