Modelagem de deformação da barbatana macia usando imagens de fluorescência induzidas por laser planar

A capacidade de medir deformações de aletas robóticas macias não intrusivamente é importante porque podemos informar melhor o design e o controle da fin para veículos subaquáticos e validar modelos computacionais. Podemos reutilizar uma ferramenta existente dentro da dinâmica dos fluidos, chamada fluorescência induzida pelo laser do planer e expandi-la para sólidos, que poderia então ser usada para medições simultâneas de sólidos e fluidos. Este método é generalizável para sistemas e materiais robóticos macios.

Podemos usar essa técnica, não só para validar interações de estrutura de fluidos, mas também para estudar materiais flexíveis para sensores e aplicações médicas. Comece projetando e construindo um molde 3D impresso personalizado de brilho de forma de barbatana. Prepare uma configuração experimental montando um sistema de laser pulsado em um tanque de água de vidro retangular para gerar uma folha de luz do planer cruzando o tanque em seu plano médio a 30 Hertz.

Instale um dispositivo acoplado de carga de quatro megapixels, ou câmera CCD, com uma lente de 35 milímetros e um filtro de fluorescência de passagem longa de 516 nanômetros. Após a instalação, realize uma calibração do micrometro para conversão de pixels, tirando uma única imagem da câmera CCD com uma régua colocada no plano de folha laser. Em seguida, selecione duas posições na câmera e divida a distância em micrômetros separando pixels.

Certifique-se de que a relação micrômetro/pixel é pequena o suficiente ou na faixa de sub milímetros para a aplicação. Sincronizar os pulsos de laser e as imagens da câmera com a barbatana batendo usando saídas de gatilho do software de barbatana e sinais de um gerador de atraso e software associado. Certifique-se de que toda a segurança do laser é de acordo com as diretrizes institucionais.

Para definir o sistema laser, ligue o sistema laser com a tecla de alimentação que executa o refrigerador para resfriar as cabeças laser. As luzes de falha piscam até que o sistema esteja pronto para alimentar os lasers. Defina a fonte do gatilho para a lâmpada externa, o interruptor Q externo.

Para ambas as cabeças laser, defina a energia laser para 60 a 80% da potência total e pressione cada botão de interruptor Q. Em seguida, ligue os lasers pressionando o botão de alimentação. Em seguida, conecte os cabos de alimentação à câmera e garanta conexões adequadas ao computador antes de abrir o software de configuração da câmera e selecionar a porta adequada.

Depois de ligar o gerador de atraso, conecte o canal externo do portão ao gatilho da barbatana, canal E à câmera e canalize A a D ao laser. Em seguida, abra o software do gerador de atraso para selecionar o modo de pulso para estourar e a resolução do sistema para quatro nanossegundos. Defina o período em segundos.

Ajuste o modo de gatilho/portão externo para acionado, limiar para 0,20 volts e a borda do gatilho como subindo. Além disso, defina canais conforme descrito no script. Alinhe a barbatana, para que a folha de laser passe por uma seção sábia do cabo da barbatana em uma posição sábia e, em seguida, fixe a plataforma de barbatana com o hardware de montagem.

Conecte a energia ao hardware de controle de barbatana e aos motores de barbatana para começar a bater com a cinemática selecionada e desligue todas as luzes ambientes. No software do gerador de atraso, pressione executar para iniciar os experimentos sincronizados e adquirir imagens da intersecção da folha de laser com a barbatana durante todo o ciclo de traçado. Observe a barbatana batendo no tanque com a folha de laser acesa e luzes ambientais apagadas.

Quando terminar, pressione pare antes de desconectar a barbatana da fonte de energia. Mova a plataforma da barbatana, para que a folha de laser cruze em uma nova posição sábia de extensão. Substitua a barbatana por membranas de barbatanas adicionais desejadas e realize experimentos como demonstrado antes para adquirir as imagens para o número desejado de medições.

Analise a imagem extraindo todos os objetos brancos representando seções transversais de barbatanas da área BW, imagem binária filt dot M e exibindo a imagem com o ponto M.Em seguida, crie um traço do limite de imagem binária para cada imagem obter uma forma 2D, selecionando todos os pixels de barbatana que tocam os pixels de fundo preto. Compare as formas de barbatana resultantes com a interação da estrutura de fluidos 3D, ou modelos FSI, gerados a partir das linhas centrais, para mostrar como o processo pode ser usado como validação de alta fidelidade. A cinemática da barbatana programada rendeu uma amplitude de curso de 43 graus e uma amplitude de tom de 17 graus.

A imagem ilustra as comparações em duas posições no curso. Um no meio da inatividade e outro no meio da descida. Além disso, as comparações foram feitas entre as deformações de forma do PDMS 10 para um, e PDMS 20 a uma barbatana.

As formas de barbatana 3D foram reconstruídas a partir da fluorescência induzida pelo laser do planer, FSI, e casos rígidos no upstroke médio, demonstrando a capacidade da técnica atual para fornecer validação de alta fidelidade para as simulações do FSI. No experimento, a seção transversal da barbatana não era visível em todas as etapas devido ao spar rígido opaco. A imagem mostra o resultado onde a barbatana não era visível.

A coisa mais importante a se lembrar é testar a sincronização dos componentes antes de executar experimentos completos. Uma vez definido o tempo, realize um teste executado primeiro.