Name: Pomiar siły dynamicznej działającej na nogę wodnego wędrowca skaczącą w górę przez czujnik folii PVDF (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 17 s
Description: Odkryj pomiar siły przylegania u wodnych wędrowców za pomocą czujników folii PVDF. Ta metoda pozwala analizować dynamikę ruchu na powierzchni wody z zastosowaniami w biologii i robotyce.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Obserwacja struktury powierzchni na nodze wodnego Stridera
<ol>
	<li>Zbieraj wędzierzy z lokalnych stawów słodkowodnych za pomocą podbieraka rybackiego.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wysusz nogi na powietrzu w naturalny sposób.</li>
	<li>Obserwuj mikrostrukturę powierzchni nóg za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z rozdzielczością na poziomie mikro, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 1a.</li>
	<li>Obserwuj mikrosety nóg za pomocą skaningowego mikroskopu elektrycznego z rozdzielczością nano, jak pokazano wRysunek 1b.</li>
</ol>
2. Przygotuj komponent systemu pomiaru siły dynamicznej
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Kup kilka precyzyjnych stopni przemieszczenia i serwomotor. 
	UWAGA: Nogi odchodzą od wody z różną prędkością napędzaną serwomotorem.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przygotuj komputer o wysokiej wydajności.</li>
</ol>
3. Montaż wszystkich części Systemu Pomiaru Siły Dynamicznej
<ol>
	<li>Zmontuj system pomiaru siły dynamicznej zgodnie ze schematyczną ilustracją pokazaną na <silna klasa="xfig">Rysunek 2a i rzeczywisty instrument eksperymentalny pokazany na <silna klasa="xfig">Rysunek 2b.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Podłącz czujnik folii PVDF do wzmacniacza ładowania, wzmacniacz ładowania do urządzenia do akwizycji danych, a urządzenie do akwizycji danych do komputera.</li>
	<li>Zamocuj kamerę do bardzo precyzyjnego stolika przemieszczenia, który znajduje się po lewej stronie czujnika folii PVDF.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Aby podnieść nogę z powierzchni wody z precyzyjną prędkością, zamocuj serwomotor poniżej stopnia o wysokiej precyzji przemieszczenia.</li>
</ol>
4. Kalibracja Systemu Pomiaru Siły Dynamicznej
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zwolnij siłę w krótkim czasie, aby wygenerować krok wejściowy.</li>
	<li>Odczytaj sygnał napięciowo-czasowy z kroku 4.2 w komputerze za pomocą oprogramowania LabVIEW, które pomaga odczytać wyjściowe sygnały napięcia czujnika folii PVDF.
	<ol>
		<li>Pobierz oprogramowanie LabVIEW i sterownik sprzętowy NI-DAQmx z oficjalnej strony internetowej National Instruments.</li>
		<li>Otwórz demonstrację ciągłego analogowego pomiaru napięcia za pomocą LabVIEW, jak pokazano Rysunek 3.</li>
		<li>Wybierz kanał fizyczny urządzenia do akwizycji danych połączonego ze wzmacniaczem ładowania w module Ustawienia kanałów.</li>
		<li>Ustaw częstotliwość próbkowania na 100000, a liczbę próbek na 100000 w module Ustawienia czasu.</li>
		<li>Wybierz tryb Log i odczyt jako rejestrowanie i zapisz ścieżkę do pliku, aby zapisać dane napięcia w module Ustawienia rejestrowania.</li>
		<li>Wybierz Brak wyzwalacza w module Ustawienia wyzwalacza.</li>
		<li>Kliknij przycisk w kształcie strzałki na pasku narzędzi, aby pobrać próbkę sygnału napięcia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeanalizuj krzywą napięcia, w której napięcie szczytowe odpowiada sile działającej na czujnik.</li>
	<li>Powtórz kroki 4.1-4.4 przy różnych siłach wejściowych, w których uzyskuje się szereg punktów napięcie-siła.</li>
	<li>Określ zależność między szczytowym napięciem wyjściowym a siłą standardową w wyniku kalibracji.</li>
</ol>
5. Pomiar siły adhezji przy określonej prędkości
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Przyklej pojedynczą nogę do serwomotoru poniżej bardzo precyzyjnego stopnia przemieszczenia.</li>
	<li>Przesuń stopień o wysokiej precyzji przemieszczenia w dół, aż noga zetknie się z powierzchnią wody, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 4a. Monitoruj odległość między nogą a powierzchnią wody za pomocą systemu kamer zamontowanych po lewej stronie czujnika.</li>
	<li>Podnieś nogę z powierzchni wody ze stałą prędkością przez serwomotor.</li>
	<li>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 <silna klasa="xfig">Rysunek 4b.</li>
	<li>Zapisz szczytową przyczepność procesu odchodzenia z określoną prędkością.</li>
</ol>
6. Pomiar siły przylegania przy różnych prędkościach.
<ol>
	<li>Zmień prędkość podnoszenia nóg za pomocą serwomotoru i zmierz siłę przylegania zgodnie z krokiem 5.</li>
	<li>Wykreślić krzywą siły przyczepności w funkcji prędkości podnoszenia, korzystając z danych uzyskanych w kroku 6.1.</li>
	<li>Przeanalizuj zależność między siłą przyczepności a prędkością podnoszenia przez krzywą.</li>
</ol>

<ol><li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biophysics%3A+Water-repellent+legs+of+water+striders%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biophysics: Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36(2004).</li>
<li>Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hydrodynamics+of+water+strider+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The hydrodynamics of water strider locomotion.</a> Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).</li>
<li>Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3633686">Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.</a> AIP Advances. 1 (3), 032148(2011).</li>
<li>Su, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano+to+micro+structural+hierarchy+is+crucial+for+stable+superhydrophobic+and+water-repellent+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Nano to micro structural hierarchy is crucial for stable superhydrophobic and water-repellent surfaces.</a> Langmuir. 26 (7), 4984-4989 (2010).</li>
<li>Feng, X. Q., Gao, X., Wu, Z., Jiang, L., Zheng, Q. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superior+water+repellency+of+water+strider+legs+with+hierarchical+structures%3A+experiments+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Superior water repellency of water strider legs with hierarchical structures: experiments and analysis.</a> Langmuir. 23 (9), 4892-4896 (2007).</li>
<li>Suter, R. B., Stratton, G., Miller, P. R. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/3706147?seq=1#page_scan_tab_contents">Water surface locomotion by spiders: distinct gaits in diverse families.</a> Journal of Arachnology. 31 (3), 428-432 (2003).</li>
<li>Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4964788?journalCode=apl">Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs.</a> Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).</li>
<li>Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18233894">Buoyant force and sinking condition of a hydrophobic thin rod floating on water.</a> Physical Review E. 76 (6), 066103(2007).</li>
<li>Ng, T. W., Panduputra, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamical+force+and+imaging+characterization+of+superhydrophobic+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir+the+Acs+Journal+of+Surfaces+%26+Colloids%22%5BJournal%5D)">Dynamical force and imaging characterization of superhydrophobic surfaces.</a> Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids. 28 (1), 453-458 (2012).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elegant+Shadow+Making+Tiny+Force+Visible+for+Water-Walking+Arthropods+and+Updated+Archimedes%27+Principle%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes' Principle.</a> Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).</li>
<li>Zhao, J., Zhang, X., Chen, N., Pan, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Why+superhydrophobicity+is+crucial+for+a+water-jumping+microrobot%3F+Experimental+and+theoretical+investigations%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Why superhydrophobicity is crucial for a water-jumping microrobot? Experimental and theoretical investigations.</a> Acs Appl Mater Interfaces. 4 (7), 3706-3711 (2012).</li>
<li>Shi, F., et al. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.200700752">Towards Understanding Why a Superhydrophobic Coating Is Needed by Water Striders.</a> Advanced Materials. 19 (17), 2257-2261 (2010).</li>
<li>Yang, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+striders+adjust+leg+movement+speed+to+optimize+takeoff+velocity+for+their+morphology%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+communications%22%5BJournal%5D)">Water striders adjust leg movement speed to optimize takeoff velocity for their morphology.</a> Nature communications. 7, 13698(2016).</li>
<li>Liu, J. L., Sun, J., Mei, Y. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4883493?journalCode=apl">Biomimetic mechanics behaviors of the strider leg vertically pressing water.</a> Applied Physics Letters. 104 (23), 231607(2014).</li>
<li>Kong, X. Q., Liu, J. L., Wu, C. W. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10409-015-0458-x">Why a mosquito leg possesses superior load-bearing capacity on water: Experimentals.</a> Acta Mechanica Sinica. 32 (2), 335-341 (2016).</li>
<li>Liu, J. L., Mei, Y., Xia, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+wetting+mechanism+based+upon+triple+contact+line+pinning%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">A new wetting mechanism based upon triple contact line pinning.</a> Langmuir. 27 (1), 196-200 (2011).</li>
<li>Lee, D. G., Kim, H. Y. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/the-role-of-superhydrophobicity-in-the-adhesion-of-a-floating-cylinder/6F5F5A3A7688E6AEE13945FA59A240FD">The role of superhydrophobicity in the adhesion of a floating cylinder.</a> Journal of Fluid Mechanics. 624, 23-32 (2009).</li>
<li>Wei, P. J., Chen, S. C., Lin, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adhesion+forces+and+contact+angles+of+water+strider+legs%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Adhesion forces and contact angles of water strider legs.</a> Langmuir. 25 (3), 1526-1528 (2008).</li>
<li>Su, Y., Ji, B., Huang, Y., Hwang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nature%27s+design+of+hierarchical+superhydrophobic+surfaces+of+a+water+strider+for+low+adhesion+and+low-energy+dissipation%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Nature's design of hierarchical superhydrophobic surfaces of a water strider for low adhesion and low-energy dissipation.</a> Langmuir. 26 (24), 18926-18937 (2010).</li>
<li>Shen, Y., Xi, N., Lai, K. W. C., Li, W. F. <a target="_blank" href="https://www.emeraldinsight.com/doi/abs/10.1108/02602280410545407">A novel PVDF microforce/force rate sensor for practical applications in micromanipulation.</a> Sensor Review. 24 (3), 274-283 (2004).</li>
<li>Wang, Y. R., Zheng, J. M., Ren, G. Y., Xu, C. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0964-1726/20/4/045009/meta">A flexible piezoelectric force sensor based on PVDF fabrics.</a> Smart Materials and Structures. 20 (4), 045009(2011).</li>
<li>Liu, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjasnaoe1968/2002/192/2002_192_591/_article/-char/ja">Application of PVDF film to stress measurement of structural member.</a> Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 2002 (192), 591-599 (2002).</li>
<li>Fujii, Y. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/14/10/301/meta">Proposal for a step response evaluation method for force transducers.</a> Measurement Science and Technology. 14 (10), 1741-1746 (2003).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+environmental+noise+suppression+for+micronewton+force+sensing+based+on+electrostatic+by+injecting+air+damping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping.</a> Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/26/5/055001">The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration.</a> Measurement Science and Technology. 26 (5), 055001(2015).</li>
<li>Sun, P., et al. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/journals/js/2017/1857920/">The Differential Method for Force Measurement Based on Electrostatic Force.</a> Journal of Sensors. 2017, 1857920(2017).</li>
<li>Song, L., et al. <a target="_blank" href="https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10739149.2016.1141784">Highly Sensitive, Precise, and Traceable Measurement of Force.</a> Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 386-400 (2016).</li>
<li>Kurata, M., Li, X., Fujita, K., Yamaguchi, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0964-1726/22/11/115002">Piezoelectric dynamic strain monitoring for detecting local seismic damage in steel buildings.</a> Smart Materials and Structures. 22 (11), 115002(2013).</li>
<li>Qasaimeh, M. A., Sokhanvar, S., Dargahi, J., Kahrizi, M. <a target="_blank" href="https://ieeexplore.ieee.org/document/4711092/">PVDF-based microfabricated tactile sensor for minimally invasive surgery.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 18 (1), 195-207 (2009).</li>
</ol>

Autor nie ma nic do zdradzienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Czujnik folii PVDF</td><td>TE Connectivity</td><td>DT1-028K/L</td><td>Czujnik folii PVDF służy do wykrywania dynamicznej siły nacisku.</td></tr><tr><td>Wzmacniacz ładowania</td><td>Wuxi Shiao Technology co., Ltd</td><td>YE5852B</td><td>Wzmacniacz ładowania&nbsp; to elektroniczny całkownik prądu, który wytwarza napięcie wyjściowe proporcjonalne do wartości zintegrowanej urządzenia do</td></tr><tr><td>akwizycji danych</td><td>wejściowych National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytu danych o napięciu.</td></tr><tr><td>Stopień wypornościowy</td><td>ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTD</td><td>KSAV1010-ZF</td><td>KSAV1010/2030-ZF to klinowy stopień pionowy o wysokiej rozdzielczości, wysokiej stabilności i dużym obciążeniu.</td></tr><tr><td>Kamera CCD</td><td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>mikroskop cyfrowy A1</td><td>Liczba klatek na sekundę: 30 klatek na sekundę; Odległość ogniskowa: 5mm - 30mm</td></tr><tr><td>Komputer</td><td>Lenovo</td><td>G480</td><td></td></tr><tr><td>Serwomotor</td><td>EMAX US Inc.</td><td>ES08MD</td><td>Nie jest źle to serwo o prędkości wahającej się od 0,10 sek/60&deg; / 4,8 V do 0,08 s/60 stopni; / 6,0 V.</td></tr><tr><td>Pipety mechaniczne</td><td>Dragon Laboratory Instruments Limited</td><td>YE5K693181</td><td>Pipety obejmują zakres objętości 0,1 i mu; od l do 2,5 i mu; l</td></tr></tbody></table>

pomiar siły dynamicznej działającej na nogę wodnego wędrowca skaczącą w górę przez czujnik folii pvdf

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

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.

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.
<p class="jove_co...

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.

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

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...

Ta wiadomość może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie biologii, robotyki i dynamiki płynów w zrozumieniu manipulacji pojedynczymi komórkami dotykowej, stancingu i pracy zwanej procesem lekcji "Mężczyźni z Rare Tech oferują tę technikę, polega na tym, że siła makrodynamiczna może być połączona z wysoką czułością, co może przyspieszyć cały proces interakcji. Najstarsza miara może zapewnić wgląd w siłę przylegania między wózkami wodnymi a powierzchnią wody. Może być również dostarczany do innych systemów, takich jak iniekcja DNA i terapia genowa.Integracja lub montaż systemu i korzystanie z oprogramowania ma kluczowe znaczenie, ponieważ trudno jest wyświetlić i przetworzyć sygnał napięcia lub czujnik folii PVDF w komputerze. Zmontuj system pomiaru siły dynamicznej zgodnie z tą schematyczną ilustracją pokazaną w protokole tekstowym. Przymocuj jedną stronę czujnika folii PVDF za pomocą elektrod do stopnia o wysokiej precyzji przemieszczenia, który jest umieszczony na ramie poziomej, pozostawiając drugą stronę wiszącą.Ta metoda instalacji czujnika folii PVDF pomaga poprawić rozdzielczość otoczenia dla dynamicznej siły makro. Podłącz czujnik folii PVDF do wzmacniacza ładowania, wzmacniacz ładowania do urządzenia do akwizycji danych, a urządzenie do akwizycji danych do komputera. Przymocuj kamerę do ramy.Dostosuj pozycję i ostrość aparatu, aby wyraźnie filmować wodę i nogi. Aby z grubsza wyregulować odległość między nogami rozbierzacza wody a wodą, przymocuj bardzo precyzyjny stolik przemieszczeniowy do ramy nad czujnikiem folii PVDF, którego odległość od czujnika folii PVDF wynosi około 10 centymetrów. Aby podnieść nogę odgarniacza wody od powierzchni wody z precyzyjną prędkością, zamocuj serwomotor poniżej stopnia o wysokiej precyzji.Przed rozpoczęciem kalibracji Systemu Pomiaru Siły Dynamicznej należy pobrać oprogramowanie do wglądu laboratoryjnego i sterownik sprzętowy z oficjalnej strony internetowej National Instruments. Użyj układu sił elektrostatycznych, aby wytworzyć mikrostałą siłę działającą na swobodny koniec czujnika folii PVDF, której wielkość powinna być mniejsza niż 0.5 mikroniutonów. Kontroluj siłę elektrostatyczną układu za pomocą napięcia przyłożonego do wewnętrznych i zewnętrznych elektrod równoległego kondensatora cylindrycznego.Siła powinna działać w kierunku określonym dla powierzchni folii PVDF, a punkt O powinien znajdować się jak najbliżej końcówki czujnika folii PVDF, aby zwiększyć czułość. Zwolnij siłę w krótkim czasie, aby wygenerować krok wejściowy. Odczyt sygnału napięcia czasowego w komputerze za pomocą oprogramowania LabView, które pomaga w odczycie wyjściowych sygnałów napięciowych czujnika folii PVDF.Otwórz demo ciągłego analogowego pomiaru napięcia. Wybierz kanał fizyczny urządzenia do akwizycji danych połączonego ze wzmacniaczem ładowania w module ustawień kanałów. Ustaw częstotliwość próbkowania na 100 000, a liczbę próbek na 100 000 w module ustawień czasu.Wybierz Log and Read'as Logging Mode (Tryb rejestrowania) i zapisz file ścieżka do przechowywania danych napięcia w module Logging Settings (Ustawienia rejestrowania). Wybierz także Brak wyzwalacza'w module Ustawienia wyzwalacza. Kliknij przycisk w kształcie strzałki na pasku narzędzi, aby pobrać próbkę sygnału napięcia.Przeanalizuj krzywą napięcia, w której napięcie szczytowe odpowiada sile działającej na czujnik. Powtórz te kroki przy różnych siłach wejściowych, w których uzyskuje się szereg punktów siły napięcia. Określ zależność między szczytową mocą wyjściową, napięciem i siłą standardową w wyniku kalibracji.Aby wykonać pomiar, najpierw umieść kroplę wody na wolnym końcu czujnika folii PVDF za pomocą mechanicznej mikropipety. Położenie kropli powinno znajdować się blisko końcówki czujnika folii PVDF. Teraz umieść pojedynczą nogę do serwomotoru poniżej bardzo precyzyjnego stopnia przemieszczenia.Przesuń bardzo precyzyjny stopień przemieszczenia w dół, aż noga zetknie się z powierzchnią wody. Monitoruj odległość między nogą a powierzchnią wody za pomocą systemu kamer zamontowanych po lewej stronie czujnika. Następnie podnieś nogę od powierzchni wody ze stałą prędkością przez serwomotor.Obliczyć siłę odpowiadającą każdemu punktowi krzywej napięcia procesu odchodzenia, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Aby zmierzyć siłę przylegania przy różnych prędkościach, zmień prędkość podnoszenia nóg za pomocą serwomotoru i zmierz siłę przyczepności jak poprzednio. Następnie wykreśl krzywą siły przyczepności w funkcji prędkości podnoszenia, korzystając z danych uzyskanych z podnoszenia nogi.Pokazano tutaj siłę przyczepności w czasie rzeczywistym mierzoną przez czujnik folii PVDF w eksperymencie odlatywania nóg z określoną prędkością. Wyniki eksperymentu z odejściem pokazują, że siła adhezji dramatycznie spada z 0,10 mikroniutonów do 0,03 mikroniutonów, przy wzroście prędkości podnoszenia z 0,0 metra na sekundę do 0,3 metra na sekundę. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o zmianie ślizgu tragara wodnego, aby uniknąć jego zmoczenia przez wodę, co pomaga poprawić dokładność tego eksperymentu.Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowe w tym środku, będą walczyć, ponieważ czujnik folii PVDF może być pod wpływem zakłóceń elektromagnetycznych i wibracji w środowisku. Bardzo ważne jest, aby siła przyczepności była mierzona przy innej prędkości poprzez podniesienie nogi z powierzchni wody. Ponieważ badanie koncentruje się na niezwykłych cechach szybszego manewrowania na wodzie.Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny biologii do zbadania siły przylegania tragarza wodnego odchodzącego od powierzchni wody w Systemie Pomiaru Siły Dynamicznej.

measurement-dynamic-force-acted-on-water-strider-leg-jumping-upward

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy metodę rejestracji aktywności motorycznej, zsynchronizowaną z elektrycznie rejestrowanym sygnałem kontaktu stopowego u uwięzionego owada chodzącego po śliskiej powierzchni. Metoda ta jest wykorzystywana do badania neuronalnych podstaw adaptacyjnego zachowania przy zredukowanym wpływie oddziaływań mechanicznych między odnóżami a podłożem.

Badanie neuronowych podstaw adaptacyjnego zachowania lokomocyjnego u owadów

Tutaj prezentujemy protokoły do określania progów wykrywania drgań i ostrości dotyku za pomocą metod psychofizycznych u człowieka.

Pomiar progu detekcji drgań i ostrości przestrzennej dotyku u ludzi

Tutaj prezentujemy nowatorski protokół do pomiaru stabilności pozycyjnej w kluczowych momentach podczas jazdy z pozycji siedzącej do stojącej i chodzącej, wykorzystując środek nacisku do odległości środka ciężkości całego ciała. Zostało to wyprowadzone z platformy siłowej i technologii trójwymiarowego przechwytywania ruchu. Paradygmat jest wiarygodny i może być wykorzystany do oceny osób z zaburzeniami neurologicznymi.

Siedzenie, stanie i chodzenie od 120% wysokości kolan: nowatorskie podejście do oceny dynamicznej kontroli postawy niezależnie od kończyny prowadzącej

W tym badaniu, biologiczny aktywator i samostabilizujący się, pływający biorobot z funkcjonalizowanymi elastomerowymi ramionami wspornikowymi są obsiewane kardiomiocytami, hodowane i charakteryzowane pod kątem ich biochemicznych i biomechanicznych właściwości w czasie.

Siłownik oparty na komórkach mięśnia sercowego i samostabilizujący się biorobot - część 2

Przedstawiamy protokół do przeprowadzania trzypunktowych testów zginania na włóknach w skali submilimetrowej za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia do testowania mechanicznego. Urządzenie może mierzyć siły w zakresie od 20 μN do 10 N, dzięki czemu może dostosować się do różnych rozmiarów włókien.

System do badania zginania w skali milimetrowej do pomiaru właściwości mechanicznych iglic z gąbek morskich

Protokół ma na celu zbadanie interakcji między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Obejmuje to kalibrację systemu pomiarowego i pomiar siły oddziaływania na podłożach superhydrofobowych o różnych frakcjach siatki.

Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Ten artykuł przedstawia eksperymentalne/analityczne ramy do badania kontroli postawy człowieka. Protokół zawiera procedury krok po kroku dotyczące przeprowadzania eksperymentów w pozycji stojącej, pomiaru kinematyki i kinetyki ciała oraz analizowania wyników w celu zapewnienia wglądu w mechanizmy leżące u podstaw kontroli postawy człowieka.

Eksperymentalne metody badania kontroli postawy człowieka

Protokół ten przedstawia konfigurację urządzenia do testów ściskania zdolnego do precyzyjnego pomiaru właściwości mechanicznych mikrostruktur w obszarze małych odkształceń, wraz z systematyczną metodą testów ściskania z użyciem tego urządzenia. Proponowane urządzenie może być wykorzystywane do analizy różnych mikrostruktur oraz zachowania mechanicznego materiałów na bazie polimerów.

Pomiar odpowiedzi na naprężenie ściskające-odkształcenie przy małych odkształceniach

Poziome i pionowe elektrohydrodynamiczne mostki cieczowe są prostymi i potężnymi narzędziami do badania interakcji pól elektrycznych o wysokim natężeniu i polarnych cieczy dielektrycznych. Przedstawiono budowę podstawowej aparatury oraz przykłady działania, w tym obrazy termograficzne, dla trzech cieczy (np. wody, DMSO i glicerolu).

Otrzymywanie mostków elektrohydrodynamicznych z polarnych cieczy dielektrycznych

Przedstawiono protokół kowalencyjnego łączenia dużej różnorodności pojedynczych cząsteczek na końcówce AFM. Podano procedury i przykłady określające siłę adhezji i energię swobodną tych cząsteczek na stałych nośnikach i biointerfejsach.

Badanie adhezji pojedynczych cząsteczek za pomocą spektroskopii sił atomowych

Odkryj pomiar siły przylegania u wodnych wędrowców za pomocą czujników folii PVDF. Ta metoda pozwala analizować dynamikę ruchu na powierzchni wody z zastosowaniami w biologii i robotyce.

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

Przeglądaj więcej filmów