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Na natureza, muitas espécies de peixes evoluíram para usar uma variedade de movimentos corporais e barbatanas para alcançar a locomoção. Pesquisas para identificar os princípios da locomoção de peixes ajudaram a impulsionar o projeto de sistemas de propulsão bioinspirados, já que biólogos e engenheiros trabalharam juntos para desenvolver mecanismos capazes de propulsão e controle de próxima geração para veículos submarinos. Vários grupos de pesquisa estudaram configurações de barbatanas, formas, materiais, parâmetros de avc e técnicas de controle de curvaturasuperficial 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . A importância de caracterizar a geração de vórtices de ponta e a inclinação da esteira para entender a geração de impulsos em sistemas de single e multi-fin tem sido documentada em inúmeros estudos, tanto computacionais quanto experimentais 13,14,15,16,17,18. Para os mecanismos de barbatana feitos de materiais compatíveis, mostrados em vários estudos para reduzir a inclinação da vigília e aumentar o impulso17, também é essencial capturar e modelar com precisão seu histórico de tempo de deformação para emparelhar com a análise da estrutura de fluxo. Esses resultados podem então ser usados para validar modelos computacionais, informar o design e o controle da barbatana e facilitar áreas de pesquisa ativas em carregamento hidrodinâmico instável em materiais flexíveis, que precisam de validação19. Estudos têm usado rastreamento direto de forma baseado em imagem em aletas de tubarão e outros objetos complexos 20,21,22, mas a complexa forma de barbatana 3D frequentemente bloqueia o acesso óptico, dificultando a medida. Assim, há uma necessidade premente de um método simples e eficaz para visualizar o movimento flexível da barbatana.
Um material amplamente utilizado em mecanismos de barbatana compatíveis é o polidimetilsiloxano (PDMS) devido ao seu baixo custo, facilidade de uso, capacidade de variar rigidez e compatibilidade com aplicações subaquáticas23, como descrito extensivamente em uma revisão por Majidi et al.24. Além desses benefícios, o PDMS também é opticamente transparente, o que é propício para medições usando uma técnica de diagnóstico óptico, como fluorescência induzida por laser planar (PLIF). Tradicionalmente dentro da mecânica experimental de fluidos25, o PLIF tem sido usado para visualizar fluxos de fluidos semeando o fluido com partículas corantes ou suspensas ou aproveitando as transições quânticas de espécies já no fluxo que fluoresce quando exposto a uma folha de laser 26,27,28,29. Esta técnica bem estabelecida tem sido utilizada para estudar a dinâmica fundamental dos fluidos, a combustão e a dinâmica oceânica 26,30,31,32,33.
No presente estudo, o PLIF é usado para obter medidas espificadamente resolvidas de deformação de forma em aletas robóticas inspiradas em peixes flexíveis. Em vez de semear o fluido com corante, a cinemática subaquática de uma barbatana PDMS é visualizada em várias seções transversais de acordes. Embora a imagem a laser planar possa ser realizada em PDMS fundido regularmente sem fluorescência adicional, modificar PDMS para melhorar a fluorescência pode melhorar a relação sinal-ruído (SNR) das imagens, reduzindo os efeitos de elementos de fundo, como o hardware de montagem da barbatana. PDMS pode ser feito fluorescente empregando dois métodos, seja por semeadura de partículas fluorescentes ou pigmentação. Foi relatado que, por uma determinada razão de peça, o primeiro altera a rigidez do elenco resultante PDMS34. Portanto, um pigmento nãotóxico e comercialmente disponível foi misturado com PDMS transparente para lançar aletas fluorescentes para os experimentos PLIF.
Para fornecer um exemplo de utilização dessas medidas de cinética de barbatanas para validação de modelos computacionais, a cinemática experimental é então comparada com valores dos modelos de interação fluido-estrutura acoplado (FSI) da barbatana. Os modelos FSI utilizados nos cálculos são baseados nos primeiros sete eigenmodes computados usando as propriedades de material medido para as barbatanas. Comparações bem-sucedidas validam modelos de barbatanas e fornecem confiança no uso dos resultados computacionais para design e controle de barbatanas. Além disso, os resultados do PLIF demonstram que esse método pode ser usado para validar outros modelos numéricos em estudos futuros. Informações adicionais sobre esses modelos FSI podem ser encontradas em trabalhos anteriores35,36 e em textos fundamentais de métodos de dinâmica computacional de fluidos37,38. Estudos futuros também podem permitir medições simultâneas de deformações sólidas e fluxos de fluidos para estudos experimentais aprimorados do FSI em aletas robóticas, robôs macios bioinspirados e outras aplicações. Além disso, como pdms e outros elastômeros compatíveis são amplamente utilizados em vários campos, incluindo sensores e dispositivos médicos, visualizar deformações em sólidos flexíveis usando essa técnica pode beneficiar uma comunidade maior de pesquisadores em engenharia, física, biologia e medicina.