Summary
여기에 프로토콜 자유 조사 하 고 빠른 공작 물 표면에 물 스 트라이 더의 전용입니다. 프로토콜에는 다리의 미세 관찰 하 고 다른 속도로 수 면에서 출발 하는 경우 접착 힘 측정 포함 됩니다.
Abstract
이 연구 목적을 현상에 대 한 설명 자연에서 그 물 스 트라이 더 일반적으로 점프 또는 쉽게 하지만 빠르게 물 표면에 glides, 자사의 최대 운동 속도 도달 150 c m/s. 우선, 우리는 미세 및 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 물 스 트라이 더 다리의 계층 구조 관찰. 다리의 관찰 된 형태학에 근거 하 여 물 표면에서 초연의 이론적 모델을 힘들이 지 않고 에너지 절감 측면에서 물 표면에 슬라이드 물 소금의 기능 설명 설립 되었다. 둘째, 동적 힘 측정 시스템 전체 상호 작용 프로세스를 검출할 수 있는 우수한 감도와 PVDF 필름 센서를 사용 하 여 고안 되었다. 그 후, 물과 접촉 한 다리는 위쪽으로 다른 속도로 접착 힘을 동시에 측정 되었다. 출발 실험 결과 물 소금의 빠른 점프에 대 한 깊은 이해를 제안 했다.
Introduction
자연 속에서 물 소금 점프 하거나 다리를 슬림 하 고 nonwetting1,2,3,,45의 도움으로 물 표면에 쉽고 빠르게 미끄러지듯이 놀라운 능력을 보유 하지만 드물게 지상파 곤충 달리는 천천히 이동 합니다. 물 스 트라이 더의 계층 구조 물과 다리6,,78, 사이 접촉 지역 및 접착 힘에 있는 극적인 감소를 렌더링 superhydrophobic 상태 안정화 그러나 9. 물 표면에서 물 소금의 빠른 해방의 유체역학 장점을 제대로 해석된10,,1112를 유지 하는.
물 표면에서 점프의 과정은 주로 3 단계13,14,,1516으로 분할 된다. 처음에 물 소금 곤충 초기화 점프 방향을 결정 하는 최대 깊이에 침 몰까지 생물 에너지 물의 표면 에너지로 변환 하 중간과 뒷 다리와 수 면 아래로 밀어 파견 속도입니다. 오름차순 단계 이어서, 곤충은 밀어 위쪽으로 곡선된 수 면의 모 세관 힘에 의해 최대 속도 도달까지. 최종 해방 단계에서 물 스 트라이 더 물 표면에서 속보까지 관성에 의해 상승 계속 하지만 속도 크게 접착 힘으로 감소, 물과 함께 있다는의 에너지 소비에 영향을 주는 물 스 트라이 더. 따라서,이 프로토콜은 해방 단계에서 다른 이륙 속도에 접착 힘을 측정 하 여 빠른 이동의 고유 특성을 설명 제안.
물 표면에서 추진 하는 때 물 소금의 접착 힘을 탐구 하는 많은 연구가 계속 있다. 리 & 김 이론적으로 그리고 실험적으로 접착 힘 및 에너지 접촉 각도 160도17에 증가 하는 때 극적으로 감소 물 스 트라이 더의 다리를 드는 필요한 확인. 팬 젠 웨이 18그것의 무게 1/5를 발견 되었다 TriboScope 시스템에 의해 접착 힘을 측정 하는 수압 실험 설계 되었습니다. Kehchih 황 다리 2D 모델 물에서 분리 하 고 다리의 superhydrophobicity 접착 힘 및 에너지 소산19감소에 중요 한 역할을 했다 발견의 준 정적 과정 분석. 그러나, 이전 연구에서 접착 력의 측정 빠른 점프 하는 동안 접착 힘 변화를 모니터링 하지 못했습니다 준 정적 과정의 상태에 그냥 했다.
이 연구에서 우리는 polyvinylidene 불 소 (PVDF) 필름 센서 및 다른 보조 장비를 사용 하 여 동적 힘 측정 시스템 설계. 다른 압 전 재료와 비교해, PVDF는 더 높은 감도20,,2122동적 microforce 측정 적합 합니다. 시스템에 PVDF 필름 센서를 통합 하 여 실시간 접착 힘 감지 고 다리는 물 표면23,,2425에서 당기는 때 처리 될 수 있습니다.
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Protocol
1. 물 스 트라이 더 다리에 표면 구조 관찰
- 낚시 방문 그물을 사용 하 여 로컬 민물 연못에서 물 소금을 수집 합니다.
- 가 위를 사용 하 여 실험 샘플으로 적어도 5 쌍의 중간 다리를 잘라. 표면 오염 및 미세 다리 앞의 방해를 방지 하기 위해 신중 하 게, 다리의 바닥을 터치 합니다.
- 공중에서 다리를 자연스럽 게 건조.
- 그림 1는에서 같이 마이크로 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 표면 미세 관찰.
- 그림 1b와 같이 나노 수준의 해상도 스캐닝 전자 현미경을 사용 하 여 다리의 microsetae를 관찰 합니다.
2. 준비 동적 힘 측정 시스템의 구성 요소
- 14.9 X 10.2 m m2 X 28 μ m, 10 개 이상의 생산의 차원 PVDF 필름 센서를 구입 마이크로 스트레인 당 mV.
참고: PVDF 필름 센서는 높은 감도와 동적 접촉 힘을 감지 하는 데 사용 됩니다. - 최대 1000 mV/pC 충전 이득 충전 앰프를 구입 하 고 낮은 소음 미만 5 μV.
참고: 충전 앰프는 변환기에서 충전 출력은 전압으로 변환할 PVDF 필름 센서에서 신호를 확대 하는 데 사용 됩니다. - 데이터 수집 장치, 아날로그 입력 범위는 1에서에서 샘플 속도가지고 있는 구매 102.4 kS/s s/s.
참고: 데이터 수집 디바이스는 충전 앰프의 전압 데이터 추가 처리를 위해 컴퓨터에 보내 고 표시 하는 데 사용 됩니다. - 몇몇 높은 정밀 변위 단계와는 전동기를 구입.
참고: 다리는 전동기에 의해 구동 하는 서로 다른 속도에서 물에서 출발 합니다. - 구입 CCD 카메라, 초점 길이가 5 m m 30 m m 및 프레임 속도 범위에는 30 프레임입니다.
참고:이 카메라는 기록 하 고 수 면과 다리와 물 표면 사이의 거리의 변형 모니터링 사용 됩니다. - 고성능 컴퓨터를 준비 합니다.
3. 동적 힘 측정 시스템의 모든 부품의 조립
- 그림 2a 와b 그림 2표시 된 실제 실험 악기 회로도 그림에 따라 동적 힘 측정 시스템을 조립.
- 다른 쪽은 매달려 서 수평 프레임에 배치 됩니다 높은 정밀 변위 단계로 전극을 가진 PVDF 필름 센서의 한쪽을 수정 합니다. PVDF 필름 센서의 설치 방법이 동적 마이크로 힘에 대 한 측정의 해상도 향상 시킬 수 있습니다.
- 충전 앰프, 데이터 수집 디바이스와 컴퓨터를 데이터 수집 디바이스를 충전 앰프에 PVDF 필름 센서를 연결 합니다.
- PVDF 필름 센서의 왼쪽에 배치 됩니다 높은 정밀 변위 단계로 카메라를 수정 합니다.
- 약 다리와 물 사이의 거리를 신속 하 게 조정, PVDF 필름 센서 위에 프레임 높은 정밀 변위 무대를 수정, PVDF 필름 센서에서 그 분리 약 10 ㎝ 이다.
- 정확한 속도로 물 표면에서 다리를 들어, 높은 정확한 변위 무대 아래 보조 전동기를 수정.
4. 동적 힘 측정 시스템의 교정
- 정전기 힘 시스템26 를 사용 하 여 누구의 크기 미만 0.5 µN. 내부 및 외부 전극에 적용 된 전압에 의해 시스템의 정전기 힘을 제어 해야 하는 PVDF 필름 센서의 자유로운 끝에 행동 하는 마이크로 상수 강제로 생성 뛰어난된 원통형 축전기.
주의: 힘 PVDF 필름 표면에 수직한 방향으로 행동 해야 하 고 응용 프로그램의 포인트 감도 높이기 위해 PVDF 필름 센서의 끝에 가능한 한 가까이 있어야 하는데. - 단계 입력을 생성 하기 위해 짧은 시간에 힘을 놓습니다.
- 수 읽기 PVDF 필름 센서의 출력 전압 신호 LabVIEW 소프트웨어를 사용 하 여 컴퓨터에서 4.2 단계의 전압-시간 신호를 읽어.
- LabVIEW 소프트웨어 및 Ni-daqmx에는 공식 웹사이트의 내쇼날인스트루먼트 하드웨어 드라이버를 다운로드 합니다.
- 표시 된 그림 3는 LabVIEW를 사용 하 여 연속 아날로그 전압 측정의 데모를 엽니다.
- 채널 설정의 모듈에 충전 앰프와 연결 된 데이터 수집 디바이스의 물리적 채널을 선택 합니다.
- 100000 100000 타이밍설정 모듈에서 샘플의 수와 샘플링 속도 설정 합니다.
- 로깅 모드는 로그 및 읽기를 선택 하 고 로깅 설정의 모듈에 전압 데이터를 저장 파일 경로 작성.
- 트리거설정 모듈에서 아무 트리거 를 선택 합니다.
- 전압 신호를 샘플링 하려면 도구 모음에서 화살표 모양의 버튼을 클릭 합니다.
- 있는 피크 전압은 해당 강제 하는 센서에 행동 전압 곡선을 분석 합니다.
- 다른 힘 입력, 전압-포스 포인트의 시리즈 얻었다은에서 4.1-4.4 단계 반복 합니다.
- 피크 출력 전압 및 교정 결과에 표준 힘에 대 한 관계를 결정 합니다.
5. 특정 속도로 접착 힘의 측정
- 사용 하 여 기계적 micropipette PVDF 필름 센서의 자유로운 끝에 물방울 (5 µ L)를 배치 합니다.
참고: 위치는 물방울의 PVDF 필름 센서의 끝에 가까이 있어야 한다. - 높은 정밀 변위 무대 아래 보조 전동기를 단 하나 다리를 스틱.
- 그림 4는에서 같이 높은 정밀 변위 무대 아래로 다리 연락처 물 표면까지 이동 합니다. 센서의 왼쪽된 측면에 장착 된 카메라 시스템에 의해 다리와 물 표면 사이의 거리를 모니터링 합니다.
- 전동기를 통해 일정 한 속도로 물 표면에서 다리를 들어올립니다.
- 4.6, 단계에서 설립 하는 모델을 사용 하 여 출발 프로세스의 전압 곡선의 각 지점에 해당 하는 힘을 계산 하 고 그림 4b와 같이 과정, 출발의 힘-시간 곡선을 그립니다.
- 특정 속도에서 출발 과정의 피크 접착을 기록 합니다.
6. 다른 속도로 접착 힘의 측량.
- 전동기에 의해 다리의 운동 속도 변경 하 고 5 단계에 따라 접착 힘을 측정 한다.
- 6.1 단계에서 얻은 데이터를 사용 하 여 속도 곡선을 해제 대 접착 힘을 플롯 합니다.
- 접착 힘 및 곡선을 통해 리프팅 속도 사이의 관계를 분석 합니다.
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Representative Results
운동 속도 접착 힘 사이 관계는 표 1에 표시 됩니다. 드는 속도 0.01 m/s에서 0.3 m/s 증가, 접착은 물 표면 및 다리 감소 0.10에서 극적으로 0.03 사이 강제. 출발 실험의 결과 피크 접착 힘 드는 속도 증가, 물 소금 그들은 물 표면에 신속 하 게 이동 하는 경우 편안 하 게 느낄 수 있습니다 표시로 극적으로 감소 것이 보였다.
이 종이 쉽게 낮은 에너지 감소와 함께 물 표면에서 점프의 메커니즘을 명료 수 있는 다리의 미세 및 setae의 모양에 따라 수 면에서 출발 하는 다리의 모델이 설정 됩니다. 다리의 세타 였는 테이퍼 얇은 앞 부분 및 매우 두께, 후면 보듯이 그림 1, 후면 보다 훨씬 낮은 앞 부분의 강성을 초래한. 따라서,는 세타의 앞 부분 뒤쪽 우수한 강성 때문에 하지 않았다 하는 동안 쉽게 구 부 경향이 있었다. 다리는 물에서 때, 다리에 setae 접착 힘 결과로 구부러진 것 그리고 마지막으로 그림 5와 같이 물 표면에 수직. 물 무시 될 수 있는 낮은 에너지 소비와 자연스럽 게 setae 따라 나누어질 것 이다. 세타의 굽 힘을 줄일 것 이라고 연락처 선 크게 0.2 m의 직경을 가진 원형 및 에너지 절감으로 표현 될 수 있습니다.:
어디, y 표면 장력 계수, 72 mJ/m2 이었고 D 각각 세타의 팁의 직경을 했다. 따라서, 물 소금 쉽게 물 속에서 이동할 수 있습니다.
접착 힘 및 해제 속도 사이의 관계는 이전 출발 모델을 통해 철저 하 게 해석 되었다. 에너지 절약에 따라 접착 힘으로 인해 해제 물의 총 에너지 Ediss다리의 에너지 감소에 거의 동일 했다. 이 모델에서 Ediss 다른 리프팅 속도 일정 이었다. 따라서, Ep 위치 에너지와 운동 에너지 Ek를 포함 하 여, 업 물의 에너지 불변 이었다. 높은 드는 속도 작은 에너지 Ep 및 큰 운동 에너지 Ek이어질 것입니다. 따라서, 운동 속도 증가, 접착 힘, 위치 에너지 Ep에 비례 크게 줄일 것 이다.
그림 1: nonwetting 물 스 트라이 더다리. (a)는 setae superhydrophobic 다리에. (b)는 setae에 나노 홈. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 동적 힘 측정 시스템. (a) 동적 힘 측정 시스템의 개략도 그림은 PVDF 필름 센서, CCD 카메라, 충전 앰프, 데이터 수집 디바이스와 컴퓨터의 구성 되어 있습니다. (b) 실제 동적 힘 측정 시스템의 실험. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 연속적인 아날로그 전압 측정의 데모의 전면 패널. LabVIEW의 데모는 PVDF 필름 센서의 샘플 전압 신호에 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 특정 속도에서 다리의 출발 실험. (a) 물 표면에서 다리의 분리 (b) 실시간 접착 힘 PVDF 필름 센서에 의해 측정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 물 스 트라이 더의 다리는 물 표면에서 출발의 이론적 모델. 이 모델에서는 세타 물 표면에서 필 링을 절곡은 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
표 1: 다른 리프팅 속도에서 측정 하는 최대 접착 힘. 접착 힘 드는 0.3 m/s에서 0.01 m/s 속도의 증가 함께 0.03 μN을 0.10 μN에서 극적으로 감소 합니다.
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Discussion
이 프로토콜에 PVDF 필름 센서에 따라 동적 힘 측정 시스템은 성공적으로 고안, 조립, 측정 물 표면에서 접착 힘 보정. 전체 단계 가운데 그것은 중요 한 물에 빠른 공작의 현저한 특성에 초점을 맞춘이 연구로 수 면에서 다리를 들어올려 접착 힘 다른 속도에서 측정 했다. 출발 하는 실험의 결과 접착 힘 드는 속도 증가 감소 했다. 그들은 물에 고속에 이동 하는 경우 명확히 물 소금 느낄 것이 편안 합니다.
PVDF 기반 동적 힘 측정 방법은 전통적인 방법에 중요 한 보충 이다. 연구, 과거 분리 과정에서 물 소금의 접착 힘은 일반적으로 측정 유사 정적 모드에서 원자 힘 현미경 (AFM)에 의해. 도 불구 하 고 AFM 방법에 비해 측정 정확도 약간 열 등 한, PVDF 필름 센서 큰 거시적인 개체의 힘을 측정할 수 있다. 또한, 큰 주파수 응답 특성,으로 인해 PVDF 필름 센서 측정할 수 있는 다리와 물 표면 사이의 동적 상호 작용 AFM 수만 사용 준 정적 상태에서 반대로.
제안된 된 방법 그 유일한 마이크로 포스 gauged 수 국한 되었다 동적 힘 측정을 위한. 만약 우리가 매달려 센서에 큰 힘을 적용, 그것은 부정확 한 결과를 끌 것 이라고 PVDF 필름 센서의 상당한 변형을 발생할 것입니다. 또한, PVDF 필름 센서의 민감한 지역 작은,이 측정 된 개체의 크기를 제한 했다. 그러나, 종래의 방법 달리 제안된 된 방법 단지 전체 상호 작용 과정을 전시할 수 있는 정적 힘을 측정 하는 것 보다 동적 힘 측정 수 있었습니다.
PVDF 필름 센서에 따라이 메서드는 동적 힘을 감지 하 고 놀라운 유연성에 그것의 높은 감도 때문에 많은 분야에서 광범위 한 응용 프로그램 있다. 예를 들어 그려 왔다 진동 또는 큰 건물의 응답을 모니터링 하 여 구조 상태 모니터링 응용 프로그램에 많은 관심 모션27,28. 또한, PVDF 필름 센서는 직접 접착 과정에서 없는 유체 역학은 완전히 이해 되지 두 inviscid 방울 사이 상호 작용을 측정 하는 데 사용 됩니다. 또한, PVDF 필름 센서는 또한 로봇29에 촉각 감지에 중요 한 역할을 재생 합니다. 센서는 접촉 힘 뿐만 아니라 개체의 접촉 온도 측정 하는 로봇의 손끝에 포함 됩니다. 생물학 연구의 분야, PVDF 기반 힘 센서 단일 셀 조작의 높은 감도와 정확한 기계적 피드백 제어를 통해 DNA 주입 및 유전자 치료 등의 성공률을 향상 도움이 됩니다.
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Disclosures
저자는 공개 상관이 있다.
Acknowledgments
저자는 그들의 지원에 대 한 국가 핵심 기술 연구 및 과학과 기술의 중국 (No. 2011BAK15B06)의 개발 프로그램을 감사합니다. 슈 야 주앙 어 비디오 촬영을 완료 하는 데 도움에 대 한 우리의 실험실에서 마스터 학생입니다 감사 합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm - 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
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