Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Измерение динамических силы действовали на ноге водного долгонога прыгает вверх, PVDF фильм датчик

5.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58221

⸱

3 августа 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

В этой статье

Краткое содержание

Здесь протокол посвящен расследования свободного и быстрого маневрирования водного долгонога на поверхности воды. Протокол включает в себя наблюдения микроструктуры ноги и измерения силы сцепления при вылете из поверхности воды на разных скоростях.

Аннотация

Это исследование с целью сделать объяснение этого явления в природе что водного долгонога обычно прыгает или скользит по поверхности воды, легко, но быстро, с его пик локомоции скорость до 150 см/сек. Во-первых мы наблюдали микроструктуры и иерархии водного долгонога ног с помощью сканирующего электронного микроскопа. На основе наблюдаемых морфология ноги была создана теоретическая модель отрешенности от поверхности воды, который объяснил способность воды Страйдеры скользить по поверхности воды без особых усилий с точки зрения уменьшения энергии. Во-вторых система измерения динамической силы была разработана с помощью датчика PVDF фильм с превосходную чувствительность, которая может обнаружить процесс весь взаимодействия. Впоследствии одной ноги при соприкосновении с водой была вытягивана вверх на разных скоростях, и сила сцепления была измерена в то же время. Результаты эксперимента вылетающих предложил глубокое понимание быстро прыгать Страйдеры воды.

Введение

В природе вода Страйдеры обладают замечательной способности прыгать или скользить легко и быстро на поверхности воды с помощью ноги стройные и nonwetting1,2,3,4,5, но редко двигаться медленно, что является в отличие от земных насекомых. Иерархическая структура водного долгонога стабилизирует superhydrophobic государства, которое оказывает резкое сокращение в контактной области и адгезии силы между водой и нога6,,78, 9. Однако, гидродинамические преимущества быстрого разъединения Страйдеры воды от поверхности воды остаются плохо интерпретировать10,,1112.

Процесс прыгает от поверхности воды главным образом разделить на три этапа13,14,,1516. Во-первых вода Страйдеры подтолкнуть поверхности воды вниз с средней и задней ноги, чтобы преобразовать биологической энергии в энергию поверхности воды до погружения на максимальную глубину, позволяющие насекомых для инициализации прыжки направление и определить Отсоединение скорость. После стадии восходящей, насекомое выталкивается вверх капиллярные силы изогнутые водной поверхности до достижения максимальной скорости. В стадии окончательного разъединения водного долгонога продолжает расти по инерции до оторваться от поверхности воды, но скорость значительной степени снижается из-за силы сцепления с водой, который имеет основной влияние на потребление энергии водного долгонога. Следовательно этот протокол предлагается измерить силу сцепления при различных скоростях взлета в стадии разъединения и объяснить различные характеристики быстро движущихся.

Там было много исследований для изучения силу адгезии Страйдеры воды при метательным от поверхности воды. Ли и Ким теоретически и экспериментально подтвердили, что силы адгезии и энергии требуют что подъема ноги водного долгонога резко сократились, когда угол контакта увеличено до 160 градусов17. Jen Пан Вэй разработан гидростатического эксперимент для измерения силы сцепления по системе TriboScope, которая оказалась 1/5 его вес 18. Kehchih Хван анализ квазистатического процесс ног отсоединение от воды с 2D модели и обнаружил, что superhydrophobicity ноги играют существенную роль в снижении адгезии сил и энергии диссипации19. Однако измерение силы сцепления в предыдущих исследованиях был только в состоянии квазистатического процесса, который не смог контролировать изменения силы сцепления во время быстро прыгать.

В этом исследовании мы разработали систему измерения динамичной силой, с помощью винилидена фторида (PVDF) фильм датчик и другой инструмент адъюванта. По сравнению с другими материалами, ПВДФ является более подходящим для измерения динамического microforce с выше чувствительность20,,21-22. Путем интеграции PVDF фильм датчик в системе, силы сцепления в реальном времени можно было обнаружено и обрабатываются, когда нога была потянув вверх от воды поверхности23,24,25.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Наблюдение поверхности структуры на ноге водного долгонога

  1. Сбор воды Страйдеры от местных пресноводных прудов с помощью рыбалка рыболовный сачок.
  2. Отрежьте по крайней мере 5 пар средней ноги как экспериментальных образцов, используя ножницы. Touch в нижней части ноги тщательно, чтобы предотвратить загрязнения поверхности и нарушая микроструктуры передней ноги.
  3. Сухие ноги в воздухе естественно.
  4. Соблюдайте микроструктуры поверхности ног с помощью сканирующего электронного микроскопа с резолюцией микро уровне, как показано на рисунке 1.
  5. Наблюдать за microsetae ноги, используя сканирующий микроскоп электрические с нано уровне резолюции, как показано нарисунке 1b.

2. Подготовьте компонент системы измерения динамической силы

  1. Приобрести PVDF фильм датчик с измерением 14,9 X 10.2 мм2 X 28 мкм, которая производит более чем 10 мВ на микро штамм.
    Примечание: PVDF фильм датчик используется для динамического контактное усилие с высокой чувствительностью.
  2. Покупка усилитель заряда с максимум 1000 мВ/pC бесплатно получить и низкий шум меньше чем 5 мкВ.
    Примечание: Усилитель заряда используется для увеличения сигнала от датчика PVDF фильм, в котором заряд выход из датчика преобразуется в напряжение.
  3. Приобретения устройства сбора данных, в которой аналоговый вход имеет дискретизации в диапазоне от 1/л 102.4 kS/сек.
    Примечание: Устройство сбора данных используется для чтения данных напряжения заряда усилителя и отправить их в компьютер для дальнейшей обработки и отображения.
  4. Приобрести несколько этапов высокого точного перемещения и сервомотором.
    Примечание: Ножки отходят от воды разной скоростью, движимый сервомотором.
  5. Покупка ПЗС-камеры, длина которого фокус находится в диапазоне от 5 мм до 30 мм и частота кадров-30 fps.
    Примечание: Эта камера используется для записи и мониторинга деформации поверхности воды и расстояние между ног и поверхность воды.
  6. Подготовьте компьютер высокой производительности.

3. Ассамблея всех частей динамическая система измерения силы

  1. Соберите систему измерения динамической силы согласно схематическое изображение показано на рисунке 2 и реальный эксперимент показано на рисунке 2b.
  2. Исправьте одну сторону PVDF фильм датчика с электродами до стадии высокой точного перемещения, который помещается на горизонтальный кадр, как висит другой стороне. Этот метод установки датчика PVDF фильм помогает улучшить разрешение измерения для динамичной силой микро.
  3. Подключите датчик фильм PVDF заряд усилитель, усилитель заряда устройства сбора данных и данных приобретение устройства к компьютеру.
  4. Исправьте камеру к стадии высокой точного перемещения, который находится на левой стороне PVDF фильм датчика.
  5. Примерно быстро настроить расстояние между ног и воды, исправить стадии высокой точное перемещение к рамке выше датчика фильм PVDF, которых разделение от датчика фильм PVDF составляет около 10 см.
  6. Чтобы поднять ногу от поверхности воды с точной скоростью, исправьте серводвигателя ниже стадии высокой точное перемещение.

4. Калибровка системы измерения динамической силы

  1. Используйте системы электростатические силы26 для создания микро постоянн силы действовали на свободный конец PVDF фильм датчика, величина которого должна быть менее 0,5 µN. контролировать электростатических сил системы, напряжения на внутренние и внешние электроды параллельно цилиндрического конденсатора.
    Предупреждение: Силы должны действовать в направлении нормали к поверхности пленки PVDF и точки приложения должен быть как можно ближе к кончику PVDF фильм датчика для увеличения чувствительности.
  2. Освободите силу в короткое время создать шаг ввода.
  3. Читайте сигнала напряжения во время шага 4.2 в компьютер с помощью программного обеспечения LabVIEW, который помогает читать выходные сигналы напряжения датчика фильм PVDF.
    1. Скачайте LabVIEW программное обеспечение и Драйвер аппаратуры NI-DAQmx в официальный веб-сайт национальных инструментов.
    2. Откройте демо непрерывного аналогового напряжения измерения с помощью LabVIEW, как показано на рисунке 3.
    3. Выберите физический канал устройства приобретение данных, связанных с Усилитель заряда в модуле Настройки канала.
    4. Задайте частоту дискретизации до 100000 и количество образцов до 100000 в модуле Синхронизациипараметров.
    5. Выберите Журнал и чтения как режим входа и записи пути к файлу для хранения данных напряжения в модуле Параметры журнала.
    6. Выберите не триггер в модуле Триггеровпараметров.
    7. Нажмите кнопку со стрелкой фигуру на панели инструментов Образец сигнал напряжения.
  4. Анализ кривой напряжения, в котором пиковое напряжение соответствует силы действовали на датчик.
  5. Повторите шаги 4.1-4.4 в различных сил ввода, в котором получила ряд точек напряжения сил.
  6. Определите связь о пик выходного напряжения и стандартные силы в результате калибровки.

5. Измерение силы адгезии на определенной скорости

  1. Место падения воды (5 мкл) на свободный конец PVDF фильм датчика с помощью механических микропипеткой.
    Примечание: Расположение капли должны быть недалеко от кончика датчика фильм PVDF.
  2. Придерживайтесь одной ноги для серводвигателя ниже стадии высокой точное перемещение.
  3. Переместите на стадии высокой точное перемещение вниз до ног контакты с поверхности воды, как показано на рисунке 4. Монитор расстояние между ног и воды поверхности камеры системы, установленный на левой стороне датчика.
  4. Поднимите ногу от поверхности воды с постоянной скоростью через сервомотором.
  5. Вычислить силу, соответствующее каждой точке кривой напряжения вылетающих процесса с использованием модели созданы на шаге 4.6, а затем обратить кривой силы время отхода процесса, как показано на рисунке 4b.
  6. Запись пик адгезии процесс отхода на определенной скорости.

6. Измерение силы адгезии на разных скоростях.

  1. Изменить скорость подъема ноги с сервомотором и измерить силу адгезии согласно шаг 5.
  2. Участок адгезии силы против отмены кривой скорости, используя данные, полученные на шаге 6.1.
  3. Проанализируйте взаимосвязь между силой сцепления и скорость подъема через кривой.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Соотношение между подъемная сила, скорость и адгезии, показано в таблице 1. Когда скорость подъема увеличивается от 0.01 м/с-0,3 м/с, силу адгезии между воды поверхности и ноги снижается резко от 0.10 до 0,03. Результаты уходящего эксперимента показали, что сила сцепления пик сократится резко, как подъемные увеличение скорости, который указал, что вода Страйдеры могут чувствовать себя комфортно, если они быстро перейти на поверхности воды.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В настоящем Протоколе динамичной силой измерения системы, основанной на датчик фильм PVDF была успешно разработана, собрал, откалиброван для измерения силы сцепления от поверхности воды. Среди всей шаги, важно, что сила сцепления была измерена на разных скоростях, подняв ноги от поверхности воды как данное исследование сосредоточено на замечательной особенностью быстрого маневрирования на воде. Результаты вылетающие эксперимента показали, что силы сцепления снизилась, когда увеличилась скорость подъема. Эти пояснил, что ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Автор не имеет ничего, чтобы раскрыть.

Благодарности

Авторы благодарят национальных ключевых технологий программа исследований и разработок министерства науки и технологии Китая (№ 2011BAK15B06) за их поддержку. Спасибо Шуя Чжуан, который является студентом мастер от нашей лаборатории для помогая нам завершить снимать видео.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Пленочный датчик PVDFTE ConnectivityDT1-028K/LПленочный датчик PVDF используется для определения динамической силы контакта.
Усилитель зарядаWuxi Shiao Technology co., LtdYE5852BУсилитель заряда  является электронным интегратором тока, который выдает выходное напряжение, пропорциональное интегральному значению входного
устройства сбора данныхNational InstrumentsUSB-4431Устройство сбора данных используется для считывания данных о напряжении.
Водоизмещающий каскадZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF представляет собой клиновидный вертикальный столик с высоким разрешением, высокой стабильностью и высокой нагрузкой.
ПЗС-камераShenzhen Andonstar Tech Co., Ltdцифровой микроскоп A1Частота кадров: 30 кадров/сек; Фокусное расстояние: 5 мм - 30 мм
КомпьютерLenovoG480
ServomotorEMAX US Inc.ES08MDЭто неплохой сервопривод со скоростью варьирующейся от 0,10 сек/60° / 4.8v до 0.08 сек/60°de;/6.0v.
Механические пипеткиDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181Пипетки охватывают диапазон объема 0,1 мкм; l до 2,5 μ л

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

LabView
Измерение динамических силы действовали на ноге водного долгонога прыгает вверх, PVDF фильм датчик
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.