O presente protocolo envolve a medição e caracterização da deformação de forma 3D em aletas subaquáticas construídas com materiais de polidimetilsiloxano (PDMS). A reconstrução precisa dessas deformações é essencial para entender o desempenho propulsivo das aletas de flapping compatíveis.
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Artigo de método
Modelagem de deformação da barbatana macia usando imagens de fluorescência induzidas por laser planar
* These authors contributed equally
Neste artigo
Resumo
Resumo
Mecanismos propulsivos inspirados nas barbatanas de várias espécies de peixes têm sido cada vez mais pesquisados, dado seu potencial para melhorar as manobras e capacidades furtivas em sistemas de veículos não tripulados. Materiais macios utilizados nas membranas desses mecanismos de barbatana têm se mostrado eficazes no aumento do impulso e eficiência em comparação com estruturas mais rígidas, mas é essencial medir e modelar as deformações nessas membranas macias com precisão. Este estudo apresenta um fluxo de trabalho para caracterizar a deformação de forma dependente do tempo de aletas de flapping subaquáticas flexíveis usando fluorescência induzida por laser planar (PLIF). As membranas de barbatana de polidimetilaxano pigmentada com rigidezs variadas (0,38 MPa e 0,82 MPa) são fabricadas e montadas em um conjunto para atuação em dois graus de liberdade: arremesso e rolo. As imagens PLIF são adquiridas em uma variedade de planos spanwise, processados para obter perfis de deformação de barbatanas e combinados para reconstruir formas de barbatanas deformadas 3D que variam o tempo. Os dados são então usados para fornecer validação de alta fidelidade para simulações de interação de estrutura de fluidos e melhorar a compreensão do desempenho desses sistemas complexos de propulsão.
Introdução
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
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Protocolo
1. Fabricação de barbatanas
- Construa um molde de barbatana baseado no design de forma desejado.
- Projete e construa um molde personalizado com acabamento em brilho 3D de forma de barbatana (Figura 1). Consulte os arquivos STL para fabricar o molde em Arquivos de Codificação Suplementar 1-4.
- Insira elementos estruturais no molde, como um spar de borda de ponta de plástico rígido impresso em 3D. Consulte o arquivo STL do spar in Supplementary Coding File 2.
- Misture PDMS (ver Tabela de Materiais) na razão de peça desejada.
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Resultados
Uma barbatana peitoral artificial inspirada em peixe trapezoidal foi lançada em dois materiais diferentes (PDMS 10:1 e 20:1, ambos misturados com corante fluorescente) de um molde, cada um com uma rígida spar de borda de ponta inserida no acorde do quarto principal (Figura 2 e Figura 3). O teste de tração dos dois materiais de barbatana (Figura 3) rendeu moduli elástico de 0,38 MPa e 0,82 MPa para as aletas PDMS 20:1 e PDMS 10:1, re.......
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Discussão
A fluorescência induzida por laser planar é tipicamente usada para visualizar fluxos aquosos semeando o fluido com corante, que fluoresce quando exposto a uma folha de laser25,26. No entanto, o uso do PLIF para visualizar deformações em materiais compatíveis não foi relatado anteriormente, e este estudo descreve uma abordagem para a obtenção de medições de histórico temporal de deformação de forma de alta resolução em aletas sólidas flexíveis usando PLIF. Compara.......
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Esta pesquisa foi apoiada pelo Office of Naval Research através de um programa de base do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) 6.2 e realizada enquanto Kaushik Sampath era funcionário da Divisão de Acústica da NRL e Nicole Xu realizou um prêmio de Associação de Pesquisa NRC nos Laboratórios de Física Computacional e Dinâmica de Fluidos da NRL. Os autores gostariam de reconhecer o Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) para suporte técnico e orientação.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Controlador ADMET | ADMET MTESTQuattro | ||
| Axon II | Society of Robots | Microcontrolador para o hardware da aleta | |
| Berkeley Nucleonics Delay | Generator Berkeley Nucleonics Corp | Modelo 525 | BNC gerador de atraso e software |
| BobCat Cam Config | Imperx | Configurações da câmera software | |
| CCD câmera Imperx | B2340 | 4 Megapixel | |
| COMSOL COMSOL | Inc | Software de dinâmica estrutural comercial para modelagem de interação fluido-estrutura | |
| D646WP Servo | Hitec | 36646S | 32-Bit, Digital, High Torque, Servo à prova d'água para a rotação do passo da aleta |
| D840WP Servo | Hitec | 36840S | 32-Bit, Multi Propósito, À Prova d'água, Servo de Engrenagem de Aço para a rotação |
| do curso da aletaPigmento fluorescente rosa elétrico | Silc Pig | PMS812C | |
| EverGreen (sistema de laser Nd:YAG de pulso duplo de 532 nm) | Quantel | EVG00070 | Cabeça do laser e fonte de alimentação, |
| transdutor de força | ADMET | SM-10-961 | Célula de carga de 10 lbf |
| FrameLink Express | Imperx | Software de captura de câmera | |
| Filtro de fluorescência Longpass | Edmund Optics | 560 nm | |
| MATLAB | MathWorks | Software para análise de imagem | |
| Misturador centrífugo planetário | THINKY MIXER | AR-100 | |
| Compostos de borracha de silicone | Momentive | RTV615 | Clear PDMS |
| Stratasys J750 | Impressora 3D | Stratasys | |
| Máquina de teste universal | ADMET | eXpert 2611 | Modelo de mesa |
| VeroBlack | Stratasys | Material da impressora 3D para construir os moldes | |
| VeroGray | Stratasys | para construir os moldes |
Referências
- 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).
- Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. Pi....
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Reimpressões e permissões
