Моделирование деформации мягких плавников с использованием планарной лазерно-индуцированной флуоресцентной визуализации

Способность измерять деформации мягких роботизированных плавников ненавязчиво важна, потому что мы можем лучше информировать о конструкции и управлении плавниками для подводных аппаратов и проверять вычислительные модели. Мы можем перепрофилировать существующий инструмент в гидродинамике, называемый флуоресценцией, индуцированной лазером строгального лазера, и расширить его для твердых тел, которые затем могут быть использованы для одновременных измерений твердых тел и жидкостей. Этот метод можно обобщить на мягкие роботизированные системы и материалы.

Мы можем использовать эту технику не только для проверки взаимодействий структуры жидкости, но и для изучения гибких материалов для датчиков и медицинских применений. Начните с проектирования и создания пользовательской 3D-печатной глянцевой готовой формы плавника. Подготовьте экспериментальную установку, установив импульсную лазерную систему на прямоугольный стеклянный резервуар для воды, чтобы создать световой лист строгального станка, пересекающий резервуар на его промежуточной плоскости при 30 Гц.

Установите четырехмегапиксельное устройство с зарядовой связью или ПЗС-камеру с 35-миллиметровым объективом и длиннопроходным флуоресцентным фильтром 516 нанометров. После установки выполните калибровку преобразования микрометра в пиксель, взяв одно изображение с ПЗС-камеры с линейкой, помещенной в плоскость лазерного листа. Затем выберите два положения на камере и разделите расстояние в микрометрах, разделив пиксели.

Убедитесь, что отношение микрометра к пикселю достаточно мало или находится в субмиллиметровом диапазоне для применения. Синхронизируйте лазерные импульсы и изображения камеры с взмахивающим плавником, используя триггерные выходы от программного обеспечения плавника и сигналы от генератора задержки и связанного с ним программного обеспечения. Убедитесь, что вся лазерная безопасность соответствует институциональным руководящим принципам.

Чтобы установить лазерную систему, включите лазерную систему с помощью клавиши питания, которая запускает чиллер для охлаждения лазерных головок. Индикаторы неисправностей мигают до тех пор, пока система не будет готова к питанию лазеров. Установите источник триггера на внешнюю лампу, внешний Q-переключатель.

Для обеих лазерных головок установите энергию лазера на 60-80% от полной мощности и нажмите каждую кнопку переключателя Q. Затем включите лазеры, нажав кнопку питания. Затем подключите кабели питания к камере и убедитесь в правильном подключении к компьютеру, прежде чем открывать программное обеспечение для настройки камеры и выбирать правильный порт.

После включения генератора задержки подключите канал внешнего затвора к триггеру плавника, канал E к камере и каналы от A до D к лазеру. Затем откройте программное обеспечение генератора задержки, чтобы выбрать режим импульса для разрыва и системное разрешение до четырех наносекунд. Установите период в секундах.

Отрегулируйте режим внешнего триггера/затвора на триггер, порог до 0,20 В и край триггера по мере роста. Кроме того, задайте каналы, как описано в сценарии. Выровняйте ребро, чтобы лазерный лист прошел через один шнуровой участок плавника в положении пролета, а затем закрепите платформу ребра монтажным оборудованием.

Подключите питание к оборудованию управления плавниками и ребристым двигателям, чтобы начать взмахи плавниками с выбранной кинематикой, и выключите все окружающие огни. В программном обеспечении генератора задержки нажмите run, чтобы начать синхронизированные эксперименты и получить изображения пересечения лазерного листа с плавником на протяжении всего цикла хода. Понаблюдайте за взмахом плавника в резервуаре с включенным лазерным листом и выключенным окружающим освещением.

По завершении нажмите кнопку «Стоп», прежде чем отсоединить ребро от источника питания. Переместите платформу плавника, чтобы лазерный лист пересекался в новом положении пролета. Замените плавник дополнительными желаемыми плавниковыми мембранами и выполните эксперименты, как было продемонстрировано ранее, чтобы получить изображения для желаемого количества измерений.

Проанализируйте изображение, извлекая все белые объекты, представляющие поперечные сечения плавников из области BW, двоичного изображения filt dot M и отображая изображение с точкой M show M. Затем создайте след границы двоичного изображения для каждого изображения, чтобы получить 2D-форму, выбрав все пиксели плавника, которые касаются черных пикселов фона. Сравните полученные формы плавников с 3D-взаимодействием структуры жидкости или моделями FSI, созданными из центральных линий, чтобы продемонстрировать, как процесс может быть использован в качестве проверки высокой точности. Запрограммированная кинематика плавника дала амплитуду хода 43 градуса и амплитуду шага 17 градусов.

Изображение иллюстрирует сравнения в двух позициях обводки. Один в середине восходящего и один в середине нисходящего. Кроме того, были проведены сравнения между деформациями формы PDMS 10 к единице и PDMS 20 к одному плавнику.

Формы 3D-плавников были реконструированы из лазерно-индуцированной флуоресценции строгального станка, FSI и жестких корпусов в середине восходящего хода, демонстрируя способность настоящего метода обеспечить высокую точность валидации для моделирования FSI. В эксперименте поперечное сечение плавника было видно не на каждом шагу из-за непрозрачного жесткого лонжерона. На изображении показан результат, когда плавник не был виден.

Самое главное, что нужно помнить, это проверить синхронизацию компонентов перед запуском полных экспериментов. После установки времени сначала выполните тестовый запуск.