Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Pomiar siły dynamicznej działającej na nogę wodnego wędrowca skaczącą w górę przez czujnik folii PVDF

5.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

3 sierpnia 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

Protokół tutaj poświęcony jest badaniu swobodnego i szybkiego manewrowania tragarza wodnego na powierzchni wody. Protokół obejmuje obserwację mikrostruktury nóg i pomiar siły przylegania podczas odchodzenia od powierzchni wody z różnymi prędkościami.

Streszczenie

To badanie miało na celu wyjaśnienie zjawiska występującego w przyrodzie, że wodnik zazwyczaj skacze lub ślizga się po powierzchni wody łatwo, ale szybko, osiągając maksymalną prędkość lokomocji sięgającą 150 cm/s. W pierwszej kolejności obserwowaliśmy mikrostrukturę i hierarchię nóg wodniaka za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Na podstawie zaobserwowanej morfologii nóg stworzono teoretyczny model oderwania się od powierzchni wody, który wyjaśnił zdolność wędrowców wodnych do swobodnego ślizgania się po powierzchni wody pod względem redukcji energii. Po drugie, opracowano system dynamicznego pomiaru siły wykorzystujący czujnik folii PVDF o doskonałej czułości, który mógł wykryć cały proces interakcji. Następnie pojedyncza noga w kontakcie z wodą została podciągnięta do góry z różnymi prędkościami, a siła przylegania została zmierzona w tym samym czasie. Wyniki eksperymentu sugerują głębokie zrozumienie szybkiego skakania przez wędrowców wodnych.

Wprowadzenie

W naturze, wędrowcy wodni posiadają niezwykłą zdolność do łatwego i szybkiego skakania lub szybowania po powierzchni wody za pomocą smukłych i niemokrych nóg1,2,3,4,5, ale rzadko poruszają się powoli, w przeciwieństwie do owadów lądowych. Hierarchiczna struktura przebieracza wodnego stabilizuje stan superhydrofobowy, co powoduje radykalne zmniejszenie powierzchni styku i siły adhezji między wodą a nogą6,7,8,9. Jednak hydrodynamiczne korzyści płynące z szybkiego odczepiania wędrowców wodnych od powierzchni wody pozostają słabo interpretowane10,11,12.

Proces skakania z powierzchni wody dzieli się głównie na trzy etapy13,14,15,16. Na początku wędrowcy wodni popychają powierzchnię wody w dół za pomocą środkowych i tylnych nóg, aby przekształcić energię biologiczną w energię powierzchniową wody, aż opadną na maksymalną głębokość, co umożliwia owadowi zainicjowanie kierunku skoku i określenie prędkości odrywania. Po etapie wznoszenia owad jest popychany w górę przez siłę kapilarną zakrzywionej powierzchni wody, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości. W końcowej fazie rozłączania tragarz wodny nadal unosi się bezwładnie, aż oderwie się od powierzchni wody, ale prędkość jest znacznie zmniejszona ze względu na siłę przylegania do wody, która ma główny wpływ na zużycie energii przez wędrowca wodnego. W związku z tym proponuje się, aby protokół ten mierzył siłę przylegania przy różnych prędkościach startowych w fazie rozłączania i wyjaśniał charakterystyczną charakterystykę szybkiego ruchu.

Przeprowadzono wiele badań mających na celu zbadanie siły przyczepności wędrowców wodnych podczas wystrzeliwania z powierzchni wody. Lee & Kim teoretycznie i eksperymentalnie potwierdzili, że siła przylegania i energia wymagana do podniesienia nóg wodnego jeźdźca drastycznie spadała, gdy kąt zwilżania wzrastał do 160 stopni17. Pan Jen Wei zaprojektował eksperyment hydrostatyczny do pomiaru siły przylegania przez system TriboScope, która okazała się stanowić 1/5 jego masy 18. Kehchih Hwang przeanalizował quasi-statyczny proces odrywania się nóg od wody za pomocą modelu 2D i stwierdził, że superhydrofobowość nóg odgrywa znaczącą rolę w zmniejszaniu siły przylegania i rozpraszania energii19. Jednak pomiar siły adhezji w poprzednich badaniach odbywał się tylko w warunkach procesu quasi-statycznego, który nie był w stanie monitorować zmian siły adhezji podczas szybkiego skoku.

W tym badaniu zaprojektowaliśmy dynamiczny system pomiaru siły za pomocą czujnika folii z polifluorku winylidenu (PVDF) i innego instrumentu wspomagającego. W porównaniu z innymi materiałami piezoelektrycznymi, PVDF jest bardziej odpowiedni do pomiaru dynamicznej mikrosiły z większą czułością20,21,22. Dzięki zintegrowaniu czujnika folii PVDF z systemem, siła przylegania w czasie rzeczywistym mogła być wykrywana i przetwarzana, gdy noga podciągała się z powierzchni wody23,24,25.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Obserwacja struktury powierzchni na nodze wodnego Stridera

  1. Zbieraj wędzierzy z lokalnych stawów słodkowodnych za pomocą podbieraka rybackiego.
  2. Odetnij co najmniej 5 par środkowych nóg jako próbki eksperymentalne za pomocą nożyczek. Ostrożnie dotykaj dolnej części nóg, aby zapobiec zanieczyszczeniu powierzchni i zakłóceniu mikrostruktury z przodu nóg.
  3. Wysusz nogi na powietrzu w naturalny sposób.
  4. Obserwuj mikrostrukturę powierzchni nóg za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z rozdzielczością na poziomie mikro, jak pokazano na Rysunek 1a.
  5. Obserwuj mikrosety nóg za pomocą skaningowego mikroskopu elektrycznego z rozdzielczością nano, jak pokazano wRysunek 1b.

2. Przygotuj komponent systemu pomiaru siły dynamicznej

  1. Kup czujnik folii PVDF o wymiarze 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, który wytwarza ponad 10 mV na mikroodkształcenie.
    UWAGA: Czujnik folii PVDF służy do wykrywania dynamicznej siły nacisku z dużą czułością.
  2. Kup wzmacniacz ładowania o maksymalnym wzmocnieniu ładunku 1000 mV/pC i niskim poziomie szumów poniżej 5 μV.
    UWAGA: Wzmacniacz ładowania służy do powiększania sygnału z czujnika folii PVDF, w którym wyjście ładunku z przetwornika jest przekształcane na napięcie.
  3. Zakup urządzenia do akwizycji danych, w którym wejście analogowe ma częstotliwości próbkowania w zakresie od 1 S/s do 102,4 kS/s.
    UWAGA: Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytywania danych o napięciu wzmacniacza ładowania i wysyłania ich do komputera w celu dalszego przetwarzania i wyświetlania.
  4. Kup kilka precyzyjnych stopni przemieszczenia i serwomotor.
    UWAGA: Nogi odchodzą od wody z różną prędkością napędzaną serwomotorem.
  5. Kup kamerę CCD, której długość ostrości mieści się w zakresie od 5 mm do 30 mm, a liczba klatek na sekundę wynosi 30 kl./s.
    UWAGA: Ta kamera służy do rejestrowania i monitorowania deformacji powierzchni wody oraz odległości między nogami a powierzchnią wody.
  6. Przygotuj komputer o wysokiej wydajności.

3. Montaż wszystkich części Systemu Pomiaru Siły Dynamicznej

  1. Zmontuj system pomiaru siły dynamicznej zgodnie ze schematyczną ilustracją pokazaną na Rysunek 2a i rzeczywisty instrument eksperymentalny pokazany na Rysunek 2b.
  2. Przymocuj jedną stronę czujnika folii PVDF z elektrodami do bardzo precyzyjnego stolika przemieszczenia, który jest umieszczony na ramie poziomej, podczas gdy druga strona wisi. Ta metoda instalacji czujnika folii PVDF pomaga poprawić rozdzielczość pomiaru dynamicznej siły mikro.
  3. Podłącz czujnik folii PVDF do wzmacniacza ładowania, wzmacniacz ładowania do urządzenia do akwizycji danych, a urządzenie do akwizycji danych do komputera.
  4. Zamocuj kamerę do bardzo precyzyjnego stolika przemieszczenia, który znajduje się po lewej stronie czujnika folii PVDF.
  5. Aby szybko z grubsza wyregulować odległość między nogami a wodą, przymocuj bardzo precyzyjny stolik przemieszczeniowy do ramy nad czujnikiem folii PVDF, którego odległość od czujnika folii PVDF wynosi około 10 cm.
  6. Aby podnieść nogę z powierzchni wody z precyzyjną prędkością, zamocuj serwomotor poniżej stopnia o wysokiej precyzji przemieszczenia.

4. Kalibracja Systemu Pomiaru Siły Dynamicznej

  1. Użyj systemu sił elektrostatycznych26, aby wygenerować mikrostałą siłę działającą na swobodny koniec czujnika folii PVDF, której wielkość powinna być mniejsza niż 0,5 μN. Kontroluj siłę elektrostatyczną systemu za pomocą napięcia przyłożonego do wewnętrznej i zewnętrznej elektrody równoległego kondensatora cylindrycznego.
    Uwaga: Siła powinna działać w kierunku prostopadłym do powierzchni folii PVDF, a punkt przyłożenia powinien znajdować się jak najbliżej końcówki czujnika folii PVDF, aby zwiększyć czułość.
  2. Zwolnij siłę w krótkim czasie, aby wygenerować krok wejściowy.
  3. Odczytaj sygnał napięciowo-czasowy z kroku 4.2 w komputerze za pomocą oprogramowania LabVIEW, które pomaga odczytać wyjściowe sygnały napięcia czujnika folii PVDF.
    1. Pobierz oprogramowanie LabVIEW i sterownik sprzętowy NI-DAQmx z oficjalnej strony internetowej National Instruments.
    2. Otwórz demonstrację ciągłego analogowego pomiaru napięcia za pomocą LabVIEW, jak pokazano Rysunek 3.
    3. Wybierz kanał fizyczny urządzenia do akwizycji danych połączonego ze wzmacniaczem ładowania w module Ustawienia kanałów.
    4. Ustaw częstotliwość próbkowania na 100000, a liczbę próbek na 100000 w module Ustawienia czasu.
    5. Wybierz tryb Log i odczyt jako rejestrowanie i zapisz ścieżkę do pliku, aby zapisać dane napięcia w module Ustawienia rejestrowania.
    6. Wybierz Brak wyzwalacza w module Ustawienia wyzwalacza.
    7. Kliknij przycisk w kształcie strzałki na pasku narzędzi, aby pobrać próbkę sygnału napięcia.
  4. Przeanalizuj krzywą napięcia, w której napięcie szczytowe odpowiada sile działającej na czujnik.
  5. Powtórz kroki 4.1-4.4 przy różnych siłach wejściowych, w których uzyskuje się szereg punktów napięcie-siła.
  6. Określ zależność między szczytowym napięciem wyjściowym a siłą standardową w wyniku kalibracji.

5. Pomiar siły adhezji przy określonej prędkości

  1. Umieść kroplę wody (5 μl) na wolnym końcu czujnika folii PVDF za pomocą mikropipety mechanicznej.
    UWAGA: Położenie kropli powinno znajdować się blisko końcówki czujnika folii PVDF.
  2. Przyklej pojedynczą nogę do serwomotoru poniżej bardzo precyzyjnego stopnia przemieszczenia.
  3. Przesuń stopień o wysokiej precyzji przemieszczenia w dół, aż noga zetknie się z powierzchnią wody, jak pokazano na Rysunek 4a. Monitoruj odległość między nogą a powierzchnią wody za pomocą systemu kamer zamontowanych po lewej stronie czujnika.
  4. Podnieś nogę z powierzchni wody ze stałą prędkością przez serwomotor.
  5. Oblicz siłę odpowiadającą każdemu punktowi krzywej napięcia procesu odchodzenia, korzystając z modelu ustalonego w kroku 4.6, a następnie narysuj krzywą siła-czas procesu odchodzenia, jak pokazano na Rysunek 4b.
  6. Zapisz szczytową przyczepność procesu odchodzenia z określoną prędkością.

6. Pomiar siły przylegania przy różnych prędkościach.

  1. Zmień prędkość podnoszenia nóg za pomocą serwomotoru i zmierz siłę przylegania zgodnie z krokiem 5.
  2. Wykreślić krzywą siły przyczepności w funkcji prędkości podnoszenia, korzystając z danych uzyskanych w kroku 6.1.
  3. Przeanalizuj zależność między siłą przyczepności a prędkością podnoszenia przez krzywą.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Zależność między prędkością podnoszenia a siłą adhezji przedstawiono w Tabeli 1. Gdy prędkość podnoszenia wzrasta z 0,01 m/s do 0,3 m/s, siła adhezji między powierzchnią wody a odnóżem gwałtownie spada z 0,10 do 0,03 . Wyniki eksperymentu z odrywaniem wykazały, że szczytowa siła adhezji gwałtownie maleje wraz ze wzrostem prędkości podnoszenia, co wskazuje na to, że nartniki mogą poruszać się swobodniej, przemieszczając się szybko po powierzchni wody.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W tym protokole udało się opracować, zmontować i skalibrować system pomiaru siły dynamicznej oparty na czujniku folii PVDF w celu pomiaru siły przylegania od powierzchni wody. Spośród wszystkich etapów kluczowe było to, aby siła przyczepności była mierzona przy różnych prędkościach poprzez podnoszenie nogi z powierzchni wody, ponieważ badanie to skupiało się na niezwykłej charakterystyce szybkiego manewrowania na wodzie. Wyniki eksperymentu z odjazdem wykazały, że siła przylegania zmniejszała się wraz ze wzrostem prędkoś...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autor nie ma nic do zdradzienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują Krajowemu Programowi Badań i Rozwoju Kluczowych Technologii Ministerstwa Nauki i Technologii Chin (nr 2011BAK15B06) za wsparcie. Dziękujemy Shuya Zhuang, który jest mistrzem z naszego laboratorium, za pomoc w ukończeniu sesji zdjęciowej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Czujnik folii PVDFTE ConnectivityDT1-028K/LCzujnik folii PVDF służy do wykrywania dynamicznej siły nacisku.
Wzmacniacz ładowaniaWuxi Shiao Technology co., LtdYE5852BWzmacniacz ładowania  to elektroniczny całkownik prądu, który wytwarza napięcie wyjściowe proporcjonalne do wartości zintegrowanej urządzenia do
akwizycji danychwejściowych National InstrumentsUSB-4431Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytu danych o napięciu.
Stopień wypornościowyZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF to klinowy stopień pionowy o wysokiej rozdzielczości, wysokiej stabilności i dużym obciążeniu.
Kamera CCDShenzhen Andonstar Tech Co., Ltdmikroskop cyfrowy A1Liczba klatek na sekundę: 30 klatek na sekundę; Odległość ogniskowa: 5mm - 30mm
KomputerLenovoG480
SerwomotorEMAX US Inc.ES08MDNie jest źle to serwo o prędkości wahającej się od 0,10 sek/60° / 4,8 V do 0,08 s/60 stopni; / 6,0 V.
Pipety mechaniczneDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181Pipety obejmują zakres objętości 0,1 i mu; od l do 2,5 i mu; l

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Dynamiczny pomiar si yPomiar si y adhezjiWysokoprecyzyjny st przesuwnySystem sterowania serwosilnikiemUk ad wzmacniacza adunkowegoUrz dzenie do akwizycji danychAnaliza w oprogramowaniu LabViewKalibracja si y elektrostatycznej
Pomiar siły dynamicznej działającej na nogę wodnego wędrowca skaczącą w górę przez czujnik folii PVDF
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.