Method Article

Modelowanie deformacji miękkich płetw trzepoczących przy użyciu planarnego obrazowania fluorescencyjnego indukowanego laserem

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 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

In This Article

Summary

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

Obecny protokół obejmuje pomiar i charakterystykę deformacji kształtu 3D w podwodnych trzepoczących płetwach zbudowanych z materiałów polidimetylosiloksanu (PDMS). Dokładna rekonstrukcja tych deformacji jest niezbędna do zrozumienia wydajności napędowej podatnych płetw trzepoczących.

Abstract

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

Mechanizmy napędowe inspirowane płetwami różnych gatunków ryb są coraz częściej badane, biorąc pod uwagę ich potencjał do poprawy manewrowania i możliwości ukrywania się w systemach pojazdów bezzałogowych. Miękkie materiały stosowane w membranach tych mechanizmów żeberkowych okazały się skuteczne w zwiększaniu ciągu i wydajności w porównaniu z bardziej sztywnymi konstrukcjami, ale niezbędne jest dokładne mierzenie i modelowanie odkształceń w tych miękkich membranach. W niniejszym badaniu przedstawiono proces charakteryzowania zależnej od czasu deformacji kształtu elastycznych podwodnych płetw trzepoczących przy użyciu planarnej fluorescencji indukowanej laserem (PLIF). Pigmentowane membrany żeber z polidimetylosiloksanu o różnej sztywności (0,38 MPa i 0,82 MPa) są wytwarzane i montowane na zespole w celu uruchomienia w dwóch stopniach swobody: skoku i przechyłu. Obrazy PLIF są pozyskiwane w różnych płaszczyznach przęseł, przetwarzane w celu uzyskania profili deformacji żeber i łączone w celu rekonstrukcji zmiennych w czasie zdeformowanych kształtów żeber 3D. Dane są następnie wykorzystywane do zapewnienia wysokiej dokładności walidacji symulacji interakcji płyn-struktura i lepszego zrozumienia osiągów tych złożonych układów napędowych.

Introduction

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

W naturze, wiele gatunków ryb ewoluowało, aby używać różnych ruchów ciała i płetw do poruszania się. Badania mające na celu zidentyfikowanie zasad poruszania się ryb pomogły w projektowaniu biologicznie inspirowanych systemów napędowych, ponieważ biolodzy i inżynierowie współpracowali nad opracowaniem zdolnych mechanizmów napędowych i kontrolnych nowej generacji dla pojazdów podwodnych. Różne grupy badawcze badały konfiguracje żeber, kształty, materiały, parametry skoku i techniki kontroli krzywizny powierzchni1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12. Znaczenie charakterystyki generowania wirów końcówek i nachylenia śladu aerodynamicznego dla zrozumienia generowania ciągu w systemach jedno- i wielopłetwowych zostało udokumentowane w licznych badaniach, zarówno obliczeniowych, jak i eksperymentalnych13,14,15,16,17,18. W przypadku mechanizmów żeberkowych wykonanych z materiałów zgodnych z przepisami, co do których wykazano w różnych badaniach, że zmniejszają nachylenie śladu aerodynamicznego i zwiększają ciąg17, niezbędne jest również uchwycenie i dokładne modelowanie ich historii czasowej odkształceń w celu powiązania z analizą struktury przepływu. Wyniki te mogą być następnie wykorzystane do walidacji modeli obliczeniowych, informowania o projektowaniu i kontroli żeber oraz ułatwianiu aktywnych obszarów badawczych w zakresie niestabilnego obciążenia hydrodynamicznego materiałów elastycznych, które wymagają walidacji19. W badaniach wykorzystano bezpośrednie, oparte na obrazach śledzenie kształtów płetw rekinów i innych złożonych obiektów20,21,22, ale złożony kształt płetwy 3D często blokuje dostęp optyczny, utrudniając pomiar. W związku z tym istnieje pilna potrzeba prostej i skutecznej metody wizualizacji elastycznego ruchu płetw.

Materiałem powszechnie stosowanym w zgodnych mechanizmach płetw jest polidimetylosiloksan (PDMS) ze względu na jego niski koszt, łatwość użycia, możliwość zmiany sztywności i kompatybilność z podwodnymi aplikacjami23, jak obszernie opisano w recenzji Majidi et al.24. Oprócz tych korzyści, PDMS jest również optycznie przezroczysty, co sprzyja pomiarom przy użyciu optycznej techniki diagnostycznej, takiej jak planarna fluorescencja indukowana laserem (PLIF). Tradycyjnie w eksperymentalnej mechanice płynów25, PLIF był używany do wizualizacji przepływów płynów poprzez zasiewanie płynu barwnikiem lub zawieszonymi cząstkami lub wykorzystanie przejść kwantowych z gatunków już znajdujących się w przepływie, które fluoryzują po wystawieniu na działanie arkusza laserowego26,27,28,29. Ta sprawdzona technika została wykorzystana do badania podstawowej dynamiki płynów, spalania i dynamiki oceanów26,30,31,32,33.

W niniejszym badaniu, PLIF jest używany do uzyskiwania czasoprzestrzennie rozdzielczych pomiarów deformacji kształtu w elastycznych płetwach robotycznych inspirowanych rybami. Zamiast zasiewać płyn barwnikiem, podwodna kinematyka płetwy PDMS jest wizualizowana w różnych przekrojach cięciwy. Chociaż planarne obrazowanie laserowe można wykonać na zwykłych odlewanych PDMS bez dodatkowej fluorescencji, modyfikacja PDMS w celu zwiększenia fluorescencji może poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR) obrazów poprzez zmniejszenie wpływu elementów tła, takich jak osprzęt do montażu żeber. PDMS można przekształcić w fluorescencyjny system przy użyciu dwóch metod, albo przez fluorescencyjne wysiewanie cząstek, albo pigmentację. Doniesiono, że dla danego współczynnika części, ten pierwszy zmienia sztywność wynikowego odlewanego PDMS34. W związku z tym nietoksyczny, dostępny na rynku pigment zmieszano z przezroczystym PDMS, aby odlać fluorescencyjne żebra do eksperymentów PLIF.

Aby dostarczyć przykład użycia tych pomiarów kinematyki płetw do walidacji modelu obliczeniowego, kinematyka eksperymentalna jest następnie porównywana z wartościami z modeli interakcji płyn-struktura (FSI) płetwy. Modele FSI użyte w obliczeniach opierają się na pierwszych siedmiu postaciach własnych obliczonych przy użyciu zmierzonych właściwości materiału dla żeber. Udane porównania weryfikują modele żeber i dają pewność wykorzystania wyników obliczeniowych do projektowania i kontroli żeber. Co więcej, wyniki PLIF pokazują, że metoda ta może być wykorzystana do walidacji innych modeli numerycznych w przyszłych badaniach. Dodatkowe informacje na temat tych modeli FSI można znaleźć we wcześniejszych wersjach work35,36 oraz w podstawowych tekstach metod obliczeniowej dynamiki płynów37,38. Przyszłe badania mogą również pozwolić na jednoczesne pomiary odkształceń ciał stałych i przepływów płynów w celu usprawnienia badań eksperymentalnych FSI w płetwach robotycznych, miękkich robotach inspirowanych biologicznie i innych zastosowaniach. Ponadto, ponieważ PDMS i inne kompatybilne elastomery są szeroko stosowane w różnych dziedzinach, w tym w czujnikach i urządzeniach medycznych, wizualizacja deformacji elastycznych ciał stałych przy użyciu tej techniki może przynieść korzyści większej społeczności badaczy w inżynierii, fizyce, biologii i medycynie.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Produkcja płetw

  1. Zbuduj formę płetwy w oparciu o pożądany kształt.
    1. Zaprojektuj i zbuduj niestandardową, wydrukowaną w 3D, błyszczącą formę w kształcie płetwy (Rysunek 1). Zobacz pliki STL do wytwarzania formy w Dodatkowych plikach kodowania 1-4.
    2. Włóż elementy konstrukcyjne do formy, takie jak wydrukowany w 3D sztywny dźwigar krawędzi natarcia z tworzywa sztucznego. Zobacz plik STL dźwigara w Dodatkowym pliku kodowania 2.
  2. Wymieszać PDMS (patrz Tabela materiałów) w żądanym stosunku części.
    1. Wybierz stosunek części elastomeru bazowego do utwardzacza (tj. 10:1 lub 20:1), aby uzyskać odpowiednio wyższy lub niższy moduł sprężystości. Odważyć odpowiednie ilości bazy i utwardzacza.
      UWAGA: W niniejszym badaniu zastosowano zarówno 10:1, jak i 20:1 (elastomer do utwardzacza).
    2. Zmierz pigment fluorescencyjny (patrz Tabela materiałów) tak, aby cała mieszanina zawierała 0,1%-1% pigmentu wagowo, w zależności od pożądanej jasności pigmentacji. Dodaj pigment do mieszanki PDMS.
    3. Wlej odmierzone ilości elastomeru, utwardzacza i pigmentu do planetarnego mieszalnika odśrodkowego (mieszając przy 423 x g przez 30 s i odpowietrzając przy 465 x g przez 30 s) i odpowiednio mieszając.
  3. Odlej płetwę w formie.
    1. Odgazuj i wlej mieszaninę PDMS do formy na płetwę. Umieść formę w piekarniku w temperaturze 70 °C na 45 minut i pozostaw do utwardzenia przez noc w temperaturze 37 °C.
    2. Po zakończeniu utwardzania wyjmij odlewaną płetwę z formy (Rysunek 2).
  4. Wykonaj próbę rozciągania zgodnie z normą ASTM39.
    1. Dla każdej żeberki odlanej w kroku 1.3 odlać jedną próbkę typu IV przy użyciu tego samego PDMS i mieszanki pigmentów w formie w kształcie typu IV, wykonując wcześniej opisane kroki 1.1.-1.3.
      UWAGA: Zobacz pliki STL do odlewania próbki typu IV w dodatkowym pliku kodowania 5 (forma pokazana w Rysunek 1C) i zobacz Rysunek 3 dla przykładów testowanych próbek typu IV.
    2. Zawiesić badaną próbkę w maszynie do prób rozciągania (patrz Tabela materiałów). Zmierz początkową długość, szerokość i grubość (mm) wąskiego odcinka próbki.
    3. Badaną próbkę należy poddać naprężeniu w odstępach co 5 mm, upewniając się, że próbka pozostaje rozciągnięta tylko w obszarze elastycznym, a nie nadmiernie rozciągnięta. Zmniejszać naprężenie w krokach co 5 mm, aż całkowite przemieszczenie próbki wyniesie 0 mm (pozycja pierwotna). Zapisać długości (mm) i siły (N) wąskiego przekroju przy każdym kroku.
    4. Aby obliczyć moduł sprężystości próbki, należy wykreślić krzywą naprężenie-odkształcenie i określić najlepsze dopasowanie liniowe oraz wartość R2.

2. Konfiguracja eksperymentalna i próby

  1. Zamontuj osprzęt PLIF (patrz tabela materiałów) na prostokątnym szklanym zbiorniku na wodę (2.41 m x 0.76 m x 0.76 m).
    1. Zamontuj i użyj impulsowego systemu laserowego (patrz Tabela Materiałów) do wygenerowania płaskiego arkusza świetlnego przecinającego zbiornik w jego środkowej płaszczyźnie z określoną częstotliwością (30 Hz), jak pokazano na Rysunek 4.
    2. Zamontuj i używaj kamery 4 MP ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) wyposażonej w obiektyw (35 mm) i długoprzepustowy filtr fluorescencyjny (560 nm) (patrz tabela materiałów).
    3. Skalibruj konwersję mikrometrów na piksele, wykonując pojedynczy obraz z kamery CCD za pomocą linijki umieszczonej w płaszczyźnie arkusza laserowego (Rysunek 5). Wybierz dwie pozycje w aparacie i podziel odległość w mikrometrach, oddzielając piksele. Upewnij się, że ten stosunek mikrometrów do pikseli jest wystarczająco mały (submilimetr) dla aplikacji.
  2. Zsynchronizuj impulsy laserowe i obrazy kamery z trzepoczącą płetwą, używając wyjść wyzwalających z oprogramowania płetwy oraz sygnałów z generatora opóźniającego i powiązanego oprogramowania (patrz Tabela materiałów) w celu skoordynowania ruchu kamery, głowic laserowych i żeber. Na rysunku uzupełniającym 1 przedstawiono przykład ustawień interfejsu oprogramowania generatora opóźnień.
    1. Ustaw system laserowy.
      UWAGA: Upewnij się, że wszystkie środki bezpieczeństwa lasera są zgodne z wytycznymi instytucjonalnymi.
      1. Włącz system laserowy, obracając zasilania w prawo, aby uruchomić agregat chłodniczy, który chłodzi głowice laserowe. Kontrolka usterki, dopóki system nie będzie gotowy do zasilania laserów. Nie naciskaj przycisku zasilania, który włącza lasery, dopóki wszystkie tryby lasera nie zostaną prawidłowo ustawione.
      2. Ustaw źródło wyzwalania na EXT LAMP/EXT Q-SW (zewnętrzna lampa/zewnętrzny przełącznik Q).
      3. W przypadku obu głowic laserowych ustaw energię lasera na żądany poziom (tj. około 60%-80% pełnej mocy) i upewnij się, że przełącznik Q jest włączony, naciskając każdy przycisk przełącznika Q.
      4. Włącz lasery, naciskając przycisk zasilania.
        UWAGA: Ponieważ źródło wyzwalania jest ustawione na EXT LAMP/EXT Q-SW, głowice laserowe są gotowe do zapłonu, ale dopiero po otrzymaniu przez system zewnętrznego wyzwalacza z oprogramowania.
    2. Ustaw kamerę.
      1. Podłącz zasilające do aparatu i upewnij się, że połączenia z komputerem i oprogramowaniem są prawidłowe.
      2. Otwórz oprogramowanie ustawień aparatu i wybierz odpowiedni port.
        1. W obszarze Ustawienia > wyzwalaczy ustaw "Wyzwalanie w:" na Zewnętrzne, a "Tryb:" na Szybkie.
        2. W obszarze Ekspozycja ustaw "Kontrola ekspozycji" na Wył.
      3. Otwórz oprogramowanie do przechwytywania aparatu i wybierz odpowiednią kartę aparatu.
        1. Kliknij przycisk Grab Sequence.
        2. Kliknij przycisk Ustawienia przechwytywania, wybierz obrazy TIFF, wybierz Serie klatek ..., a następnie wybierz żądaną ścieżkę do pliku, 6-cyfrowy numer, ciągły i akceptuj.
        3. Kliknij Start Capture.
          UWAGA: Ponieważ ustawienia kamery są ustawione na wyzwalacz zewnętrzny, kamera jest gotowa do zbierania obrazów, ale przechwytuje te obrazy dopiero po otrzymaniu przez system zewnętrznego wyzwalacza od oprogramowania.
    3. Ustaw generator opóźnienia.
      1. Włącz generator opóźnienia i podłącz kanał bramki zewnętrznej do spustu żeberkowego, kanały A-D do lasera (A: głowica laserowa 1, B: przełącznik Q do lasera 1, C: głowica laserowa 2 i D: przełącznik Q do lasera 2) i kanał E do kamery.
      2. Otwórz oprogramowanie generatora opóźnień.
      3. Wybierz "Tryb impulsowy", aby wykonać serię i "Rozdzielczość systemu" na 4 ns.
      4. Ustaw "Kropkę (kropki)" na 0,033333352.
      5. Ustaw "Tryb zewnętrznego spustu/bramy" na Wyzwolony, "Próg (V)" na 0,20, a "Krawędź spustu" na rosnące.
      6. Na Kanałach > Ch A kliknij pole wyboru Włączone. Ustaw "Opóźnienie (s)" na 0,000000004, "Szerokość (s)" na 0,005000000, "Amplituda (V)" na 5,00, "Tryb kanału" na Cykl pracy, "Liczba oczekiwania" na 0, "Źródło synchronizacji" na T0, "Polaryzacja" na Normalna, "Multiplekser" na A, "Cykl pracy włączony" na 1, "Cykl pracy wyłączony" na 1 i "Tryb bramy" wyłączony.
      7. Na Kanałach > Ch B kliknij pole wyboru Włączone. Ustaw "Opóźnienie (s)" na 0,000138000, "Szerokość (s)" na 0,005000000, "Amplituda (V)" na 5,00, "Tryb kanału" na Cykl pracy, "Liczba oczekiwania" na 0, "Synchronizacja źródła" na Ch A, "Polaryzacja" na Normalna, "Multiplekser" na B, "Cykl pracy włączony" na 1, "Cykl pracy wyłączony" na 1 i "Tryb bramy" wyłączony.
      8. Na Kanałach > Ch C kliknij pole wyboru Włączone. Ustaw "Opóźnienie (s)" na 0,033333304, "Szerokość (s)" na 0,005000000, "Amplituda (V)" na 5,00, "Tryb kanału" na cykl pracy, "Liczba oczekujących" na 0, "Źródło synchronizacji" na Ch A, "Polaryzacja" na Normalna, "Multiplekser" na C, "Cykl pracy włączony" na 1, "Cykl pracy wyłączony" na 1 i "Tryb bramy" wyłączony.
      9. Na Kanałach > Ch D kliknij pole wyboru Włączone. Ustaw "Opóźnienie (s)" na 0,000138000, "Szerokość (s)" na 0,005000000, "Amplituda (V)" na 5,00, "Tryb kanału" na Cykl pracy, "Liczba oczekiwania" na 0, "Źródło synchronizacji" na Ch C, "Polaryzacja" na Normalna, "Multiplekser" na D, "Cykl pracy włączony" na 1, "Cykl pracy wyłączony" na 1 i "Tryb bramy" wyłączony.
      10. Na Kanały > Ch E kliknij pole wyboru Włączone. Ustaw "Opóźnienie (s)" na 0,000000004, "Szerokość (s)" na 0,005000000, "Amplituda (V)" na 5,00, "Tryb kanału" na Normalny, "Liczba oczekujących" na 0, "Źródło synchronizacji" na T0, "Polaryzacja" na Normalna, "Multiplekser" na E, a "Tryb bramki" na Wyłączony.
  3. Wyrównaj płetwę tak, aby arkusz laserowy przechodził przez jedną sekcję cięciwy w wybranej pozycji przęsła i zabezpiecz platformę płetwy za pomocą elementów montażowych.
  4. Podłącz zasilanie do osprzętu sterującego płetwami i silników żeberkowych (patrz Tabela materiałów), aby rozpocząć trzepotanie żeber z wybraną kinematyką i wyłącz wszystkie światła otoczenia.
  5. Naciśnij przycisk Uruchom w oprogramowaniu generatora opóźnień, aby rozpocząć zsynchronizowane eksperymenty i uzyskać obrazy przecięcia arkusza laserowego z płetwą w całym cyklu skoku. Należy to przeprowadzić w ponad 200+ cyklach udaru.
  6. Naciśnij Stop w oprogramowaniu generatora opóźnienia i odłącz płetwę od źródła zasilania.
  7. Przesuń platformę żeber tak, aby arkusz lasera przecinał się w nowej pozycji rozpiętości i wykonuj eksperymenty, aby ponownie uzyskać obrazy. Powtórz kroki 2.3.-2.6. dla liczby żądanych pomiarów (osiem różnych pozycji rozpiętości, jak pokazano czarnymi przerywanymi liniami w Rysunek 2A).
  8. Zastąp płetwę dodatkowymi pożądanymi membranami żeber (dwie sztywności żeber, PDMS 10:1 i PDMS 20:1) i powtórz eksperymenty.

3. Analiza obrazu

  1. Dla każdej próby eksperymentalnej przeprowadzonej w kroku 2.4 zlokalizuj plik, w którym przechowywane są obrazy, i utwórz podfolder dla każdej pozycji lub fazy płetwy w całym cyklu skoku. Posortuj pliki obrazów w odpowiednich podfolderach.
  2. Dla każdego podfolderu fazy płetwy odczytaj 200+ obrazów jako tablice wartości pikseli (imread.m). Zsumuj tablice wartości pikseli dla wszystkich obrazów i podziel przez liczbę obrazów, aby wygenerować średni obraz. Zapisz obraz w nowym pliku (imwrite.m). Powtórz ten krok dla każdej pozycji płetwy w całym cyklu skoku (30 pozycji).
  3. Wykonaj poprawę histogramu na każdym średnim obrazie (imadjust.m), aby rozszerzyć zakres intensywności dynamicznej obrazów do pełnego dostępnego zakresu w celu poprawy kontrastu między żeberkiem a tłem.
  4. Ustaw progi intensywności i binaryzuj każdy obraz, aby uzyskać obraz czarno-biały (imbinarize.m). Powstałe białe kształty powinny odpowiadać fragmentom przekroju żeber.
  5. Wyodrębnij wszystkie białe obiekty (kawałki żeber) z obrazu binarnego (bwareafilt.m) i wyświetl obraz (imshow.m). Utwórz ślad binarnej granicy obrazu dla każdego obrazu, aby uzyskać kształt 2D, zaznaczając wszystkie piksele żeber (białe), które stykają się z pikselami tła (czarnymi) (bwboundaries.m).
    UWAGA: Ze względu na wymuszoną kinematykę żeber, widok zmierzonego przekroju poprzecznego PLIF w niektórych układach może być zasłonięty przez inną część żeber. W takich przypadkach albo na zdjęciach nie widać spójnego kształtu płetwy, albo widoczna pozostaje tylko krawędź natarcia (LE) (Rysunek 6).
  6. Wykonaj kroki 3.1.-3.5. dla każdego przekroju żeber.

4. Rekonstrukcja ugięcia 3D

  1. Zakładając, że pozycja LE (co najmniej bliższa osi skoku) w przypadkach elastycznych jest taka sama jak LE w sztywnej płetwie o tym samym kształcie, należy ułożyć cięcia płaszczyzny wzdłuż ich LE w tym samym kroku czasowym i porównać z wynikami dla odpowiedniego kształtu sztywnej żeberki.
  2. Użyj pasowania metodą najmniejszych kwadratów, aby przybliżyć wynikowy kształt linii środkowej przekroju poprzecznego żebra dla wszystkich cięć płaskich i zrekonstruować kształt żeberka 3D za pomocą uproszczonego wypukłego kadłuba z tych dopasowanych profili.
  3. Porównaj wynikowe kształty żeber z modelami 3D FSI (wygenerowanymi na podstawie ich linii środkowych), aby pokazać, w jaki sposób ten proces może być używany jako walidacja o wysokiej wierności.
    1. Wygeneruj triangulację powierzchni częściowo sztywnej nylonowej i częściowo elastycznej płetwy PDMS.
    2. Użyj komercyjnego oprogramowania do dynamiki konstrukcji (patrz tabela materiałów), aby uzyskać mody własne materiału hybrydowego.
      1. Wykonaj badania skalowania w celu dopasowania przemieszczenia w stanie ustalonym uzyskanego przy użyciu jednolitej różnicy ciśnień na powierzchniach żeber.
      2. Skaluj tryby, aby dopasować je do przemieszczenia uzyskanego z oprogramowania.
    3. Przy odpowiednim współczynniku skali użyj kilku pierwszych dominujących trybów (zwykle 7 lub 8) zastosowanych w sprzężonym solverze FSI, aby zasymulować niestabilny przepływ przez elastyczną płetwę.
      1. Traktuj treść jako element osadzony w siatce tła.
        UWAGA: Sprzężony solver został zweryfikowany pod kątem problemu przepływu przez okrągły cylinder z elastycznym żądłem z tyłu35 i rozszerzony pod kątem symulacji trzepotania płetw36.
      2. Przepisz kinematykę ruchu płetwy z eksperymentów.
      3. Monitoruj historię czasową wytwarzania siły i kształt płetwy wzdłuż kilku płaskich cięć w całym cyklu trzepotania i porównaj z eksperymentami.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Trapezoidalna sztuczna płetwa piersiowa inspirowana rybami została odlana z dwóch różnych materiałów (PDMS 10:1 i 20:1, oba zmieszane z barwnikiem fluorescencyjnym) z formy, każdy ze sztywnym drzewcem krawędzi natarcia włożonym w akord ćwiartki wiodącej (Rysunek 2 i Rysunek 3). Próba rozciągania dwóch materiałów żeber (Rysunek 3) dała moduły sprężystości wynoszące odpowiednio 0,38 MPa i 0,82 MPa dla żeber PDMS 20:1 i PDMS 10:1, przy R2 wynoszącym 0,99 dla...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Planarna fluorescencja indukowana laserem jest zwykle stosowana do wizualizacji przepływów wodnych poprzez zasiewanie płynu barwnikiem, który fluoryzuje po wystawieniu na działanie arkusza laserowego25,26. Jednak użycie PLIF do wizualizacji odkształceń w zgodnych materiałach nie zostało wcześniej zgłoszone, a to badanie opisuje podejście do uzyskiwania pomiarów historii czasu deformacji kształtu o wysokiej rozdzielczości w elastycznych żebrach litych za pomocą PL...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

To badanie było wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej za pośrednictwem podstawowego programu US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 i przeprowadzone podczas gdy Kaushik Sampath był pracownikiem Wydziału Akustyki w NRL, a Nicole Xu otrzymała nagrodę NRC Research Associateship w Laboratoriach Fizyki Obliczeniowej i Dynamiki Płynów w NRL. Autorzy dziękują dr. Rubenowi Hortensiusowi (TSI Inc.) za wsparcie techniczne i wskazówki.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
SterownikADMET ADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMikrokontroler do sprzętu płetwy
Generator opóźnienia nukleoniki BerkeleyNucleonics CorpModel 525Generator opóźnienia BNC i oprogramowanie
BobCat Cam ConfigImperxOprogramowanie ustawień kamery
CCDImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncKomercyjne oprogramowanie do dynamiki strukturalnej do modelowania interakcji płyn-struktura
D646WP ServoHitec36646S32-bitowe, cyfrowe, o wysokim momencie obrotowym, wodoodporne serwo do obrotu podziałki żeber
D840WP ServoHitec36840S32-bitowe, wielofunkcyjne, wodoodporne, stalowe serwo zębate do obrotu
skoku płetwyElektryczny różowy pigment fluorescencyjnySilc PigPMS812C
EverGreen (dwupulsacyjny system laserowy Nd:YAG 532 nm)QuantelEVG00070Głowica laserowa i zasilacz, przetwornik siły 70 mJ
ADMETSM-10-961Ogniwo obciążnikowe 10 lbf
przechwytywania kameryFrameLink ExpressImperx
fluorescencyjny LongpassEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksOprogramowanie do analizy obrazu
Planetarny mikser odśrodkowyTHINKY MIXERAR-100
Mieszanki kauczuku silikonowegoMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Drukarka 3DStratasys,
Uniwersalna maszyna wytrzymałościowaADMETeXpert 2611Model stołowy
Materiał drukarki 3DVeroBlackStratasys
Materiał drukarki 3DVeroGrayStratasys
Oprogramowanie do Filtr polyjet do budowy form do budowy form

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles